线性代数第二章 矩阵.ppt

1、线性代数,主讲教师：兰星,全国高等教育自学考试 线性代数 兰 星,引例 某航空公司在 A、B、C、D 四座城市之间开辟了若干航线，四座城市之间的航班图如图所示，箭头从始发地指向目的地.,B,A,C,D,城市间的航班图情况常用表格来表示:,一、矩阵概念的引入,2.1 矩阵,为了便于计算，把表中的改成1，空白地方填上0，就得到一个数表：,A B C D,A B C D,这个数表反映了四个城市之间交通联接的情况.,其中aij 表示工厂向第 i 家商店 发送第 j 种货物的数量,例 某工厂生产四种货物，它向三家商店发送的货物数量可 用数表表示为：,这四种货物的单价及单件重量也可列成数表：,其中bi 1

2、 表示第 i 种货物的单价， bi 2 表示第 i 种货物的单件重量,由 mn 个数 排成的 m 行 n 列的数表,称为 m 行 n 列矩阵，简称 mn 矩阵,记作,二、矩阵的定义,简记为,这 mn 个数称为矩阵A的元素，简称为元.,元素是实数的矩阵称为实矩阵，,元素是复数的矩阵称为复矩阵.,是一个 矩阵,是一个 矩阵,是一个 矩阵,是一个 矩阵.,例如,是一个 实矩阵,行数与列数都等于 n 的矩阵，称为 n 阶方阵可记作 . 只有一行的矩阵 称为行矩阵(或行向量) . 只有一列的矩阵 称为列矩阵(或列向量) . 元素全是零的矩阵称为零距阵可记作 O .,例如：,三、特殊的矩阵,4.形如 的方

3、阵称为对角阵.,记作,方阵,称为数量矩阵.,(或纯量阵),记作 或 ,特别的，方阵 称为单位阵,5、方阵,称为上三角形矩阵 （或上三角阵）,方阵,称为下三角矩阵 （或下三角阵）,上三角与下三角阵统称为三角形矩阵（或三角阵）,6、对称矩阵与反对称矩阵,定义,设A为n 阶方阵，如果满足 那末 A 称为对称(矩)阵.,对称阵的元素以主对角线为对称轴对应相等.,说明,例如,是对称矩阵.,定义,设B为n阶方阵，如果满足 那末 B 称为反对称(矩)阵.,例如,是反对称矩阵.,7、同型矩阵与矩阵相等的概念,两个矩阵的行数相等、列数相等时，称为同型矩阵.,例如,为同型矩阵.,两个矩阵 与 为同型矩阵，并且对应

4、元 素相等，即 则称矩阵 A 与 B 相等，记作 A = B .,注意：不同型 的零矩阵是不 相等的.,例如,一、矩阵的加法,定义：设有两个 mn 矩阵 A = (aij)，B = (bij) ，那么矩阵 A 与 B 的和记作 AB，规定为,说明：只有当两个矩阵是同型矩阵时，才能进行加法运算.,2.2 矩阵的运算,知识点比较,矩阵加法的运算规律,设 A、B、C 是同型矩阵,设矩阵 A = (aij) ，记A = (aij)，称为矩阵 A 的负矩阵 显然,二、数与矩阵相乘,定义：数 l 与矩阵 A 的乘积记作 l A 或 A l ，规定为,数乘矩阵的运算规律,设 A、B是同型矩阵，l , m 是

5、数,矩阵相加与数乘矩阵合起来，统称为矩阵的线性运算.,知识点比较,一、矩阵与矩阵相乘,定义：设 ， ，那么规定矩阵 A 与矩阵 B 的乘积是一个 mn 矩阵 ，其中,并把此乘积记作 C = AB,只有当左边矩阵A 的列数等于右边矩阵B 的行数时，两个矩阵相乘才有意义.,乘积矩阵C的行数等于矩阵A的行数，列数等于矩阵B的列数.,乘积矩阵 第 行第 列元素 ，等于矩阵 的第 行元 素 ，与矩阵 的第 列元素 的乘积之和.,比如：设,则,利用矩阵的乘法,对于由m个方程，n个未知数组成的n元线性 方程组,可以写成：Ax =. 其中,又比如,结论： 矩阵乘法不一定满足交换律. 矩阵 ，却有 ，从而不能由

6、 得出 或 的结论,矩阵乘法的运算规律,(1) 乘法结合律,(3) 乘法对加法的分配律,(2) 数乘和乘法的结合律 （其中 l 是数）,(4) 单位矩阵在矩阵乘法中的作用类似于数1，即,推论：矩阵乘法不一定满足交换律，但是纯量阵 lE 与任何同阶方阵都是可交换的.,纯量阵不同于对角阵,(5) 矩阵的幂 若 A 是 n 阶方阵，定义,显然,思考：下列等式在什么时候成立？,A、B可交换时成立,方阵的多项式：已知x的一元m次多项式,对于n阶方阵A ，令,称上式为n阶方阵A的一元m次多项式.,例 设,，对于 ，,求,解,四、矩阵的转置,定义：把矩阵 A 的行换成同序数的列得到的新矩阵，叫做 A的转置矩

7、阵，记作AT .,比如,转置矩阵的运算性质,n 阶方阵A为对称阵,n 阶方阵A为反对称阵,例：已知,解法1,解法2,五、方阵的行列式,定义：由 n 阶方阵A的元素所构成的行列式，叫做方阵 A 的行列式，记作|A|或detA.即,运算性质,（ 均为n阶方阵）,3 矩阵分块法,由于某些条件的限制，我们经常会遇到大型文件无法上传的情况，如何解决这个问题呢?,这时我们可以借助WINRAR把文件分块，依次上传;家具的拆卸与装配,问题一：什么是矩阵分块法？,定义：用一些横线和竖线将矩阵分成若干个小块，这种操 作称为对矩阵进行分块；每一个小块称为矩阵的子块； 矩阵分块后，以子块为元素的形式上的矩阵称为分块矩

8、阵.,这是2阶方阵吗？,问题二：为什么提出矩阵分块法？,答：对于行数和列数较高的矩阵 A，运算时采用分块法，可以 使大矩阵的运算化成小矩阵的运算，体现了化整为零的思想.,一、分块矩阵的加法,若矩阵A、B是同型矩阵，且采用相同的分块法，即,则有,形式上看成是普通矩阵的加法！,二、分块矩阵的数乘,若l 是数，且 ，,则有,形式上看成是普通的数乘运算！,三、分块矩阵的乘法,一般地，设 A为ml 矩阵，B为l n矩阵 ，把 A、B 分块如下：,其中,按行分块以及按列分块,mn矩阵A 有m行n列，,若将第j 列记作,则,若将第i 行记作,于是设A为ms 矩阵，B 为s n矩阵，若把A 按行分块，把B 按

9、列块，则,四、分块矩阵的转置,分块矩阵不仅形式上进行转置， 而且每一个子块也进行转置,五、分块对角矩阵与分块三角形矩阵,分块对角矩阵的特点： A 的分块矩阵只有在对角线上有非零子块， 其余子块都为零矩阵， 对角线上的子块都是方阵，,定义1：形如 的分块矩阵，称为分块对角 矩阵或准对角矩阵,分块对角矩阵的性质,例如：,性质：设 是分块对角矩阵，则有,定义2：形如 的分块矩阵，称为分块上 三角行矩阵（其中 均为方阵）,定义3：形如 的分块矩阵，称为分块下 三角行矩阵（其中 均为方阵）,分块三角形角矩阵的性质,矩阵与数相仿，有加、减、乘三种运算. 矩阵的乘法是否也和数一样有逆运算呢？ 这就是本节所要

10、讨论的问题. 这一节所讨论的矩阵，如不特别说明，所指的都是 n 阶方阵.,从乘法的角度来看，n 阶单位矩阵 E 在同阶方阵中的地位类似于 1 在数中的地位 一个数 a 0的倒数 a1可以用等式 a a1 = 1 来刻划. 类似地，我们引入,对于 n 阶单位矩阵 E 以及同阶的方阵 A，都有,2.4 逆矩阵,定义1：设A为 n 阶方阵 ，如果存在 n 阶方阵 B，使得,则称n 阶方阵A 为可逆矩阵.（其中 E 是 n 阶单位矩阵）,根据矩阵的乘法法则，只有方阵才能满足上述等式. 对于任意的 n 阶方阵 A，适合上述等式的矩阵 B 是唯 一的（如果有的话）.,定义2： 如果矩阵 B 满足上述等式，

11、那么 B 就称为 A 的逆矩阵， 记作 A1 ，即A1 =B.,下面要解决的问题是：（1）在什么条件下，方阵 A 是可逆的？（2）如果 A 可逆，怎样求 A1 ？,定义3：行列式 的各个元素的代数余子式,Aij 所构成的如下矩阵,称为矩阵 A 的伴随矩阵.记作 .,性质,证明,性质： ，其中 是 的伴随矩阵,定理：方阵 可逆的充分必要条件是 ，并且 当A可逆时，有,推论：设 n 阶方阵A、B 满足： 那么A、B都是可逆矩阵，,并且它们互为逆矩阵，即,方阵A可逆,此时，称矩阵A为非奇异矩阵,例：求二阶矩阵 的逆矩阵.,（其中 ）,解,且,例：求3阶方阵 的逆矩阵.,解：| A | = 1，,则,

12、性质： 如果 n 阶方阵A、B可逆，那么 、 、 与AB也可逆，且,分块对角矩阵的逆,设 是分块对角矩阵，且 均为可逆矩阵，则 也可逆，且,例 设矩阵A,B,C和X分别满足下列等式，求矩阵X：,（1）AX=B ;,（2）XA=C.,解,其中,则有,（1)用A-1左乘等式AX=B两边，得到,（2)用A-1右乘等式XA=C两边，得到,（1）交换 的某两行（列），记作 ；,（2）以非零常数 k 乘以 的某一行（列）的所有元素，记 作 ；,（3）将 的某一行（列）加上另一行（列）的 k 倍，记作 .,矩阵的初等行变换与初等列变换统称为初等变换,定义1：设矩阵 ，则下列三种变换称为矩阵的初等 行（列）变

13、换：,2.5 矩阵的初等变换和初等矩阵,一、矩阵的初等变换与初等矩阵,定义2：由单位矩阵 E 经过一次初等变换得到的矩阵称为 初等矩阵.,对调单位阵的两行（列）,记作 P ( i, j ) ;,(2)以常数 k0 乘单位阵的某一 行（列）,(3)以 k 乘单位阵的某一 行（列）加到另一 行（列）,三种初等变换对应着三种初等矩阵.,记作 P (i(k) ;,记作 P (i j(k),(1) 对调单位阵的第 i, j 行（列），,记作 P5(3, 5),记作 Pm( i, j ),(2)以常数 k0 乘单位阵第 i 行（列），,记作 P5 (3(k),记作 P m(i(k),(3)以 k 乘单位阵

14、第 j 行加到第 i 行,记作 P5(35(k),记作 Pm (ij(k),以 k 乘单位阵第 i 列加到第 j 列,?,两种理解！,结论,定理1： 设A是一个 mn 矩阵， （1）对 A 施行一次初等行变换，相当于在 A 的左边乘以相应的 m 阶初等矩阵； （2）对 A 施行一次初等列变换，相当于在 A 的右边乘以相应的 n 阶初等矩阵.,口诀：左行右列.,因为“对于n 阶方阵A、B，如果AB = E，那么A、B都是 可逆矩阵，并且它们互为逆矩阵”，,所以 ,一般地， ,因为“对于n 阶方阵A、B，如果AB = E，那么A、B都是 可逆矩阵，并且它们互为逆矩阵”，,所以 ,一般地， ,?,因

15、为“对于n 阶方阵A、B，如果AB = E，那么A、B都是 可逆矩阵，并且它们互为逆矩阵”，,所以 ,一般地， ,?,初等变换,初等变换的逆变换,初等矩阵,初等矩阵的逆矩阵,初等矩阵的逆矩阵是：,?,初等矩阵的性质：,性质1 初等矩阵的转置矩阵仍为初等矩阵.,性质2 初等矩阵为可逆矩阵，并且其逆矩阵仍为初等矩阵.,矩阵之间的等价关系具有下列性质： 反身性 ； 对称性 若 ，则 ； 传递性 若 ，则 ,二、矩阵之间的等价关系,有限次初等变换,则称矩阵 A 与矩阵 B 等价，记作,行阶梯形矩阵： 可画出一条阶梯线，线的下方全为零； 每个台阶只有一行； 阶梯线的竖线后面是非零行的第一个非零元素.,行

16、最简形矩阵： 非零行的第一个非零元为1; 这些非零元所在的列的其它元素都为零.,行最简形矩阵： 非零行的第一个非零元为1; 这些非零元所在的列的其它元素都为零.,标准形矩阵： 左上角是一个单位矩阵，其它元素全为零.,标准形矩阵由m、n、r三个参数完全 确定，其中 r 就是行阶梯形矩阵中非 零行的行数.,三者之间的包含关系,定理2: 任意矩阵 都可以经过初等变换与一个形如,的（分块）矩阵等价，这个矩阵称为矩阵 的等价标准形， 记作 ，并且 唯一，与所做的初等变换无关,零矩阵 的等价标准形为其自身.,任何矩阵,行最简形矩阵,行阶梯形矩阵,标准形矩阵,结论,定理3：两个 mn 矩阵A与B等价的充分必

17、要条件是A与B有 相同的等价标准形.,例 求矩阵 的等价标准形，并写出每次初等变换对 应的初等矩阵.,解,初等变换（1）对应的初等矩阵为：,初等变换（2）对应的初等矩阵为：,初等变换（3）对应的初等矩阵为：,从而有：,推论1 对任意mn矩阵A，必存在m阶初等矩阵P1, P2, , Ps 和n阶初等矩阵Q1 , Q2, , Qt ，使得 P1 P2 Ps A Q1 Q2 Qt =,推论3 n阶矩阵 A 可逆的充要条件是A 的等价标准形 = E .,推论4 n阶矩阵A可逆的充要条件是存在n阶初等矩阵P1, P2, , Ps 和Q1 , Q2, , Qt ，使得 P1 P2 Ps A Q1 Q2 Q

18、t =E 即 n阶矩阵A可逆的充要条件是A可以表示为有限个初等矩阵的乘积.,推论2 对任意mn矩阵A，必存在m阶初等矩阵P和n阶初等矩Q， 使得 PA Q=,三、求逆矩阵的初等变换法,解,例,即,四、用初等行变换法求解形如AX=B的矩阵等式,利用初等行变换求逆阵的方法，还可用于求矩阵,矩阵等式 AX=B 中，如果 A 与B为已知矩阵，并且 A 可逆，则,例,解,一、矩阵的秩的概念,定义1：在 mn 矩阵 A 中，任取 k 行 k 列( k m,kn)，位于这些行列交叉处的 k2 个元素，不改变它们在 A中所处的位置次序而得的 k 阶行列式，称为矩阵 A 的 k 阶子式,显然，mn 矩阵 A 的

19、 k 阶子式共有 个,2.6 矩阵的秩,定义2：设矩阵 A 中有一个不等于零的 k 阶子式 D，且所有 k +1 阶子式（如果存在的话）全等于零，那么 D 称为矩阵 A的 最高阶非零子式，数 k 称为矩阵 A 的秩，记作 r(A)=k,规定：零矩阵的秩等于零,矩阵 A 的一个 3 阶子式,矩阵 A 的 2 阶子式,如果矩阵 A 中所有 2 阶子式都等于零，那么这个 3 阶子式也等于零,（1）根据行列式按行（列）展开法则可知，矩阵 A 中任何一个r +2 阶子式（如果存在的话）都可以用 r +1 阶子式来表示 （2）如果矩阵 A 中所有 r +1 阶子式都等于零，那么所有 r +2阶子式也都等于

20、零 （3)事实上，所有高于 r +1 阶的子式（如果存在的话）也都等于零 . 因此矩阵 A 的秩就是 A 中非零子式的最高阶数,矩阵 A 的秩就是 A 中非零子式的最高阶数,显然， 若矩阵 A 中有某个 s 阶子式不等于零，则 r(A) s ； 若矩阵 A 中所有 t 阶子式等于零，则 r(A) t 若 A 为 n 阶矩阵，则 A 的 n 阶子式只有一个，即|A| 当|A|0 时， r(A) = n ; 可逆矩阵（非奇异矩阵）又称为满秩矩阵 当|A| = 0 时， r(A) n ; 不可逆矩阵（奇异矩阵）又称为降秩矩阵 若 A 为 mn 矩阵，则 0r(A)min(m, n) r(AT) =

21、r(A) ,矩阵 A 的一个 2 阶子式,矩阵 AT 的一个 2 阶子式,AT 的子式与 A 的子式对应相等，从而 r(AT) = r(A) ,例：求矩阵 A 和 B 的秩，其中,解：在 A 中，2 阶子式 ,A 的 3 阶子式只有一个，即|A|，而且|A| = 0，因此 r(A) = 2,例：求矩阵 A 和 B 的秩，其中,解（续）：B 是一个行阶梯形矩阵，其非零行有 3 行，因此其 4 阶子式全为零,以非零行的第一个非零元为对角元的 3 阶子式,，因此 r(B) = 3 ,还存在其它3 阶非零子式吗？,例：求矩阵 A 和 B 的秩，其中,解（续）：B 还有其它 3 阶非零子式，例如,结论：行阶梯形矩阵的秩就等于非零行的行数,二、矩阵的秩的计算,例：求矩阵 A 的秩，其中 ,分析：在 A 中，2 阶子式 ,A 的 3 阶子式共有 (个)， 要从40个子式中找出一个非零子式是比较麻烦的,一般的矩阵，当行数和列数较高时，按