初等变换技巧总结

总有同学问，初等变换有什么技巧吗？其实，初等变换已经是线性代数里最简单有效的技巧了，当然，它本身还是有一点点技巧的，应用这些技巧，可以让你的初等变换变得容易那么一点点。

初等变换的技巧并不多，总结起来，就这么三条：

1. 逐列进行。如果是要化成三角形，第一步，将第一列除第一个元素外，全部化成0；接着，将第二列的第二个元素下方的全部化成 0 ；依此下去，直到最后一列。如果是化成行阶梯形，也是先从第一列开始，将第一个元素的下方全部化成 0 ；然后第二列，第三列等等。 如果是要化成行最简，那么化成阶梯形后，再从最后一个阶梯开始，将每个阶梯的第一个非 0 元的上方化成，依次往前进行。
2. 找最简单的数字。每次化简前，将最简单的数字所在的行交换到基础行。所谓基础行（这是我给的定义，呵呵），对于三角形来说，就是主对角线元素所在的行，例如，现在要化简第三列，那么第三行就是基础行，因为我们要将第三行第三列元素的下方都化成 0 。如果是要化成阶梯形，那么基础行就是已经化完了的行的下一行。
3. 耐心。不要着急，因为初等变换要做很多数字的四则运算，很容易出错，也很容易让人厌倦，所以这时候耐心很重要。耐心才不容易出错。

现在我们来看一个例子，说明一下怎么用这两个原则，逐列进行与找最简单的数字。

例 1：将矩阵化成行最简矩阵
\[\begin{pmatrix}
2&3&1&-3&-7\\
1&2&0&-2&-4\\
3&-2&8&3&0\\
2&-3&7&4&3
\end{pmatrix}\]

解：我们来看，这个矩阵怎么运用前面所说的两个法则。逐列进行，那么就是从第一列开始，将第一个元素的下方全部变成 0 。然后再第二列，第三列等等。来看第一列，第一列里最简单的数字是 1 ，所以将 1 所在的行交换到第一行（基础行），我们得到
\[\begin{pmatrix}
2&3&1&-3&-7\\
1&2&0&-2&-4\\
3&-2&8&3&0\\
2&-3&7&4&3
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1&2&0&-2&-4\\
2&3&1&-3&-7\\
3&-2&8&3&0\\
2&-3&7&4&3
\end{pmatrix}\]

然后，将下方的数字全部变成 0 ，那么将第一行乘以 -2 加到第二行，乘以 -3 加到第三行，乘以 -2 加到第四行，得到
\[
\begin{pmatrix}
1&2&0&-2&-4\\
2&3&1&-3&-7\\
3&-2&8&3&0\\
2&-3&7&4&3
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1&2&0&-2&-4\\
0&-1&1&1&1\\
0&-8&8&9&12\\
0&-7&7&8&11
\end{pmatrix}
\]

现在第一列化完了，该化第二列了。我们看到，第二列里，最简单的是 -1，它就在第二行里，就不用交换了。现在将第二行乘以 -8 加到第三行，乘以 -7 加到第四行，得到

\[\begin{pmatrix}
1&2&0&-2&-4\\
0&-1&1&1&1\\
0&-8&8&9&12\\
0&-7&7&8&11
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1&2&0&-2&-4\\
0&-1&1&1&1\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&1&4
\end{pmatrix}
\]

现在该第三列了。但是因为第三列里，第三个元素之后都是 0 ，所以从阶梯形的定义，我们不需要对它进行运算。阶梯形里，第三个阶梯的第一个非 0 元在第四列，所以下一个是第四列，第四列里，第三个元素是 1 ，所以也不用交换行了，将第三行乘以 -1 加到第四行，就得到了
\[\begin{pmatrix}
1&2&0&-2&-4\\
0&-1&1&1&1\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&1&4
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1&2&0&-2&-4\\
0&-1&1&1&1\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&0&0
\end{pmatrix}
\]

现在已经是行阶梯形了，如果要化成行最简，那么每一个阶梯的第一个非 0 元的上方也应该化成 0 。这个时候，就是从最后一个阶梯开始。我们看，最后一个阶梯的第一个非 0 元在第四列，第三行。所以，将第三行乘以 -1 加到第二行，乘以 2 加到第一行，我们得到了
\[\begin{pmatrix}
1&2&0&-2&-4\\
0&-1&1&1&1\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&0&0
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1&2&0&0&4\\
0&-1&1&0&-3\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&0&0
\end{pmatrix}
\]

同理，将第二行乘以 2 加到第一行，得到了
\[\begin{pmatrix}
1&2&0&0&4\\
0&-1&1&0&-3\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&0&0
\end{pmatrix}\sim
\begin{pmatrix}
1&0&2&0&-2\\
0&-1&1&0&-3\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&0&0
\end{pmatrix}
\]

最后，将每一个阶梯的第一个非 0 元化成 1 。为此，只需要将第二行乘以 -1 ，我们的工作就完成了。
\[\begin{pmatrix}
1&0&2&0&-2\\
0&-1&1&0&-3\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&0&0
\end{pmatrix}
\sim\begin{pmatrix}
1&0&2&0&-2\\
0&1&-1&0&3\\
0&0&0&1&4\\
0&0&0&0&0
\end{pmatrix}
\]