最简形矩阵一般指的是行最简形矩阵,它是一种阶梯形的矩阵,是线性代数中的一类特定形式的矩阵,指的是矩阵中非零行的第一个非零元素全是1,且非零行的第一个元素1所在的列的其余元素全是0的矩阵。如矩阵:[1,0,0,3; 0,1,0,-1; 0,0,1,4], 其中元素间用逗号分隔,行与行之间用分号分隔,下同。
最简形矩阵可以用来表示线性方程的解。矩阵的行数表示方程式的个数,列数表示每个方程式的项数,其中最右侧的列表示常数项,只有常数项在方程中等号的右侧。除了表示常数项的列,其余列的数量表示未知数的个数。比如3X4矩阵中,三行表示有三个方程构成的方程组,四列表示有三个未知数和一个常数项。同列元素表示现一个未知数在不同的方程式中的系数。那么把矩阵转化为最简形矩阵的过程,就是解方程的过程。比如关于x,y,z的三元一次方程组,把它们的系数和常数项表示为一个3X4矩阵,转化为行最简形矩阵后,得到[1,0,0,3; 0,1,0,-1; 0,0,1,4],那么方程组的解就是{x=3,y=-1,z=4}.
那么如何才能将矩阵化为最简形矩阵呢?可以利用矩阵的初等变换来实现。矩阵的初等变换包括:(1)对调两行;对应对调两个方程式的先后顺序,结果不变;(2)以非零数k乘以某一行的所有元素;对应某方程两边同时乘以非零的数k,结果不变;(3)把某一行所有元素的k倍加到另一行对应的元素上去;对应解方程组的加减法。
接下来以解四元一次方程组:{2a 3b d=-4; 2b 2c 3d=-7; a c d=0; a 2b-c 3d=-12}为例,来讲解如何利用最简形矩阵解线性方程组,以及如何将矩阵转化为行最简形矩阵。这个方程组的系数构成的矩阵是:[2,3,0,1,-4; 0,2,2,3,-7; 1,0,1,1,0;1,2,-1,3,-12].
首先交换第1行和第3行,使第一行第一列的元素为1,得到:[1,0,1,1,0; 0,2,2,3,-7; 2,3,0,1,-4;1,2,-1,3,-12].