July 3, 2017 - Shawn Zhong

第11讲分块矩阵

$11.1 矩阵的分块 • 引例 ○ A=(■8(1&0&0&1@0&1&0&2@0&0&1&3@0&0&0&4))_(4×4)=(■8(A_1&A_2@A_3&A_4 ))_(2×2),其中 ○ A=(■8(A_1&A_2@A_3&A_4 ))_(2×2),其中{█(A_1=I_2@A_2=(■8(0&1@0&2))@A_3=0@A_4=(■8(1&3@0&4)) )┤ ○ A=(■8(I^3&M@0&4)),其中 M=(■8(1@2@3)) • 常见的分块方法 ○ 按列分：A=(A_1,A_2,A_3,A_4 ) ○ 按行分：A=(■8(B_1@B_2@B_3@B_4 )) • 运算 ○ 假设 A=(■8(A_11&A_12&A_13@A_21&A_22&A_23 )), B=(■8(B_11&B_12&B_13@B_21&B_22&B_23 )) ○ 数乘 § kA=(■8(kA_11&kA_12&〖kA〗_13@kA_21&〖kA〗_22&kA_23 )) ○ 加法 § A+B=(■8(A_11+B_11&A_12+B_12&A_13+B_13@A_21+B_21&A_22+B_22&A_23+B_23 )) ○ 转置 § A^T=(■8(A_11^T&A_21^T@A_12^T&A_22^T@A_13^T&A_23^T )) 11.2 分块矩阵的乘法 • 前提条件 ○ A=(■8(A_11&A_12&…&A_1t@A_21&A_22&…&A_2t@⋮&⋮&⋮&⋮@A_s1&A_s2&…&A_st )), B=(■8(B_11&B_12&…&B_1r@B_21&B_22&…&B_2r@⋮&⋮&⋮&⋮@B_t1&B_t2&…&B_tr )) ○ A 的列分块方式与 B 的行分块方式一致时，才能做分块乘法 • 例子：已知 A=(■8(1&0&0&1@0&1&0&2@0&0&1&3))_(3×4), B=(■8(1&0@0&1@1&0@0&1))_(4×2)，求 AB ○ 分法1 § A=(■8(1&0&0&1@0&1&0&2@0&0&1&3))_(3×4) =┴分块 (■8(1&(■8(0&0))&1@(■8(0@0))&(■8(1&0@0&1))&(■8(2@3)) ))_(2×3) § B=(■8(1&0@0&1@1&0@0&1))_(4×2) =┴分块 (■8(1&0@(■8(0@1))&(■8(1@0))@0&1))_(3×2) § AB=(■8(1&(■8(0&0))&1@(■8(0@0))&(■8(1&0@0&1))&(■8(2@3)) ))_(2×3) (■8(1&0@(■8(0@1))&(■8(1@0))@0&1))_(3×2)=(■8(C_1&C_2@C_3&C_4 ))_(2×2) § 其中 {█(C_1=1+(■8(0&0))(■8(0@1))+0=1@C_2=0+(■8(0&0))(■8(1@0))+1=0@C_3=(■8(0@0))1+(■8(1&0@0&1))(■8(0@1))+(■8(2@3))0=(■8(0@1))@C_4=(■8(0@0))0+(■8(1&0@0&1))(■8(1@0))+(■8(2@3))1=(■8(3@3)) )┤⇒AB=(■8(1&1@0&3@1&3))_(3×2) ○ 分法2 § A=(■8(1&0&0&1@0&1&0&2@0&0&1&3))_(3×4)=(■8(I_3&(■8(1@2@3)) ))_(1×2) § B=(■8(1&0@0&1@1&0@0&1))_(4×2)=(■8((■8(1&0@0&1@1&0))@(■8(0&1)) ))_(2×1) § AB=I_3 (■8(1&0@0&1@1&0))+(■8(1@2@3))(■8(0&1))=(■8(1&0@0&1@1&0))+(■8(0&1@0&2@0&3))=(■8(1&1@0&3@1&3))_(3×2) ○ 分法3 § A=(■8(1&0&0&1@0&1&0&2@0&0&1&3))_(3×4)=(■8(I_2&(■8(0&1@0&2))@(■8(0&0))&(■8(1&3)) ))_(2×2) § B=(■8(1&0@0&1@1&0@0&1))_(4×2)=(■8(I_2@I_2 ))_(2×1) § AB=(■8(C_1@C_2 )),其中{█(C_1=I_2+(■8(0&1@0&2))=(■8(1&1@0&3))@C_2=(■8(0&0))+(■8(1&3))=(■8(1&3)) )┤⇒AB=(■8(1&1@0&3@1&3)) 11.3 分块矩阵的行列式 • 分块矩阵行列式成立有条件 ○ |■8(A&B@C&D)|≠|A||D|−|B||C| ○ |■8(A_(r×r)&0_(r×s)@C_(s×r)&D_(s×s) )|=(−1)^(2(1+2+…+r)) |A||D|=|A||D| ○ |■8(A_(r×r)&B_(r×s)@0_(s×r)&D_(s×s) )|=(−1)^(2(1+2+…+r)) |A||D|=|A||D| • 下三角分块矩阵 ○ |■8(A_11&0&0&…&0@A_21&A_22&0&…&0@A_31&A_32&A_33&…&0@⋮&⋮&⋮&⋱&⋮@A_s1&A_s2&A_s3&…&A_ss )|=|A_11 ||A_22 |…|A_ss | • 上三角分块矩阵 ○ |■8(A_11&A_12&A_13&…&A_1s@0&A_22&A_23&…&A_2s@0&0&A_33&…&A_3s@⋮&⋮&⋮&⋱&⋮@0&0&0&…&A_ss )|=|A_11 ||A_22 |…|A_ss | • 对角形分块矩阵 ○ |■8(A_11&0&0&…&0@0&A_22&0&…&0@0&0&A_33&…&0@⋮&⋮&⋮&⋱&⋮@0&0&0&…&A_ss )|=|A_11 ||A_22 |…|A_ss | • 例题：已知分块矩阵 D=(■8(A_(r×r)&C_(r×s)@0_(s×r)&B_(s×s) )), 其中 A,B 可逆，求证 D 可逆 ○ |D|=|A||B|≠0⇒D 可逆 ○ 设 D^(−1)=(■8(X&Y@Z&W)) ○ 则〖DD〗^(−1)=(■8(A&C@0&B))(■8(X&Y@Z&W))=(■8(AX+CZ&AY+CW@BZ&BW))=I=(■8(I_r&0@0&I_s )) ○ ⇒{█(AX+CZ=I@AY+CW=0@BZ=0@BW=I)┤⇒{█(X=A^(−1)@Y=−A^(−1) CB^(−1)@Z=0@W=B^(−1) )┤⇒D^(−1)=(■8(A^(−1)&−A^(−1) CB^(−1)@0&B^(−1) ))$

第12讲矩阵的初等变换

$12.1 初等变换 1. 交换两行(列) ○ (■8(a_11&a_12&a_13@a_21&a_22&a_23 )) →┴(r_1↔r_2 ) (■8(a_21&a_22&a_23@a_11&a_12&a_13 )) 2. 用一非零的数 k 乘以某一行(列) ○ (■8(a_11&a_12&a_13@a_21&a_22&a_23 )) →┴(kr_1 ) (■8(ka_11&ka_12&ka_13@a_21&a_22&a_23 )) 3. 用一行(列)的 l 被加到另一行(列) ○ (■8(a_11&a_12&a_13@a_21&a_22&a_23 )) →┴(r_2+lr_1 ) (■8(a_11&a_12&a_13@a_21+la_11&a_22+la_12&a_23+la_13 )) • 初等行变换可以看作对线性方程组 {█(a_11 x_1+a_12 x_2+…+a_1n x_n=b_1@a_21 x_1+a_22 x_2+…+a_2n x_n=b_2@⋮@a_n1 x_1+a_n2 x_2+…+a_nn x_n=b_n )┤ 的操作 12.2 初等矩阵 • 定义 ○ 单位矩阵 I 经过一次初等变换得到的矩阵 • 三类初等矩阵 ○ I=(■(1&&@&⋱&@&&1)) →┴(交换两行(列)) I(ij)=(■(1&&&&&&@&⋱&&&&&@&&0&…&1&&@&&⋮&⋱&⋮&&@&&1&…&0&&@&&&&&⋱&@&&&&&&1)) ○ I=(■(1&&@&⋱&@&&1)) →┴(将一非零数 k 乘到第 i 行) I(i(k))=(■(1&&&&@&⋱&&&@&&k&&@&&&⋱&@&&&&1)) ○ I=(■(1&&@&⋱&@&&1)) →┴(将第 j 行的 l 倍加到第 i 行) I(ij(l))=(■(1&&&&&&@&⋱&&&&&@&&1&…&l&&@&&&⋱&⋮&&@&&&&1&&@&&&&&⋱&@&&&&&&1)) • 练习：判断初等矩阵 ○ (■8(1&0&0@0&2&0@0&0&1)) 是 ○ (■8(1&0&0@0&2&0@0&0&3)) 否 ○ (■8(0&0&1@0&1&0@1&0&0)) 是 ○ (■8(0&1&0@0&0&1@1&0&0)) 否 ○ (■8(1&2&0@0&1&0@0&0&1)) 是 • 定理 ○ 对 A_(m×n) 做初等行变换相当于左乘相应的初等矩阵 I(ij)_m, I(i(k))_m, I(ij(k))_m ○ 对 A_(m×n) 做初等列变换相当于右乘相应的初等矩阵 I(ij)_n, I(i(k))_n, I(ij(k))_n • 练习 ○ A=(■8(A_1@A_2@A_3 )) ○ 第一类变换 § I(ij)=I(1,2)=(■8(0&1&0@1&0&0@0&0&1)) § I(1,2)A=(■8(0&1&0@1&0&0@0&0&1))(■8(A_1@A_2@A_3 ))=(■8(A_2@A_1@A_3 )) ○ 第二类变换 § I(i(k))=I(1(k))=(■8(k&0&0@0&1&0@0&0&1)) § I(1(k))A=(■8(k&0&0@0&1&0@0&0&1))(■8(A_1@A_2@A_3 ))=(■8(〖kA〗_1@A_2@A_3 )) ○ 第三类变换 § I(ij(k))=I(2,1(l))=(■8(1&0&0@l&1&0@0&0&1)) § I(2,1(l))A=(■8(1&0&0@l&1&0@0&0&1))(■8(A_1@A_2@A_3 ))=(lA_1+■8(A_1@A_2@A_3 )) • 例题：已知 |A_(3×3) |=3，B 是 A 交换 1,2 行得到的，求 |BA^∗ | ○ B=I(12)A=(■8(0&1&0@1&0&0@0&0&1))A ○ |BA^∗ |=|I(12)AA^∗ |=|(I(12)|A|I)|=|A|^3 |I(12)||I|=3^3×(−1)×1 • 性质：初等矩阵都是可逆的 ○ I(ij)I(ij)=I ○ I(i(k^(−1)))I(i(k))=I ○ I(ij(−l))I(ij(l))=I 12.3 矩阵等价 • 定义 ○ 矩阵 A 与 B 等价 ⇔B 可由 A 经过一系列初等变换的得到 • 等价关系的三个性质 ○ 反身性：A 与 A 等价 § 矩阵等价显然满足反身性 ○ 对称性：A 与 B 等价⇔B 与 A 等价 § B=P_1…P_s 〖AQ〗_1…Q_t § ⇒A=P_s^(−1)…P_1^(−1) BQ_t^(−1)…Q_1^(−1) § 故矩阵等价满足对称性 ○ 传递性：若 A 与 B 等价，且 B 与 C 等价，则 A 与 C 等价 § {█(B=P_1…P_s 〖AQ〗_1…Q_t@C=R_1…R_l 〖BS〗_1…S_m )┤ § ⇒C=R_1…R_l 〖P_1…P_s 〖AQ〗_1…Q_t S〗_1…S_m § 故矩阵等价满足传递性 • 等价标准形 ○ 定义 § A_(m×n) 的等价标准形 D=(■8(I_r&0_(r×(n−r))@0_((m−r)×r)&0_((m−r)×(n−r)) )) ○ 例1：(■8(1&0&1@2&0&−1@3&1&2))_(3×3) 的等价标准形 § A=(■8(1&0&1@2&0&−1@3&1&2)) (→┴(r_2−2r_1 ))┬(r_3−3r_1 ) (■8(1&0&1@0&0&−3@0&1&−1)) →┴(r_2↔r_3 ) (■8(1&0&1@0&1&−1@0&0&−3)) →┴(r_3×(−1/3) ) (■8(1&0&1@0&1&−1@0&0&1)) (→┴(r_1−r_3 ))┬(r_2+r_3 ) (■8(1&0&0@0&1&0@0&0&1)) ○ 例2：2×3 矩阵所有可能的等价标准形 § (■8(0&0&0@0&0&0)) § (■8(1&0&0@0&0&0)) § (■8(1&0&0@0&1&0)) 12.4 关于初等变换的重要定理 • 定理1：可逆矩阵 A 的等价标准形 D=I ○ D=P_1…P_s 〖AQ〗_1…Q_t ○ {█(|A|≠0@|P_i |≠0@|Q_j |≠0)┤⇒|D|=|P_1 |…|P_s ||A||Q_1 |…|Q_t |≠0 ○ ∴D=I • 定理2：可逆矩阵 A 可以写成一系列初等矩阵的乘积 ○ A=P_1…P_s IQ_1…Q_t=P_1…P_s Q_1…Q_t • 推论1：A 与 B 等价⇔B=PAQ (其中 P,Q 可逆) ○ B=P_1…P_s 〖AQ〗_1…Q_t=PAQ, 其中 {█(P=P_1…P_s@Q=Q_1…Q_t )┤ • 推论2：可逆矩阵 A 只需初等行变换就可以化成 D=I ○ A=P_1…P_s=P_1…P_s I ○ ⇒P_s^(−1)…P_2^(−1) P_1^(−1) A=I 12.5 用初等变换求逆 • 思路 ○ 对于可逆矩阵 A , 根据推论2 ○ {█(P_1…P_s A=I@A^(−1)=P_1…P_s I)⇒{█(对 A 做一系列初等行变换可以得到 I@对 I 做同样变换可以得到 A^(−1) )┤┤ ○ 即分块矩阵 (■8(A&I))_(n×2n) 可以通过一系列初等行变换得到 (■8(I&A^(−1) ))_(n×2n) • 例：A=(■8(1&0&1@2&0&−1@3&1&2)), 求 A^(−1) ○ (■8(A&I))_(n×2n)=(■8(1&0&1&1&0&0@2&0&−1&0&1&0@3&1&2&0&0&1))_(3×6)→(■8(1&0&1&1&0&0@0&0&−3&−2&1&0@0&1&−1&−3&0&1))→(■8(1&0&1&1&0&0@0&1&−1&−3&0&1@0&0&−3&−2&1&0))→(■8(1&0&1&1&0&0@0&1&−1&−3&0&1@0&0&1&2/3&−1/3&0))→(■8(1&0&1&1&0&0@0&1&0&−7/3&−1/3&1@0&0&1&2/3&−1/3&0))→(■8(1&0&0&1/3&1/3&0@0&1&0&−7/3&−1/3&1@0&0&1&2/3&−1/3&0))=(■8(I&A^(−1) )) ○ ⇒A^(−1)=(■8(1/3&1/3&0@−7/3&−1/3&1@2/3&−1/3&0))$

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