关于矩阵行等价的一些思考 杨忠鹏 1 陈梅香 1 晏瑜敏 1 陈智雄 1 林志兴 1 林丽生 1 , 2 1. 莆田学院数学系 2008 年 10 月 11 日 2. 辽宁工业大学机械工程及其自动化学院.

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經文 : 創世紀一章1~2,26~28 創世紀二章7,三章6~9 主講 : 周淑慧牧師
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关于矩阵行等价的一些思考 杨忠鹏 1 陈梅香 1 晏瑜敏 1 陈智雄 1 林志兴 1 林丽生 1 , 2 1. 莆田学院数学系 2008 年 10 月 11 日 2. 辽宁工业大学机械工程及其自动化学院

目 录 引 言 引 言 1 广泛的应用 3 理论研究 4 参 考 文 献参 考 文 献参 考 文 献参 考 文 献 5 现 状 现 状 2

一、引言 矩阵的初等变换是高等代数中一种非常重要的思想方法, 而通常计算中使用最多的就是矩阵的行初等变换.

性质 2 矩阵的行初等变换不改变方阵的可逆性。 性质 3( 见 [3, 定理 ]) 对矩阵施行行初等变换不改变矩阵的列 向量的线性关系。 性质 1 (见 [1, 定理 3] )矩阵的初等行变换不改变矩阵的秩。

二 、现状 利用初等行变化,把一个矩阵化为行阶梯形矩阵和 行最简形矩阵,是一种很重要的运算,应用十分广泛, 如研究讨论矩阵的逆、秩,向量线性相关性的判别,解 线性方程组等,日显其重要性。随着技术的发展,其计 算技术也日趋完善,可通过多种工具,如计算器, Matlab(Octave), Mathematica,Maple 等,这些工具都可 以做大部分常规的矩阵运算,如矩阵运算、求逆、转置 、简化行阶梯形、行列式、 LU 分解、 QR 分解,其中最 重要的是简化行阶梯形 。但相比之下,其理论部分相

二 、现状 对滞后。在国内的高等代数和线性代数教材中,一般地,没有 像对待矩阵间的相抵、合同、相似关系那样从理论上重视这种 等价关系.国外的一些教材(如 [3-5] )都有给出行简化梯形 矩阵的定义及其应用, 并指出它是唯一的, 但对 “ 矩阵的行标准 形是唯一的 ” 这一结论的证明或略去,或在后面用更多更深刻 的知识作为附录给出证明的过程.现在使用这些知识的教材越 来越多(如 [6 - 9] 等),但很少将 “ 矩阵行最简形是唯一的 ” 的 证明放在课堂上,这种现象产生的主要原因在于 “ 矩阵的行标 准形是唯一的 ” 这个结论的证明是复杂的.3-5 [6 - 9]

三、广泛的应用 1 、教学中的基本要求 2 、课后讨论、研究 3 、能力提升(毕业论文选题)

1 、教学中的基本要求 ( 1 )求行列式 ( 2 )求矩阵或向量组的秩 ( 3 )判定向量组的线性相关性

( 4 )求其极大无关组,并表示其他向量 ( 5 )求矩阵的逆 ( 6 )求解线性方程组 的矩阵形式为: 求解过程:

应用行化简算法解线性方程组步骤: 1 、写出方程组的增广矩阵. 2 、应用行化简算法把增广矩阵化为阶梯形. 确定方程组是否有解,如 果没有解则停止;否则进行下一步. 3 、继续行化简算法得到它的简化阶梯形. 4 、写出由第 3 步所得矩阵所对应的方程组. 5 、把第 4 步所得的每个方程改写为用自由变量表示基本变量的形式. 计算技术日益成熟: 计算器、 Matlab 、 Octave 、 Sage 、 Maple 、 Mathematica 等 Matlab 中 “rref ” 命令是求矩阵的行最简形

2 、课后讨论、研究 ( 1 )求解 (2) 求向量的坐标 [13] [13] (3) 求基之间的过渡矩阵,坐标变换公式 [13] [13] 实质上是用初等变换的思想解线性方程组的问题

( 5 )化二次型为标准型及判断矩阵正定 [14] [14] 其中 T 是上三角阵 ( 6 )把线性无关的向量组正交化 [14] [14] 1) 3) 若欲在正交化后得到正交阵,可令 则 D 的列向量组为标准正交组。 (7) 求正定阵 A 的分解式 [14] [14]

( 8 )初等变换在多项式理论中的应用 [15][15] (判断多项式的整除性,判断多项式有无重因式,以及求多项式的 根,求最大公因式) ( i )求两个多项式的最大公因式 (ii) 判定多项式有无重因式 (iii) 求商和余式 (9) 数学实验

(10) 利用行等价判断方程组同解(考研題題型): 例 1 ( 1998 年全国硕士研究生入学统一考试数学四) 已知两个线性方程组 为同解线性方程组,求参数 m 、 n 、 t 之值. (1)(1) ( 2 )

要使( 1 )与( 2 )同解,只要保证这两个方程组对应的增广矩阵 有相同的行标准形即可!

由唯一性得 求 ,并求( 4 )的一般解. 例 2 ( [18 , P 100 ,习题 23 )已知线性方程组18 的解都满足方程组 (4) (4) (3)(3)

例 1‘ ( 2007 年北京交通大学硕士研究生入学考试试题 10 ) 设有两个线性方程组 ( 1 )求( I )的通解; ( 2 )当且仅当( II )中参数 a 、 b 、 c 为何值时,( I )和 ( II )同解. (I)(I) ( II )

例 1’’ ( 2007 年湖北大学硕士研究生入学考试 2 ) 已知两个线性方程组 同解,试确定参数 a 、 b 、 c 的值. (I)(I) ( II )

例 3 ( 2008 年浙江理工大学硕士研究生入学考试 )设 (5)(5) (6)(6) 为两个 n+1 维向量组,证明:若向量组( 5 )和向量组( 6 )等价,则线性方程组 ( 7 )和 (8)(8) 同解。举例说明上述命题的逆命题不成立。

事实上,逆命题是成立的!

3 、能力提升(毕业论文选题) ( 1 )在初等数论中的应用 ( i )求整数的最大公因式及其线性表出 ( ii )求自然数等幂和 ( 见 [20] ) [20] ( 见 [19] ) [19] ( 2 )解线性不定方程 ( 见 [19] )[19] ( 3 )解同余方程 ( 见 [21] ) [21] ( 4 )求最小多项式(向量关于矩阵的最小多项式 )( 见 [22]) [22]) ( 6 )化行简化梯形矩阵的初等变换次数 ( 见 [23] ) [23] ( 7 )行简化梯形矩阵的唯一性证明及应用 ( 见 [24] ) [24]

四 、理论研究 行简化梯形矩阵是矩阵的一种标准形,如上可以发 现,它在研究讨论矩阵的秩、矩阵的逆、向量的线性相 关性的判别、求向量组的极大线性无关组及其余向量用 极大无关组的线性表示式和线性方程组的解等多方面有 着重要的应用。但在很多的国内外教材中都未将此标准 形的唯一性证明放在课堂教学上. 文献【 25 】虽亦列有 唯一性定理, 但未给出证明,只是说: “ 这个定理的证明 是十分麻烦的, 我们省略它。 ”【 25 】

要怎样在教学的同步即可完成,是长期以来被众多学者 注意而还没有解决好的问题。目前,对行简化梯形矩阵唯一 性的证明,前人至少已给出四种证明方法(见文 [1] 、 [10] 、 [11] 、 [26] ). 这些方法具有各自的特点,但所用的知识较多, 不适合将他们放在课堂上进行同步教学,这也是在教材中很 少见到行简化梯形矩阵唯一性证明的原因之一. 现结合学生的 毕业论文 [24] ,给出了此唯一性的另一种证明方法.四种证明方法 [1] [10] [11] [26] 毕业论文 [24]

唯一性定理 中任意一个矩阵 仅与唯一的行简化 梯形矩阵行等价,即 的行简化梯形矩阵是唯一的. 记 的唯一行简化梯形矩阵为. 设 , 是 的两个行简化梯形矩阵,要证 。 根据行简化梯形矩阵的定义,可设 ★ 证明的主要过程

1 、先根据 和 是行等价的, 和 中列向量之间的线性关 系是一样的,这样可证得它们的主元列位置是相同的。 2 、再根据 和 行等价,存在一个 阶可逆阵 ,使得:. 将 , 两个矩阵代入,比较等式两边可推出矩阵 的结构是 将矩阵 和 进行分块变成 和 ,则

可容易计算解得 于是 而 即. 这就证得了唯一性.

这种证法正是在这已有的四种证明方法上给出的, 它是采用了第三种证明方法中所提到的行等价矩阵的列 具有完全一样的线性相关性思想,以及第二种所提到的 两个行等价矩阵 , 间存在一可逆阵 有 这个 知识点,较完整地表述了证明过程. 所以, 可以说它是前 人已有证明方法的一种结合, 与他们相比, 是有存在不同 之处的. 此种方法可以尝试用于课堂教学上或课外提高 内容,学生不需要积累太多的理论知识就可以理解这个 证明. 对于教师授课,教师也只要讲述大概的证明过程, 学生在课后可以自己去补充完成证明,让他们对此唯一 性的证明有更深刻的理解.四种证明

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2008 年 5 月 16 日

★与已有的证明方法进行比较 前人已有的四种证明方法的主要思路: (1) 文 [1] 中是应用线性空间的知识,先用行向量组 等价 的 理论来证得主元列是相同的,再根据等价向量组间可以互 相表示且表法唯一来证出对应的非零行向量是相等的,这 样即证得唯一性.

(2) 文 [11] 采用 “ 矩阵证法 ” ,设 , 是矩11 阵 的两个行标准形,由于 , 都是由 经过初等行变换得到的,所 以 , 是行等价的,这样就存在两个可逆矩阵 , 使 得: ,. 根据 , 所具有的特别结构和特点进行比较并推 出可逆阵 , 的结 构 : ,. 这样就 有: , 即证得了此唯一性.

(3) 文 [10] 中作者 D.C.Lay 并没有将此唯一性的证明放在定理中, 而 是将它放在课本的附录 中, 且只是用很简炼的语言说明了证明的思 路. 但要详细写出来的话并不是一件简单的事.D.C.Lay 对此唯一性证 明的思路是:假设一个矩阵的两个行最简形是 和 ,先利用行等价 矩阵的列具有完全一样的线性相关性思想来证出主元列相等,然后 再考虑任意的非主元列,例如 的列 , “ 这个列或者是零或者是左 边主元列的线性组合(因为这些主元列是第 列左边列生成空间的 一个基). 两种情形下,对第 个元素为 1 的 都可表示写成 ,那 么也有. 这说明 的第 列或者是零或者同样是它左边的主元列 的线性组合,由于 和 对应的主元列是相等的, 和 的第 列也 相等,这个结果对 和 所有非主元列相等.”[10] 这就证明了 , 即唯一性得证.10

(4) 文 [26] 将此唯一性作为矩阵行标准形的一种性质给出. 在文 [26, 性质 6] 中指出矩阵的行标准形是唯一的并给出了 证明. 先利用文 [26] 中的性质 4 : “ 是 中最靠前的 个线性无关的列向量 ,即任取 的 个线性无关的列 向量 ,必26 有 ,其 中 ,.”[26] 证得主元列相同,再根据等价 向量组间可以互相表示且表法唯一来证出对应的非主元列 也是相等的,这样即证得唯一性.

爱荷华州立大学 Leslie Hogben