第2章 矩阵的初等变换与线性方程组
本章将解决一般线性方程组解的存在性问题。首先引入矩阵的初等变换,建立矩阵的秩的概念;然后利用矩阵的秩讨论齐次线性方程组有非零解的充分必要条件以及非齐次线性方程组解的存在性问题;*后介绍用矩阵的初等变换解线性方程组的方法。
2.1 初等变换与矩阵等价
在中学解线性方程组时,我们通常采用消元法。在消元过程中,我们主要做三件事:**件是对调两个方程的位置;第二件是将一个方程两边同时乘上一个非零常数;第三件是将一个方程两边同时乘以k倍加到另一个方程上。这样就可以求解线性方程组。把方程组的上述三种变换移植到矩阵上,就得到矩阵的三类初等变换。
定义2.1 以下三种变换称为矩阵的初等行变换:
(i)对调两行(对调i,j两行,记作ri→←rj);
(ii)以非零数k乘某一行中的所有元素(第i行乘k,记作ri×k);
(iii)把某一行所有元素的k倍加到另一行对应元素上去(第j行的k倍加到第i行上,记作ri+kr)。
将定义中的“行”改为“列”,即得矩阵的初等列变换的定义(所用记号将“r”换成“c”),矩阵的初等行变换和初等列变换统称为矩阵的初等变换。
显然,三种初等变换都是可逆的,且逆变换是同一类型的初等变换:变换ri→←rj的逆变换就是本身;变换ri×k的逆变换为ri×(1/k);变换ri+krj,的逆变换为ri+(-k)ri(简记为ri-krj)。
定义2.2 如果矩阵A经过有限次初等变换后变成矩阵B,则称矩阵A与B等价,记作A~B。
等价是矩阵之间的一种关系,它具有下列三条性质:
(i)反身性,即A~A;
(ii)对称性,即A~B,则B~A;
(iii)传递性,即若A~B,B~C,则A~C。
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