设矩阵A为nn矩阵,那么以下命题等价:
1.A是可逆矩阵。
2.存在nn矩阵C使得CA=I。
3.存在nn矩阵D使得AD=I。
4.A的各列线性无关。
5.对于向量空间R^n中任意向量b,方程AX=b有且仅有一个解。
6.A的各列张成R^n。
7.A行等价于单位矩阵。
8.方程AX=0仅有平凡解。
9.A.T是可逆矩阵。
10.A有n个主元位置,有n个主元列,没有自由元。
向量空间方面:
10.矩阵的零空间nul A只含有零向量,即{0}。
11.矩阵的各列构成R^n的一组基。
12.矩阵的列空间col A=R^n
13.矩阵列空间的维度dim col A=n
14.矩阵的秩rank A=n
15.矩阵零空间的维度dim //代码效果参考:http://www.lyjsj.net.cn/wx/art_23538.html
nul A=0接下来我们要一点一点地完成论证,透过纷繁芜杂的信息,抽丝剥茧地思考矩阵可逆的本质;并体会方阵与非方阵,非奇异矩阵和奇异矩阵的异同。
根据可逆矩阵的定义:
因此,1蕴含2,1蕴含3.
接下来证明2蕴含8,即命题“存在nn矩阵C使得CA=I”蕴含“方程AX=0仅有平凡解。”
由题可得:CAX=C(AX)=C0=0
CAX=(CA)X=IX=0
可得X=0.
8蕴含10,即“方程AX=0仅有平凡解”蕴含“A有n个主元位置,有n个主元列,没有自由元。”:
(接上)这同时说明AX=0没有自由变量(有自由变量的话就有无穷多解),它的每个变量都是主元(有n个主元位置),每列都是主元列。
10蕴含7,即“A有n个主元位置,有n个主元列,没有自由元。”蕴含“A行等价于单位矩阵”:
已知A是方阵且有n个主元位置,则主元必然位于主对角线上(n个主元位置在不同的行)。所以A的行最简形是单位矩阵In。
7蕴含1,即“A行等价于单位矩阵”蕴含“A是可逆矩阵。”
我们先证明:
另外,有:
因此:
这也正是我们求逆矩阵的方法:作增广矩阵(A|E),经过行变换得(E|A^-1).
至此,我们完成了以下几个命题的等价证明:
1==> 2==> 8==> 10==> 7==> 1
3蕴含5,即“存在nn矩阵D使得AD=I。”蕴含“对于向量空间R^n中任意向量b,方程AX=b有且仅有一个解。”:
ADb=Ib=b
得A(Db)=b
所以向量x=Db满足Ax=b。
命题5和6完全等价。参见向量组的线性相关性。
5蕴含1,即“对于向量空间R^n中任意向量b,方程AX=b有且仅有一个解。”蕴含“A是可逆矩阵。”
由题得A在每一行都有一个主元位置,又因为A是方阵,主元位于主对角线上,A行等价与单位矩阵,故A是可逆矩阵。
我们完成了以下几个命题的等价证明:
1==>3==>5==>1
命题4和8是完全等价的。参见向量组的线性相关性。
1蕴含9,即“A是可逆矩阵”蕴含“A.T是可逆矩阵”:
因为A.T.T=A,故将A于A.T互换后可得9蕴含1.
至此,完成了可逆矩阵定理1-10的证明。
接下来我们考虑这个问题:假设一个mn矩阵A,若存在nm矩阵C和D使CA=I,AD=I;我们可以说矩阵A是可逆的吗?
事实上,我们可以推出A是方阵(即m=n)且C=D。所以A是可逆的。我们说只有方阵才有可逆的概念。
但是,只满足一个条件的话不能推出A 可逆。
接下来我们开始论证。
1.设CA=In(nn单位矩阵),A是mn矩阵,C是nm矩阵。先证明Ax=0只有平凡解:
CAX=C(AX)=C0=0
CAX=(CA)X=IX=0
可得X=0.
因此得到A的各列线性无关。所以列向量的个数小于等于列向量的维度。即行数大于等于列数。
2.设AD=Im(mm单位矩阵),A是nm矩阵,D是m*n矩阵。先证明对于R^m中的向量b,Ax=b有解:
ADb=Ib=b
得A(Db)=b
所以向量x=Db满足Ax=b。
因此A的各列张成Rm,列向量个数大于等于列向量维度,即行数小于等于列数。
结合1,2可得行数等于列数,所以A是方阵。
C=D非常容易论证:
C = InC = (DA)C = D(AC) = DIn = D
以上论证解答了为什么可逆矩阵一定是方阵。
(……)