乐思数学通 › 考研数学(一) › 第 10 章 矩阵

分块矩阵

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考频价值

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前置诊断

① 直接前置(需先掌握)矩阵的运算

要点精讲

把关键道理、证明与典型例子重新过一遍。

1. 分块运算规则:分块乘法的条件与公式、分块转置、分块对角与副对角的行列式和逆★★ 必会

① 分块乘法:条件 公式. 设 为 、 为 。分块后能够按块相乘的条件是: 对列的分法与 对行的分法完全一致(中间的分割线要对得上)。此时

形式上与普通矩阵的乘法完全一样,但每个 都是矩阵的乘积,次序绝不能颠倒。下面两个特例最为常用:把 按列分块,得 ,即乘积的每一列是 乘对应的列;把 按列分块再乘向量,得 ,即矩阵乘向量 列向量的线性组合。这两种看法是后面向量组与线性方程组两章的基础。

② 分块转置:先整体转置,每块再转置.

即先把各块的排布整体转置,每一块自身还要再转置。如果只作其中一步,结果就是错的。

③ 分块对角阵. 设 (各 均为方阵),则

并且 可逆 每个 可逆,这时 ,即各块分别求逆,仍放回原来的位置。

④ 分块副对角阵( 型). 设 为 阶、 为 阶方阵,则

求逆时仍是各块分别求逆,但要交换位置: 落到左下角, 落到右上角。与此相配的还有分块三角行列式 (含未知块的分块三角矩阵如何求逆,见本页待定系数条)。

必须注意:分块矩阵的行列式不能照搬二阶数字行列式的算法,一般说来 ;一般的分块行列式要用舒尔补来计算(见本页相应条目)。
证明 / 推导(a) 分块三角行列式 (用 §9.1 的 项定义). 证 设 ,其中 为 阶、 为 阶。按行列式的定义,每一非零项要在每行取一个元素,且所取元素的列互不相同。后 行(即 所在的行)在前 列的元素全为 ,所以这 行只能在后 列中取元素;于是前 行恰好取完前 列。这样,每一非零项都分解成 内的项 内的项,而它的逆序数恰为两块内部逆序数之和,整个和式因而分解成两个独立的和的乘积,即 。取 便得分块对角的情形,逐块归纳即得 ③ 中的行列式公式。

(b) 副对角块的符号 . 把 的后 列整体移到最前面:每一列都要依次跨过它前面的 列,即作 次相邻对换, 列共作 次对换,最后得到分块对角阵 。每作一次对换行列式变号一次,因此 。

(c) 副对角阵的逆:按块相乘直接验证.

分块对角阵的求逆公式可用同样的方法验证。
举例说明例(1991 年数一·填空题). 设 阶矩阵 ,求 。

解. 按零块的位置切分: 是分块对角阵,其中 ,。对各块分别求逆(二阶矩阵求逆时主对角元对换、副对角元变号,再除以行列式):

把它们放回原来的位置,得

另外,由 ③ 得 。必须注意:如果题目给的是副对角的分块矩阵 ,那么求逆时除了各块分别求逆,还要交换位置。主对角的情形放回原位,副对角的情形交换位置,两者不可混淆。

2. 分块三角阵求逆的一般公式:用待定系数法当场推出,不必强记★ 要懂

上一条给出了分块对角阵与副对角阵的逆,而考试中更常见的是分块三角阵,即只有一个角块 不为零的情形:(这里 可逆)。这个公式不必强记。把所求的逆设成同样结构的分块矩阵 ,令乘积等于 ,再把所得的四个分块方程逐一解出即可。掌握了先设分块、再比较这一方法,任何分块三角阵或分块对角阵的逆都能当场推出,比强记公式更为可靠。
证明 / 推导证 设 ,按块展开,得四个方程:

由 ( 可逆)得 ;由 ( 可逆,两边左乘 )得 ;代入第一个方程得 ,因而 ;代入第二个方程得 ,两边左乘 ,得 。这就得到上面的求逆公式。
举例说明求 ,。

解. 按 分块,取 ,,,它是分块上三角阵。算得 ,。于是

3. 舒尔补:一般分块行列式

分块三角行列式 只是一个特例。如果左下角 ,而 可逆,那么可以用分块消元把 消成 ,代价是右下角出现矩阵 ,它称为 的舒尔补。于是一般的分块行列式有 。这是计算四块都不为零的大行列式的基本工具,下一条 的证明也要用到它。与此相对称,如果 可逆,那么 。
证明 / 推导证 当 可逆时,有下面的分块 LU 分解(直接乘开即可验证):

右端第一个因子是分块下三角阵,对角块都是 ,行列式等于 ;第二个因子是分块上三角阵,行列式等于 。两边取行列式,由 即得

4. 用分块矩阵证 :同一个分块行列式算两次

与 通常连阶数都不相同(当 是 、 是 时, 是 阶方阵, 是 阶方阵),但两者之间有下面的联系:。这个恒等式说明 与 有完全相同的非零特征值,是特征值一章中许多结论的来源。它的证明是分块方法的典型例子:构造一个分块矩阵,用舒尔补分别从左上角与右下角展开,再令两个结果相等。
证明 / 推导证 构造分块矩阵 ,用舒尔补把它的行列式算两次。

(按左上块 展开) 。

(按右下块 展开) 用对称的形式,。

同一个 用两种方法算出的结果必相等,因此 。证毕。

推论. 作 一类的代换,可以推出 与 的非零特征值(连同重数)完全一致。这就是秩一扰动 一类题目的理论根据。

5. 分块对角阵的方幂与多项式:各块互不影响,可以逐块计算

分块对角阵 在乘法下各块互不影响:,一般地 ;并且对任意多项式 有 。这样一来,求一个大矩阵的方幂或多项式,就化成分别求几个小块的方幂,这是分块方法在计算上最实用的一点。相似对角化 以及用约当标准形求方幂,实质上都是先化成分块对角阵,再逐块计算。
证明 / 推导证 只需考察两块的情形,多块的情形与此相类似。设 ,由分块乘法得

用归纳法即得 。又对多项式 ,有 。
举例说明求 ,。

解. 。上块 ;下块 (把它写成单位矩阵与幂零矩阵之和,再用二项式展开即得)。于是

6. 秩的两条重要不等式:Sylvester 与 Frobenius★★ 必会

下面两条秩不等式在真题中常被直接使用,这里作一系统的陈述。

① Sylvester 不等式:设 ,则这里的 是中间的维数( 的列数 的行数)。当 时,它给出特例 。

② Frobenius 不等式:设 ,则取 (此时 )即退化为 Sylvester 不等式:。

推广到三个矩阵:对 阶方阵,连用两次 Sylvester 不等式得 。如果这里的等号成立,那么中间每一步的不等号也都取等号,由此可以反推出 一类的结论(见例题)。
证明 / 推导思路. 以 Sylvester 不等式为例。待证式 的左端是 各自的秩,右端是乘积的秩与中间维数之和。构造一个分块矩阵,使其秩恰为右端;再用可逆的分块变换把 与 分离到不同的分块行与分块列上,左端即由下述引理给出。Frobenius 不等式同法。

引理. 设 为使下式有意义的矩阵,则

证. 记 。在 中取 个线性无关的行,在 中取 个线性无关的行,大矩阵中与之对应的 行形如设 。比较右半部分得 ,由 线性无关知 ;代回左半部分得 ,同理 。故这 行线性无关,从而秩不小于 。

以下每一步均为左乘或右乘可逆矩阵,秩保持不变。

① Sylvester 不等式. 设 为 矩阵, 为 矩阵。取

令 阶可逆矩阵 ,则

再令 阶可逆矩阵 ,第二分块行的 消去左上角,同时使 出现在左下角:

交换两个分块列,得

此式右上角为零,对角块为 与 。由引理

② Frobenius 不等式. 设 为 、 为 、 为 矩阵。待证式 的右端为 与 ,故取

令 阶可逆矩阵 ,则右上角出现 :

再令 阶可逆矩阵 ,左上角被消去,左下角出现 :

交换两个分块列,得其对角块为 与 。由引理

注. 各单位阵的阶数由所在方阵确定:左乘的方阵与被乘矩阵行数相同( 阶,故为 ),右乘的方阵与其列数相同(① 中为 阶,故为 ;② 中为 阶,故为 )。在 ② 中取 (此时 )即得 ①。
举例说明2025·数一 q07: 阶 满足 ,判断 ① ;② ;③ ;④ 。
解:连用 Sylvester 不等式,得 。由已知,右端 ,所以两处不等号都取等号,于是 ①② 成立。③④ 不成立,反例为 ,这时 ,条件满足,但 。答案 A(①②)。
💡 小知识
分块矩阵把分而治之的思想搬进了线性代数。现代超大规模的矩阵计算,比如训练神经网络、模拟天气,几乎都要靠分块:一个装不进内存的巨型矩阵被切成小块,分发给成百上千个处理器并行运算。你手算时眯起眼睛只看大格子的那点技巧,和超级计算机加速用的其实是同一个原理。

基础例题

从最基础开始,循序渐进;先独立尝试,再展开完整解答。

例 1 设分块对角矩阵 ,其中 ,。求 与 。 难度 1分块对角阵的行列式等于各对角块行列式之积,逆等于各块分别求逆。
行列式:

因 、, 可逆。分别求逆:

例 2 计算分块三角形行列式 。 难度 2观察左下角是 零块,整体是分块上三角形 ,其中

分别算:

故 。右上角的块 完全不影响结果(这正是分块三角形的便利之处)。
例 3 设 ,, 为 阶矩阵。求 与 。 难度 2这里 均为 阶,。副对角分块行列式公式:

因 、, 可逆。副对角分块求逆是「交叉」放置:

代入得

关键:认出「反对角有块、主对角为零」,行列式套 、逆用交叉公式 。

真题精选

近年原题,先做做看、自动判分,再对照答案、思路与完整解答。

2025 年 · 数一 · 第 7 题 · 选择题 · 5 分

设 阶矩阵 满足 ,给出下列四个结论:
① ;
② ;
③ ;
④ 。
其中正确的选项是(  )
  • A①②.
  • B①③.
  • C②④.
  • D③④.

2023 年 · 数一 · 第 5 题 · 选择题 · 5 分

已知 阶矩阵 满足 , 为 阶单位矩阵。记矩阵 的秩分别为 ,则(  )
  • A.
  • B.
  • C.
  • D.

2022 年 · 数一 · 第 6 题 · 选择题 · 5 分

设 为 阶矩阵, 为单位矩阵。若方程组 与 同解,则(  )
  • A方程组 只有零解.
  • B方程组 只有零解.
  • C方程组 与 同解.
  • D方程组 与 同解.

随堂练习

先用基础题热身,再按年份从新到旧挑战本知识点的其余真题。

练习 1 · 选择题

设 ,其中 为 阶方阵、, 为 阶方阵、,则 ( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 2 · 填空题

设 为方阵,,,则分块上三角行列式 ____。

练习 3 · 选择题

设 为 阶方阵、 为 阶方阵,则副对角分块行列式 ( )。
  • A
  • B
  • C
  • D

练习 4 · 填空题

设 , 为 阶矩阵,则 ____。

练习 5 · 选择题

分块对角矩阵 ( 为方阵)可逆的充要条件是( )。
  • A 可逆
  • B 可逆
  • C 与 都可逆
  • D 或 可逆

2021 年 · 数一 · 第 7 题 · 选择题 · 5 分

设 为 阶实矩阵,下列不成立的是(  )
  • A
  • B
  • C
  • D

2018 年 · 数一 · 第 6 题 · 选择题 · 4 分

设 为 阶矩阵,记 为矩阵 的秩, 表示分块矩阵,则(  )
  • A
  • B
  • C
  • D

1991 年 · 数一 · 第 5 题 · 填空题 · 3 分

设 4 阶矩阵 ,则 的逆矩阵 ___.