gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法转载来源于:http://student.zjzk.cn/course_ware/web-gcsx/gcsx/chapter3/chapter3.2.htmhttp://student.zjzk.cn/course_ware/web-gcsx/gcsx/chapter1/chapter1.2.htm#21先回顾一下高斯消元法:§1.2 消元法与矩阵的初等

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http://student.zjzk.cn/course_ware/web-gcsx/gcsx/chapter1/chapter1.2.htm#21



先回顾一下高斯消元法:

§1.2 消元法与矩阵的初等变换

定义1. 由m个方程,n个未知量组成的线性方程组的一般

形式是:

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

其中 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 未知量 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 是第i个方程中未知量 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 的系数gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 称为常数。如果 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法  不全为零,则称方程组为非齐次线性方程组; 如果 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法  全为零,则称方程组为齐次线性方程组

   线性方程组和矩阵有密切的关系,未知量的系数所组成的 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 矩阵

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

称为方程组的系数矩阵。常数项也可以组成一个 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 矩阵,

即列矩阵

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如果把b添写在系数矩阵A的右边,便得到 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 矩阵

  gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 为方程组的增广矩阵。显然,增广矩阵完全确定了线性方程组。

   如果存在一组常数:

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,使得 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 满足方程组,称为方程组的一个解。如果两个线性方程组有相同的解,则称它们是同解的

 

  例1. 用消元法求解线性方程组

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消去了 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

上面最后这个方程组称为阶梯形方程组,其中各方程组所含未知量的个数,从上一方程到下一方程在逐步减少,因此它就是我们希望转化的形式。要解出方程组的解,现在只需逐步回代:先把 (19) 解出的 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 代入 (18),,得 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 在把 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法  gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 代入(17),得 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,于是得方程组得解:

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法  gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

分析上述消元的过程,容易看出它实际上只是对方程组反复施行一下3种变换:

(1)             交换变换:交换第i 行与第j 行的位置 (记为 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 

(2)             倍法变换:用非零数k乘第i行(记为 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,或 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 

(3)             消法变换:把第i 行的k倍加到第j行上去(记为 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 或 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 

分别称为矩阵的第一种,第二种,第三种初等行变换,统称为矩阵的初等行变换

因此,对方程组施行的初等变换,相当于对方程组的增广矩阵gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法施行相应的初等行变换。

例2.

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

上面最后这个矩阵称为阶梯形矩阵gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法,与它对应的方程组就是前面的阶梯形方程组gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法。阶梯形矩阵是线性代数中常用的一种矩阵,它的定义是:

定义2. 称满足下列两个条件的矩阵为阶梯形矩阵

(1)如果存在零行(元素全是零的行),则零都在非零行(元素不全为零的行)的下边;

(2)每个首非零元(非零行最左边的非零元素)所在的列中,位于这个非零元下边的元素全是零。

例如,下列矩阵都是阶梯形矩阵。

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

列矩阵都不是阶梯形矩阵:

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

例2. 用初等行变换将矩阵

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

化成首非零元都是1 的阶梯形矩阵

解: gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

前面我们给出了矩阵初等行变换的定义gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法,如果将这个定义中的“行”都换成“列”,它就是矩阵初等列变换的定义(约定今后用记号“ gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ” ,“ gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法”,“ gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ” 等,分别表示矩阵的第一种,第二种,和第三种初等列变换)。

定义3. 矩阵的初等行变换和初等列变换统称为矩阵的初等变换gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

如果矩 阵A经过若干次初等行(列)变换后变成了矩 阵B,则称A与B行(列)等价,或称A行(列)等价于B,简称A等价于B,记为 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 。

行数列数均相同的二个矩阵称为同型矩阵

矩阵等价是同型矩阵之间的一种关系。这种关系具有下列基本性质:

(1)          反身性: gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 

(2)          对称性:若 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,则 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 

(3)          传递性:若 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法  gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,则 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 

     矩阵行等价和矩阵列等价统称为矩阵等价。



§3.2.高斯—约当消元法

在1.2节曾对求解线性方程组的消元法作过初步讨论,下面我们通过矩阵的初等变换,对消元法作进一步的研究。

我们可通过消法变换gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法把矩阵化为成标准型和上三角形等。用以下定理得到的算法,规律性强,更适宜于用计算机解题。

定理一. 任意一个非零矩阵 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 可经初等变换化为下

面形式的矩阵

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法     

该矩阵称为矩阵A的标准形

证明  因A≠0,不妨设a11≠0,这是因为,假若a11=0,

我们可用交换变换,将A中的某一非零元素调换到第一行第一列

上去。对A施行初等变换,得

    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,

如果A1=0,则B已是标准形了,如果A1¹0,同样可不妨设

b22≠0,继续对B进行等变换,得

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 

  gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法   

             gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,

同样,若A2=0,则是C已是标准形,若A2≠0,重复上述步骤,

必可得到矩阵的标准形。特别,当 r=m<n时,A的标准形为

                          [Em,0]

当r=m>n时,A的标准形为

                          gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,

当r=m=n时,A的标准形为En

 

例1.

    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 

     gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

此法常用来求矩阵的秩。注意,此法有列变换,不适宜于解线性方程组。

 

定理二.任一非零阵A=(aijm×n,可经消法变换gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法化为上三角阵

    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

……®A*

下面写出此消元法的算法:(设akk(k)¹0)

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

当m>n

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 当m<n

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

当m=n

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 

例2

A= gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

此方法通常称为高斯消元法,常用于解线性方程组和矩阵的秩gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法的计算。如例2中矩阵A的秩r(A)=3。

例3. gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

解:

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

   AX = B*   为   gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

x3=2,

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 

定理三. 任一非零方阵A=(aij)n×n可经初等行变换gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法化为标准型。

证明:

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

与定理一的区别在于

1)不用列变换。

2)第j列消元时,不只是消去1的下方的元素,而是同时消去

   j列中除主对角线元素之外的所有元素。

3)对第n列也需要消元。

 

下面写出此消元法的算法:(若 akk ¹ 0)

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

例4

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 =I

此方法通常称为高斯—约当方法,常用于解线性方程组和求

逆矩阵gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 从例子可见,高斯—约当方法把一个非奇异gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法的矩阵A变成了单位矩阵I,也就是相当于在A的左边乘上了A-1,于是对增广矩阵 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 ,A-1b=x即为线性方程组Ax=b的解。 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 增广的部分就是A-1

例5.求矩阵

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 的逆矩阵gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 得  gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

高斯—约当消元法也可以同时解几个系数矩阵相同的方程组。gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

 

例6.

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 一起解

解    由于

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

对应矩阵可逆gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法,于是可用初等行变换求解。

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

             gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

得矩阵方程的解    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

其实是同时解了

    gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法         

二个线性方程组。

 

例7 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

解: gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 再从最下边的一个主元1开始,依次把每个主元1上边的元素都化成零:

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

这就把 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法 化成了简化行阶梯形矩阵,对应的同解方程组是

gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

其中未知量x1,x2,x3对应于主元1,我们称它们为约束未知量(通常我们把对应于单位向量的未知量作为约束未知量);而把方程组中除约束未知量外的其它未知量(这里只有x4)称为自由未知量。由上面的方程组中解出约束未知量,这只要将自由未知量移到方程右端去,即得 gauss-jordan消元法求矩阵的逆_伪逆矩阵求法

解有无穷多组,表示了此方程组的全部解。若任给x4的一个值,由上式就可唯一的定出x1,x2,x3的一组解,从而连同给定的x4的值,就可得到方程组的一个解。例如,令x4=2,代入上式就得到方程组的一个解  x1=-3,x2=-1,  x3=1,  x4=2

如果令x4=-4,代入上式就得到方程组的另一个解

x1=6,x2=5,  x3=-2,  x4=-4

 

定义1. ,用自由未知量表示约束未知量的表达式称为线性方程组的通解。表示了线性方程组的全部解。

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