Skip to content

2.2 矩阵的运算 ​

矩阵的线性运算 ​

加减法 ​

设有两个 矩阵 和 ,定义矩阵的加法:

矩阵的加法满足交换律、结合律。

对于矩阵 ,定义其负矩阵 。显然有 。

定义矩阵的减法 。

数乘 ​

对于矩阵 ,定义数 与矩阵 的乘积 。

矩阵的数乘可类比高中的向量数乘。

WARNING

注意不要和行列式搞混:行列式如果要将外面的因数乘进去,只能乘一行 (列)。

矩阵的乘法 ​

矩阵乘法的定义 ​

求矩阵 与 的乘积 :

其中, 的值等于 与 对应相乘再相加。

例如,要计算这里的 ,我们取出 的第一行 和 的第一列 ,有

计算 ,我们取出 的第一行 和 的第二列 ,有

以此类推,可以算出这里的 。

既然要将 的一行和 的一列对应相乘相加,那 的一行和 的一列的元素数量就必须相等。换言之, 的列数和 的行数必须相等。

观察我们刚刚计算的 , 的列数和 的行数都是 ,而且写出来两个 在式子的内侧, 和 在式子的外侧,于是我们形象地将 的列数和 的行数(这里的两个 )称为「内标」,将 的列数和 的行数(这里的 和 )称为「外标」。

也就是说,矩阵相乘要求内标相等,而乘积矩阵的行数和列数取决于外标:

也就是说,矩阵的乘法不满足交换律。

现在我们写出矩阵乘法的完整定义:对于矩阵 和 ,则 是一个 矩阵,且有:

可以叫做 左乘 或 右乘 。

例

由定义可知,只有方阵可以求幂。

线性方程组与矩阵乘法 ​

上面的方程组用矩阵就可以方便地表示为:

也就是

矩阵乘法的性质 ​

不具有交换律 ​

交换可能导致:

  • 交换后的式子不合法(内标不相等)
  • 交换后乘积矩阵不同型(内标不等于外标)
  • 交换后乘积矩阵不相等(方阵)

但是对于两个 阶方阵 和 ,如果碰巧有 ,就说 和 是可交换的。

不具有消去律 ​

举几个例子:

具有结合律 ​

具有分配律 ​

WARNING

运用分配律的时候不能把顺序搞乱!

乘法与行列式 ​

特殊矩阵的乘法 ​

任何矩阵左乘或右乘零矩阵 都得 。

任何方阵左乘或右乘单位矩阵 都得到其本身。

对角矩阵 求幂相当于对其所有元素求幂。

元素数量相同的行向量和列向量相乘得到一阶矩阵,也就是一个数。

WARNING

与「列矩阵乘行矩阵」区分开!

例

设 ,求 。

解 拆分。

设 ,则有 。且有:

这很重要,因为只有 ,才能使用二项展开式!

且

故有

矩阵的转置 ​

类似行列式,我们定义矩阵的转置:

矩阵转置的性质 ​

WARNING

注意最后两条,转置前后,相乘的矩阵顺序要对调。(因为转置前后内外标互换)

所以,列矩阵就可以方便地表示为 。

方阵的行列式 ​

当矩阵 是 阶方阵时,可以取行列式 。

方阵的行列式的性质:

这个概念之前已经提过,这里不再赘述。