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转载来源于:
http://student.zjzk.cn/course_ware/web-gcsx/gcsx/chapter3/chapter3.2.htm
http://student.zjzk.cn/course_ware/web-gcsx/gcsx/chapter1/chapter1.2.htm#21
先回顾一下高斯消元法:
§1.2 消元法与矩阵的初等变换
定义1. 由m个方程,n个未知量组成的线性方程组的一般
形式是:
其中 为未知量, 是第i个方程中未知量 的系数 称为常数项。如果 不全为零,则称方程组为非齐次线性方程组; 如果 全为零,则称方程组为齐次线性方程组。
线性方程组和矩阵有密切的关系,未知量的系数所组成的 矩阵
称为方程组的系数矩阵。常数项也可以组成一个 矩阵,
即列矩阵
如果把b添写在系数矩阵A的右边,便得到 矩阵
称 为方程组的增广矩阵。显然,增广矩阵完全确定了线性方程组。
如果存在一组常数:
,使得 满足方程组,称为方程组的一个解。如果两个线性方程组有相同的解,则称它们是同解的。
例1. 用消元法求解线性方程组
消去了
上面最后这个方程组称为阶梯形方程组,其中各方程组所含未知量的个数,从上一方程到下一方程在逐步减少,因此它就是我们希望转化的形式。要解出方程组的解,现在只需逐步回代:先把 (19) 解出的 代入 (18),,得 在把 , 代入(17),得 ,于是得方程组得解:
, ,
分析上述消元的过程,容易看出它实际上只是对方程组反复施行一下3种变换:
(1) 交换变换:交换第i 行与第j 行的位置 (记为 )
(2) 倍法变换:用非零数k乘第i行(记为 ,或 )
(3) 消法变换:把第i 行的k倍加到第j行上去(记为 或 或 )
分别称为矩阵的第一种,第二种,第三种初等行变换,统称为矩阵的初等行变换。
因此,对方程组施行的初等变换,相当于对方程组的增广矩阵施行相应的初等行变换。
例2.
上面最后这个矩阵称为阶梯形矩阵,与它对应的方程组就是前面的阶梯形方程组。阶梯形矩阵是线性代数中常用的一种矩阵,它的定义是:
定义2. 称满足下列两个条件的矩阵为阶梯形矩阵:
(1)如果存在零行(元素全是零的行),则零都在非零行(元素不全为零的行)的下边;
(2)每个首非零元(非零行最左边的非零元素)所在的列中,位于这个非零元下边的元素全是零。
例如,下列矩阵都是阶梯形矩阵。
下列矩阵都不是阶梯形矩阵:
例2. 用初等行变换将矩阵
化成首非零元都是1 的阶梯形矩阵
解:
前面我们给出了矩阵初等行变换的定义,如果将这个定义中的“行”都换成“列”,它就是矩阵初等列变换的定义(约定今后用记号“ ” ,“ ”,“ ” 等,分别表示矩阵的第一种,第二种,和第三种初等列变换)。
定义3. 矩阵的初等行变换和初等列变换统称为矩阵的初等变换 。
如果矩 阵A经过若干次初等行(列)变换后变成了矩 阵B,则称A与B行(列)等价,或称A行(列)等价于B,简称A等价于B,记为 。
行数列数均相同的二个矩阵称为同型矩阵。
矩阵等价是同型矩阵之间的一种关系。这种关系具有下列基本性质:
(1) 反身性: ;
(2) 对称性:若 ,则 ;
(3) 传递性:若 , ,则 ;
矩阵行等价和矩阵列等价统称为矩阵等价。
§3.2.高斯—约当消元法
在1.2节曾对求解线性方程组的消元法作过初步讨论,下面我们通过矩阵的初等变换,对消元法作进一步的研究。
我们可通过消法变换把矩阵化为成标准型和上三角形等。用以下定理得到的算法,规律性强,更适宜于用计算机解题。
定理一. 任意一个非零矩阵 可经初等变换化为下
面形式的矩阵
该矩阵称为矩阵A的标准形
证明 因A≠0,不妨设a11≠0,这是因为,假若a11=0,
我们可用交换变换,将A中的某一非零元素调换到第一行第一列
上去。对A施行初等变换,得
,
如果A1=0,则B已是标准形了,如果A1¹0,同样可不妨设
b22≠0,继续对B进行等变换,得
令
,
同样,若A2=0,则是C已是标准形,若A2≠0,重复上述步骤,
必可得到矩阵的标准形。特别,当 r=m<n时,A的标准形为
[Em,0]
当r=m>n时,A的标准形为
,
当r=m=n时,A的标准形为En。
例1.
此法常用来求矩阵的秩。注意,此法有列变换,不适宜于解线性方程组。
定理二.任一非零阵A=(aij)m×n,可经消法变换化为上三角阵。
……®A*
下面写出此消元法的算法:(设akk(k)¹0)
当m>n
当m<n
当m=n
例2
A=
此方法通常称为高斯消元法,常用于解线性方程组和矩阵的秩的计算。如例2中矩阵A的秩r(A)=3。
例3.
解:
A* X = B* 为
x3=2,
定理三. 任一非零方阵A=(aij)n×n可经初等行变换化为标准型。
证明:
与定理一的区别在于
1)不用列变换。
2)第j列消元时,不只是消去1的下方的元素,而是同时消去
j列中除主对角线元素之外的所有元素。
3)对第n列也需要消元。
下面写出此消元法的算法:(若 akk ¹ 0)
例4
=I
此方法通常称为高斯—约当方法,常用于解线性方程组和求
从例子可见,高斯—约当方法把一个非奇异的矩阵A变成了单位矩阵I,也就是相当于在A的左边乘上了A-1,于是对增广矩阵 ,A-1b=x即为线性方程组Ax=b的解。 增广的部分就是A-1。
例5.求矩阵
得
高斯—约当消元法也可以同时解几个系数矩阵相同的方程组。
例6.
一起解
解 由于
得矩阵方程的解
其实是同时解了
二个线性方程组。
例7
解: 再从最下边的一个主元1开始,依次把每个主元1上边的元素都化成零:
这就把 化成了简化行阶梯形矩阵,对应的同解方程组是
其中未知量x1,x2,x3对应于主元1,我们称它们为约束未知量(通常我们把对应于单位向量的未知量作为约束未知量);而把方程组中除约束未知量外的其它未知量(这里只有x4)称为自由未知量。由上面的方程组中解出约束未知量,这只要将自由未知量移到方程右端去,即得
解有无穷多组,表示了此方程组的全部解。若任给x4的一个值,由上式就可唯一的定出x1,x2,x3的一组解,从而连同给定的x4的值,就可得到方程组的一个解。例如,令x4=2,代入上式就得到方程组的一个解 x1=-3,x2=-1, x3=1, x4=2
如果令x4=-4,代入上式就得到方程组的另一个解
x1=6,x2=5, x3=-2, x4=-4
定义1. ,用自由未知量表示约束未知量的表达式称为线性方程组的通解。表示了线性方程组的全部解。
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