1.矩阵代数

第一节 矩阵及其运算

定义

个数排成的 列矩形数表称为 矩阵:

简记为 时称为 阶方阵。

加法、数乘、乘法

加法:同型矩阵对应元素相加。

数乘:标量 乘以每个元素。

乘法 相乘得 ,其中

[!warning] 注意 矩阵乘法一般不满足交换律,

结合律和分配律

结合律:

左分配律:

右分配律:

数乘结合律:

转置

将矩阵的行列互换得到转置矩阵,

规律:

分块矩阵

用纵横线将矩阵分割为若干子块,子块视为元素参与运算。

分块乘法:子块按普通矩阵乘法规则运算,要求子块间乘法有意义。分块矩阵转置需将各子块整体转置且交换子块位置。

第二节 初等变换和初等方阵

三种初等行变换对应三类初等方阵(对 阶单位矩阵施行一次初等变换得到):

类型 1:交换两行

):

类型 2:某行乘非零常数

):

类型 3:某行加另一行的

):

左乘初等方阵等价于对行施行相应初等变换;右乘等价于对列施行相应初等变换。

相关行列式的初等变换 | 逆的定义

第三节 矩阵的逆

逆的定义

阶方阵 ,若存在 阶方阵 使 ,则称 可逆, 的逆矩阵,记作

验证:

相关伴随矩阵求逆 | 逆的计算

逆的性质

  • 可逆

等价矩阵

经有限次初等变换可化为 ,则 等价,记作 。等价矩阵具有相同的秩。

阶梯型矩阵和简化阶梯形矩阵

行阶梯形矩阵:零行在底部,每行首个非零元(主元)的列标随行号严格递增。

简化行阶梯形矩阵:每个主元为 ,且主元所在列其他元素全为

完整过程示例:将 化为简化行阶梯形矩阵。

第一步,消去

第二步,交换第 2、3 行使主元列标递增:

此时已化为行阶梯形矩阵。

第三步,将各主元化为

第四步,从最后一列开始,逐列消去主元上方的元素:

得到简化行阶梯形矩阵(RREF)。

逆的计算

用初等行变换求 :构造 ,对行施行初等变换,左侧化为 时右侧即为

:求 的逆。

因此

第四节 线性方程组

线性方程组的表示

个方程、 个未知数的线性方程组的一般形式:

矩阵形式 ,其中 为系数矩阵,。增广矩阵为

解的个数

三个可能情况:

  • 唯一解:方程组恰有一组解。
  • 无解:方程组矛盾,不存在任何解。
  • 无穷多解:存在自由参数,解不唯一。

(三个情况的几何直观):

高斯消元法

步骤:写出增广矩阵 ,通过初等行变换化为 RREF,从 RREF 读出解。

例 1(唯一解)

增广矩阵并化为 RREF(过程同 完整过程示例):

RREF 直接读出解:

例 2(无解)

末行对应 ,方程矛盾,故无解。

例 3(无穷多解)

RREF 末行为全零行,无矛盾。 为自由变量,取 ,则 ,解为:

非零行与解的关系

个方程 个未知数的增广矩阵化为 RREF 后,一般形式为:

其中前 行为非零行(含主元 ),后 行为全零行。解的个数由下式决定:

  • :出现 矛盾行,无解
  • (即无矛盾行):
    • :所有变量都是主元变量,唯一解
    • :有 个自由变量,无穷多解

齐次线性方程组

,即 的情形。齐次方程组必有零解

解的情况:

  • 仅有零解:RREF 中所有列都是主元列,无自由变量。
  • 有非零解:RREF 中存在自由变量(即主元数 < 未知数个数),此时有非零解且有无穷多解。

例 1(仅有零解)

例 2(有非零解)

自由,取 ,则

2.行列式

第一节 定义

逆序对定义

上的一个排列。若 ,则称 为一个逆序对。排列 的符号为

阶方阵 的行列式定义为:

2 阶

3 阶

上三角阵

上三角矩阵 (即 )的行列式等于对角元乘积。

因只有恒等排列 不包含 位置的元素,其余排列均含下三角零元。

第二节 行列式的性质

行列式的初等变换

阶方阵 ,三种初等行变换对行列式的影响:

  1. 交换两行 :行列式变号,

    从排列定义看:交换两行后,每个排列 的奇偶性反转,故每项符号取反。

  2. 某行乘 :行列式变为 倍,

    每项 中恰有一个因子来自第 行,乘以 后整项扩大 倍。

  3. 某行加另一行的 :行列式不变,

    由多重线性性,拆成两项:原行列式 + 第 行成比例的零行列式。

对应的初等方阵行列式:

相关初等变换和初等方阵

方阵乘积的行列式

对任意 阶方阵 ,有:

推论:若 可逆,则

第三节 行列式的展开

代数余子式

去掉 的第 行第 列后得到的 阶子式称为余子式 代数余子式为:

按行展开

阶行列式等于第 行各元素与其代数余子式乘积之和:

(按第一行展开 行列式):

相关代数余子式 | 拉普拉斯展开 | 伴随矩阵求逆

范德蒙德行列式

[!abstract] 范德蒙德行列式

证明(归纳法): 成立。假设 阶成立。将 视为 次多项式。当 时,第 列与第 列相同,,故 的因式。由归纳假设:

拉普拉斯展开

[!abstract] 拉普拉斯展开

将行列式按指定的 行展开:取定行指标集 ,设 为补集,则

其中 的补集, 表示取 列的子矩阵。 时退化为 按行展开

按前两行展开):

,需枚举 种组合。非零项只有两组:

符号 ,该项为

符号 ,该项为

其余组合 子式中均含零列故为零。求和得

第四节

伴随矩阵求逆

伴随矩阵 是各元素代数余子式的转置:

可逆时:

):

计算各代数余子式:

克拉默法则

阶可逆方阵(),解为:

其中 是将 的第 列替换为 得到的矩阵。

方程组):

3.矩阵的秩和线性方程组

第一节 向量组的线性相关性

行向量与列向量

矩阵 可视为 个行向量或 个列向量的排列:

其中 为行向量, 为列向量。

线性组合

对向量组 ,称 为它们的线性组合,系数

线性相关与线性无关

向量组 称为线性相关的,若存在不全为零的系数 使

反之,若上式仅当 时成立,则称线性无关

(相关):

(无关):

,则

基本性质:

  • 单个非零向量线性无关, 线性相关。
  • 的向量组必线性相关。
  • 部分相关 ⇒ 整体相关;整体无关 ⇒ 部分无关。
  • 向量个数大于维数时必线性相关(如 中三个向量必相关)。

第二节 向量组的秩

向量组的等价

两个向量组 称为等价的,若每个 可由 线性表示,且每个 可由 线性表示。

等价具有三条性质(等价关系):

  • 自反律:向量组与自身等价。
  • 对称律:若 组与 组等价,则 组与 组等价。
  • 传递律:若 组与 组等价, 组与 组等价,则 组与 组等价。

,且 ,故两向量组等价。

极大线性无关组

向量组的一个子集满足:

  1. 自身线性无关;
  2. 任意添加组内另一向量后变为线性相关。

则称该子集为一个极大线性无关组

:向量组

是一个极大线性无关组(), 也是。同一向量组的任意两个极大无关组所含向量个数相同。

向量组的秩

向量组的定义为该向量组中极大线性无关组所含向量的个数。记作

对矩阵 而言, 即其行向量组(或列向量组)的秩。也等于 化为 RREF 后非零行(主元)的个数。

向量组秩的基本性质:

  • (行秩等于列秩)
  • 初等变换不改变向量组的秩
  • 等价向量组有相同的秩
  • 可由 线性表示,则

第三节 矩阵的秩

行秩与列秩

矩阵 行秩是其行向量组的秩(极大线性无关行向量的个数),列秩是其列向量组的秩。两者相等,统称为 的秩

相关向量组的秩 | 行秩的行列式定义

行秩的行列式定义

阶子式是指从 中任取 列构成的 阶行列式。

[!abstract] 定理(行列式秩)

矩阵的秩等于满足以下条件的最大整数 中存在一个非零的 阶子式 ,且所有含 阶子式(若存在)均为零。

证明(证明此时行秩为 ):

位于行 与列 的交叉处。

  • 说明这 行在 列上的限制线性无关,故整体也无关,行秩

  • (只需证 ):对任意行 可以是 之一或其他行),取唯一解 满足:

    保证解存在唯一。)

    任取一列 ,考虑 阶子式

    • ,则末列与某一前列重复,
    • ,则 是含 阶子式,由条件

    做行变换:。该变换不改变行列式的值,且由 的定义,新末行的前 个元素全为

    按末行展开得

    ,故 对任意列 均成立。即行 是行 的线性组合。

    因此 的所有行皆可由这 行线性表示,行秩

    综上,行秩

,含 阶子式仅有 一个且为零,故

行秩等于列秩

[!abstract] 定理

对任意矩阵 ,行秩 列秩

证明:对 施行初等行变换化为 RREF 。行变换保持行空间,故 的行秩 的非零行数

另一方面,行变换保持列向量间的线性关系(若 的某组列线性相关,在 中仍相关,反之亦然),故列秩在行变换下不变。 中非主元列均可由主元列线性表示,且主元列线性无关,因此 的列秩也等于主元列个数 。故 的列秩 行秩。

行秩 (三个非零行),列秩 (三个主元列),相等。

第四节 矩阵的等价与满秩分解

初等变换与秩

定理:行(列)初等变换不改变矩阵的秩,且行变换保持列向量之间的线性关系,列变换保持行向量之间的线性关系。

证明:行变换是可逆的线性运算,变换前后行空间相同,故行秩(即秩)不变。设 经行变换得 。若 的某组列 满足 ,则行变换后对应列 满足相同关系,反之亦然,故列向量间的线性关系在行变换下保持。列变换同理。

的列 在变换后仍保持原有的线性关系(若原相关则变换后也相关)。

矩阵等价的充要条件

矩阵 称为等价的,若 可由 经有限次初等行、列变换得到。充要条件是存在可逆方阵 使

证明:初等行变换对应左乘初等方阵,列变换对应右乘初等方阵。有限次初等变换的乘积即为可逆阵 。反之,可逆阵可分解为初等方阵的乘积,左乘 等价于行变换,右乘 等价于列变换。

推论 等价

等价标准形

[!abstract] 等价标准形

对任意 矩阵 ,存在可逆阵 使

其中 。该矩阵称为 等价标准形。等价标准形由秩 唯一确定:左上角为 阶单位阵,其余为零。

通过行、列变换化为等价标准形:先做行变换化为简化的行最简形,再列交换调整顺序,得

满秩

的秩为

  • 行满秩(行数 列数时可能),行向量线性无关。
  • 列满秩(列数 行数时可能),列向量线性无关。
  • 满秩方阵,即 可逆。

满秩分解

的秩为 ,则 可分解为

其中 为列满秩, 为行满秩。此分解称为满秩分解(或秩分解)。

构造:将 化为 RREF ,取 个非零行构成 ,取 的主元列对应的 列构成 ,则有

化为 RREF:

主元列为第 1、3 列。取 的第 1、3 列, 的非零行:

验证

第五节 线性方程组解的结构

有解判定

[!abstract] 有解判定定理

线性方程组 )有解的充要条件是系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩:

证明 有解 可由 的列向量线性表示 的列空间包含 添加 不改变列空间的维数

相关齐次方程组有非零解的条件 | 基础解系

齐次方程组有非零解的条件

齐次线性方程组 )有非零解的充要条件是

  • :所有变量都是主元变量,仅有零解
  • :存在自由变量(共 个),有无穷多非零解

有非零解,如

基础解系

[!abstract] 基础解系

的解空间维数为 )。基础解系是解空间的一组基,即 个线性无关的解 ,满足:

  1. 它们线性无关;
  2. 任一解都可表示为它们的线性组合。

构造:将 化为 RREF,确定主元变量和自由变量。对每个自由变量赋值为 (其余自由变量赋 ),反解主元变量即得一个基础解系向量。

方程组为 。自由变量为

; 取

基础解系为 ,通解

相关导出组与解的关系

导出组与解的关系

导出组

[!note] 导出组

非齐次方程组 导出组是它对应的齐次方程组

的一个特解, 是导出组的任一解,则 的解。反之, 的任一解均可表示为

因此非齐次方程组的通解结构为:

其中 是一个特解, 是导出组的基础解系。

:承接上例,考虑非齐次方程组

取自由变量 ,反解得 ,得特解 。通解为

4.线性空间

第一节 线性空间的定义

定义

为非空集合, 为数域(如 )。在 上定义两种运算:

  • 加法,有唯一的
  • 数乘,有唯一的

[!abstract] 线性空间公理

若满足以下八条公理,则称 上的线性空间(向量空间):

加法公理

  1. 交换律:
  2. 结合律:
  3. 零元素:,使
  4. 负元素:,使

数乘公理): 5. 6. 7. 8.

此时称 中的元素为向量, 中的元素为标量。零元素 和负元素 均唯一。

线性空间举例

  • 元有序数组全体,加法为分量相加,数乘为分量乘标量,
  • 矩阵全体,加法为矩阵相加,数乘为数乘矩阵。
  • :次数 的多项式全体,加法为多项式相加,数乘为系数乘标量。
  • 上连续函数全体,

第二节 子空间

子空间的定义与判定

的非空子集 称为 子空间,若 的加法和数乘下自身构成线性空间。

[!abstract] 子空间判别定理

是子空间 且对加法和数乘封闭,即

(非空性常通过验证 来保证。)

平凡子空间 自身是任意线性空间的子空间,称为平凡子空间。其余子空间称为真子空间

例 1 中,坐标轴(如 )和坐标面(如 平面 )都是子空间。

例 2(次数 )是 (全体多项式)的子空间。

相关子空间的和 | 维数与子空间

子空间的和

的子空间,定义它们的

是包含 的最小子空间。类似可定义多个子空间的和。

也是 的子空间(任意多个子空间的交仍为子空间)。但子空间的通常不是子空间。

中,,则 平面

第三节 基与维数

生成元集与线性相关

。若 中每个向量均可表示为 的线性组合,则称这些向量生成 ,记作

向量组 称为线性相关的,若存在不全为零的 使

否则称线性无关

性质

  • 线性无关的向量组的任何子集也线性无关。
  • 若一个向量可由一组线性无关的向量线性表示,则表示法唯一。
  • 线性空间 中线性无关向量的个数不超过任意生成元集的大小。

相关 | 维数

的一个子集 称为 的一组,若它同时满足:

  1. 线性无关;
  2. 生成 (即 )。

此时任意 可唯一地写成 称为 在该基下的坐标

  • 的标准基:
  • 的基:
  • 的基:

维数

若线性空间 有一组含 个向量的基,则 的任何基都恰含 个向量。 称为 维数,记作

  • (零空间)。
  • 称为有限维的,若它有一组有限基。
  • (维数公式)。

  • (无限维空间)

相关维数与子空间

维数与子空间

定理 1(相同子空间的判定):向量组 生成相同子空间的充要条件是 等价。

证明:若 ,则 中每个向量属于 ,故可由 线性表示;同理 中每个向量可由 表示,故等价。反之,若等价,则 中向量的任意线性组合也可由 表示(因 的每个向量是 的组合),故 ,同理反向包含,故相等。

定理 2(子空间基的扩张) 的任何一组基可扩充为 的基。即若 的基,则可添入 使其成为 的基。由此 ,等号成立

维数公式

[!abstract] 维数公式

的子空间,则

证明(概述):取 的基 。扩张为 的基 的基 。则可以证明 组成 的基。因此

代入即得维数公式。

中, 平面(), 平面(),则 轴(),)。验证

第四节 基变换与坐标变换

基变换

的两组基为

每个 线性表示:

写成矩阵形式即基变换公式

其中

的第 列即为 在基 下的坐标。 称为由基 到基 过渡矩阵

过渡矩阵必可逆:因 也可由 线性表示,设过渡矩阵为 ,则 。代入得 ,由基的线性无关性得 ,故

坐标变换公式

设向量 在基 下的坐标分别为

由基变换公式

比较,由坐标表示的唯一性得:

相关

第五节 子空间的直和

直和的定义

的子空间。若 中每个向量的分解 唯一的,则称 直和,记作

[!abstract] 直和的等价条件

是直和 零向量表示法唯一(若 ,则

证明:若 ,取非零 ,则 的两种不同分解(另一为 ),故零向量表示法不唯一。反之,若零向量表示法唯一,设 ,则 。由唯一性 ,故分解唯一。

推广到 个子空间: 是直和 零向量表示法唯一

直和的性质

性质 1(补子空间):若 ,则称 互为 补子空间 的任意子空间 都存在补子空间。

性质 2(维数公式)

更一般地,

性质 3(基的合并):若 的基分别为 ,则 的基为

性质 4(与维数的关系) 是直和

相关子空间的和 | 维数公式

第六节 线性空间的同构

同构映射的定义

是数域 上的线性空间。若存在双射 ,满足

对任意 成立,则称 同构映射 同构,记作

同构映射是保持线性运算的一一对应。 也是同构映射。

同构映射的性质

性质 1

性质 2 线性相关 线性相关。即同构映射保持线性相关性

性质 3 的基 的基。因此

性质 4(核心定理)

[!abstract] 同构的充要条件

数域 上两个有限维线性空间同构 它们的维数相同。

证明 由性质 3 即得。,取 的基 的基 。定义映射

则可验证 是双射且保持线性运算,故是同构映射。

推论:设 ,则 。任意 维线性空间都可通过取定一组基,与坐标空间 等同。同构关系是等价关系(自反、对称、传递)。

相关 | 维数

5.线性变换与相似矩阵

第一节 线性变换的定义和性质

线性映射与线性变换

是数域 上的线性空间。映射 称为线性映射,若满足:

对任意 成立。

时, 称为 上的线性变换 上全体线性变换的集合记作

典型例子

零变换

恒等变换

微分算子:在 上, 是线性变换:

积分算子:在 上, 是线性变换:

线性变换的性质

性质 1(零向量映为零向量)

性质 2

性质 3:保持线性组合

性质 4:若 线性相关,则 也线性相关。反之不成立(如零变换)。

性质 5:有限维空间中, 由基的像唯一确定。设 的基,则对任意

相关线性映射与线性变换

加法与数乘

加法

数乘

对加法和数乘构成 上的线性空间,(其中 )。

乘法(复合)

运算性质

对任意

  • 加法交换律:
  • 加法结合律:
  • 乘法结合律:
  • 左分配律:
  • 右分配律:
  • 数乘结合律:

[!warning] 注意

线性变换的乘法一般不可交换

逆变换

若存在 使得

则称 可逆 称为 逆变换,记作

逆变换若存在必唯一。

相关像空间与核空间 | 逆变换

像空间与核空间

像空间(值域):

核空间(零空间):

都是 的子空间。定义为 零度定义为

像与核的维数公式

[!abstract] 维数公式

证明:取 的一组基 )。将其扩充为 的基

下面证明 的基。

生成:对任意 ,存在 使 。由于

生成

线性无关:设 ,则 ,即 。由 的基表示:

移项得线性组合为零,由 线性无关知 )。故 线性无关。

因此 ,即

单射、满射与可逆性

[!abstract] 有限维空间上线性变换的单射与满射等价

,则以下等价:

  1. 单射
  2. 满射
  3. 可逆

证明

单射 (若 ,则 ,由单射得 )。

由维数公式:

单射 + 满射 双射 可逆(有限维空间中,双射线性映射的逆也是线性的)。

[!warning] 注意

上述等价性依赖于 有限。无限维空间中单射 ⇏ 满射,满射 ⇏ 单射。

上微分算子 是满射(每个多项式有原函数)但不是单射()。

相关像空间与核空间 | 逆变换

线性映射、线性变换与同构映射的关系

三者都是保持线性运算的映射,区别在于定义域与值域以及映射的性质:

定义条件
线性映射
线性变换线性映射的特例,
同构映射线性映射 + 双射(一一对应)
自同构同构映射 + (即 到自身的同构映射)

关系

  • 线性变换 线性映射(线性变换是 到自身的线性映射)
  • 同构映射 线性映射(同构映射是双射的线性映射)
  • 自同构 同构映射,自同构 线性变换(自同构是 到自身的双射线性映射)
  • 有限维空间中,线性变换可逆 它是自同构

相关线性映射与线性变换 | 同构映射的定义 | 单射、满射与可逆性

6.线性变换的矩阵与相似矩阵

第一节 线性变换的矩阵与相似矩阵

线性变换在基下的矩阵

,取定一组基 。对线性变换 ,每个基向量的像 仍属于 ,可用该基唯一线性表示:

个等式合并写成矩阵形式:

简记为 。矩阵 称为 在基 下的矩阵,其第 列恰为 在该基下的坐标。

坐标映射关系:设向量 在基下的坐标为

其像 的坐标为 。由

比较系数得

线性变换 对向量的作用完全等价于矩阵 左乘坐标列向量。

线性映射在基下的矩阵

为线性映射,。取 的基 的基

写成矩阵形式:

称为 在基 下的矩阵。坐标映射关系仍是

相关线性映射与线性变换 |

矩阵运算与线性变换运算的对应

取定基 后,每个 唯一对应一个 阶方阵 。记此对应为

加法与数乘:设 ,由定义直接验证:

是线性空间 的线性同构,且

乘法(复合):设 ,验证

右边括号内正是矩阵乘积 元。

逆变换

于是 不仅是线性空间的同构,还保持乘法运算和单位元,是一个代数同构(两个含幺结合代数之间的同构)。

相关线性变换在基下的矩阵 | 同构映射的定义

相似矩阵

在两组基下的矩阵分别为 。基 ,基 。由基变换公式 ,其中过渡矩阵

对比得 ,过渡矩阵 可逆,故

相似矩阵的定义:设 ,若存在可逆矩阵 使得 ,则称 相似,记作

相似关系的本质:同一线性变换在不同基下的矩阵彼此相似。反之,两个相似矩阵可视为同一线性变换在两組不同基下的矩阵表示。

相似矩阵的性质

  • 自反性:(取
  • 对称性:(由
  • 传递性:(若 ,则
  • ,则

相关基变换 | 线性变换在基下的矩阵

第二节 特征值与特征向量

特征值与特征向量

。若存在 和非零向量 满足

则称 特征值 的属于 特征向量

等价地,,故 是特征值 不可逆。

矩阵版本:取定基后 对应矩阵 ,则 )。

特征子空间

属于特征值 的全部特征向量连同零向量构成 的子空间:

称为 特征子空间 称为 几何重数

不同特征值对应的特征向量线性无关:若 互不相同, 非零,则 线性无关。

特征多项式

取定 的基,设 的矩阵为 。定义 特征多项式

次首一多项式。 是特征值

特征多项式与基的选取无关:若 在另一组基下矩阵为 ,则

故特征多项式是线性变换本身的不变量。

特征多项式的根与系数的关系

展开:

其中 称为

在复数域上的 个根(重根按重数计)为 ,则由根与系数的关系:

  • 特征值之和
  • 特征值之积

求特征值与特征向量

步骤

  1. 写出 的特征多项式
  2. 得全部特征值 (设互不相同)
  3. 对每个 ,解齐次线性方程组 ,其非零解即为 对应的特征向量,解空间的基构成 的基

特征值

  • ,特征向量为
  • ,特征向量为

可对角化

线性变换的可对角化 称为可对角化,若存在 的一组基使 在该基下的矩阵为对角阵,即

上式等价于 ,即该基的每个向量都是 的特征向量。因此:

[!abstract] 可对角化的充要条件(初步)

可对角化 存在由 的特征向量构成的基

矩阵的可对角化:方阵 称为可对角化,若 相似于某个对角矩阵,即存在可逆矩阵 使得

其中 的列即为 个线性无关的特征向量。这等价于 作为 上某个线性变换(在标准基下)的矩阵可对角化。

相关线性变换在基下的矩阵 | 相似矩阵 | 特征值与特征向量

第三节 可对角化条件

判别定理

[!abstract] 可对角化的等价条件

,则以下等价:

  1. 可对角化
  2. 存在由 的特征向量构成的基
  3. 个线性无关的特征向量
  4. ,其中 的全部互异特征值

矩阵版本 可对角化 个线性无关的特征向量。

充分条件:若 个互不相同的特征值,则对应的 个特征向量线性无关,故 可对角化。

[!warning] 注意

特征值互不相同是充分不必要条件。例如 只有一个特征值 (重数 ),但仍可对角化(本身就是对角阵)。

代数重数与几何重数

的特征值。

代数重数 作为特征多项式 的根的重数,记作

几何重数:特征子空间 的维数,记作

关系

即几何重数不超过代数重数(由 可得)。

[!abstract] 可对角化的重数条件

可对角化 对每个特征值 几何重数等于代数重数

且满足 (特征多项式在 上完全分解)。

零化多项式

。若多项式 满足

则称 零化多项式

Cayley-Hamilton 定理:特征多项式 的零化多项式,即

最小多项式

的所有非零零化多项式中,次数最低的首一多项式称为 最小多项式,记作

性质

  • 整除 的任一零化多项式(特别地,
  • 有相同的根(不计重数)
  • 相似矩阵有相同的最小多项式
  • 矩阵版本类似: 的最小多项式

[!abstract] 最小多项式判据

(或 )可对角化 最小多项式无重根

等价地,最小多项式可分解为互不相同的一次因式之积:

证明思路:若 可对角化为 ,则 无重根。反之,若最小多项式无重根,可证 是各特征子空间的直和,从而可对角化。

相关特征值与特征向量 | 特征多项式 | 可对角化

7.λ矩阵

第一节 λ矩阵及其标准形

λ矩阵的定义

的多项式为元素的矩阵称为 -矩阵,记作 ,其中

中有非零的 阶子式,而所有 阶子式均为零时,称

行列初等变换

λ-矩阵的初等变换:

  • 行(列)互换-矩阵的两行(列)对换
  • 行(列)倍乘:某行(列)乘以非零常数
  • 行(列)倍加:某行(列)加上另一行(列)的 倍,

[!warning] 与常数矩阵的区别

λ-矩阵的初等变换中,倍乘只能乘以非零常数,不能乘以 的多项式(否则可能改变行列式因子的性质)。

三种初等变换对应三种初等λ-矩阵(用初等λ-矩阵左乘/右乘以实现初等行/列变换)。

可逆条件

[!abstract] λ-矩阵可逆的充要条件

阶方阵)可逆 为非零常数(即属于 )。

可逆 λ-矩阵可表示为有限个初等 λ-矩阵的乘积。可逆 λ-矩阵的行列式不依赖于

标准形

任意秩为 λ-矩阵 ,必可通过初等变换化为如下形式:

其中每个 是首一多项式(最高次项系数为 1),且满足 整除 。此形式称为 Smith 标准形

行列式因子

的所有 阶子式的首一最大公因式称为 的第 行列式因子,记作 )。规定

行列式因子在初等变换下不变(初等变换不改变各阶子式生成的理想)。

不变因子

行列式因子的依次商称为不变因子

不变因子的性质:

  • 首一,且

标准形的唯一性

经初等变换化为两种标准形 。由于初等变换不改变行列式因子,而标准形的行列式因子为 ,故 ,即标准形唯一。

例题

的行列式因子、不变因子和标准形。

  • :一阶子式为 ,首一最大公因式为 ,故
  • :二阶子式为 ,故

不变因子:

标准形:

相关第一节 线性变换的矩阵与相似矩阵

第二节 λ矩阵的余式定理

带余除法定理

,每个 是多项式。对常数矩阵 是特殊的 λ-矩阵。

带余除法:对任意 阶 λ-矩阵 和常数矩阵 ,存在 λ-矩阵 和常数矩阵 ,使

类似有左除形式

哈密顿-凯莱定理(λ-矩阵证明)

为特征多项式。由伴随矩阵关系:

的幂展开并代入 ,可得

常数矩阵相似的 λ-矩阵判据

[!abstract] 相似判据

有相同的不变因子(或相同的行列式因子、相同的初等因子)。

等价地: 有相同的 Smith 标准形。

友矩阵

多项式 友矩阵(companion matrix)为

的不变因子为

有理标准形(Frobenius 标准形)

的不变因子为 (不计那些为 的不变因子)。每个 对应其友矩阵 ,则 相似于分块对角阵:

称为 有理标准形(Frobenius 标准形)。不变因子唯一确定有理标准形。

[!abstract] Frobenius 定理

每个方阵 唯一确定一组不变因子 ,且 ;反之,给定一组满足整除关系的不变因子,存在方阵以它们为不变因子。不变因子相同的矩阵彼此相似。

相关特征多项式 | Cayley-Hamilton 定理

第三节 初等因子

初等因子的定义

(或 )的每个次数 ≥1 的不变因子 上分解为不可约因式幂的乘积:

其中每个 )称为 的一个初等因子。所有不变因子的全部初等因子的集合(计重数)称为 的初等因子组。

初等因子判据

[!abstract] 相似判据(初等因子版本)

有相同的初等因子组

由初等因子构造标准形(求不变因子)

已知 的初等因子组,可反求不变因子。设 阶方阵:

  1. 将初等因子按不可约因式分组,同组内按降幂排列
  2. 列成 个竖直列,每组元素自上而下填入,不足 个的用 补齐
  3. 每列所有因式的乘积即为一个不变因子

,初等因子组为 \{(\lambda-1)^3,(\lambda-1)^2,(\lambda-1)$$\;(\lambda-2)^2,\lambda-2\}

按不可约因式分组并降幂排列:

各列乘积为不变因子:

得到不变因子后即可写出有理标准形(每个不变因子的友矩阵排成分块对角阵),或当特征值均在域中时进一步化为若尔当标准形。

相关不变因子 | 有理标准形 Frobenius 标准形

第四节 若尔当标准形

若尔当标准形的构造

的特征值均在 中(即特征多项式在 上完全分解),则 的初等因子全为一次因式的幂

对每个初等因子 ,构造 若尔当块

将所有若尔当块排成分块对角阵,即得 若尔当标准形

构造步骤:

  1. 的初等因子组
  2. 每个初等因子 对应一个 阶若尔当块
  3. 排列若尔当块(顺序可任意),得到

唯一性

[!abstract] 若尔当标准形的唯一性

若尔当标准形在忽略若尔当块的排列顺序后是唯一的。即 的若尔当标准形由其初等因子组唯一决定(不计块的排列)。

与对角矩阵相似的条件

[!abstract] 可对角化的初等因子判据

与对角矩阵相似 的初等因子全为一次式(即所有 )。

此时每个若尔当块为 ,若尔当标准形退化为对角阵。

:此条件等价于最小多项式无重根,也等价于每个特征值的几何重数等于代数重数。

相关初等因子 | 可对角化 | 最小多项式

8.内积空间

第一节 内积空间的定义与基本性质

内积空间的定义

是数域 上的线性空间。映射 称为 上的内积,若满足以下三条公理():

  1. 共轭对称性
  2. 对第一变元的线性性
  3. 正定性,且

定义了内积的有限维线性空间称为内积空间

  • 时称为酉空间(复内积空间);
  • 时,共轭对称性退化为对称性 ,称为欧几里得空间(实内积空间)。

[!warning] 注意 对第二变元,由共轭对称性和第一变元线性性可得:。即内积对第二变元是共轭线性的。在实情形退化为普通双线性。

内积的基本性质

由定义可推出以下基本性质():

  • (非退化性)
  • 内积由其在一个基下的度量矩阵唯一确定(见度量矩阵

长度(范数)

向量 长度(范数)定义为:

长度 的向量称为单位向量 是与 同方向的单位向量(规范化)。

长度的基本性质:

  • ,且
  • (齐次性)

标准内积

(或 )中,最常用的内积是标准内积

其中 表示 的共轭转置,即先取共轭再转置。在 中退化为普通点积

此时长度即为欧几里得长度:

柯西-布尼亚科夫斯基不等式与三角不等式

[!abstract] 柯西-布尼亚科夫斯基不等式

对内积空间中任意向量

等号成立 线性相关。

证明:若 显然成立。设 ,取 ,由正定性:

代入 化简得 ,即得不等式。

[!abstract] 三角不等式

对内积空间中任意向量

证明

,得

垂直(正交)

,则称 垂直(正交),记作

由共轭对称性,

勾股定理:若 ,则

正交,

相关标准正交基 | 正交子空间

第二节 度量矩阵与标准正交基

度量矩阵

是内积空间 的一组基。对任意

矩阵 ,其中 ,称为内积在基 下的度量矩阵(Gram 矩阵)。

则内积可写为矩阵形式:

其中

度量矩阵的性质:

  • (Hermite 矩阵);实情形 (对称矩阵)
  • 是正定矩阵(
  • 不同基下的度量矩阵相互合同(见基变换下的度量矩阵

基变换下的度量矩阵

基变换公式 为过渡矩阵。在基 下的度量矩阵分别为 ,则:

推导,即

实情形下为 ,此时 合同

相关基变换

标准正交基

若基向量组 满足:

  1. 彼此正交
  2. 均为单位向量

则称为标准正交基(规范正交基)。等价地:

其中 为 Kronecker 符号。

标准正交基下的度量矩阵 。此时内积化为标准形式:

坐标计算公式:在标准正交基下,向量坐标可直接用内积计算:

(傅里叶展开)。

的标准基 即为标准内积下的标准正交基。

相关 | 度量矩阵

格拉姆-施密特正交化

[!abstract] 格拉姆-施密特正交化过程

从任意一组线性无关的向量 出发,构造一组标准正交向量 ,使得

步骤

  1. 正交化:
  2. 单位化:

:将 中向量组 标准正交化(标准内积)。

第一步:

第二步:单位化。

的过渡矩阵是上三角的,这导出了 QR 分解。

相关标准正交基 | 酉矩阵和QR分解

酉矩阵和 QR 分解

酉矩阵:满足 (即 )的 阶复矩阵称为酉矩阵。实情形下 ,称为正交矩阵

酉矩阵的列(行)向量构成 在标准内积下的标准正交基。

QR 分解

[!abstract] QR 分解

是列满秩的 矩阵(),则存在唯一的分解

其中 的列构成标准正交向量组(), 是对角元为正的上三角矩阵。

从格拉姆-施密特过程看:,而 中的元素 即为正交化系数。具体地:

的对角元正是各步 的长度。

的 QR 分解(承接上例 )。

可逆()时, 是酉矩阵(或正交矩阵),且分解唯一。

相关格拉姆-施密特正交化 | 酉变换和正交变换

第三节 正交子空间与正交投影

正交子空间

是内积空间 的子空间。若 均有 ,则称 正交,记作

,则 ,且 是直和。

向量 与子空间 正交(记作 )指 中每个向量正交。

轴与 轴正交, 轴与 平面不正交( 轴上的向量在 平面中但不与 轴正交)。

正交补

子空间 正交补定义为:

的子空间。对有限维内积空间:

由此得 ,且

中, 平面),则 轴)。

正投影

,任意 可唯一分解为:

称为 上的正投影(正交投影)。映射 称为投影算子

投影系数公式:若 的一组标准正交基,则

中,(标准正交基),,则

距离与垂线最短原理

向量 到子空间 距离定义为:

[!abstract] 垂线最短原理

是内积空间 的子空间,。则 中最近的点恰是其正投影 ,即

等号成立

证明:任取 ,由于 ,两者正交。由勾股定理:

且等号成立

因此

相关正投影 | 正交补

第四节 保长同构与酉变换

保长线性映射与保内积线性映射

是内积空间, 是线性映射。

  • 称为保长映射(等距映射),若
  • 称为保内积映射,若

[!abstract] 保内积与保长的等价性

线性映射 保内积 保长。

证明

  • :取 ,则

  • (实情形):。展开得

    由保长性 ,消去得

    复情形类似,利用 恢复实部和虚部(极化恒等式)。

保内积(保长)线性映射必为单射:若 ,则 ,故

酉变换与正交变换

是内积空间 到自身的线性变换。

  • 复内积空间(酉空间)上保内积的可逆线性变换称为酉变换
  • 实内积空间(欧几里得空间)上保内积的可逆线性变换称为正交变换

由于有限维情形下保内积线性变换自动是单射 满射 可逆,故酉变换 / 正交变换等价于保内积线性变换。

矩阵刻画:取标准正交基, 的矩阵为 。则

推导:设标准正交基下 坐标分别为 ,则 坐标分别为 。保内积 对任意 成立

酉变换(正交变换)的性质

是酉变换(或正交变换),则:

  • 保长保内积

  • 保正交性

  • 特征值的模长为 1:若 ,则

  • 不同特征值的特征向量正交:若 ,则

    证明,由 (因 )得

  • 行列式模长为 1:酉矩阵 满足 ;正交矩阵 满足

  • 酉矩阵(正交矩阵)的全体构成群 阶酉矩阵全体记作 ,正交矩阵全体记作 ,对乘法构成群。

  • 标准正交基的像仍是标准正交基:若 是标准正交基,则 也是标准正交基。

  • 酉变换在标准正交基下的矩阵是酉矩阵(已在矩阵刻画中说明)。

相关酉矩阵和QR分解 | 正投影 | 标准正交基

第五节 埃尔米特矩阵与酉相似标准形

埃尔米特矩阵与埃尔米特变换

阶复矩阵 称为埃尔米特矩阵(Hermite 矩阵,自伴矩阵),若

等价地:。实对称矩阵是埃尔米特矩阵的特例。

是内积空间(酉空间或欧几里得空间),线性变换 称为埃尔米特变换(自伴变换),若

即在 上的内积中, 可从一个变元“搬到”另一个变元而不改变内积的值。

矩阵与变换的对应:取 的一组标准正交基,设 在该基下的矩阵为 。对任意坐标 ,有

是埃尔米特变换 ,即其在标准正交基下的矩阵是埃尔米特矩阵。

上标准内积下,矩阵 满足 ,是埃尔米特矩阵。

相关标准正交基 | 线性变换在基下的矩阵

埃尔米特变换的性质

是内积空间 上的埃尔米特变换。

性质 1:特征值全为实数

。则

,故

性质 2:不同特征值的特征向量正交

。则

(因 。)由

性质 3:埃尔米特性质在酉相似下保持

是埃尔米特矩阵, 是酉矩阵,则 也是埃尔米特矩阵:

即若 酉相似于埃尔米特矩阵,则 自身也是埃尔米特矩阵。

相关特征值与特征向量 | 酉变换和正交变换

埃尔米特变换的对角化

[!abstract] 埃尔米特变换的谱定理

是有限维内积空间 上的埃尔米特变换,则 中存在一组标准正交基,使 在该基下的矩阵为实对角矩阵

等价地:任意埃尔米特矩阵 必可酉对角化,即存在酉矩阵 使

证明(数学归纳法):对 归纳。

时显然。设命题对维数 成立,考虑 的情形。

由于特征多项式在 上必有根, 至少有一个特征值 (实数),对应特征向量 。将其规范化,使

。由埃尔米特性质:对任意

,即 的不变子空间。 限制在 上仍是埃尔米特变换,

由归纳假设, 中存在标准正交基 使 对角化。于是 的标准正交基,且 在此基下的矩阵为对角阵

此定理表明:埃尔米特变换总是可对角化的,且对角化可以用标准正交的特征向量基来实现,比一般矩阵的若尔当标准形更强。

相关可对角化 | 标准正交基 | 正交补

正规矩阵与酉相似标准形

埃尔米特矩阵可酉对角化这一性质可推广到更一般的矩阵类。

[!abstract] 正规矩阵

矩阵 称为正规矩阵,若它与自身的共轭转置可交换:

以下三类矩阵都是正规矩阵的特例:

类型条件共轭转置特征值
埃尔米特矩阵实数
斜埃尔米特矩阵纯虚数或
酉矩阵模长为 1

斜埃尔米特矩阵(反自伴矩阵):满足 斜埃尔米特 是埃尔米特矩阵。其特征值为纯虚数或零,且斜埃尔米特矩阵也可酉对角化。

酉矩阵已在酉矩阵和QR分解酉变换和正交变换中介绍。酉矩阵的特征值模长均为

[!abstract] 正规矩阵的酉对角化

可酉对角化(即存在酉矩阵 使 为对角阵) 是正规矩阵。

换言之,正规矩阵是恰好可以通过酉相似化为对角形的矩阵类。埃尔米特矩阵、斜埃尔米特矩阵和酉矩阵都是正规矩阵,因此均可酉对角化。

此结论是复情形一般谱定理的核心:一个矩阵可通过酉变换对角化,当且仅当它与自己的共轭转置可交换。

相关可对角化 | 埃尔米特矩阵与埃尔米特变换 | 酉变换与正交变换

9.双线性函数与二次型

第一节 双线性函数与二次型的定义

双线性函数

是数域 上的线性空间。映射 称为 上的双线性函数,若它对两个变元分别都是线性的:

上的标准内积 是双线性函数。 上的双线性函数。

对任意 成立,则称 对称双线性函数。若 ,则称 反对称双线性函数

双线性函数的度量矩阵

的一组基 。对 ,由双线性性:

定义矩阵 ,其中 ,称为 在该基下的度量矩阵。则

其中

是对称双线性函数 是反对称双线性函数

不同基下的度量矩阵:设基变换 ,在新基下的度量矩阵为 ,则

推导

故同一双线性函数在不同基下的度量矩阵合同

相关基变换 | 度量矩阵

二次型的定义

上的对称双线性函数。称映射 上的二次型(二次齐次函数)。

取定一组基 ,设对称双线性函数 的度量矩阵为 )。则对

其中 的坐标。 称为该二次型(在该基下)的矩阵,且

反之,给定对称矩阵 和坐标 定义了 上一个二次型。

二次型与对称双线性函数的一一对应:由极化恒等式

可知对称双线性函数与二次型互相唯一确定。

,矩阵为

相关度量矩阵 | 化二次型为标准形

第二节 化二次型为标准形

变量替换与矩阵合同

对二次型 ,做非退化线性替换 可逆),坐标 变为新坐标

新坐标系下的矩阵为

[!abstract] 矩阵合同

,若存在可逆矩阵 使得

则称 合同(相合),记作

合同的等价解释:合同关系对应于同一个二次型在不同基下的矩阵表示。

合同关系的性质

  • 自反性:(取
  • 对称性:
  • 传递性:
  • 合同不改变矩阵的对称性(
  • 合同的矩阵有相同的秩

[!warning] 合同与相似 合同 与相似 是不同的关系。两者的变换矩阵关系不同:合同用转置,相似用逆。但对正交矩阵 ,合同与相似一致。

相关相似矩阵 | 基变换

标准形

二次型 可通过适当的非退化线性替换化为只含平方项的形式:

其中 。此形式称为二次型的标准形。等价地, 合同于对角阵

配方法

步骤:通过逐步配方消去交叉项。

情形 1:存在平方项 。以 为主元,将所有含 的项集中配方,消去所有含 的交叉项。然后对剩余变量重复。

情形 2:所有 ,但存在 。做替换

此变换产生平方项 ,再转入情形 1。

:用配方法化 为标准形。

对剩余 部分继续配方:

得标准形 。从替换可解出 ),则

相关二次型的定义 | 规范型与惯性定理

第三节 规范型与惯性定理

复二次型的规范形

对复数域上的二次型,因任意非零复数可开平方,可通过进一步的非退化线性替换将标准形的系数全化为 。令

得复二次型的规范形

其中 。复二次型的规范形完全由秩 唯一确定。两个复二次型等价(可通过非退化线性替换互化) 它们的秩相等。

实二次型的规范形

实数域上,可将正系数化为 ,负系数化为 。对标准形 ,令

得实二次型的规范形

惯性定理

[!abstract] 惯性定理(Sylvester)

实二次型经任意非退化实线性替换化为规范形时,正平方项的个数 和负平方项的个数 (其中 )是唯一确定的,不依赖于替换的选取。

称为正惯性指数 称为负惯性指数,二者的差 称为符号差

惯性定理的核心含义:虽然标准形的系数 可以不同,但正负号的分布是不变的。这反映了实二次型的本质特征。

证明思路:若存在两组替换给出规范形,设其正平方项个数分别为 。构造子空间的方法可导出矛盾(维数公式)。具体地,设 (第一次正项对应坐标),(第二次非正项坐标),计算维数可证明 ,取其中非零向量得矛盾。

,配方得 ,正惯性指数 ,负惯性指数 ,符号差

相关标准形 | 正定二次型与正定矩阵

第四节 正定二次型与正定矩阵

二次型的分类

元实二次型()。

  • 正定
  • 负定
  • 半正定,且存在 使等号成立
  • 半负定,且存在 使等号成立
  • 不定:既取正值又取负值

正定矩阵的等价条件

[!abstract] 正定矩阵的等价刻画

阶实对称矩阵,则以下条件等价:

  1. 正定(
  2. 的特征值全大于零
  3. 正惯性指数
  4. 的各阶顺序主子式均大于零(Sylvester 判据
  5. 存在可逆上三角矩阵 使 Cholesky 分解

证明脉络

:正定 规范形为全正号

:存在正交矩阵 使 。令 ,则

Sylvester 判据。记 的前 阶顺序主子矩阵。

  • 正定 作为 上的限制也是正定的,故
  • :对 归纳。,可配方消去第一行第一列,得到低一阶的矩阵,其顺序主子式仍为正。由归纳假设得证。

:由配方法知 ,其中 对角元为正。令 为对角元取平方根的对角阵),则 ,且 是上三角(配方过程中每次只消下方变量),故 也是上三角。此即 Cholesky 分解

用 QR 分解的简洁证明:因 正定,由谱定理存在正交矩阵 使

,则 )。

做 QR 分解:,其中 正交、 上三角且对角元为正。于是

即为所求的上三角矩阵。

顺序主子式判据示例

判断 是否正定。

各阶顺序主子式:

所有顺序主子式 ,故 正定。

在求极值中的应用

多元函数 在驻点处的 Hessian 矩阵 是实对称矩阵。若 正定,则驻点为极小值点;若 负定,则为极大值点;若不定,则为鞍点。

,梯度零点在 ,Hessian

正定,故 为极小值点。

相关惯性定理 | 标准形 | 特征值与特征向量