高等代数 · 课程学习笔记

第 P56 集 · 三十八:矩阵运算律、单位矩阵

Matrix Operation Laws and Identity Matrix
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P56 / 151 集 核心概念:结合律 · 分配律 · 单位矩阵 · 矩阵代数
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◎学习目标

  1. ✅ 掌握矩阵乘法的结合律:\((AB)C = A(BC)\),理解其证明思路;
  2. ✅ 掌握矩阵乘法的分配律:\(A(B+C) = AB + AC\)(左分配)和 \((B+C)A = BA + CA\)(右分配);
  3. ✅ 理解单位矩阵\(I_n\) 的定义,掌握 \(AI_n = I_nA = A\) 的基本性质;
  4. ✅ 认识到矩阵乘法虽然不满足交换律,但满足结合律和分配律,构成一个环(matrix ring)的结构;
  5. ✅ 能够熟练运用矩阵运算律简化矩阵表达式和进行矩阵运算。

1矩阵乘法的结合律 ⏱ 00:00

矩阵乘法虽然不满足交换律,但它满足结合律——这与变换复合的结合律完全对应。

定理 · 矩阵乘法结合律 设 \(A\) 是 \(s \times n\) 矩阵,\(B\) 是 \(n \times m\) 矩阵,\(C\) 是 \(m \times p\) 矩阵,则
\[ (AB)C = A(BC). \]

即三个矩阵可以相乘时,乘法运算的顺序可以任意改变,只要保持矩阵的相对顺序不变。⏱ 00:30

证明思路:用下标公式验证

左端 \((AB)C\) 的第 \((i,j)\) 元:

\[ ((AB)C)_{ij} = \sum_{l=1}^{m} (AB)_{il}\, c_{lj} = \sum_{l=1}^{m}\left(\sum_{k=1}^{n} a_{ik}b_{kl}\right)c_{lj}. \]

右端 \(A(BC)\) 的第 \((i,j)\) 元:

\[ (A(BC))_{ij} = \sum_{k=1}^{n} a_{ik}\,(BC)_{kj} = \sum_{k=1}^{n} a_{ik}\left(\sum_{l=1}^{m} b_{kl}c_{lj}\right). \]

由于数乘法的交换律和结合律,两个双重求和相等:⏱ 01:15

\[ \sum_{l=1}^{m}\sum_{k=1}^{n} a_{ik}b_{kl}c_{lj} = \sum_{k=1}^{n}\sum_{l=1}^{m} a_{ik}b_{kl}c_{lj}. \]

故 \((AB)C = A(BC)\)。证毕。

变换复合的观点 丘老师强调:矩阵乘法的结合律可以从线性变换复合的结合律直接得到。因为矩阵乘法原本就是由变换复合引出的,所以自然应该满足结合律。⏱ 02:10

2矩阵乘法的分配律 ⏱ 03:00

矩阵乘法满足左分配律和右分配律,但不满足交换律,因此必须区分左右。

定理 · 矩阵乘法分配律 设 \(A\) 是 \(s \times n\) 矩阵,\(B\) 和 \(C\) 都是 \(n \times m\) 矩阵,则
\[ A(B + C) = AB + AC \quad \text{(左分配律)}, \] \[ (B + C)A = BA + CA \quad \text{(右分配律)}. \]
左分配律的证明

考虑 \((A(B+C))_{ij}\) 与 \((AB + AC)_{ij}\):

\[ (A(B+C))_{ij} = \sum_{k=1}^{n} a_{ik}(b_{kj} + c_{kj}) = \sum_{k=1}^{n} a_{ik}b_{kj} + \sum_{k=1}^{n} a_{ik}c_{kj} = (AB)_{ij} + (AC)_{ij}. \]

最后一步由数的分配律 \(a_{ik}(b_{kj}+c_{kj}) = a_{ik}b_{kj} + a_{ik}c_{kj}\) 和求和的线性性质得到。⏱ 04:30

右分配律的证明完全类似,将左矩阵的列指标换成行指标即可。

重要结论 矩阵乘法的三条运算律汇总:⏱ 05:40
\[ \boxed{(AB)C = A(BC)} \quad \text{(结合律)} \] \[ \boxed{A(B+C) = AB + AC} \quad \text{(左分配律)} \] \[ \boxed{(B+C)A = BA + CA} \quad \text{(右分配律)} \]

这些运算律保证了我们可以像处理数的表达式一样处理矩阵表达式,只需保持矩阵的顺序不变。

常见误区 因为有分配律,初学者容易错误地认为矩阵乘法可以"交换后分配",如误认为 \(A(B+C) = (B+C)A\) 或 \(AB + AC = BA + CA\)。这是完全错误的!分配律只保证括号展开时矩阵顺序不变,绝不意味着矩阵可以随意换位。

3单位矩阵的定义与性质 ⏱ 06:30

单位矩阵在矩阵运算中扮演角色类似于数 \(1\) 在数乘法中的角色。

定义 · 单位矩阵 \(n\) 阶单位矩阵\(I_n\)(或简记为 \(I\))是主对角线元素全为 1、其余元素全为 0 的 \(n \times n\) 矩阵:
\[ I_n = \begin{pmatrix} 1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 \end{pmatrix}. \]
元素 \(a_{ij}\) 满足:\(a_{ij} = \delta_{ij}\)(克罗内克符号),即 \(i=j\) 时为 1,否则为 0。⏱ 06:30
定理 · 单位矩阵的性质 设 \(A\) 是 \(s \times n\) 矩阵,则
\[ A \cdot I_n = I_s \cdot A = A. \]
即单位矩阵左乘或右乘任何相容的矩阵都等于该矩阵本身。⏱ 07:30
证明:\(AI_n = A\)

计算 \((AI_n)_{ij}\):

\[ (AI_n)_{ij} = \sum_{k=1}^{n} a_{ik}(I_n)_{kj} = \sum_{k=1}^{n} a_{ik}\,\delta_{kj} = a_{ij}. \]

因为当 \(k \neq j\) 时 \(\delta_{kj} = 0\),只有 \(k = j\) 时 \(\delta_{jj} = 1\),所以求和中只剩一项 \(a_{ij}\)。⏱ 08:30

同理可证 \(I_sA = A\)。

单位矩阵的唯一性

假设存在另一个 \(n\) 阶矩阵 \(E\) 满足对任意 \(n\) 阶矩阵 \(A\) 都有 \(EA = AE = A\),则取 \(A = I_n\),得 \(EI_n = E\) 且 \(I_nE = E\),故 \(E = I_n\)。这说明单位矩阵是唯一的。⏱ 09:15

丘老师的讲解 "单位矩阵,对于乘法来讲,都起着我们数里面那个 1……起的作用。"⏱ 07:00

丘老师把单位矩阵记作 \(I\)(取自英文 Identity),并指出主对角线全为 1、其他全为 0 是其结构特征。这个记号在后续教材中广泛使用。

4矩阵代数的结构 ⏱ 10:00

综合前两集的内容,我们现在可以描述矩阵集合的完整代数结构。

矩阵环(Matrix Ring) 全体 \(n\) 阶矩阵 \(M_n(K)\) 对于加法和乘法构成一个环(Ring),记为 \((M_n(K), +, \cdot)\),具有以下性质:
  • (加法群):\((M_n(K), +)\) 是交换群(阿贝尔群)。
  • (乘法半群):\((M_n(K), \cdot)\) 满足结合律。
  • (分配律):乘法对加法满足左右分配律。
  • (单位元):存在单位矩阵 \(I_n\),使 \(I_nA = AI_n = A\)。
  • (非交换):乘法一般不满足交换律(\(n \geq 2\) 时)。
重要对比:矩阵环 vs 数域
性质数域 \(K\)矩阵环 \(M_n(K)\)(\(n\geq 2\))
加法交换律✓✓
乘法交换律✓✗
乘法结合律✓✓
分配律✓✓
零元0\(\mathbf{0}\)(零矩阵)
单位元1\(I_n\)(单位矩阵)
零因子无有(非零矩阵乘积可为零)
逆元每个非零元有乘法逆仅可逆矩阵有逆
为什么矩阵环有零因子而数域没有?

在数域 \(K\) 中,若 \(ab = 0\),则必有 \(a = 0\) 或 \(b = 0\)(无零因子)。

但在 \(M_n(K)\) 中(\(n \geq 2\)),存在非零矩阵 \(A, B\) 使 \(AB = \mathbf{0}\)。例如:

\[ A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \implies AB = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}. \]

这是因为矩阵可以"压缩"维度——\(A\) 把向量映到某个方向,而 \(B\) 把这个方向的向量映为零。⏱ 11:30

丘老师总结 矩阵环是线性代数中最重要的代数结构之一。它既有数的某些性质(结合律、分配律、单位元),又有完全不同的特性(非交换、有零因子)。理解这一点,是为后续学习矩阵可逆性、特征值等概念打下基础。⏱ 12:30

★重点回顾

1
结合律:\((AB)C = A(BC)\)。证明用下标公式验证,本质是双重求和可以交换次序。
2
分配律:\(A(B+C) = AB + AC\)(左分配),\((B+C)A = BA + CA\)(右分配)。注意区分左右,不能混用。
3
单位矩阵:\(I_n\) 是主对角线全1、其余全0的 \(n \times n\) 矩阵,满足 \(AI_n = I_sA = A\)(注意维度匹配)。
4
矩阵环结构:\(M_n(K)\) 对加法和乘法构成含幺非交换环,有零因子,不同于数域的整环结构。
5
运算法则的应用原则:涉及矩阵表达式变形时,严格遵守结合律和分配律,绝不可随意交换矩阵顺序。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆左右分配律:\(A(B+C) = AB + AC\) 和 \((B+C)A = BA + CA\) 是不同的等式,不可混用。错误写成 \(A(B+C) = BA + CA\) 是典型错误。
  2. 单位矩阵维度忽略:\(A_{s \times n}\) 右乘 \(I_n\),左乘 \(I_s\),即 \(AI_n = I_sA = A\)。维度必须匹配,不可随意替换。
  3. 从 \(AB = AC\) 推出 \(B = C\):这在矩阵中一般不成立(除非 \(A\) 可逆)。因为矩阵环有零因子,消去律不成立。
  4. 忘记矩阵乘法非交换:在处理 \((A+B)^2 = A^2 + 2AB + B^2\) 这类展开时,错误地应用数的公式。正确展开为 \(A^2 + AB + BA + B^2\),当 \(AB \neq BA\) 时不能合并。
  5. 交换律的幻觉:看到 \((AB)^T\) 时误以为等于 \(A^T B^T\),正确的是 \((AB)^T = B^T A^T\)(反序)。

✎自测与作业

  1. 验证结合律:设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}\),\(B = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}\),\(C = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\),分别计算 \((AB)C\) 和 \(A(BC)\),验证它们相等。
  2. 验证分配律:设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}\),\(B = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}\),\(C = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}\),验证 \(A(B+C) = AB + AC\) 和 \((B+C)A = BA + CA\)。
  3. 单位矩阵计算:设 \(A\) 是任意 \(3 \times 2\) 矩阵,验证 \(AI_2 = I_3A = A\)。
  4. 证明题:证明:若 \(AB = AC\) 且 \(A\) 可逆,则 \(B = C\)。并给出一个 \(A\) 不可逆时 \(AB = AC\) 但 \(B \neq C\) 的反例。
  5. 展开练习:展开 \((A+B)^2\) 和 \((A-B)(A+B)\),说明在矩阵乘法下这两个式子与数的情形有何不同。
  6. 思考题:证明:若 \(A^2 = A\)(幂等矩阵)且 \(A \neq 0, A \neq I\),则 \(A\) 不可逆。并说明此时 \(A\) 是否可能有零因子。
本章小结 矩阵第四章"矩阵的运算"至此完成矩阵乘法的定义与基本运算律。下一章将研究矩阵的逆、分块矩阵、转置等重要概念,进一步深入矩阵的代数结构。