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矩阵与线性方程组 ​

线性代数的起点是线性方程组的求解,而矩阵是这一问题的核心工具。本节从高斯消元出发,系统介绍矩阵的基本运算与分解,并引出行列式这一重要标量量。

1. 线性方程组 ​

一个包含 m 个方程、n 个未知数的线性方程组可以写成:

{a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=b2⋮am1x1+am2x2+⋯+amnxn=bm

写成矩阵形式为 Ax=b,其中:

  • A∈Rm×n 是系数矩阵;
  • x∈Rn 是未知向量;
  • b∈Rm 是常数向量。

增广矩阵(augmented matrix)将系数与常数项拼在一起,便于行变换操作:

[A∣b]=[a11⋯a1nb1⋮⋱⋮⋮am1⋯amnbm]

2. 高斯-约当消元法 ​

高斯消元法(Gaussian Elimination)通过对增广矩阵施加初等行变换,将方程组化简为等价但易于求解的形式。

2.1 初等行变换 ​

共有三种基本操作,均不改变方程组的解:

操作符号含义
行缩放ri←c⋅ri(c≠0)某行乘以非零常数
行交换ri↔rj交换两行
行加法ri←ri+c⋅rj某行加上另一行的常数倍

2.2 阶梯形(REF)与简约阶梯形(RREF) ​

通过行变换可将矩阵化为:

行阶梯形(Row Echelon Form, REF):

  • 全零行在最下方;
  • 每行的主元(pivot,第一个非零元)严格位于上一行主元的右侧。
[1∗∗∗01∗∗00010000]

简约行阶梯形(Reduced Row Echelon Form, RREF):

  • 在 REF 的基础上,每个主元为 1,且主元所在列的其他元素都为 0。

RREF 是唯一的,每个矩阵只对应一个 RREF。

2.3 解的存在性与 Rank ​

设增广矩阵 [A∣b] 化为 REF 后,矩阵 A 的秩(rank)= 主元个数。

条件解的情况
rank(A)<rank([A∣b])无解(矛盾方程)
rank(A)=rank([A∣b])=n唯一解
rank(A)=rank([A∣b])<n无穷多解(存在自由变量)

3. 矩阵的基本运算 ​

3.1 加法与数乘 ​

矩阵加法和数乘按分量逐元素进行,满足通常的代数律(交换律、结合律、分配律)。

3.2 矩阵乘法 ​

A∈Rm×p,B∈Rp×n,则 C=AB∈Rm×n,其中:

Cij=∑k=1pAikBkj=ai⊤bj

注意:矩阵乘法一般不满足交换律,AB≠BA。

主要代数性质:

  • 结合律:(AB)C=A(BC)
  • 分配律:A(B+C)=AB+AC
  • 转置:(AB)⊤=B⊤A⊤

3.3 矩阵的转置 ​

若 A∈Rm×n,则 A⊤∈Rn×m,(A⊤)ij=Aji。

  • 对称矩阵:A⊤=A(即 Aij=Aji);
  • 反对称(斜对称)矩阵:A⊤=−A(对角线必须全为 0)。

4. 矩阵的逆 ​

4.1 定义 ​

若存在矩阵 B 使得 AB=BA=I,则称 A 可逆(invertible,也称非奇异),B 称为 A 的逆矩阵,记作 A−1。

可逆矩阵的逆矩阵唯一。

4.2 逆矩阵的代数性质 ​

(ABC)−1=C−1B−1A−1(A⊤)−1=(A−1)⊤(cA)−1=1cA−1(c≠0)

4.3 计算矩阵的逆 ​

方法一:公式法(2×2 矩阵)

A=[abcd]⟹A−1=1ad−bc[d−b−ca]

仅当 ad−bc≠0(即 det(A)≠0)时存在。

方法二:伴随矩阵法(一般 n×n 矩阵)

A−1=1det(A)⋅adj(A)

其中 adj(A) 是 A 的伴随矩阵(adjugate matrix),定义为代数余子式矩阵的转置:

Aij=(−1)i+jMij
  • Mij 是删去第 i 行第 j 列后所得子矩阵的行列式(余子式);
  • adj(A)=[Aji](代数余子式矩阵的转置)。

方法三:增广矩阵行变换(推荐)

将 A 与单位矩阵拼接:

[A∣I]→初等行变换[I∣A−1]

若左侧能化为 I,则右侧即为 A−1;若出现全零行,则 A 不可逆。

5. 特殊矩阵 ​

5.1 初等矩阵 ​

由单位矩阵经一次初等行变换得到的矩阵称为初等矩阵。对矩阵左乘一个初等矩阵,等价于对该矩阵施加对应的初等行变换。初等矩阵均可逆。

5.2 对角矩阵 ​

仅主对角线上可能有非零元素的矩阵。设 D=diag(d1,d2,…,dn),则:

  • D 可逆 ⟺ 所有 di≠0;
  • D−1=diag(d1−1,…,dn−1)。

5.3 上下三角矩阵 ​

  • 上三角矩阵:主对角线以下元素全为 0;
  • 下三角矩阵:主对角线以上元素全为 0。

性质:上(下)三角矩阵可逆当且仅当主对角元素均非零,且其逆矩阵仍是上(下)三角矩阵。

6. LU 分解 ​

6.1 定义 ​

若存在下三角矩阵 L 和上三角矩阵 U,使得:

A=LU

则称之为 A 的 LU 分解。通常约定 L 的对角线元素均为 1(即单位下三角矩阵)。

NOTE

并非每个矩阵都存在 LU 分解。若可逆矩阵 A 的 (1,1) 元素为 0,则 A 没有 LU 分解(需先进行行交换,得到 PA=LU 的形式)。

6.2 求解线性方程组的应用 ​

当 A=LU 时,方程 Ax=b 变为 LUx=b。令 y=Ux,分两步求解:

  1. 前向代入:解 Ly=b(L 是下三角,从上往下代入);
  2. 后向代入:解 Ux=y(U 是上三角,从下往上代入)。

相比直接高斯消元,LU 分解在需要对同一矩阵求解多个右端项时效率更高。

7. 行列式 ​

7.1 定义与基本性质 ​

矩阵 A∈Rn×n 的行列式(determinant)det(A) 是一个标量,几何意义是 A 的列向量张成的平行体的有符号体积。

核心性质:

性质公式
乘积法则det(AB)=det(A)det(B)
数乘det(cA)=cndet(A)
转置det(A⊤)=det(A)
逆矩阵det(A−1)=1det(A)
行交换交换两行,行列式变号
行倍加一行加上另一行的倍数,行列式不变
行缩放某行乘以 k,行列式乘以 k

A 可逆 ⟺ det(A)≠0。

7.2 计算方法 ​

  • 2×2:det[abcd]=ad−bc

  • n×n(余子式展开,按第 i 行):

det(A)=∑j=1n(−1)i+jAijMij
  • 三角矩阵:行列式等于主对角线元素之积。

  • 通过高斯消元:将 A 化为上三角形 U,记录行交换次数 s,则 det(A)=(−1)s∏iUii。

7.3 Cramer 法则 ​

对于 n×n 可逆方程组 Ax=b(det(A)≠0),解的每个分量为:

xi=det(Ai)det(A)

其中 Ai 是将矩阵 A 的第 i 列替换为 b 所得的矩阵。

NOTE

Cramer 法则在理论分析中有用,但计算效率远低于高斯消元,不建议直接用于数值求解。

8. 矩阵变换 ​

8.1 定义 ​

由矩阵 A∈Rm×n 定义的矩阵变换(matrix transformation)为:

TA:Rn→Rm,TA(x)=Ax

这是一个从 Rn 到 Rm 的线性映射,将每个输入向量映射到其与 A 的乘积。

8.2 单射、满射与双射 ​

性质定义矩阵条件
单射(injective)T(x)=T(y)⇒x=y列线性无关,rank(A)=n
满射(surjective)∀b∈Rm,∃x:T(x)=b列张成 Rm,rank(A)=m
双射(bijective)既单射又满射A 是方阵且可逆(m=n,det(A)≠0)

对于方阵 A:单射、满射、双射与 A 可逆四者互相等价。

9. 伴随矩阵与 Hermitian 矩阵 ​

矩阵 A 的伴随矩阵(conjugate transpose,也记作 A∗ 或 AH)定义为:

(A∗)ij=Aji―

即先转置再取复共轭。若 A∗=A,则称 A 为自伴矩阵(self-adjoint)或 Hermitian 矩阵。

性质:Hermitian 矩阵对角线上的元素必定为实数。

对于实矩阵,Hermitian 矩阵即对称矩阵(A⊤=A)。

在 AI 中的应用 ​

概念AI/ML 中的体现
矩阵乘法神经网络前向传播:h=Wx+b
矩阵逆正规方程求最小二乘解:θ^=(X⊤X)−1X⊤y
LU 分解高效求解多右端项线性系统
行列式归一化常数、变量替换的 Jacobian
矩阵变换注意力中的投影:Q=XWQ,K=XWK,V=XWV

以知识图谱方式组织 AI 学习路径。