线性代数 - 矩阵的等价标准形

线性代数 - 矩阵的等价标准形

flyfish

有的地方叫典范形 / 典范矩阵(canonical form)有的地方叫正规形 / 正规型(normal form)

对于 m×n 矩阵 A,总可经过有限次初等变换将它化为标准形

解释(挑个能看懂的)

任意m×n矩阵经过有限次初等行变换和初等列变换,一定能且唯一能化成左上角为r阶单位矩阵、其余元素全为0的标准形,其中r等于矩阵的秩。

任何一个矩阵做行变换加列变换,都能扫成'前面一个I_r,后面和下面全是0'的样子,这个样子只跟秩有关系,同秩的矩阵扫出来长得一模一样,所以叫唯一标准形。

不管多大的矩阵,行折腾列折腾,最后都能变成左上角几个1排成一个小单位矩阵,其他地方全0,长啥样就看秩几,秩一样的矩阵最后都长得一样,一个样!

对任意矩阵执行带列主元的完全高斯-约当消元(行+列同时消),最终必然得到左上角r×r单位矩阵、其余全零的唯一形式,r即为数值秩。

两个矩阵等价的充要条件是它们具有相同的秩,从而具有相同的标准形Ir000\begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix}Ir000。

矩阵就像乐高积木,不管你原来怎么拼,最后都能拆成'前面放几个小方块1×1,其余全是空'的样子,几个小方块由'有效信息量'(秩)决定,所以所有同等信息量的矩阵最后都拆成一样的形状。

设A为数域K上的m×n矩阵,则存在m阶可逆矩阵P与n阶可逆矩阵Q,使得PAQ=Ir000PAQ = \begin{bmatrix} I_r & 0 \\ 0 & 0 \end{bmatrix}PAQ=Ir000,其中r=rank(A)r=rank(A)r=rank(A)。此形式称为A的等价标准形,且对给定秩r是唯一的。"

样子

PAQ=10⋯00⋯001⋯00⋯0⋮⋮⋱⋮⋮⋮00⋯10⋯000⋯00⋯0⋮⋮⋮⋮⋱⋮00⋯00⋯0m行 n列 \boxed{ \text{PAQ} = \begin{bmatrix} 1 & 0 & \cdots & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & 1 & \cdots & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 & 0 & \cdots & 0 \\ \hline 0 & 0 & \cdots & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 0 & 0 & \cdots & 0 \end{bmatrix} _{\text{m行 n列}} } PAQ= 10⋮00⋮001⋮00⋮0⋯⋯⋱⋯⋯⋯00⋮10⋮000⋮00⋮0⋯⋯⋯⋯⋱⋯00⋮00⋮0 m行 n列

用分块矩阵更清楚地写出来就是:
PAQ=Ir0r×(n−r)0(m−r)×r0(m−r)×(n−r)\text{PAQ} =\begin{bmatrix} I_r & 0_{r\times(n-r)} \\0.5em 0_{(m-r)\times r} & 0_{(m-r)\times(n-r)} \end{bmatrix}PAQ=Ir0(m−r)×r0r×(n−r)0(m−r)×(n−r)

左上角:r×r 的单位矩阵 I_r(对角线全是 1,其余 0)

右上角:r 行 (n−r) 列 全 0

左下角:(m−r) 行 r 列 全 0

右下角:(m−r) 行 (n−r) 列 全 0

具体例子:

m×n 秩 r PAQ 长这样
3×3 3 100010001\begin{bmatrix} 1&0&0\\0&1&0\\0&0&1 \end{bmatrix} 100010001
3×3 2 100010000\begin{bmatrix} 1&0&0\\0&1&0\\0&0&0 \end{bmatrix} 100010000
3×3 1 100000000\begin{bmatrix} 1&0&0\\0&0&0\\0&0&0 \end{bmatrix} 100000000
4×5 3 10000010000010000000\begin{bmatrix}1&0&0&0&0\\0&1&0&0&0\\0&0&1&0&0\\0&0&0&0&0\end{bmatrix} 10000100001000000000
4×5 2 10000010000000000000\begin{bmatrix}1&0&0&0&0\\0&1&0&0&0\\0&0&0&0&0\\0&0&0&0&0\end{bmatrix} 10000100000000000000
2×4 2 10000100\begin{bmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\end{bmatrix}10010000(满秩)
5×3 2 100010000000000\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&0\\0&0&0\\0&0&0\end{bmatrix} 100000100000000
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