线性代数第四讲:矩阵乘法与逆矩阵
一、矩阵乘法与逆矩阵
1. 矩阵乘法的逆
- 问题:已知矩阵 A 和 B 的逆矩阵,求 AB 的逆矩阵。
- 结论:(AB)−1=B−1A−1。
AB×B−1A−1=A(BB−1)A−1=AIA−1=AA−1=I
同理,从右侧验证:
B−1A−1×AB=B−1(A−1A)B=B−1IB=B−1B=I
2. 矩阵转置的逆
- 问题:已知矩阵 A 的逆矩阵,求 AT 的逆矩阵。
- 结论:(AT)−1=(A−1)T。
AT×(A−1)T=(A−1A)T=IT=I
二、高斯消元法与矩阵分解
1. 高斯消元法
- 目标:通过行操作将矩阵 A 化为上三角矩阵 U。
- 步骤:
- 使用消元矩阵 E21 将第二行的第一个元素化为零。
- 使用消元矩阵 E31 将第三行的第一个元素化为零。
- 使用消元矩阵 E32 将第三行的第二个元素化为零。
- 矩阵形式:
E32E31E21A=U
2. 矩阵分解 A=LU
- 定义:将矩阵 A 分解为下三角矩阵 L 和上三角矩阵 U 的乘积。
- 构造方法:
- U 是通过高斯消元法得到的上三角矩阵。
- L 是消元矩阵的逆矩阵的乘积,即 L=E21−1E31−1E32−1。
- 示例:
A=[2817]
- 消元步骤:
- E21 将第二行的第一个元素化为零:
E21=[1−401]
E21A=[2013]=U
2. $L$ 是 $E_{21}$ 的逆矩阵:
L=E21−1=[1401]
3. 验证:
A=LU=[1401][2013]=[2817]
3. 矩阵分解的扩展形式 A=LDU
- 定义:将矩阵 A 分解为下三角矩阵 L、对角矩阵 D 和上三角矩阵 U 的乘积。
- 示例:
A=[2817]
L=[1401],D=[2003],U=[100.51]
A=LDU=[1401][2003][100.51]
三、矩阵分解的计算复杂度
1. 消元法的计算量
- 问题:计算矩阵 A 的消元步骤所需的计算量。
- 分析:
- 第一步:处理 n×n 矩阵,计算量约为 n2。
- 第二步:处理 (n−1)×(n−1) 矩阵,计算量约为 (n−1)2。
- 以此类推,总计算量为:
n2+(n−1)2+(n−2)2+⋯+12
- 近似结果:总计算量约为 31n3。
2. 右端向量 b 的计算量
- 问题:计算右端向量 b 的消元步骤所需的计算量。
- 结论:总计算量约为 n2。
四、置换矩阵
1. 置换矩阵的定义
- 定义:置换矩阵 P 是通过交换单位矩阵 I 的行得到的矩阵。
- 性质:
- 置换矩阵的逆矩阵等于其转置矩阵,即 P−1=PT。
- 置换矩阵的乘积仍然是置换矩阵。
2. 置换矩阵的数量
- 数量:对于 n×n 矩阵,有 n! 个置换矩阵。
- 示例:
P=⎣⎢⎡010100001⎦⎥⎤
P−1=PT=⎣⎢⎡010100001⎦⎥⎤
五、总结
- 矩阵乘法与逆矩阵:
- (AB)−1=B−1A−1
- (AT)−1=(A−1)T
- 高斯消元法与矩阵分解:
- A=LU,其中 L 是下三角矩阵,U 是上三角矩阵。
- A=LDU,其中 L 是下三角矩阵,D 是对角矩阵,U 是上三角矩阵。
- 计算复杂度:
- 消元法的计算量约为 31n3。
- 右端向量 b 的计算量约为 n2。
- 置换矩阵:
- 置换矩阵的逆矩阵等于其转置矩阵。
- 对于 n×n 矩阵,有 n! 个置换矩阵。