高等代数 · 课程学习笔记

第 P63 集 · 九:分块矩阵的初等变换

Elementary Block Transformations of Matrices
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P63 / 151 集 核心概念:分块乘法 · 初等变换 · 初等矩阵 · 秩的不变性
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◎学习目标

  1. 理解并掌握分块矩阵的乘法规则:把分块矩阵看作元素仍是矩阵的"大矩阵",其乘法运算与普通矩阵乘法形式相同;
  2. 掌握分块矩阵的三种初等行变换:第一种是用可逆矩阵左乘某一块行加到另一块行;第二种是互换两个块行的位置;第三种是用可逆矩阵左乘某一块行;
  3. 掌握分块矩阵的三种初等列变换:与行变换对称,但必须右乘;
  4. 理解分块初等矩阵的概念:从单位矩阵出发经过一次分块初等变换得到,它们都是可逆矩阵;
  5. 掌握核心结论:用分块初等矩阵左乘(或右乘)矩阵,相当于对矩阵做相应的分块初等变换,不改变矩阵的秩;
  6. 理解为什么行变换必须左乘、列变换必须右乘,这与普通矩阵初等变换的道理完全一致。

1分块矩阵的乘法规则 ⏱ 00:01

先看分块矩阵乘法的规则。设矩阵 \(A\) 按行分成 \(p\) 组、按列分成 \(q\) 组,矩阵 \(B\) 按行分成 \(q\) 组、按列分成 \(r\) 组(注意:\(A\) 的列分组数必须与 \(B\) 的行分组数相同),则 \(AB\) 可以按块相乘:

定理 · 分块矩阵乘法 设 \(A = (A_{ik})_{p \times q}\),\(B = (B_{kj})_{q \times r}\),则
\[ AB = \left( \sum_{k=1}^{q} A_{ik} B_{kj} \right)_{p \times r}. \]
即:左矩阵的第 \(i\) 个块行,分别与右矩阵的第 \(j\) 个块列对应块相乘再求和,形式与普通矩阵乘法完全一致。⏱ 00:35
为什么分块矩阵乘法成立?(从元素层面理解)

取左矩阵第 \(i\) 个块行中的某一行(即原矩阵的第某一行),与右矩阵第 \(j\) 个块列中的某一列(即原矩阵的第某一列),它们的内积就是 \((AB)\) 中对应位置的一个元素。⏱ 02:40

这个内积可以按列分组分段计算:先算左矩阵该行的前一段与右矩阵该列的前一段的内积,再加上下一段……正好等于各对应块矩阵相乘后再求和。因此分块矩阵乘法的规则是合理的。

老师强调分块矩阵乘法与普通矩阵乘法规则一模一样,只是元素换成了子矩阵。区别在于:子矩阵乘法不满足交换律,所以左矩阵只能写在左边,右矩阵只能写在右边。⏱ 09:00
关键提醒 分块时,左矩阵的列分组方式必须与右矩阵的行分组方式一致,否则乘法无意义。具体来说,若左矩阵第 \(k\) 个列组有 \(n_k\) 列,则右矩阵第 \(k\) 个行组必须有 \(n_k\) 行。⏱ 09:28

2分块矩阵的初等行变换 ⏱ 10:15

类比普通矩阵的三种初等行变换,定义分块矩阵的三种初等行变换(以最常用的四块分法为例,即 \(A = \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix}\)):

分块初等行变换的三种类型
  1. 第一种:用一个矩阵 \(P\) 左乘第一个块行,加到第二个块行上:⏱ 10:59
    \[ \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix} \xrightarrow{P \cdot R_1 + R_2} \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ PA_1 + A_3 & PA_2 + A_4 \end{pmatrix}. \]
  2. 第二种:互换两个块行的位置:
    \[ \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix} \xrightarrow{R_1 \leftrightarrow R_2} \begin{pmatrix} A_3 & A_4 \\ A_1 & A_2 \end{pmatrix}. \]
  3. 第三种:用一个可逆矩阵 \(P\) 左乘某一个块行(相当于普通变换中"某行乘非零数"):⏱ 12:13
    \[ \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix} \xrightarrow{P \cdot R_1} \begin{pmatrix} PA_1 & PA_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix}. \]
为什么必须是左乘?为什么第三型要用可逆矩阵?

为什么左乘:因为块行是一个矩阵行向量(元素是子矩阵),"左乘矩阵 \(P\)"才表示对这一行做线性组合。分块矩阵乘法规则要求左矩阵的小块在左边,右矩阵的小块在右边,所以只能是 \(P\) 左乘块行,不能右乘。⏱ 11:42

为什么第三型要求 \(P\) 可逆:为了能够"倒回去"——即用 \(P^{-1}\) 左乘可以还原。类比普通初等变换中第三型要求乘的非零数 \(c\) 有倒数 \(c^{-1}\)。⏱ 12:47

3分块矩阵的初等列变换 ⏱ 13:37

分块初等列变换与行变换对称,但必须右乘:

分块初等列变换的三种类型
  1. 第一种:右乘矩阵 \(P\) 加到另一个块列上:
    \[ \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix} \xrightarrow{C_1 \cdot P + C_2} \begin{pmatrix} A_1 & A_2 + A_1P \\ A_3 & A_4 + A_3P \end{pmatrix}. \]
  2. 第二种:互换两个块列的位置。
  3. 第三种:用一个可逆矩阵 \(P\) 右乘某一个块列。
为什么列变换必须右乘?

块列是矩阵列向量(元素是子矩阵)。按分块矩阵乘法规则,"右矩阵的小块在右边",所以对块列做变换时,矩阵 \(P\) 必须写在右边,即右乘。⏱ 13:06

具体来说,把第二块列右乘 \(P\) 后加到第一块列上,作用效果是:第一块列的每个子块都加上对应子块右乘 \(P\),即 \(A_i \mapsto A_i + A_j P\)。这与分块矩阵乘法完全吻合。

易错点行变换必须左乘、列变换必须右乘,不能混淆。这是由分块矩阵乘法的规则决定的——左矩阵的小块必须在左边,右矩阵的小块必须在右边。

4分块初等矩阵 ⏱ 14:08

从单位矩阵出发,做一次分块初等变换,得到的矩阵称为分块初等矩阵。

常见分块初等矩阵示例 将单位矩阵 \(I_{s+n}\) 分成四块:
\[ I_{s+n} = \begin{pmatrix} I_s & 0 \\ 0 & I_n \end{pmatrix}. \]
  • 对 \(I_{s+n}\) 做"第一块行左乘 \(P\) 加到第二块行":⏱ 14:36
    \[ E_1 = \begin{pmatrix} I_s & 0 \\ P & I_n \end{pmatrix}. \]
  • 对 \(I_{s+n}\) 做"第一块列右乘 \(P\) 加到第二块列":
    \[ E_2 = \begin{pmatrix} I_s & P \\ 0 & I_n \end{pmatrix}. \]
  • 对 \(I_{s+n}\) 做"互换两块行(或两块列)":
    \[ E_3 = \begin{pmatrix} 0 & I_n \\ I_s & 0 \end{pmatrix}. \]
  • 对 \(I_{s+n}\) 做"第一块行左乘可逆矩阵 \(P\)":
    \[ E_4 = \begin{pmatrix} P & 0 \\ 0 & I_n \end{pmatrix}. \]
分块初等矩阵都是可逆矩阵

\(E_1 = \begin{pmatrix} I_s & 0 \\ P & I_n \end{pmatrix}\) 的行列式:按上三角分块矩阵的行列式公式(或按前 \(s\) 行展开),\(\det E_1 = \det I_s \cdot \det I_n = 1 \neq 0\),故可逆。⏱ 16:53

\(E_2 = \begin{pmatrix} I_s & P \\ 0 & I_n \end{pmatrix}\) 的行列式:同理为下三角分块,\(\det E_2 = 1 \neq 0\),可逆。

\(E_3 = \begin{pmatrix} 0 & I_n \\ I_s & 0 \end{pmatrix}\) 的行列式:按前 \(s\) 行展开,唯一非零的 \(s\) 阶子式是右下角 \(I_n\) 中取前 \(s\) 列……实际计算得 \(\det E_3 = \pm 1 \neq 0\),可逆。⏱ 17:15

\(E_4 = \begin{pmatrix} P & 0 \\ 0 & I_n \end{pmatrix}\) 的行列式:\(\det E_4 = \det P \cdot \det I_n = \det P \neq 0\)(因为 \(P\) 可逆),故可逆。

重要结论所有分块初等矩阵都是可逆矩阵,且其逆矩阵仍是同类型的分块初等矩阵。
核心性质 对矩阵 \(A\) 做一个分块初等行变换,等价于用一个相应的分块初等矩阵左乘 \(A\);做一个分块初等列变换,等价于用一个相应的分块初等矩阵右乘 \(A\)。⏱ 14:52

5分块初等变换不改变矩阵的秩 ⏱ 00:07

定理 · 分块初等变换不改变秩 用分块初等矩阵左乘(或右乘)矩阵 \(A\),不改变 \(A\) 的秩。即:
\[ \operatorname{rank}(EA) = \operatorname{rank}(A), \quad \operatorname{rank}(AE) = \operatorname{rank}(A), \]
其中 \(E\) 为任意分块初等矩阵。⏱ 00:27
证明

因为分块初等矩阵 \(E\) 是可逆矩阵,而用可逆矩阵左乘或右乘矩阵,不改变矩阵的秩(这是已证命题):⏱ 00:07

\[ \operatorname{rank}(EA) = \operatorname{rank}(A), \quad \operatorname{rank}(AE) = \operatorname{rank}(A). \]

证毕。

意义此结论与"普通初等变换不改变秩"完全类似,是分块矩阵理论的基本工具,后续在矩阵分解、秩的计算中有重要应用。
课堂实例 丘老师特别指出,分块矩阵在后续学习中有很大用处,今天的课要把接受(矩阵的秩)和矩阵乘积的行列式讲完,以便知识体系更完整。⏱ 01:28

★重点回顾

1
分块矩阵乘法规则:把子矩阵当作"元素",乘法规则与普通矩阵完全相同,只需保证相邻块的维度兼容(左矩阵列分组 = 右矩阵行分组)。
2
分块初等行变换必须左乘:三种类型分别是:① \(P\) 左乘一块行加到另一块行;② 互换两块行;③ \(P\)(可逆)左乘一块行。
3
分块初等列变换必须右乘:三种类型与行变换对称,但 \(P\) 写在右边。
4
分块初等矩阵是从单位矩阵做一次分块初等变换得到,它们都是可逆矩阵。
5
核心结论:分块初等变换(左乘或右乘分块初等矩阵)不改变矩阵的秩。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆左乘与右乘:行变换必须左乘矩阵,列变换必须右乘矩阵。若方向搞反,结果完全错误。
  2. 忽略维度匹配:分块相乘时,左矩阵的列分组数必须等于右矩阵的行分组数,且每组内子矩阵的行列维度必须兼容。
  3. 第三型变换忘记可逆条件:第三型分块初等变换要求所乘矩阵 \(P\) 必须是可逆矩阵(方阵),不能是任意长方形矩阵。
  4. 把分块矩阵乘法当成元素逐个相乘:分块乘法仍然是"行乘列求和"的模式,不是子矩阵逐个相乘。

✎自我检测

  1. 设 \(A = \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix}\),\(B = \begin{pmatrix} B_1 & B_2 \\ B_3 & B_4 \end{pmatrix}\),其中各子块维度兼容。计算 \(AB\) 的四个块,写出表达式。
  2. 验证:用分块初等矩阵 \(E = \begin{pmatrix} I_s & 0 \\ P & I_n \end{pmatrix}\) 左乘 \(A = \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix}\),结果正好是将第一块行左乘 \(P\) 后加到第二块行。
  3. 验证:用分块初等矩阵 \(F = \begin{pmatrix} I_s & Q \\ 0 & I_n \end{pmatrix}\) 右乘 \(A\),结果正好是将第二块列右乘 \(Q\) 后加到第一块列。
  4. 证明:\(\begin{pmatrix} P & 0 \\ 0 & I_n \end{pmatrix}\) 是可逆矩阵,并求其逆矩阵。
  5. (思考)若 \(A\) 是 \(m \times n\) 矩阵,对其进行一系列分块初等行变换和列变换后得到 \(A'\),说明 \(\operatorname{rank}(A') = \operatorname{rank}(A)\)。
  6. (选做)设 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 3 & 2 & 4 \end{pmatrix}\),将其分块为 \(2\times2\) 和 \(1\times1\) 四块,用一个分块初等行变换把左下角块化为零矩阵,写出所用的分块初等矩阵及其作用效果。
下一集预告 第 P64 集 · 十:矩阵乘积的行列式,探讨 \(\det(AB) = \det(A)\det(B)\) 的证明(首先处理 \(A,B\) 均为方阵的情形),并引入分块矩阵技巧。