不知道起什么标题好

  我们知道,对一个矩阵做初等行变换,相当于对矩阵左乘初等矩阵;做列变换,则是右乘初等矩阵。这是由于$AB$的每一列是$A$的列向量的线性组合,每一行是$B$的行向量的线性组合。

  而且,行(列)变换作用于$A$,即把$A$变为$MA$(把$A$变为$AM$),显然等价于行(列)变换作用于单位矩阵E再左(右)乘$A$。即$MA=(ME)A$。我们想要根据变换过程,求代表变换效果的矩阵$M$,也只要把变换的过程在$E$上施加一遍就好。所以我们求$A^{-1}$时,会作出分块矩阵$[A\quad E]$,并通过行变换将$A$化作单位矩阵——原理就是变换过程相当于$A$左乘了$A^{-1}$,此时$E$经历相同行变换,即会变为$A^{-1}E=A^{-1}$。同理,我们求矩阵方程$AX=B$时,可以做分块矩阵$[A\quad B]$然后只用行变换将$A$化为$E$。而求$XA=B$的解时,则需要竖着拼做列变换(因为要右乘$A^{-1}$)。

  这样,我们也能理解求相抵标准型/相合规范型的初等变换方法了。

相抵标准型

  相抵标准型就是求$PAQ=\begin{bmatrix}E_r&O \\ O&O \end{bmatrix}$,也就可以视为对$A_{m\times n}$做若干次初等行变换和初等列变换得到$\begin{bmatrix}E_r&O \\ O&O\end{bmatrix}$。其中行变换的总效果可以用矩阵$P$来表示,列变换的总效果可以用矩阵$Q$来表示。

  如果题目要求我们求出$P$和$Q$,只需要作分块矩阵$\begin{bmatrix}A&E_{m\times m} \\ E_{n\times n}&O\end{bmatrix}$,然后作初等行列变换,将左上角分块化为$\begin{bmatrix}E_r&O \\ O&O\end{bmatrix}$​后,左下方和右上方的分块即为所求。

  另外,由做高斯消元法时的经验,无论矩阵是否满秩,我们可以通过行变换将矩阵化为简化阶梯型矩阵,此时再进行初等行变换,无法继续化简,就可以开始列变换了。$P$和$Q$并不是唯一的,我们可以考虑$A=[1]$的情形,此时可以有$P=[a]$,$Q=[\frac{1}{a}]$,总是满足相抵标准型的要求。

相合规范型

  求相合规范型,也就是求$C^{T}AC$为对角矩阵(对角线元素为1,-1,0)。只要作出分块矩阵$\begin{bmatrix}A \\ E\end{bmatrix}$然后对$A$进行初等行变换的同时进行初等列变换,对$E$进行相应的列变换,直到$A$化为想要的矩阵。类似于相抵标准型的例子,这是容易理解的。从归纳法的证明来看,全过程的步骤就是沿着主对角线,利用主对角线上的元素逐步把同行同列的元素化为0.

补充:LU分解

分块矩阵的初等变换

  对于倍加变换,分块矩阵的行变换相当于对某一分块行左乘矩阵,再把这个分块行加到另一行。而我们知道左乘相当于做行变换(甚至不一定是初等的,因为左乘的这个矩阵不要求是“非零”的,也就是不要求是可逆的),即,分块矩阵的倍加行变换相当于对分块行内部先做若干次行变换,再把整个分块加到另一行上。

待补充…