2.7 思考与拓展
问题2.1 n阶方阵A可逆的常见等价表述
在矩阵理论中,判断一个n阶方阵是否可逆,可以从多个角度进行等价表述。我们已经学习了以下几种常见的表述:
- |A|≠0: 矩阵A的行列式不等于零。
- A与单位矩阵等价: 通过初等行变换,矩阵A可以变换为单位矩阵。
- A可分解为一系列初等矩阵的乘积: A可以表示为多个初等矩阵相乘的形式。
- R(A)=n: 矩阵A的秩等于n,即矩阵A是满秩的。
此外,后续章节将介绍更多关于矩阵可逆的等价表述:
- 方程组Ax=0只有零解: 仅有零向量是方程组Ax=0的解。
- 方程组Ax=b有唯一解: 对任意的b,方程组Ax=b有且只有一个解。
- A的列(或行)向量组线性无关: 矩阵A的列向量(或行向量)组成的向量组线性无关。
- A的列(或行)向量构成n维线性空间的一组基: 矩阵A的列向量(或行向量)构成了n维空间的一组基。
- 任意n维向量都可以由A的列(或行)向量线性表示: 任何n维向量都可以表示为A的列向量(或行向量)的线性组合。
- A的特征值全不为0: 矩阵A的所有特征值都不为零。
- 矩阵AAᵀ正定: 矩阵AAᵀ是正定矩阵。
这些等价条件帮助我们从不同的角度理解矩阵的可逆性,不同的问题情境下,可以选择使用其中的一个或多个条件来判断。
问题2.2 矩阵运算的注意事项
矩阵运算与数的运算在某些方面有相似之处,但在另一些方面有显著的区别。了解这些区别是我们学习矩阵运算时的一个关键点。
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矩阵加减法与乘法的条件: 矩阵的加法和减法要求操作的矩阵必须是同型矩阵,即它们的行数和列数相同。而矩阵乘法要求左边矩阵的列数等于右边矩阵的行数。此外,矩阵的“除法”只能在除数是可逆方阵的情况下进行,矩阵的数乘操作则是将每个元素与一个数相乘。
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矩阵乘法的非交换性与非消去性: 与数的乘法不同,矩阵乘法不满足交换律,即一般情况下AB≠BA。此外,矩阵乘法也不满足消去律,例如AB=AC且A≠0,并不意味着B=C。因此,在学习矩阵运算时,特别需要注意这些区别。
问题2.3 转置矩阵、可逆矩阵、伴随矩阵的性质比较
在矩阵理论中,转置矩阵、可逆矩阵和伴随矩阵的性质有很多相似之处,也有一些不同之处。下表展示了这些矩阵在一些运算中的性质:
- 伴随矩阵的性质: 若矩阵A的秩为n,则伴随矩阵A的秩也是n;若矩阵A的秩为n-1,则A的秩为1;若矩阵A的秩小于n-1,则A*的秩为0。
- 可逆矩阵的性质: 可逆矩阵的秩与其原矩阵的秩相同,且A的逆矩阵与A的转置矩阵的秩相同。
- 转置矩阵的性质: 矩阵的转置矩阵与原矩阵具有相同的行列式值,且矩阵乘法的转置矩阵等于两个矩阵转置后的乘积。
这些性质在不同的矩阵运算中扮演着重要角色,我们在使用这些矩阵时,需要对这些性质有充分的理解和应用。
问题2.5 与矩阵秩相关的等式与不等式
矩阵的秩是描述矩阵线性独立性的重要特征,在矩阵运算中,经常需要使用秩的等式和不等式来解决问题。以下是与矩阵秩相关的一些常见等式和不等式:
- 矩阵秩的不变性: 设A为s×n矩阵,P和Q分别为s阶和n阶可逆方阵,则有R(A)=R(PA)=R(AQ)=R(PAQ)。这说明,矩阵A与任意可逆矩阵相乘,其秩不变。
- 矩阵乘积的秩不等式: 若A是m×n矩阵,B是n×s矩阵,则有R(AB)≤min(R(A), R(B))。这称为Sylvester不等式,表明矩阵乘积的秩不超过因子矩阵中最小的秩。
这些不等式在矩阵分解和秩的计算中起到了关键作用。
总结
这一节通过对矩阵的可逆性、运算性质以及与秩相关的等式与不等式的探讨,拓展了我们对矩阵理论的理解。通过这些不同的角度,我们可以更深入地分析矩阵在不同场景下的表现,为后续的学习打下坚实的基础。