麻省理工 高等線性代數筆記2 矩陣消元

2022-09-21 01:54:06 字數 1841 閱讀 3850

只要矩陣是個好矩陣,消元法就能夠奏效,這是解方程組的有效方法。

換句話說,用消元法可以知道什麼矩陣是好矩陣,何時是好矩陣,何時有問題

這節課主要就是講,用矩陣語言描述消元法,核心概念就是「矩陣變換」

這節課的例子,仍可看作\(ax=b\)

消元法的第一步

方程一乘以(-3)減去方程二,目的是為了消去x

這時考慮右側向量是否應該也進行運算,在matlab中,一般是先算左側矩陣,再計算右側向量。

在這裡權當按照matlab的方式計算,先只為右側向量b留個位置,之後再加進去。

消元法的第二步

此時第二行,第一列為0,那麼找第三行,第一列為0。此時矩陣\(a\)中已經滿足第三行,第一列為0。

那麼此時x(主元一)已經消去,只剩下y和z。 按照matlab,就是進行迭代的計算。

y看作主元二,重複計算來消元。

z自然就是主元三。

注意:主元不能為0,但如果0佔據了主元的位置,那麼用行交換試一下,找到合適的主元

此時快速的計算方式就是用到行列式等於主元之積,所以可以直接從矩陣\(u\)中看出,行列式的積為10。

失效,指的是不能得到三個主元,

當有最後主元只能是0,不能再用行交換的方法找到合適主元的時候,此時消元法失效。

體現在例子中,就是第三個式子變為\(4y-4z=2\)

行交換可以解決主元為0的,為「暫時性失效」,但當底下的行中再也沒有非0元素時,消元就徹底失效了

雖然以上一直在用矩陣,但之前的矩陣變換,即這些消元步驟都沒有用矩陣表示,以下要引入消元矩陣的概念。

之前提到矩陣乘以向量的結果,是矩陣列的線性組合

下圖是列計算

下圖是行計算(對行進行組合)

回到例子的消元矩陣。

第一步:利用好單位矩陣的行變換,可以得到:

左側的消元矩陣,記作\(e_\),稱為初等矩陣(倍加型別),21是因為它使得第二行第一列經過計算為0,即修正的是第二行第一列的位置。

第二步:利用好單位矩陣的行變換

同第一步,左乘\(e_\),過程如下:

矩陣消元到這裡結束,每一步用到乙個初等矩陣。

總結這節課矩陣消元的所有步驟:

考慮什麼矩陣能夠一次性從矩陣a得到矩陣u?

答:方法一:用「結合律」,矩陣\(e_e_\),因為\(e_(e_a)=u\)可以看作\((e_e_)a=u\)

記住,增減括號是矩陣乘法的一項性質,對任意矩陣乘法均使用,也就是「結合律」

方法二:用「逆變換」

假設原矩陣為\(e\),單位矩陣為\(i\),那麼逆矩陣記作\(e^\),即\(e^e=i\)

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