Chapter 2. Solving Linear Equations (Part 2)

本文介绍了使用矩阵进行消元法解线性方程组的方法,并详细解释了消元矩阵和置换矩阵的概念及其作用。此外,还探讨了逆矩阵的概念及如何通过高斯-若尔当消元法求解逆矩阵。

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2.3 elimination using matrices

消元法解线性方程组,对于 3by3 的例子来说,过程还是能够描述清楚。但是遇到更大的方程组时,有太多的步骤了。所以把消元和矩阵结合起来,用更加简洁的形式来描述消元的所有步骤。

(1)the matrix form of one elimination step

还是从简单的例子出发,Ax=b

242493237x1x2x3=2810

按照消元法,第一步我们要做的是:
subtract 2 times the first equation from the second equation(第二行减去第一行的两倍)
对于方程组右边的b来说,变成了:

b=2810bnew=2410

这一步减法用矩阵来做,bnew=Eb,这个矩阵E就叫它消元矩阵。
那么E的庐山真面目,究竟如何呢?
铛当当当!

E=120010001

对于普通形式的b=b1b2b3,

那么Eb=120010001b1b2b3=b1b22b1b3

那么看看这个E有啥特点呢?

I=100010001E=120010001

其实就是单位矩阵的第二行减去2倍的第一行,得到了这个E
我们也把这种单位矩阵经过一次“变换”后得到的矩阵叫做elementary matrix(初等矩阵)。初等矩阵的记号为Eij,表示的是:单位矩阵的第j行减去一定倍数的第i行。(在这里指的是行变换情况下Eij的含义)

(2)matrix multiplication(矩阵乘法)

在(1)中,我们已经发现通过Eb的运算,能够达到我们的要求,那么对于矩阵A来说,显然是:EA
那么这里就要讲到矩阵之间的乘法(因为前面提到的都是Ax=b形式,即矩阵和向量间的乘法),例如:

AB=A[b1b2b3]=[Ab1Ab2Ab3]

将矩阵的乘法看作矩阵AB列向量的乘法 的组合。

(3)the matrix Pij for a row exchange

在(1)中提到了消元矩阵,实现消元法方法中的核心步骤。那么还有一种情况,就是主元位置出现了0,这时候我们要把主元位置非0的行与其做交换(如果存在符合要求的row),那么相应的提出了permutation matrix(置换矩阵)。
比如要交换第二行和第三行,那么:

P23=100001010

同样的,置换矩阵也是一种初等矩阵。

(4)the augmented matrix

对于方程组Ax=b,我们定义了一个矩阵[Ab],叫做增广矩阵。

2.4 rules for matrix operations

矩阵的运算无非是加法,数乘,矩阵之间的乘法。

A matrix is a rectangular array of numbers or “entries”. When A has m rows and n columns , it is an “m by n” matrix.

The entry in row i and column j is called aij or A(i,j).

对于加法和数乘都比较好理解,要讲一下的是矩阵之间的乘法:
比如AB,那么A的列就必须和B的行数相同。
举一个特殊的例子:
“1 by n” multiples “n by 1”,得到的结果是一个”1 by 1”的矩阵,其实也就是一个数啦,这就叫做点积
那么对于一般形式的AB来说,算出来的矩阵的每个元素,都可以看作是一个点积:
The entry in row i and column j of AB is (row i of A)(column of j)

这里还要举一个特殊的例子:
“n by 1” multiples “1 by n”,得到”n by n”的矩阵,这种列向量和行向量之间的矩阵乘法叫做外积,上面提到的点积我们也叫内积。

(1)the laws for matrix operations

(2)block matrices and block multiplication

2.5 inverse matrices

definition: the matrix A is invertible if there exists a matrix A1 such that

A1A=I and AA1=I

想一想,为什么要搞个逆矩阵这种概念呢?
因为比如我们解方程组的时候,Ax=b(前提A是一个方阵),如果在两边都乘上一个矩阵B,满足AB=I,那么等式就变成了Ix=Bb,因为Ix=x,要是已知B,然后和b相乘,x就求出来了?!所以现在问题就转移到,这个B长什么样?
因为AB=I,所以我们给这个B下了个定义,取个名字叫做逆矩阵。

(1)the inverse of a product AB

(AB)1=B1A1

(2)calculating A1 by Gauss-Jordan elimination

以3 by 3 的矩阵作为例子:

A=210121012

构造一个增广矩阵[AI]=210121012100010001
接着,开始进行行变换,使得增广矩阵左半边的A变成I,我们在2.3讲到,其实行变换消元的过程可以用矩阵乘法来表示,那么想一想,我们究竟用了一个什么矩阵使得A变成了I
对了,就是A1,当:AIIA1

也就是:
Gauss-Jordan : Multiply [AI] by A1 to get [IA1]
对于上述的例子,最终变为:
[IA1]=10001000134121412112141234

(3)singular versus invertible

什么样的矩阵有逆矩阵?
A1 exists when A has a full set of n pivots.

内容概要:该研究通过在黑龙江省某示范村进行24小时实地测试,比较了燃煤炉具与自动/手动进料生物质炉具的污染物排放特征。结果显示,生物质炉具相比燃煤炉具显著降低了PM2.5、CO和SO2的排放(自动进料分别降低41.2%、54.3%、40.0%;手动进料降低35.3%、22.1%、20.0%),但NOx排放未降低甚至有所增加。研究还发现,经济性和便利性是影响生物质炉具推广的重要因素。该研究不仅提供了实际排放数据支持,还通过Python代码详细复现了排放特征比较、减排效果计算和结果可视化,进一步探讨了燃料性质、动态排放特征、碳平衡计算以及政策建议。 适合人群:从事环境科学研究的学者、政府环保部门工作人员、能源政策制定者、关注农村能源转型的社会人士。 使用场景及目标:①评估生物质炉具在农村地区的推广潜力;②为政策制定者提供科学依据,优化补贴政策;③帮助研究人员深入了解生物质炉具的排放特征和技术改进方向;④为企业研发更高效的生物质炉具提供参考。 其他说明:该研究通过大量数据分析和模拟,揭示了生物质炉具在实际应用中的优点和挑战,特别是NOx排放增加的问题。研究还提出了多项具体的技术改进方向和政策建议,如优化进料方式、提高热效率、建设本地颗粒厂等,为生物质炉具的广泛推广提供了可行路径。此外,研究还开发了一个智能政策建议生成系统,可以根据不同地区的特征定制化生成政策建议,为农村能源转型提供了有力支持。
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