线性代数3.2初等矩阵与求逆矩阵的初等变换法
初等行变换求逆矩阵的原理
初等行变换求逆矩阵的原理一、引言矩阵是线性代数中非常重要的概念，而矩阵的逆也是一个重要的概念。
在实际问题中，我们经常需要求解矩阵方程，而求解矩阵方程往往需要使用到矩阵的逆。
初等行变换求逆矩阵就是一种有效的方法，本文将详细介绍初等行变换的原理以及如何利用初等行变换求逆矩阵。
二、初等行变换的定义初等行变换是指对矩阵进行一系列的行变换操作，可以将一个矩阵变换为其它特定形式的矩阵。
初等行变换主要包括以下三种操作：1.交换两行：将矩阵中的两行进行交换；2.乘以非零常数：将矩阵中的某一行的元素全部乘以一个非零常数；3.两行相加（或相减）：将矩阵中的某一行的元素与另一行的元素进行加法（或减法）运算。
三、初等行变换对矩阵的影响初等行变换对矩阵的影响主要体现在矩阵的行空间和列空间上。
1.交换两行对矩阵的行空间和列空间不产生影响，只是改变了矩阵的行的顺序；2.乘以非零常数会使矩阵的行空间和列空间缩放；3.两行相加（或相减）会使矩阵的行空间发生线性组合改变，但不会改变列空间。
四、初等行变换求逆矩阵的原理逆矩阵是指对于一个方阵A，存在一个矩阵B，使得AB=BA=I，其中I是单位矩阵。
矩阵A存在逆矩阵的充分必要条件是A是可逆矩阵，也就是行列式不为零。
对于可逆矩阵A，我们可以通过初等行变换的方式来求解其逆矩阵。
求解可逆矩阵的逆矩阵可以遵循以下步骤：1.将原矩阵A和单位矩阵I进行横向合并，得到增广矩阵[A|I]；2.通过一系列的初等行变换将矩阵[A|I]变换为[I|B]，其中B为A的逆矩阵；3.得到矩阵B，即为矩阵A的逆矩阵。
五、初等行变换求逆矩阵的算法步骤利用初等行变换求解逆矩阵的算法步骤如下：1.初始化矩阵[A|I]，其中A为原矩阵，I为单位矩阵；2.对矩阵[A|I]进行初等行变换，直到得到[I|B]为止；3.得到矩阵B，即为矩阵A的逆矩阵。
具体的初等行变换操作可以根据具体的矩阵来决定，常用的初等行变换操作包括：1.交换两行；2.乘以非零常数；3.两行相加（或相减）。
求逆矩阵的四种方法
求逆矩阵的四种方法逆矩阵是指一个矩阵与其逆矩阵相乘得到单位矩阵，也是线性代数中的重要概念之一。
但是，在实际应用中，需要对矩阵求逆的情况并不多，因为矩阵求逆的时间复杂度很高。
下面介绍四种求逆矩阵的方法：1. 初等变换法：采用列主元消去法（高斯-约旦消元法）进行初等变换，即将一个矩阵通过行变换，转化为一个行阶梯矩阵，其中行阶梯矩阵的左下方的元素均为零。
而这样一个变换后得到的矩阵实际上就是原矩阵的逆矩阵。
2. 伴随矩阵法：如果一个矩阵 A 可逆，则求它的逆矩阵等价于求它的伴随矩阵 AT 的结果除以 A 的行列式。
伴随矩阵的计算式为：adj(A)= COF(A)T，其中 COF(A) 为 A 的代数余子式组成的矩阵，它的每个元素满足 COF(A)ij = (-1)^(i+j) det(Aij)，其中 det(Aij) 表示将第 i 行和第 j 列去掉后得到的子矩阵的行列式。
3. LU 分解法：LU 分解法是将矩阵分解为一个下三角矩阵 L 和一个上三角矩阵 U 的乘积，即 A = LU，其中 L 的对角线元素均为 1。
当矩阵 A 可逆时，可用 LU 分解求解其逆矩阵。
假设 L 和 U 都是方阵，则A 的逆矩阵为：A^(-1) = (LU)^(-1) = U^(-1)L^(-1)。
4. 奇异值分解（SVD）方法：当矩阵 A 是非方阵时可以采用奇异值分解法，将矩阵 A 分解为A = UΣV^T，其中 U 为一个m×m 的正交矩阵，V 为一个n×n 的正交矩阵，Σ 为一个m×n 的矩形对角矩阵，若r 是 A 的秩，则Σ左上角的 r 个元素不为 0，其余元素为 0，即Σ有 r 个非零奇异值。
当A 可逆时，Σ 中的非零元素都存在逆元，逆矩阵为：A^(-1) = VΣ^(-1)U^T。
综上所述，求逆矩阵的四种方法各有特点，应根据实际情况选择合适的方法进行求解。
初等变换法适合较小规模的矩阵，伴随矩阵法适用于计算代数余子式较容易的矩阵，LU 分解法适合较大规模的矩阵，而SVD 方法则适用于非方阵或奇异矩阵的情况。
《线性代数》3.2矩阵的初等变换与初等矩阵
r1 r3 1 0 r2 r3 0 1 再r3 2 0 0 2 A 4 1 3
0 0 1
1 2 1
2 1 1 4 2 1 1 1 1 3 2 1 1 1 2
x1 BE3 1, 2 y1 x2 y2
x2 y2
0 1 0 x3 1 0 0 y3 0 0 1
x1 x3 y1 y3
1 3 0 a1 a2 E3 1, 2 3 A 0 1 0 b1 b2 0 0 1 c c 1 2 a1 3b1 a2 3b2 b1 b2 c c 1 2
ri krj ci kc j
初等行变换和初等列变换统称为初等变换.
2.等价 定义3.2.2
若矩阵A 经过有限次的初等行变换变成 B，
r 则称矩阵A与矩阵B 行等价，记为 A B
若矩阵 A 经过有限次的初等列变换变成B，
则称矩阵A与矩阵B 列等价，记为 A
c
B
若矩阵 A经过有限次的初等变换变成B， 则称矩阵A与矩阵B 等价，记为 A B
ET i, j E i, j ；ET i k E i k ； E i j k E j i k .
T
定理3.2.1 对于一个m×n 矩阵 A进行一次初等行变换， 相当于在A的左边乘以相应的 m阶初等矩阵；对A施行 一次初等列变换，相当于在A的右边乘以相应的 n阶
初等矩阵. 验证 设初等矩阵为三阶的.
0 1 0 E3 1, 2 1 0 0 0 0 1 x1 B y1
线性代数：初等变换法求逆矩阵(finalff3)
初等变换法求逆矩阵及 解矩阵方程
初等变换法求逆矩阵
线性代数
两个已知结论 1、n阶矩阵A可逆当且仅当A能够表示成若干初等 矩阵的乘积，即存在初等矩阵P1, P2, … , Pm使得
A= P1P2…Pm .
2、在矩阵A的左边乘以一个初等矩阵相当于对A进 行一次相应的初等行变换;
在A的右边乘以一个初等矩阵相当于对A进行一 次相应的初等列变换.
例 求矩阵X，使AX=B，其中
1 2 3
2 5
A
2
2
1
,
B
3
1
.
3 4 3
4 3
解 若A可逆，则X= A−1B.
1 2 3 2 5
(A
B)
2
2
1
3
1
3 4 3 4 3
3 2
X
2
3
.
1 3
1 0 0 3 2
0 0
1 0
0 1
2 1
3 3
小结
线性代数
1、初等变换求逆矩阵
(A E) 初等行变换 (E A−1 )
或
A
E
初等列变换
E
A1
2、初等变换求解矩阵方程
(1) A可逆，AX=B
X= A−1B
(A B) 初等行变换 (E A−1 B )
(2) A可逆， XA=C
X= CA−1
A 初等列变换 E
C
CA1
初等行变换法求逆矩阵
线性代数
若A可逆，则A−1可逆，因而A−1可以表示成若干初 等矩阵Q1, Q2, … , Qm 的乘积，即A−1= Q1Q2…Qm .
A可逆， A1 A E
【全版】线性代数初等变换与逆矩阵的初等变换求法副本推荐PPT
例: 下面是几个4阶初等矩阵：
换法矩阵
1000
1000
E=
0100
r2r4
———
000
1 =E(2, 4)
0010
0010
0001
0100
1000
1000
E= 0
1
0
0
c2c4
———
0
0
0
1 =E(2, 4)
0010
0010
第i行的k倍加到第j行记为rj+kri . 例如
1 5 -1 -1 1 -2 1 3 3 8 -1 1 1 -9 3 7
r3-3r1
———
1 5 -1 -1 1 -2 1 3 0 -7 2 4 1 -9 3 7
《线性代数》
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6.1 初等变换
定义1 对矩阵施以下列三种变换之一，称为初等变换. (1)交换矩阵的某两行(列)； ----换法变换 (2)以数k0乘矩阵的某一行(列)； ----倍法变换 (3)把矩阵的某一行(列)的k消法变换
0010
0040
0001
0001
1000
1000
E=
0100
4 c3
———
010
0 =E(3(4))
0010
0040
0001
0001
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6.2 初等矩阵
对单位矩阵E施以一次初等变换得到的矩阵称为
初等矩阵（或初等方阵）.
初等矩阵有下列三种： E(i, j) 、E(i(k))、E(j,i(k)) .
求矩阵的逆矩阵的方法
求矩阵的逆矩阵的方法矩阵的逆矩阵是线性代数中的重要概念，它在解线性方程组、计算行列式和求解线性变换等问题中具有重要的应用价值。
在实际问题中，我们经常需要求解矩阵的逆矩阵，因此掌握求解逆矩阵的方法对于深入理解线性代数具有重要意义。
本文将介绍几种常用的求解矩阵逆的方法，希望能够帮助读者更好地理解和掌握这一重要概念。
方法一，代数余子式法。
对于一个n阶矩阵A，如果它的行列式|A|不等于0，则矩阵A是可逆的，即存在逆矩阵A^(-1)。
我们可以通过代数余子式的方法来求解矩阵的逆矩阵。
首先，我们需要计算矩阵A的伴随矩阵adj(A)，然后利用公式A^(-1) = adj(A)/|A|来求解逆矩阵。
这种方法在理论上是可行的，但在实际计算中可能会比较复杂，尤其是对于高阶矩阵来说，计算量会非常大。
方法二，初等变换法。
初等变换法是一种比较直观和简单的方法，它通过一系列的初等行变换将原矩阵变换为单位矩阵，然后将单位矩阵通过相同的初等行变换变换为逆矩阵。
这种方法在实际计算中比较方便，并且适用于各种情况，但是需要进行大量的计算，对于高阶矩阵来说，计算量也会比较大。
方法三，矩阵分块法。
矩阵分块法是一种比较灵活和高效的方法，它将原矩阵分解为若干个子矩阵，然后通过一定的变换将原矩阵变换为单位矩阵，再将单位矩阵变换为逆矩阵。
这种方法在理论上和实际计算中都比较方便，尤其适用于特殊结构的矩阵，如对称矩阵、三对角矩阵等。
但是对于一般的矩阵来说，可能会比较繁琐。
方法四，Gauss-Jordan消元法。
Gauss-Jordan消元法是一种经典的求解逆矩阵的方法，它通过一系列的行变换将原矩阵变换为单位矩阵，然后将单位矩阵变换为逆矩阵。
这种方法在实际计算中比较高效和方便，尤其适用于计算机程序实现。
但是对于特殊结构的矩阵，可能会存在一些特殊情况需要处理。
综上所述，求解矩阵的逆矩阵有多种方法，每种方法都有其适用的场景和特点。
在实际问题中，我们可以根据具体的情况选择合适的方法来求解逆矩阵，以达到高效、准确地计算的目的。
3.2初等矩阵与求逆矩阵的初等变换法
1 2
r2
12 r3
1 0
1 1
1 0
0 0 1
1
0
0
r2 r1
1r3 +r1
0
1
0
0 0 1
所以
1 2 A 1 1 2 0
1 0 0
1
0
1
2
2
0
1
1
2 2
1 2
1 2
0
1 2
0
1 2
0
1 2
1 2
1 0
2
0
1 2
1 1
2
2
同样地，也可以利用矩阵的初等列变换方法求矩阵的
即： 初等矩阵都是可逆矩阵，且初等矩阵的逆矩阵 仍是同类的初等矩阵。
二、初等变换法求矩阵的逆矩阵
1．矩阵可逆的两个充分必要条件
在上一章已经得到：n阶矩阵A可逆的充分必要条件是：A的
行列式 A 0 。现再给出两个充分必要条件。 引理 初等变换不改变矩阵的可逆性。
证明 不妨设 n 阶矩阵 A 经过一次初等行变换化成矩阵 B
推论1 m n 阶矩阵 A 与 B等价的充分必要条件是存
n 在m 阶可逆矩阵 P 及 阶可逆矩阵 Q ，使
PAQ B
2．求矩阵逆矩阵的初等变换法
因为 A 可逆，据定理2，有初等矩阵 P1, P2 , , Pt
使 Pt Pt1 P1A E ，即 Pt Pt1 P1E EA1 。于是
Pt Pt1 Pt Pt1
证明：（必要性）因为 A 可逆，则 A 可只通过行（列）
初等变换化为单位矩阵 E。
所以，A E11E21 Et 1。 若记 Ei1 Pi ，则 A P1P2 Pt 是初等矩阵的乘积。
四川大学线性代数课件第三章第二节 初等矩阵和逆矩阵的求法
Ps P2P1 A E, 等号两边右乘 A1,
(Ps P2P1 )E A1
即， A, E 初等行变换 E，A1
又AA1 E , A Ps P2P1 E,
E Ps P2P1 A1,
2019/7/21
即，
A E
综上就有
(P3k...P32P31)(P2l...P22P21)(P1m...P12P11)A=I
其中A左边的矩阵都是初等矩阵, 定理得证.
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19
推论1： 可逆矩阵可以表示为若干个初等矩阵的乘积
推论2：
如果对可逆矩阵 等行变换，那么当
A 和同阶单位矩阵 A 变成单位矩阵 E
E 作同样的初 时，E 就变成 A1。
0
1
0
0 0 1
212源自 0 0 1
1
2
2
0 1 0
1
12
c2 ( 110)
0
2
1
0
0 1 0 0.1 0.2 0.1
0
1
19 c1 c2 12 0
1
c3 c2 19
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8
初等矩阵
矩阵初等变换是矩阵的一种基本运算，应用广泛.
定义：由单位矩阵 E 经过一次初等变换得到的方 阵称为初等矩阵.
三种初等变换对应着三种初等方阵.
1. 对调两行或两列； 2.以数 k 0 乘某行或某列； 3.以数 k 乘某行（列）加到另一行（列）上去．
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A Ps P2P1 1 P11P21 Ps1
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可经这同一系列初等行变换化为 A1。用分块矩阵形
式，两式可以合并为
Pt Pt1 L P1 ( A, E) (E, A1 )
或
( A, E) 初等行变换(E, A1)
即对矩阵 ( A, E) 作初等行变换，当把 A 化为 E 时，
E 就化成了 A1 ( A 1
初等矩阵。
1
O
Eij
0
0L M 1L
1 M 0
O
0 第i行 第j行
1
1
M
O
Ei
(k
)
0
M
0
1
M
O
0
Eij
(k
)
M
0 L M
0
k O
1 MO kL M 0L
0
0 第i行
1
1 MO 0
0 第i行 第j行
1
这样，初等矩阵共有三类： Eij , Ei (k ), Eij (k )。
1r3r2
0
1
1
3r2 r3
0
1
1
2r3 r1
1r3r2
0
1
0
0 3 2
0 0 1
0 0 1
0 0 1
E2 (1)E32 (1)E31 (2)E23 (3)E21 (2)E32 (1)E12 (2) AE13 E
A
E 1 12
(2)
E32
1
(1)
E 1 21
(2)
E 1 23
(3)
E 1 31
(2)
E 1 32
(1)
E2
1
(
1)
EE131
E12 (2)E32 (1)E21 (2)E23 (3)E31 (2)E32 (1)E2 (1)E13
【注】矩阵 A 可逆的一个重要意义是 A 可以分解为初等
矩阵的乘积。这时 AB（或 AB ）相当于对 B 施行若干
次初等行（列）变换。
3.2 初等矩阵与求逆 矩阵的初等变换法
一 初等矩阵的概念
二 初等变换法求矩阵的逆矩阵
三 逆矩阵在解矩阵方程中的应用
一、初等矩阵的概念
1．初等矩阵 定义1 由单位矩阵 经过一次初等变换后得到的矩阵称为
初等矩阵。
2．初等矩阵的类型
三种初等变换对应有三种初等矩阵。 （1）交换两行（或列）。Eij 表示单位矩阵交换i、j行（列）
。
An En
初等列变换
En A1
（5）用分块矩阵求逆矩阵。
三、逆矩阵在解矩阵方程中的应用
设有 n 阶可逆矩阵A及 n s 矩阵 B ，满足矩阵
方程 AX B 的 X 如何快捷得到？
直接有 X A1B
因为 A 可逆，据定理2，有初等矩阵 P1, P2,L , Pt ，使
Pt Pt1L P1A E ，即 Pt Pt1 L P1 A1。于是
1 0 0
1 1 1
0
1
0
r r2
r1 +r3
0
2
2
0 0 1
0 2 0
1 0 0
1
1
0
1 0 1
1 1 1
r2 r3
0
2
0
0 2 2
1 0 0
1 1 1
1 1
0 1
1 r2 r3 0
0
0
2 0
0 2
1 0 0
1
0
1
0 1 1
1 2
r2
12 r3
1 0
n 阶初等矩阵 Eij右乘 A
aij
，其结果相当于对
mn
矩阵 A 施第一种初等列变换：把 A 的第 i 列与第
j 列对调（ ci c j ）。
可以验证，Ei (k ) 左乘矩阵 Amn ，其结果相当
i 于以数 k乘 Amn 的第 行 kri ；Ei (k ) 右乘矩阵Amn
，其结果相当于以数 k 乘 Amn 的第 i 列（ kci ）。
可逆。
例1 设
0 2 1
A
3
0
2
2 3 0
把 A 表示成初等矩阵的乘积。
解 见§3.1例3
0 2 1
1 2 0
1 2 0
Q
A
3
0
2
c1c3
2
0
3
2r1r2
0
4
3
2 3 0
0 3 2
0 3 2
1 2 0 2r2r1 1 0 2
1 0 0
1 0 0
方法有如下几种：
（1）定义法。若 AB BA E ，则 A 是可逆矩阵，且
A1 B 。
（2）利用推论1。若 AB E 或 BA E ，则 A 和
B 都可逆，并且 A1 B, B1 A
（3）公式法。若 A 0 ，则矩阵A可逆，且
A 1 1 A A
（4）初等变换法。
A , E 初等行变换 E, A 1 ，或
同样，还也验证，以 Eij (k ) 左乘矩阵 Amn 其结果相当于对 Amn 作初等行变换 kri rj ；以
Eij (k) 右乘矩阵 Amn ，其结果相当于对 Amn 作初
等列变换 kc j ci 。 综上所述，可得下述定理：
定理1 设 A 是一个 m n 阶矩阵，对 A作一
次 初等行变换，相当于在 A 的左边乘以相应的 m 阶初等矩阵；对 A 作一次初等列变换，相当
推论1 m n 阶矩阵 A 与 B等价的充分必要条件是存
n 在m 阶可逆矩阵 P 及 阶可逆矩阵 Q ，使
PAQ B
2．求矩阵逆矩阵的初等变换法
因为 A 可逆，据定理2，有初等矩阵 P1, P2 ,L , Pt
使 Pt Pt1L P1A E ，即 Pt Pt1 L P1E EA1 。于是 Pt Pt1L P1A E Pt Pt1 L P1E A1
A2 E2
4 1
3
1
1
1
2c1
2
0
1 2
3
1
1
-3c1
c2
2
0
1 2
0
5
3 2
0 1
0 1
0 1
1
-15c2
2
1
2
0
0
1
1
-2c2c1
0
3
10
1 5
1 10
2 5
0
1
3 10
1 5
E A1
故
A1
1 10
2 5
3 10
1 5
n 【注】 设 A 和 B 都是 阶方阵，则求它们逆矩阵的
即： 初等矩阵都是可逆矩阵，且初等矩阵的逆矩阵 仍是同类的初等矩阵。
二、初等变换法求矩阵的逆矩阵
1．矩阵可逆的两个充分必要条件
在上一章已经得到：n阶矩阵A可逆的充分必要条件是：A的
行列式 A 0 。现再给出两个充分必要条件。 引理 初等变换不改变矩阵的可逆性。
证明 不妨设 n 阶矩阵 A 经过一次初等行变换化成矩阵 B
3．初等矩阵的作用：左乘变行，右乘变列
m 用
阶初等矩阵 Eij 左乘 A
aij
，得
mn
a11 L
M
Eij
A
a j1 M
L
ai1
L
M
am1 L
a1n
M
a jn M
ain
M
amn
第i行 第j行
其结果相当于对矩阵 A施第一种初等行变换：
A 的第 i行与第 j 行对调（ ri rj ）。类似地，
1 1
1 0
0 0 1
1
0
0
r2 r1
1r3 +r1
0
1
0
0 0 1
所以
1 2 A 1 1 2 0
1 0 0
1
0
1
2
2
0
1
1
2 2
1 2
1 2
0
1 2
0
1 2
0
1 2
1 2
1 0
2
0
1 2
1 1
2
2
同样地，也可以利用矩阵的初等列变换方法求矩阵的
逆矩阵。这时，对
2n n
于在 A 的右边乘以相应的 n 阶初等矩阵。
n 【注】 这里乘以相应 阶初等矩阵的意思是：
对 A 作一次什么样的初等变换，就相当于 A
乘以对 E 作同样初等变换得到的初等矩阵。
4．初等矩阵的可逆性
因为 Eij Eij E ，Ei (k )Ei (k 1) E ，Eij (k )Eij (k ) E 所以 Eij1 Eij ，Ei (k )1 Ei (k 1) ，Eij (k)1 Eij (k) 。
证明：（必要性）因为 A 可逆，则 A 可只通过行（列）
初等变换化为单位矩阵 E。
所以，A E11E21 L Et 1。 若记 Ei1 Pi ，则 A P1P2 L Pt 是初等矩阵的乘积。
（充分性）若存在初等矩阵P1, P2,L , Pt，使 A P1 P2 L Pt
A 因为P1, P2 ,L , Pt 可逆，从而 P1 P2 L Pt 可逆，所以
阶矩阵
An
En
进行初等列变换，
当上半子块化为 En 时，A可逆，且下半子块就是 A1。即
An En
列初等变换
En A1
若上半子块能够化为 En 时，说明 A 可逆，否则，A 不
可逆。
【注】 在这种方法中，只能用列变换，不能用行变换。