Reduced Row Echolen Form

2023. 9. 21. 19:54·Mathematics/Linear Algebra
목차
  1. Reduced Row Echelon Form
  2. Gauss-Jordan Elimination
  3. Theorem 1
  4. Theorem 2
  5. Corollary

Reduced Row Echelon Form

Definition 1. A matrix is said to be in row echelon form (REF) if the following conditions are satisfied:
(1) Any row containing a nonzero entry precedes any row in which all the entries are zero.
(2) The first nonzero entry in each row is 11, called the leading 11, or the pivot.
(3) Below each leading 11 is a column of zeros.
A matrix is said to be in reduced row echelon form (RREF) if it is in row echelon form and satisfies the following additional condition:

(4) Each column containing a leading 11 has zeros everywhere else.

쉽게 생각해서 REF는 upper triangle matrix와 유사한 꼴이고, 더 나아가 RREF는 leading 11을 포함하는 열의 성분을 싹 다 00으로 만들어 버린 행렬이다. 

Gauss-Jordan Elimination

Definition 2. The procedure for reducing an augmented matrix (A|b)(A|b) corresponding to the system Ax=bAx=b to REF by performing the elementary row operations is called Gaussian elimination. This procedure is also called forward elimination.
Furthermore, if this procedure reduces (A|b)(A|b) to RREF, then it is called Gauss-Jordan elimination, or backward substitution. 

Gauss-Jordan elimination, 즉 가우스-조르당 소거법은 주어진 임의의 행렬을 RREF로 만드는 과정을 일반적으로 통칭하기도 한다. 그러나 정의에서 연립 방정식 Ax=bAx=b를 끼워 넣은 이유는, 실제로 가우스-조르당 소거법이 선형 연립 방정식의 해를 구하는 데 매우 효과적인 방법이기 때문이다. 아래 Theorem 1과 Corollary 1에서 알 수 있듯이 가우스-조르당 소거법에 의해 모든 행렬은 반드시 유일한 RREF로 변환할 수 있다. 

Theorem 1

Theorem 1. Gaussian elimination transforms any matrix into its RREF.
Proof. We may apply the induction to mm, where A≠O∈Mm×n(F)A≠O∈Mm×n(F). If m=1m=1, then R1A111(A)R1A111(A) is the RREF of AA.
Suppose that the theorem is true for m−1m−1 for some m>1m>1. Denote R1A111(A)=A′R1A111(A)=A′, i.e., A′=(1⋯A′1nB)A′=(1⋯A1n′B), where B∈M(m−1)×nB∈M(m−1)×n. By the induction hypothesis, BB can be transformed into its RREF. By means of at most nn type 2 row operation, we can transform A′A′ into its RREF. ■◼

Theorem 2

Theorem 2. Let A∈Mm×n(F)A∈Mm×n(F) such that rank(AA) = r>0r>0, and let BB be the RREF of AA. Then the followings hold:
(a) The number of nonzero rows in BB is rr.
(b) ∀i∈{1,...,r},∃∀i∈{1,...,r},∃ [B]ji[B]ji such that [B]ji=ei[B]ji=ei, where eiei is the standard ordered basis vector of RrRr.
(c) {[A]j1,⋯,[A]jr}{[A]j1,⋯,[A]jr} are linearly independent.
(d) ∀k∈{1,...,n}∀k∈{1,...,n}, if [B]k=∑ri=1diei[B]k=∑i=1rdiei, then [A]k=∑ri=1di[A]ji[A]k=∑i=1rdi[A]ji.
Proof. 
(a)
Since elementary row operation is rank-preserving and BB is the RREF of AA, rank(BB) = rr. This means that the maximum number of linearly independent rows of BB is rr. Clearly zero rows are not the linearly independent rows. Thus the number of nonzero rows in BB is rr.
(b) Since rank(BB) = rr, there is rr linearly independent columns in BB. By the definition of RREF, the each columns are same to eiei. Thus for each i=1,...,r,∃[B]jii=1,...,r,∃[B]ji such that [B]ji=ei[B]ji=ei.
(c) Suppose that ∑ri=1ci[A]ji=0∑i=1rci[A]ji=0 for some ci∈Fci∈F. Since BB is the RREF of AA, we denote that B=Rp⋯R1(A)=Rp(I)⋯R1(I)A=MAB=Rp⋯R1(A)=Rp(I)⋯R1(I)A=MA, where M:=Rp(I)⋯R1(I)AM:=Rp(I)⋯R1(I)A. Note that [B]ji=M[A]ji(i=1,...,r)[B]ji=M[A]ji(i=1,...,r). Thus M(r∑i=1ci[A]ji)=r∑i=1ci[B]ji=r∑i=1ciei=(c1,⋯,cr)t=0⟹c1=⋯=cr=0.M(∑i=1rci[A]ji)=∑i=1rci[B]ji=∑i=1rciei=(c1,⋯,cr)t=0⟹c1=⋯=cr=0. Hence {[A]j1,⋯,[A]jr}{[A]j1,⋯,[A]jr} is linearly independent.
(d) Note that A=M−1BA=M−1B, i.e., [A]k=M−1[B]k(k=1,...,n)[A]k=M−1[B]k(k=1,...,n). Since [B]k=∑ri=1diei[B]k=∑i=1rdiei, [A]k=M−1∑ri=1diei=M−1∑ri=1di[B]ji=∑ri=1di[A]ji[A]k=M−1∑i=1rdiei=M−1∑i=1rdi[B]ji=∑i=1rdi[A]ji. ■◼

위 정리는 여러가지 중요한 사실을 포함하고 있다. 간단하게 요약하면, 모든 행렬은 rr개의 nonzero row들을 가지고 있으며, 다른 행들을 생성하는 rr개의 linearly independent column들을 가지고 있다. 이때 rr은 행렬의 rank이다. 즉 행렬의 rank는 그 행렬의 linearly independent column의 개수와 대응되며, 이 column들은 그 행렬의 행들을 생성한다. Corollary 2에 의해 linearly independent row에 대해서도 동일한 결과를 얻음을 알 수 있다.

Corollary

Corollary. The RREF of a matrix is unique.
Proof. Assume that BB and CC are the RREF of A∈Mm×n(F)A∈Mm×n(F) that rank(AA) = r>0r>0. By Theorem 2, we can write [B]k=∑ri=1ciei[B]k=∑i=1rciei and [C]k=∑ri=1diei[C]k=∑i=1rdiei for some ci,di∈F(i=1,...,r)ci,di∈F(i=1,...,r), respectively. Then [A]k=r∑i=1ci[A]ji=r∑i=1di[A]ji⟹r∑i=1(ci−di)[A]ji=0⟹ci=di(i=1,...,r)⟺B=C,[A]k=∑i=1rci[A]ji=∑i=1rdi[A]ji⟹∑i=1r(ci−di)[A]ji=0⟹ci=di(i=1,...,r)⟺B=C, where [B]ji=ei(i=1,...,r)[B]ji=ei(i=1,...,r). ■◼
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