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◎学习目标
- 理解单位矩阵的性质:对任意 \(s \times n\) 矩阵 \(A\),有 \(I_s A = A\) 且 \(A I_n = A\);
- 掌握矩阵的幂的定义与基本运算律:\(A^k \cdot A^l = A^{k+l}\),\((A^k)^l = A^{kl}\)(\(A\) 为方阵);
- 理解并会证明矩阵乘法与数量乘法和谐共存的四条法则(结合律、分配律、数量乘交换律);
- 掌握转置运算的三条基本性质:\((A+B)^T = A^T + B^T\),\((kA)^T = kA^T\),\((AB)^T = B^T A^T\)(注意顺序互换!);
- 会用矩阵乘法将线性方程组简洁地写成 \(AX = \beta\) 的形式;
- 理解乘积的秩的不等式:\(\mathrm{rank}(AB) \leq \min\{\mathrm{rank}(A),\, \mathrm{rank}(B)\}\),并能给出证明。
1单位矩阵与矩阵的幂 ⏱ 00:00
上一集我们定义了单位矩阵 \(I_n\)(\(n\) 级,主对角线上全为 1,其余全为 0)。本节首先确认单位矩阵在矩阵乘法中的作用。
当 \(A\) 本身为 \(n\) 级方阵时,左乘和右乘的都是 \(I_n\),因此 \(I_n A = A I_n = A\)。单位矩阵的作用类似于实数乘法中的 1。⏱ 01:25
矩阵的幂
当 \(A\) 是 \(n\) 级方阵时,可以定义 矩阵的幂:
由于矩阵乘法满足结合律,无论怎样加括号,结果唯一确定,因此 \(A^m\) 是无歧义的。⏱ 04:00
为什么需要结合律才能定义幂运算?
如果没有结合律,\(A \cdot A \cdot A\) 就可能产生歧义:\((A\cdot A)\cdot A \neq A\cdot(A\cdot A)\)。矩阵乘法满足结合律 \((AB)C = A(BC)\),因此 \(m\) 个 \(A\) 相乘的结果与括号的位置无关,\(A^m\) 是唯一确定的。⏱ 03:40
2矩阵乘法的第四组法则:乘法与数量乘法的和谐 ⏱ 02:11
矩阵有三种运算:加法、数量乘法、乘法。我们已经知道:
- 加法与乘法:由左、右分配律联系起来;
- 加法与数量乘法:由数量乘法的后两条法则联系起来。
现在还剩下:矩阵乘法与数量乘法的关系。需要确保两者"不打架",而是和谐共存。
四条法则的具体内容是:左结合、右结合、左分配、右分配。⏱ 02:20 证明只需验证等式两边的每个元素相等,读者可自行完成。
3转置运算的性质 ⏱ 05:10
矩阵还有第四种运算——转置。我们需要了解转置与加法、数量乘法、乘法之间的关系。
前两个性质很容易证明。第三个性质是关键,也是容易出错的地方。
证明 \((AB)^T = B^T A^T
前提:设 \(A\) 为 \(s \times n\) 矩阵,\(B\) 为 \(n \times m\) 矩阵,则 \(AB\) 为 \(s \times m\) 矩阵。\((AB)^T\) 为 \(m \times s\) 矩阵;\(B^T\) 为 \(m \times n\),\(A^T\) 为 \(n \times s\),故 \(B^T A^T\) 也是 \(m \times s\) 矩阵,两侧维度匹配。⏱ 06:24
比较第 \((i,j)\) 元:\((AB)^T\) 的第 \(i\) 行第 \(j\) 元等于 \(AB\) 的第 \(j\) 行第 \(i\) 元,即 \(\sum_{k=1}^{n} a_{jk} b_{ki}\)。⏱ 07:22
而 \(B^T A^T\) 的第 \(i\) 行第 \(j\) 元,由矩阵乘法定义,等于 \(B^T\) 的第 \(i\) 行与 \(A^T\) 的第 \(j\) 列对应元素乘积之和:
两式相等,故 \((AB)^T = B^T A^T\)。证毕。⏱ 09:27
4线性方程组的矩阵表示 ⏱ 09:50
有了矩阵乘法的概念,线性方程组可以写得非常简洁。
考虑一般线性方程组:
记系数矩阵 \(A = (a_{ij})_{s\times n}\),未知数组成的列向量 \(X = (x_1, x_2, \dots, x_n)^T\),常数项列向量 \(\beta = (b_1, b_2, \dots, b_s)^T\),则原方程组可以写成:
验证:左边 \(AX\) 的第 \(i\) 行第 1 列元素,按矩阵乘法定义,恰好是 \(a_{i1}x_1 + a_{i2}x_2 + \cdots + a_{in}x_n\),等于右边的 \(b_i\),即第 \(i\) 个方程。⏱ 11:04
相应的齐次线性方程组(常数项全为 0)可写成:
5乘积的秩的不等式 ⏱ 12:44
本节最重要的结论——矩阵乘积的秩的一个基本不等式。
证明
第一步:证明 \(\mathrm{rank}(AB) \leq \mathrm{rank}(A)\)。
将 \(A\) 按列向量组写出:\(A = (\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n)\),\(B = (b_{ij})_{n\times m}\)。⏱ 13:08
计算 \(AB\) 的第 \(j\) 列:由矩阵乘法的列向量组表示(第二种表述),\(AB\) 的第 \(j\) 列为
这正是 \(A\) 的列向量组 \(\alpha_1, \dots, \alpha_n\) 的线性组合。⏱ 15:50
由第三章的结论:若向量组 I 可由向量组 II 线性表出,则 \(\mathrm{rank}(\text{I}) \leq \mathrm{rank}(\text{II})\)。⏱ 20:51
因此 \(\mathrm{rank}(AB) \leq \mathrm{rank}(A)\)。
第二步:证明 \(\mathrm{rank}(AB) \leq \mathrm{rank}(B)\)。
利用转置性质:\((AB)^T = B^T A^T\),且 \(\mathrm{rank}(M) = \mathrm{rank}(M^T)\)。⏱ 00:08
于是 \(\mathrm{rank}(AB) = \mathrm{rank}((AB)^T) = \mathrm{rank}(B^T A^T)\)。⏱ 00:28
对 \(B^T A^T\) 应用第一步的结论(把 \(B^T\) 看作左矩阵,\(A^T\) 看作右矩阵):
故 \(\mathrm{rank}(AB) \leq \mathrm{rank}(B)\)。⏱ 00:59
综合:\(\mathrm{rank}(AB)\) 同时不超过 \(\mathrm{rank}(A)\) 和 \(\mathrm{rank}(B)\),所以不超过两者的较小值,即 \(\mathrm{rank}(AB) \leq \min\{\mathrm{rank}(A), \mathrm{rank}(B)\}\)。证毕。⏱ 01:11
★重点回顾
⚠易错提醒
- 转置公式记反顺序:错误地认为 \((AB)^T = A^T B^T\)。正确是 \((AB)^T = B^T A^T\),顺序必须互换!
- 矩阵幂只对方阵有意义:\(A^m\) 要求 \(A\) 是方阵(否则 \(A \cdot A\) 无定义);零矩阵 \(O\) 的幂定义需小心(\(O^0 = I\) 仅在方阵情形下成立)。
- 混淆 rank(AB) 与 rank(A)·rank(B):乘积的秩只满足不等式 \(\leq\),并不等于 rank(A)·rank(B),也没有简单的等式关系。
- 单位矩阵的阶数:左乘单位矩阵必须是 \(s\) 级(与 \(A\) 的行数相同),右乘必须是 \(n\) 级(与 \(A\) 的列数相同),不要写错阶数。
✎自我检测
- 证明:若 \(A\) 为 \(n\) 级方阵且 \(A^2 = A\)(称 \(A\) 为幂等矩阵),则 \(\mathrm{rank}(A) + \mathrm{rank}(I - A) = n\)。(提示:考虑 \(A(I-A) = 0\) 及秩的不等式。)
- 设 \(A\) 为 \(3 \times 3\) 矩阵,\(A = \begin{pmatrix} 1&2&3\\4&5&6\\7&8&9 \end{pmatrix}\),计算 \(A^T\) 并验证 \((AA^T)^T = A^T (A^T)^T\)。
- 证明:若 \(AB = O\)(零矩阵),则 \(\mathrm{rank}(A) + \mathrm{rank}(B) \leq n\)(其中 \(A\) 为 \(s \times n\),\(B\) 为 \(n \times m\))。提示:利用 \(\mathrm{rank}(AB) = 0\) 和秩的不等式。
- 设 \(A\) 为 \(n\) 级可逆矩阵,证明 \(\mathrm{rank}(AB) = \mathrm{rank}(B)\) 且 \(\mathrm{rank}(CA) = \mathrm{rank}(C)\)。(提示:可逆矩阵乘矩阵不改变秩。)
- 验证:对任意 \(2 \times 2\) 矩阵 \(A, B\),直接计算验证 \((AB)^T = B^T A^T\)。
- (思考)为什么 \(\mathrm{rank}(AB) \leq \mathrm{rank}(A)\) 的几何意义是:\(AB\) 的列向量组可由 \(A\) 的列向量组线性表出?