① 分块乘法:条件 + 公式. 设 A 为 m×n、B 为 n×s。分块后能够按块相乘的条件是:A 对列的分法与 B 对行的分法完全一致(中间的分割线要对得上)。此时 ABCij=(Cij)=k∑AikBkj 形式上与普通矩阵的乘法完全一样,但每个 AikBkj 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 B 按列分块,得 AB=A(b1,…,bs)=(Ab1,…,Abs),即乘积的每一列是 A 乘对应的列;把 A 按列分块再乘向量,得 Ax=x1a1+⋯+xnan,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. (ACBD)T=(ATBTCTDT), 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 A=diag(A1,A2,…,At)(各 Ai 均为方阵),则 ∣A∣Akr(A)=∣A1∣∣A2∣⋯∣At∣=diag(A1k,…,Atk)=r(A1)+⋯+r(At) 并且 A 可逆 ⟺ 每个 Ai 可逆,这时 A−1=diag(A1−1,…,At−1),即各块分别求逆,仍放回原来的位置。
④ 分块副对角阵(2×2 型). 设 B 为 m 阶、C 为 n 阶方阵,则 OCBO=(−1)mn∣B∣∣C∣,(OCBO)−1=(OB−1C−1O), 求逆时仍是各块分别求逆,但要交换位置:B−1 落到左下角,C−1 落到右上角。与此相配的还有分块三角行列式 AOCB=∣A∣∣B∣(含未知块的分块三角矩阵如何求逆,见本页待定系数条)。
证明 / 推导(a) 分块三角行列式 =∣A∣∣B∣(用 §9.1 的 n! 项定义). 证 设 M=(AOCB),其中 A 为 m 阶、B 为 n 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 n 行(即 B 所在的行)在前 m 列的元素全为 0,所以这 n 行只能在后 n 列中取元素;于是前 m 行恰好取完前 m 列。这样,每一非零项都分解成A 内的项 ×B 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 ∣M∣=∣A∣∣B∣。取 C=O 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 (−1)mn. 把 (OCBO) 的后 m 列整体移到最前面:每一列都要依次跨过它前面的 n 列,即作 n 次相邻对换,m 列共作 mn 次对换,最后得到分块对角阵 (BOOC)。每作一次对换行列式变号一次,因此 OCBO=(−1)mn∣B∣∣C∣。
分块三角行列式 AOCB=∣A∣∣B∣ 只是一个特例。如果左下角 C=O,而 A 可逆,那么可以用分块消元把 C 消成 O,代价是右下角出现矩阵 D−CA−1B,它称为 A 的舒尔补。于是一般的分块行列式有 ACBD=∣A∣∣D−CA−1B∣。这是计算四块都不为零的大行列式的基本工具,下一条 ∣E+AB∣=∣E+BA∣ 的证明也要用到它。与此相对称,如果 D 可逆,那么 ACBD=∣D∣∣A−BD−1C∣。
证明 / 推导证 当 A 可逆时,有下面的分块 LU 分解(直接乘开即可验证): (ACBD)=(ECA−1OE)(AOBD−CA−1B). 右端第一个因子是分块下三角阵,对角块都是 E,行列式等于 1;第二个因子是分块上三角阵,行列式等于 ∣A∣∣D−CA−1B∣。两边取行列式,由 ∣XY∣=∣X∣∣Y∣ 即得 ACBD=1⋅∣A∣∣D−CA−1B∣=∣A∣∣D−CA−1B∣.
4. 用分块矩阵证 ∣Em+AB∣=∣En+BA∣:同一个分块行列式算两次
AB 与 BA 通常连阶数都不相同(当 A 是 m×n、B 是 n×m 时,AB 是 m 阶方阵,BA 是 n 阶方阵),但两者之间有下面的联系:∣Em+AB∣=∣En+BA∣。这个恒等式说明AB 与 BA 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。