峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?

一、前言

根据矩阵乘法运算的左行右列性质,一个上()三角矩阵左乘对角矩阵,就相当于上()三角矩阵的行都乘以对角矩阵对角线上对应的元素;一个上()三角矩阵右乘对角矩阵,就相当于上()三角矩阵的列都乘以对角矩阵对角线上对应的元素.

在本文中,「荒原之梦考研数学」将基于矩阵乘法运算的图形化性质对上面的这一结论做一个形象化的说明.

二、正文

首先,我们约定用如图 01 所示的图形表示对角矩阵 $\boldsymbol{\Lambda}$, 其中,连接图 01 中正方形左上角到右下角的直线表示对角矩阵主对角线上的元素:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 01.
图 01. 对角矩阵 $\boldsymbol{\Lambda}$.

于是,一个上三角矩阵左乘一个对角矩阵就可以用如图 02 的方式表示出来:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 02.
图 02. 上三角矩阵左乘对角矩阵.

由于对角矩阵并不涉及行或者列的交换,所以,我们不需要像在《峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上()三角矩阵的逆矩阵一定是上()三角矩阵?》这篇文章中做的一样,对矩阵做旋转操作,只需要直接将上三角矩阵叠放在对角矩阵上即可(如图 03 所示),此时,从几何结构上可以看到,相乘得到的新矩阵仍然是一个上三角矩阵:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 03.
图 03. 上三角矩阵左乘对角矩阵得到的仍然是上三角矩阵.

类似地,一个下三角矩阵左乘一个对角矩阵就可以用如图 04 的方式表示出来:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 04.
图 04. 下三角矩阵左乘对角矩阵.

同样的,图 04 中矩阵乘法的运算结果可以用将下三角矩阵叠放在对角矩阵上表示出来(如图 05 所示),此时,从几何结构上可以看到,相乘得到的新矩阵仍然是一个下三角矩阵:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 05.
图 05. 下三角矩阵左乘对角矩阵得到的仍然是下三角矩阵.

接着,一个上三角矩阵右乘一个对角矩阵就可以用如图 06 的方式表示出来:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 06.
图 06. 上三角矩阵右乘对角矩阵.

于是,图 06 中矩阵乘法的运算结果可以用将上三角矩阵叠放在对角矩阵上表示出来(如图 07 所示),此时,从几何结构上可以看到,相乘得到的新矩阵仍然是一个上三角矩阵:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 07.
图 07. 上三角矩阵右乘对角矩阵得到的仍然是上三角矩阵.

类似地,一个下三角矩阵右乘一个对角矩阵就可以用如图 08 的方式表示出来:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 08.
图 08. 下三角矩阵右乘对角矩阵.

同样的,图 08 中矩阵乘法的运算结果可以用将下三角矩阵叠放在对角矩阵上表示出来(如图 09 所示),此时,从几何结构上可以看到,相乘得到的新矩阵仍然是一个下三角矩阵:

峰图 | 基于乘法运算的图形性质理解为什么上(下)三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上(下)三角矩阵?| 荒原之梦考研数学 | 图 09.
图 09. 下三角矩阵右乘对角矩阵得到仍然是下三角矩阵.

综上可知,“上()三角矩阵与对角矩阵相乘之后得到的仍是上()三角矩阵”这一结论得证.


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