Elementary Matrix Transformations
一、初等变换
初等行变换:只对行进行变换;初等列变换:只对列进行变换
初等变换:初等行变换和初等列变换的统称
- 对换两 行/列,
- 以数 乘某一 行/列 中的所有元
- 将某一行/列所有元的 倍加到另一 行/列 对应的元上,
(显然这三种初等变换都是可逆的,且逆变换是同一类型的初等变换。)
矩阵的等价:,如果矩阵 经过有限次初等变换得到矩阵 ,称为矩阵 与矩阵 等价
- 反身性:
- 对称性:若 ,则
- 传递性:若 ,,则
二、初等变换的意义
非零矩阵 行阶梯形矩阵 行最简形矩阵 标准型
- 行阶梯形矩阵:非零行在零行的上面,非零行的首元所在列在上一行的首元所在列的右边
- 行最简形矩阵:行阶梯形矩阵的非零行的首元为 1,首元所在列的其他元素为 0
- 标准型:对行最简形矩阵施加初等列变换
和 为 阶的矩阵
-
经过初等行变换得到 的充分必要条件为:存在 阶可逆矩阵 ,使得 对矩阵 施加一次初等行变换,相当于在 的左边乘以初等矩阵
-
经过初等列变换得到 的充分必要条件为:存在 阶可逆矩阵 ,使得 对矩阵 施加一次初等列变换,相当于在 的右边乘以初等矩阵
-
经过初等变换得到 的充分必要条件为:存在 阶可逆矩阵 、 阶可逆矩阵 ,使得
AI 结构化补充(2026-05-02)
Elementary Matrix Transformations
初等行变换
初等行变换是在矩阵行上执行的三类基本可逆操作:
- 行交换:。
- 行倍乘:,其中 。
- 行倍加:,其中 。
在线性方程组中,行表示方程。因此初等行变换是在替换方程列表:交换方程顺序、把一个方程乘以非零常数,或用一个方程加上另一个方程的倍数。只要操作可逆,变换前后的方程组解集相同。
三类操作的可逆性
每一类初等行变换都有同类逆操作。
- 行交换的逆操作仍是交换同两行。
- 的逆操作是 。
- 的逆操作是 。
非零倍乘条件 很关键;若把一行乘以 ,原方程信息会丢失,不能保持解集。
对应的初等矩阵
对 矩阵 做一次初等行变换,等价于在左侧乘一个 初等矩阵 :
这个初等矩阵可由单位矩阵 执行同样的行操作得到。
行交换对应置换矩阵;行倍乘对应把单位矩阵某个对角元改为 ;行倍加对应在单位矩阵的非对角位置加入 。消元矩阵就是行倍加的一种特殊形式,例如
对应
保持解集的条件
对方程组
保持解集的变换必须同时作用于等号两边:
其中 可逆。用增广矩阵写就是
如果只把 变为 而不把 变为 ,就不再是原系统的等价变换。
列变换一般不保持 的原未知量解集,因为列对应变量方向。若对 做右乘列变换 ,需要同时重解释未知量,例如令 ,才可以建立新旧系统之间的关系。
矩阵等价
若矩阵 经过有限次初等行变换得到 ,则存在可逆矩阵 使
若经过有限次初等列变换得到 ,则存在可逆矩阵 使
若同时允许行、列初等变换,则有
矩阵等价保留秩等结构量,但不一定保留作为同一方程组时的解集解释。
与消元的关系
高斯消元使用的主要是行倍加:
当主元为零或过小时,还会使用行交换。这些操作都可逆,所以消元后的 与原来的 表示同一个解集。若把所有行倍加操作写成消元矩阵连乘,就得到矩阵化的消元过程;若再整理其逆矩阵,就得到LU分解中的下三角因子。