1.4 初等变换与初等矩阵
这一篇将会非常精彩!你可以看到前一讲的完美应用!!(这可是我线代课上自己想的哼哼~( ‵▽′)ψ)
1.4.1 初等变换
本质方程组的小学加减乘除,不多解释。唯一要留意的就是熟悉等价标准形这个概念。
1.4.2 初等矩阵
在这一小节,我们引入了三种初等矩阵:对换矩阵、倍乘矩阵、倍加矩阵。在1.4.1中,我们只是认识了初等变换,事实上如果你完全没学过矩阵语言,只用方程组来描述,其差别并不大。
然鹅,当你学会初等矩阵后,你就能用通过初等矩阵的左乘右乘来描述这个变化,就发生了质的改变!我们成功的把自然语言翻译成了数学语言,并且借助矩阵我们可以研究它的代数性质!这也体现了线性代数的意义。
可问题是:为什么乘上这么一个矩阵就能代表这样的线性变换呢?答案其实在1.2中已经给出啦!让我们来看一看:
初等行变换
我们先来考虑初等行变换的情况,我们知道,两个普通的矩阵相乘的几何意义是有点
However,这里我们研究的是右边矩阵的行是怎么倍加、倍乘、交换的,并不是按照每个向量来考虑。我们想避免这个
还记得1.3中的分块矩阵吗?我们按行分块就可以形成上面的形式。
更重要的是:这样每一个小矩阵,
我们只需要观察这些小矩阵,就知道行是怎么变换的
因此我们来看一看这三种初等矩阵:
对换矩阵
理解起来其实很简单:E(i,j)的每一列是一个基向量,“i坐标”乘给了“第j维”的单位向量,“j坐标”乘给了“第i维”的单位向量。
而“i坐标”“j坐标”就是右侧的,而恰恰代表了原先矩阵的第i行和第j行,所以最终的效果就就是交换了,把分块矩阵还原就是交换了第i行和第j行。
倍乘矩阵
这个就更好理解了,E(i(k))的第i列代表着第i个坐标新的基向量,把单位1放大k倍,也就是把第i个坐标乘k,对应的就是乘k,也就是原先矩阵第i行乘k。
倍加矩阵
理解起来和上面两个是一样的,左边第j列原本的基向量上加上了“第i维”k倍单位长度的分量,因此乘了k倍加到了“第i维”坐标上,也就是原先矩阵的第j行乘k倍加到第i行上。
因此,我们只需要左乘对应的矩阵,就是初等行变换啦!
并且,我们都知道线性变换是从右向左运算的,也就是左边的矩阵代表变换规则,右边的代表被变换的,所以把变换顺序记作的话,对进行变换应该写作,理解了这个就不会死记硬背顺序还容易搞错啦!
初等列变换
根据课本我们知道,初等行变换是左乘,初等列变换是右乘。
但,why???
左乘根据我们对于矩阵运算的直观理解,我们知道左边是新的基底,代表着线性变换,那右乘呢?明明右乘的右边是变换规则啊…
在我线代课上苦思冥想右乘的意义之时,我的脑中突然蹦出一个想法:
那我把右乘变成左乘不就行了?!
而我们恰恰知道,转置恰好可以交换前后的顺序:
换个写法,也就是
而转置恰恰表示的就是行列互换
因此右乘的列变换,可以先转置变成左乘的行变换,再转置回来得到列变换的结果!!!
这个时候我们看初等矩阵,就要把行看作基底。
那么我们再看回这三种变换:
对换矩阵
由于E(i,j)的第i行就是第i列,所以转置后还是它自己,就是互换i,j列。
倍乘矩阵
同上
倍加矩阵
因此 表示的第i列乘k倍加到第j列上
那么此时有多个变换的顺序呢?答案就是从左往右:因为待变换的矩阵在左边,所以要从左向右一个个“转置”,很合理吧~