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◎学习目标
- 理解可逆矩阵经初等行变换可化为单位矩阵这一关键性质,并掌握其证明;
- 掌握初等变换法(高斯-约旦消元法)求逆矩阵的标准步骤:将 \([A\ |\ I_n]\) 通过初等行变换化为 \([I_n\ |\ A^{-1}]\);
- 理解命题六:\(A\) 可逆 \(\Longleftrightarrow\) \(A\) 可表为若干初等矩阵的乘积;
- 掌握可逆矩阵左乘/右乘不改变矩阵秩的性质,并能灵活运用;
- 理解矩阵分块的概念,能将大矩阵划分为若干子矩阵;
- 掌握分块矩阵乘法的规则:分块方式必须兼容(左矩阵列分法 = 右矩阵行分法)。
1可逆矩阵与初等变换 ⏱ 00:37
从初等变换的角度重新审视可逆矩阵。
证明
必要性:若 \(A\) 可逆,则 \(R(A) = n\)(满秩)。满秩矩阵的简化行阶梯形只能是 \(I_n\)(有 \(n\) 个主元,每个主元为 1,且位于不同列,故恰好在第 \(i\) 行第 \(i\) 列)。⏱ 01:30
充分性:若 \(A\) 经初等行变换化为 \(I_n\),则存在初等矩阵 \(P_1, P_2, \ldots, P_t\) 使得
由命题一(第 P61 集),左端乘积可逆,故 \(A\) 可逆,且
2初等变换法求逆矩阵 ⏱ 04:00
由命题五的证明过程,我们得到一个实用的求逆矩阵方法。
方法原理
每一步初等行变换等价于左乘一个初等矩阵。设所做的初等行变换对应的初等矩阵依次为 \(P_1, P_2, \ldots, P_t\),则:
左半部分化为 \(I_n\) 的同时,右半部分恰好是 \(P_t \cdots P_1 = A^{-1}\)。这就是方法的精髓:对同一个增广矩阵同时做两次操作——左半部分消成单位阵,右半部分自动记录变换过程。⏱ 06:00
- 写出增广矩阵 \([\,A\ |\ I_n\,]\)(左为 \(A\),右为单位阵);
- 对整个增广矩阵做初等行变换(左、右同时变换);
- 当左半部分化为 \(I_n\) 时停止;
- 右半部分即为 \(A^{-1}\)。
3可逆矩阵左乘/右乘不改变矩阵的秩 ⏱ 09:00
证明思路
左乘情形 \(R(PA)=R(A)\):由命题六,可逆矩阵 \(P\) 可表为初等矩阵的乘积:\(P = E_1 E_2 \cdots E_k\)。每次左乘一个初等矩阵对应做一次初等行变换,而初等行变换不改变矩阵的秩(第 P35 集结论)。因此 \(R(PA) = R(A)\)。⏱ 09:40
右乘情形 \(R(AQ)=R(A)\):利用转置和左乘结论:
其中用到了:(1) 矩阵的秩等于其转置的秩;(2) \(Q\) 可逆 \(\Longrightarrow\) \(Q^T\) 可逆(第 P61 集命题三);(3) 左乘可逆矩阵不改变秩。⏱ 10:40
4矩阵分块的概念 ⏱ 12:00
当矩阵阶数很大时(如 100 阶),直接处理每个元素不现实,需要分块思想。
5分块矩阵乘法 ⏱ 15:00
分块矩阵最重要的应用是简化矩阵乘法运算。
计算示例
设
其中 \(A_{11}\) 为 \(s_1 \times n_1\),\(A_{12}\) 为 \(s_1 \times n_2\),\(A_{21}\) 为 \(s_2 \times n_1\),\(A_{22}\) 为 \(s_2 \times n_2\)(\(s_1+s_2=s\),\(n_1+n_2=n\)),且 \(B\) 的分块与之兼容(\(B_{11}\) 为 \(n_1 \times m_1\) 等)。则:
形式上与二阶矩阵乘法完全相同,只是元素换成了子块矩阵。⏱ 16:30
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 初等变换只作用左半部分:增广矩阵 \([A\ |\ I_n]\) 的行变换必须同时作用左右两部分,不能只变左边不变右边,否则右半部分不是 \(A^{-1}\)。
- 分块乘法条件不满足:左矩阵的列分法必须与右矩阵的行分法一致,否则分块乘法不成立。务必检查维度兼容性。
- 混淆行变换与列变换:求逆矩阵时用初等行变换(不能混用列变换),因为行变换对应左乘初等矩阵,列变换对应右乘,会影响结果。
- 忽略不可逆的情况:若在消元过程中发现 \(A\) 无法化为 \(I_n\)(某行全为 0),则 \(A\) 不可逆,此时增广矩阵法无法求出逆矩阵。
✎自测与作业
- 用初等变换法求 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 5 \end{pmatrix}\) 的逆矩阵,验证结果与伴随矩阵法一致。
- 用初等变换法求 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 3 \\ 1 & 4 & 9 \end{pmatrix}\) 的逆矩阵。
- 证明:若 \(A\) 可逆,则对任意矩阵 \(B\),有 \(R(AB) = R(B)\) 和 \(R(BA) = R(B)\)。
- 设 \(A = \begin{pmatrix} A_{11} & O \\ A_{21} & A_{22} \end{pmatrix}\),其中 \(A_{11}\)、\(A_{22}\) 均为可逆方阵,\(O\) 为零块。用分块矩阵求 \(A^{-1}\)。
- 验证分块矩阵乘法规则:设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1\\ 2 & 1 & 0\\ 0 & 1 & 1 \end{pmatrix}\),\(B = \begin{pmatrix} 1 & 2\\ 0 & 1\\ 1 & 0 \end{pmatrix}\),分别用普通乘法和分块乘法计算 \(AB\),比较结果。
- (选做)设 \(A\) 为 \(n\) 阶可逆矩阵,证明:对任意 \(s \times n\) 矩阵 \(B\),有 \(R\begin{pmatrix} A & O \\ B & I_s \end{pmatrix} = n + s\)。