构造消元矩阵$E_{21}$、$E_{31}$、$E_{32}$使$E_{32}E_{31}E_{21}A$为上三角矩阵的咨询
嘿,我来一步步帮你搞定这个消元矩阵的问题~这题出自Gilbert Strang的《Introduction to Linear Algebra》,先把问题明确下:
Given matrix
$$
A = \begin{bmatrix}
1&1&0 \
4&6&1 \
-2&2&0
\end{bmatrix},
$$
create $3$ elimination matrices $E_{21}$, $E_{31}$, and $E_{32}$ such that $E_{32}E_{31}E_{21}A = U$, an upper triangle matrix.
你说的思路完全正确:消元矩阵是基于单位矩阵修改而来,找到要消除元素与对应主元的比值,取反后放到单位矩阵的目标位置就行。我来帮你把三个矩阵都算出来,顺便验证下结果:
第一步:构造$E_{21}$
我们要消除$A$中$(2,1)$位置的元素$4$,主元是$a_{11}=1$,所以乘数是$-4$(也就是$-\frac{a_{21}}{a_{11}}$)。把这个值放到单位矩阵的$(2,1)$位置,得到:
$$E_{21} = \begin{bmatrix} 1&0&0 \ -4&1&0 \ 0&0&1 \end{bmatrix}$$
左乘$A$后得到中间矩阵$A_1$:
$$A_1 = E_{21}A = \begin{bmatrix} 1&1&0 \ 0&2&1 \ -2&2&0 \end{bmatrix}$$
第二步:构造$E_{31}$
接下来消除$A_1$中$(3,1)$位置的元素$-2$,主元还是$a_{11}=1$,乘数是$2$(也就是$-\frac{a_{31}}{a_{11}} = -\frac{-2}{1}=2$)。放到单位矩阵的$(3,1)$位置:
$$E_{31} = \begin{bmatrix} 1&0&0 \ 0&1&0 \ 2&0&1 \end{bmatrix}$$
左乘$A_1$得到$A_2$:
$$A_2 = E_{31}A_1 = \begin{bmatrix} 1&1&0 \ 0&2&1 \ 0&4&0 \end{bmatrix}$$
第三步:构造$E_{32}$
最后要消除$A_2$中$(3,2)$位置的元素$4$,这时候主元是$a_{22}=2$,乘数是$-2$(也就是$-\frac{a_{32}}{a_{22}} = -\frac{4}{2}=-2$)。放到单位矩阵的$(3,2)$位置:
$$E_{32} = \begin{bmatrix} 1&0&0 \ 0&1&0 \ 0&-2&1 \end{bmatrix}$$
左乘$A_2$就得到上三角矩阵$U$:
$$U = E_{32}A_2 = \begin{bmatrix} 1&1&0 \ 0&2&1 \ 0&0&-2 \end{bmatrix}$$
这里要注意:矩阵乘法不满足交换律,必须严格按照$E_{32}E_{31}E_{21}A$的顺序计算,才能得到正确的上三角矩阵哦~
备注:内容来源于stack exchange,提问作者SteveV




