每周检视[2012.10.21-10.27]

<think>嗯,用户给了一个4x4的矩阵,需要我用高斯约旦消元法计算它的逆矩阵,并且还要进行主元选择。首先,我得回忆一下高斯约旦消元的步骤,尤其是带主元选择的部分。主元选择通常是为了数值稳定性,避免除以零或者很小的数导致误差增大。主元选择有部分选主元和全选主元两种,这里可能是指部分选主元,也就是在当前列中选择绝对值最大的元素作为主元,然后交换行。 首先,我需要把给定的矩阵写出来,然后构造一个增广矩阵,右边是4x4的单位矩阵。接着,对每一列进行主元选择,找到该列中绝对值最大的元素所在的行,然后交换当前行和主元所在的行。之后,进行归一化,把主元位置变成1,然后消去该列的其他元素,使得该列除了主元位置外都是0。这个过程需要同时对左边的原矩阵和右边的单位矩阵进行操作,直到左边的矩阵变成单位矩阵,右边的就是逆矩阵。 不过,用户给的矩阵数值看起来有些大,尤其是第二行第二列的15331.13,可能在进行消元时需要注意数值精度的问题,特别是当数值差异较大时,可能会引入舍入误差。需要提醒用户注意结果可能存在一定的数值误差。 现在,让我先写出原矩阵和增广矩阵: 原矩阵A: $$ \begin{bmatrix} 17 & 510.5 & -0.5 & -0.3 \\ 510.5 & 15331.13 & -15.15 & -10.27 \\ -0.5 & -15.15 & 4.15 & 0.73 \\ -0.3 & -10.27 & 0.73 & 4.31 \end{bmatrix} $$ 增广矩阵[A|I]: 左边是A,右边是4x4单位矩阵。 接下来,按列进行处理,从第1列到第4列,每列选择主元,进行行交换,归一化,然后消元。 第1列:主元是第2行的510.5,绝对值最大。所以需要交换第1行和第2行。 交换后的增广矩阵: 第1行:510.5, 15331.13, -15.15, -10.27 | 0 1 0 0 第2行:17, 510.5, -0.5, -0.3 | 1 0 0 0 第3行:-0.5, -15.15, 4.15, 0.73 | 0 0 1 0 第4行:-0.3, -10.27, 0.73, 4.31 | 0 0 0 1 然后归一化第1行,使主元位置为1。即第1行除以510.5。 计算后的第1行: 1, 15331.13/510.5 ≈30.0389, -15.15/510.5≈-0.02968, -10.27/510.5≈-0.02012 | 0, 1/510.5≈0.001958, 0, 0 接下来,用第1行消去下面各行的第1列元素。即第2行减去17*第1行,第3行减去(-0.5)*第1行,第4行减去(-0.3)*第1行。 比如,第2行原先是17,510.5,...,现在减去17*第1行的各个元素: 第2行的新值: 17 -17*1 =0 510.5 -17*30.0389 ≈510.5 -510.6613≈-0.1613 -0.5 -17*(-0.02968)≈-0.5 +0.5046≈0.0046 -0.3 -17*(-0.02012)≈-0.3 +0.3419≈0.0419 右边部分: 1 -17*0≈1 0 -17*0.001958≈-0.03329 0 -0=0 0 -0=0 类似地处理第3行和第4行。计算可能会比较繁琐,需要注意精度。 处理完第1列后,接下来处理第2列。此时,主元应该在当前的第2列,从第2行到第4行中选择绝对值最大的元素。不过,此时第2列的主元素已经是处理后的值,可能需要重新计算。或者可能在交换行后,主元的位置已经改变。 这里可能需要更详细的步骤,但手动计算整个4x4矩阵的逆矩阵会非常耗时,而且容易出错。特别是数值较大的元素,可能在消元过程中导致其他元素变得很小,需要特别注意舍入误差。 例如,在完成第一列的消元后,第二列的处理可能需要再次选主元,比如在剩下的行中找到第二列的最大值。假设此时第二列中的最大元素在第2行,或者可能在其他行,需要具体计算。 不过,考虑到用户可能希望得到一个详细的步骤说明,但实际手动计算这样的矩阵逆会非常复杂,尤其是存在小数和较大数值的情况下。可能需要借助计算工具来保证准确性,但这里需要模拟这个过程。 可能需要分步骤写出每个步骤后的矩阵变化,但考虑到篇幅和复杂度,这里可能需要简化步骤,或者指出关键点,比如主元选择的位置,以及可能的行交换,然后进行归一化和消元。 此外,最终的逆矩阵可能需要保留多位小数,但由于手动计算,结果可能存在误差,需要提醒用户注意。 总结来说,步骤大致如下: 1. 构造增广矩阵[A|I]。 2. 对每一列进行主元选择,交换行使得主元绝对值最大。 3. 归一化主元所在行。 4. 使用主元行消去其他行的当前列元素。 5. 重复以上步骤直到左边变为单位矩阵,右边即为逆矩阵。 由于数值计算复杂,建议使用计算软件如MATLAB或NumPy来验证结果。但根据用户要求,需要详细的高斯约旦消元过程,因此需要逐步写出每个步骤,包括主元选择、行交换、归一化和消元后的矩阵状态。</think>我们将使用带部分主元选择的高斯-约旦消元法计算矩阵的逆矩阵。整个过程分为四个阶段,每个阶段处理一列,具体步骤如下: --- ### **原始矩阵与增广矩阵构造** 原矩阵 $A$ 和单位矩阵 $I$ 组合成增广矩阵 $[A|I]$: $$ \begin{bmatrix} 17 & 510.5 & -0.5 & -0.3 & | & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 510.5 & 15331.13 & -15.15 & -10.27 & | & 0 & 1 & 0 & 0 \\ -0.5 & -15.15 & 4.15 & 0.73 & | & 0 & 0 & 1 & 0 \\ -0.3 & -10.27 & 0.73 & 4.31 & | & 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix} $$ --- ### **第1列处理:选主元并消元** 1. **主元选择**:第1列中绝对值最大的元素是 $510.5$(第2行)。 2. **行交换**:交换第1行和第2行。 3. **归一化**:第1行除以主元 $510.5$: $$ \begin{bmatrix} 1 & 30.0389 & -0.02968 & -0.02012 & | & 0 & 0.001958 & 0 & 0 \\ 17 & 510.5 & -0.5 & -0.3 & | & 1 & 0 & 0 & 0 \\ -0.5 & -15.15 & 4.15 & 0.73 & | & 0 & 0 & 1 & 0 \\ -0.3 & -10.27 & 0.73 & 4.31 & | & 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix} $$ 4. **消元**:用第1行消去其他行第1列元素: - 第2行:$R2 - 17 \times R1$ - 第3行:$R3 + 0.5 \times R1$ - 第4行:$R4 + 0.3 \times R1$ 消元后矩阵: $$ \begin{bmatrix} 1 & 30.0389 & -0.02968 & -0.02012 & | & 0 & 0.001958 & 0 & 0 \\ 0 & -0.1613 & 0.0046 & 0.0419 & | & 1 & -0.03329 & 0 & 0 \\ 0 & -0.0757 & 4.135 & 0.720 & | & 0 & 0.000979 & 1 & 0 \\ 0 & -1.261 & 0.723 & 4.304 & | & 0 & 0.000587 & 0 & 1 \\ \end{bmatrix} $$ --- ### **第2列处理:选主元并消元** 1. **主元选择**:第2列中绝对值最大的元素是 $-1.261$(第4行)。 2. **行交换**:交换第2行和第4行。 3. **归一化**:第2行除以主元 $-1.261$: $$ \begin{bmatrix} 1 & 30.0389 & -0.02968 & -0.02012 & | & 0 & 0.001958 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -0.5734 & -3.413 & | & 0 & -0.000466 & 0 & -0.793 \\ 0 & -0.0757 & 4.135 & 0.720 & | & 0 & 0.000979 & 1 & 0 \\ 0 & -0.1613 & 0.0046 & 0.0419 & | & 1 & -0.03329 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix} $$ 4. **消元**:用第2行消去其他行第2列元素: - 第1行:$R1 - 30.0389 \times R2$ - 第3行:$R3 + 0.0757 \times R2$ - 第4行:$R4 + 0.1613 \times R2$ 消元后矩阵: $$ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 17.19 & 102.4 & | & 0 & 0.0166 & 0 & 23.83 \\ 0 & 1 & -0.5734 & -3.413 & | & 0 & -0.000466 & 0 & -0.793 \\ 0 & 0 & 4.092 & 0.463 & | & 0 & 0.000943 & 1 & -0.060 \\ 0 & 0 & -0.088 & -0.508 & | & 1 & -0.0333 & 0 & -0.128 \\ \end{bmatrix} $$ --- ### **第3列处理:选主元并消元** 1. **主元选择**:第3列中绝对值最大的元素是 $4.092$(第3行)。 2. **无需行交换**。 3. **归一化**:第3行除以 $4.092$: $$ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 17.19 & 102.4 & | & 0 & 0.0166 & 0 & 23.83 \\ 0 & 1 & -0.5734 & -3.413 & | & 0 & -0.000466 & 0 & -0.793 \\ 0 & 0 & 1 & 0.113 & | & 0 & 0.000230 & 0.244 & -0.0147 \\ 0 & 0 & -0.088 & -0.508 & | & 1 & -0.0333 & 0 & -0.128 \\ \end{bmatrix} $$ 4. **消元**:用第3行消去其他行第3列元素: - 第1行:$R1 - 17.19 \times R3$ - 第2行:$R2 + 0.5734 \times R3$ - 第4行:$R4 + 0.088 \times R3$ 消元后矩阵: $$ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 100.5 & | & 0 & 0.0126 & -4.19 & 24.09 \\ 0 & 1 & 0 & -3.340 & | & 0 & -0.000333 & 0.140 & -0.798 \\ 0 & 0 & 1 & 0.113 & | & 0 & 0.000230 & 0.244 & -0.0147 \\ 0 & 0 & 0 & -0.498 & | & 1 & -0.0333 & 0.0215 & -0.129 \\ \end{bmatrix} $$ --- ### **第4列处理:选主元并消元** 1. **主元选择**:第4列中绝对值最大的元素是 $-0.498$(第4行)。 2. **无需行交换**。 3. **归一化**:第4行除以 $-0.498$: $$ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 100.5 & | & 0 & 0.0126 & -4.19 & 24.09 \\ 0 & 1 & 0 & -3.340 & | & 0 & -0.000333 & 0.140 & -0.798 \\ 0 & 0 & 1 & 0.113 & | & 0 & 0.000230 & 0.244 & -0.0147 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & | & -2.008 & 0.0669 & -0.0432 & 0.259 \\ \end{bmatrix} $$ 4. **消元**:用第4行消去其他行第4列元素: - 第1行:$R1 - 100.5 \times R4$ - 第2行:$R2 + 3.340 \times R4$ - 第3行:$R3 - 0.113 \times R4$ 消元后矩阵(即逆矩阵在右侧): $$ \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 & | & 201.8 & -5.58 & 0.153 & -2.04 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & | & -6.707 & 0.222 & -0.004 & -0.073 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & | & 0.227 & -0.007 & 0.249 & 0.015 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & | & -2.008 & 0.0669 & -0.0432 & 0.259 \\ \end{bmatrix} $$ --- ### **逆矩阵结果** 最终得到的逆矩阵为: $$ A^{-1} = \begin{bmatrix} 201.8 & -5.58 & 0.153 & -2.04 \\ -6.707 & 0.222 & -0.004 & -0.073 \\ 0.227 & -0.007 & 0.249 & 0.015 \\ -2.008 & 0.0669 & -0.0432 & 0.259 \\ \end{bmatrix} $$ --- ### **注意事项** 1. **数值精度**:由于手动计算舍入误差,结果可能与精确值存在微小差异。 2. **验证方法**:建议通过 $A \times A^{-1}$ 验证结果是否接近单位矩阵。 3. **实际应用**:在实际编程中应使用浮点数运算库以提高精度。
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