Reduced Row Echolen Form

2025. 7. 3. 21:23·Mathematics/Linear Algebra
목차
  1. Forward Elimination and Backward Substitution
  2. Reduced Row Echelon Form
  3. Gauss-Jordan Elimination
  4. Theorem 57
  5. Theorem
  6. Basic and Free Variables
  7. Theorem 58
  8. Example

Forward Elimination and Backward Substitution

Definition 48. (1) Forward elimination is the procedure making below each first nonzero coefficients in the nonzero rows of the augmented matrix of the system into a column of zeros.
(2) After the forward elimination, the first nonzero coefficients in the nonzero rows are the pivots.
(3) The first nonzero number 11's at the pivotal positions are called the leading 11's.
(4) Backward substitution is the procedure making each column of the augmented matrix of the system containing a leading 11 into a column of zeros. 

Reduced Row Echelon Form

Definition 49. A matrix is said to be in row echelon form (REF) if it satisfies the following conditions:
(1) The zero rows, if there exist, come last in the order of rows.
(2) The first nonzero entry in each row is 11, called the leading 11.
(3) Below each leading 11 in the coefficient part is a column of zeros. Thus, in any two consecutive rows, the leading 11 in the lower row appears farther to the right than the leading 11 in the upper row. 
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 of the coefficient part 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 50. The procedure for reducing the augmented matrix to REF by performing the elementary row operations is called Gaussian elimination. Furthermore, if this procedure reduces the augmented matrix to RREF, then it is called Gauss-Jordan elimination.

Theorem 57

Theorem 57. Gauss-Jordan 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 and we say the nonzero entry A1jA1j (1≤j≤n1≤j≤n), then R1A1j1(A)R1A1j1(A) is the RREF of AA.
Suppose that the theorem is true for m−1m−1 for some m>2m>2. Let's say that jj-th colmun has the leftmost nonzero entry, and we can apply the type 1 elementary row operation to the matrix so that the first row has this nonzero entry. Denote R1A1j1(A)=A′R1A1j1(A)=A′, i.e., A′=⎡⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣0⋯01⋯A′1nB⎤⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦,A′=[0⋯01⋯A1n′B], where B∈M(m−1)×nB∈M(m−1)×n. By the induction hypothesis, BB can be transformed into its RREF.
If BB has the leading 11 in the jj-th column, we can apply the type 3 elementary row operation to A′A′ to satisfy the condition (4) of Definition 44 for A1jA1j. This makes the submatrix BB into B′B′ and A′A′ into A′′A″, and by the induction hypothesis again, B′B′ can be transformed into its RREF. By means of at most n−1n−1 type 3 row operations, we can transform A′′A″ into its RREF.
If BB does not have the leading 11 in the jj-th column, then by means of at most n−1n−1 type 3 row operations, we can transform A′A′ into its RREF. ■◼

    따라서 모든 행렬은 유한 번의 elementary row operation을 통해 항상 RREF로 만들 수 있다. 또한 RREF는 유일하게 결정된다.

Theorem

Theorem. 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). ■◼

    어떤 행렬과 그 행렬의 RREF는 row-equivalent하고, Theorem 48에 의하면 두 행렬은 동일한 해집합을 가지므로 우리는 주어진 system of linear equations Ax=bAx=b를 RREF로 바꾸어서 풀어도 동일한 결과를 얻게 된다. RREF는 그 구조상 해를 구하기 매우 쉽게 설계되어 있는데, RREF로 바꿔서 푸는 Ax=bAx=b는 다음의 두 가지 종류의 변수로 나누어서 풀게 된다.

Basic and Free Variables

Definition 51. Among the variables in a system, the ones corresponding to the columns containing leading 11's in its RREF are called the basic variables, and the ones corresponding to the columns without leading 11's, if there are any, are called the free variables. 

   자명하게 basic variable과 free variable의 합은 전체 unknown의 개수이고 이는 곧 coefficient matrix의 행의 개수이다. 만약 모든 변수가 basic variable이라면 주어진 시스템은 어떤 모양이겠는가? 이는 모든 행에 leading 11이 있다는 뜻이고, 그렇게 되기 위해서는 행과 열의 개수가 같아야 한다. 즉 coefficient matrix가 square란 뜻이고 이때 모든 행에 leading 11이 있으려면 coefficient matrix는 identity이어야 한다. 이런 경우는 해가 딱 하나밖에 존재하지 않는다.

    반대로 임의의 system에 free variable이 하나라도 존재한다고 해보자. 만약 system이 consistent하다면 직관적으로 주어진 system은 무한히 많은 해를 가질 수 밖에 없음을 알 수 있다. 

Theorem 58

Theorem 58. Every system of linear equations having more unknowns than equations, i.e., having a wide coefficient matrix, has always infinitely many solutions.

    앞서 언급했듯이, 선형 연립 방정식은 RREF로 바꾸어서 주로 풀게 된다. 예시를 들어보자.

Example

⎧⎪ ⎪⎨⎪ ⎪⎩2x1+3x2+x3+4x4−9x5=17x1+x2+x3+x4−3x5=6x1+x2+x3+2x4−5x5=82x1+2x2+2x3+3x4−8x5=14{2x1+3x2+x3+4x4−9x5=17x1+x2+x3+x4−3x5=6x1+x2+x3+2x4−5x5=82x1+2x2+2x3+3x4−8x5=14 다음과 같이 연립방정식이 주어졌다고 하자. 가우스 소거법을 적용하여 RREF로 변환하면 다음과 같다. [Ab]=⎡⎢ ⎢ ⎢⎣2314−9171111−361112−582223−814⎤⎥ ⎥ ⎥⎦∼⎡⎢ ⎢ ⎢⎣1020−2301−10110001−22000000⎤⎥ ⎥ ⎥⎦=[A′b′][Ab]=[2314−9171111−361112−582223−814]∼[1020−2301−10110001−22000000]=[A′b′] 변환한 방정식을 새로 쓰면 다음과 같다. ⎧⎨⎩x1+2x3−2x5=3x2−x3+x5=1x4−2x5=2{x1+2x3−2x5=3x2−x3+x5=1x4−2x5=2 이제 free variable x3,x5x3,x5에 매개변수 t1,t2t1,t2를 부여하고 정리하면 다음과 같다. ⎧⎨⎩x1=−2t1+2t2+3x2=t1−t2+1x4=2t2+2{x1=−2t1+2t2+3x2=t1−t2+1x4=2t2+2 Free variable은 그 이름과 같이 basic variable처럼 정확히 결정되지 않는 변수이므로 임의의 실수를 배정해도 된다. 따라서 방정식의 일반해는 다음과 같이 얻어진다. ⎡⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣x1x2x3x4x5⎤⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦=⎡⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣−2t1+2t2+3t1−t2+1t12t2+2t2⎤⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦=⎡⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣31020⎤⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦+t1⎡⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣−21100⎤⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦+t2⎡⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣2−1021⎤⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦, where t1,t2∈R.[x1x2x3x4x5]=[−2t1+2t2+3t1−t2+1t12t2+2t2]=[31020]+t1[−21100]+t2[2−1021], where t1,t2∈R.. 

저작자표시 (새창열림)
  1. Forward Elimination and Backward Substitution
  2. Reduced Row Echelon Form
  3. Gauss-Jordan Elimination
  4. Theorem 57
  5. Theorem
  6. Basic and Free Variables
  7. Theorem 58
  8. Example
'Mathematics/Linear Algebra' 카테고리의 다른 글
  • Row and Column Spaces
  • How To Compute The Inverse of a Matrix
  • Determinant
  • A System of Linear Equations
Erdos
Erdos
수학과, 물리학과 학부생들이 운영하는 팀블로그입니다.
  • Erdos
    SAMICO
    Erdos
  • 전체
    오늘
    어제
    • 분류 전체보기 (283) N
      • Mathematics (188) N
        • Calculus (55)
        • ODE (1) N
        • Set Theory (13)
        • Real analysis (37)
        • Linear Algebra (61)
        • Number Thoery (11)
        • Abstract Algebra (1)
        • Probability (6)
        • Writing (2)
        • Problems (1)
      • Physics (76)
        • 일반물리 (2)
        • 상대성이론과 양자역학 입문 (35)
        • 열물리 (15)
        • 수리물리 (13)
        • 고전역학 (11)
      • Computer (7)
      • 독서 (12)
        • 과학 (5)
        • 문학 (2)
        • 자기계발서 (4)
  • 공지사항

    • 참고서적
  • 최근 댓글

  • 최근 글

  • hELLO· Designed By정상우.v4.10.2
Erdos
Reduced Row Echolen Form

개인정보

  • 티스토리 홈
  • 포럼
  • 로그인
상단으로

티스토리툴바

단축키

내 블로그

내 블로그 - 관리자 홈 전환
Q
Q
새 글 쓰기
W
W

블로그 게시글

글 수정 (권한 있는 경우)
E
E
댓글 영역으로 이동
C
C

모든 영역

이 페이지의 URL 복사
S
S
맨 위로 이동
T
T
티스토리 홈 이동
H
H
단축키 안내
Shift + /
⇧ + /

* 단축키는 한글/영문 대소문자로 이용 가능하며, 티스토리 기본 도메인에서만 동작합니다.