1.矩阵代数
第一节 矩阵及其运算
定义
由 m×n 个数排成的 m 行 n 列矩形数表称为 m×n 矩阵:
A=a11a21⋮am1a12a22⋮am2⋯⋯⋱⋯a1na2n⋮amn
简记为 A=(aij)m×n。m=n 时称为 n 阶方阵。
例:
A=(142536)2×3
加法、数乘、乘法
加法:同型矩阵对应元素相加。
(1324)+(5768)=(610812)
数乘:标量 k 乘以每个元素。
3(1324)=(39612)
乘法:Am×n 与 Bn×p 相乘得 Cm×p,其中
cij=k=1∑naikbkj
例:
(1324)(0110)=(2413)
[!warning] 注意
矩阵乘法一般不满足交换律,AB=BA。
结合律和分配律
结合律:(AB)C=A(BC)
左分配律:A(B+C)=AB+AC
右分配律:(A+B)C=AC+BC
数乘结合律:k(AB)=(kA)B=A(kB)
转置
将矩阵的行列互换得到转置矩阵,(AT)ij=Aji。
例:
A=(142536),AT=123456
规律:
- (AT)T=A
- (A+B)T=AT+BT
- (kA)T=kAT
- (AB)T=BTAT
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。
例:
A=104015236=(I2CBD),B=(23)
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 n 阶单位矩阵施行一次初等变换得到):
类型 1:交换两行 Ri↔Rj
E(i,j)=1⋱0⋮1⋯⋱⋯1⋮0⋱1
例(n=3,i=1,j=2):
E(1,2)=010100001
类型 2:某行乘非零常数 Ri→kRi
E(i(k))=1⋱k⋱1
例(n=3,i=2,k=3):
E(2(3))=100030001
类型 3:某行加另一行的 k 倍 Ri→Ri+kRj
E(i,j(k))=1⋱1⋯⋱k⋮1
例(n=3,i=2,j=1,k=2):
E(2,1(2))=120010001
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。
例:
E(1,2)A=(0110)(acbd)=(cadb)
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
对 n 阶方阵 A,若存在 n 阶方阵 B 使 AB=BA=In,则称 A 可逆,B 为 A 的逆矩阵,记作 A−1。
例:
A=(1324),A−1=(−21.51−0.5)
验证:
AA−1=(1324)(−21.51−0.5)=(1001)=I2
相关:伴随矩阵求逆 | 逆的计算
逆的性质
- (A−1)−1=A
- (AB)−1=B−1A−1
- (AT)−1=(A−1)T
- A 可逆 ⇔∣A∣=0
- (kA)−1=k1A−1(k=0)
等价矩阵
若 A 经有限次初等变换可化为 B,则 A 与 B 等价,记作 A≅B。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。
例:
100200310450
简化行阶梯形矩阵:每个主元为 1,且主元所在列其他元素全为 0。
例:
100010001000
完整过程示例:将 A 化为简化行阶梯形矩阵。
A=121243112132
第一步,消去 (2,1) 和 (3,1):
121243112132R2−2R1R3−R11002011−11111
第二步,交换第 2、3 行使主元列标递增:
1002011−11111R2↔R310021011−1111
此时已化为行阶梯形矩阵。
第三步,将各主元化为 1:
10021011−1111−R310021011111−1
第四步,从最后一列开始,逐列消去主元上方的元素:
10021011111−1R1−R3,R2−R310021000122−1R1−2R2100010001−22−1
得到简化行阶梯形矩阵(RREF)。
逆的计算
用初等行变换求 A−1:构造 (A∣I),对行施行初等变换,左侧化为 I 时右侧即为 A−1。
例:求 A=(1324) 的逆。
(13241001)R2−3R1(102−21−301)−21R2(10211230−21)R1−2R2(1001−2231−21)
因此 A−1=(−2231−21)。
第四节 线性方程组
线性方程组的表示
m 个方程、n 个未知数的线性方程组的一般形式:
⎩⎨⎧a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=b2 ⋮am1x1+am2x2+⋯+amnxn=bm
矩阵形式 Ax=b,其中 A=(aij)m×n 为系数矩阵,x=(x1,…,xn)T,b=(b1,…,bm)T。增广矩阵为 (A∣b)。
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。
例(三个情况的几何直观):
x1+x2=2,x1−x2=0x1+x2=2,2x1+2x2=1x1+x2=2,2x1+2x2=4两直线交于一点,唯一解两直线平行,无解两直线重合,无穷多解
高斯消元法
步骤:写出增广矩阵 (A∣b),通过初等行变换化为 RREF,从 RREF 读出解。
例 1(唯一解):
⎩⎨⎧x1+2x2+x3=12x1+4x2+x3=3x1+3x2+2x3=2
增广矩阵并化为 RREF(过程同 完整过程示例):
(A∣b)=121243112132⟶100010001−22−1
RREF 直接读出解:x1=−2,x2=2,x3=−1。
例 2(无解):
{x1+x2=12x1+2x2=3
(121213)R2−2R1(101011)
末行对应 0=1,方程矛盾,故无解。
例 3(无穷多解):
{x1+x2+x3=12x1+2x2+2x3=2
(12121212)R2−2R1(10101010)
RREF 末行为全零行,无矛盾。x2,x3 为自由变量,取 x2=s,x3=t,则 x1=1−s−t,解为:
x=100+s−110+t−101,s,t∈R
非零行与解的关系
m 个方程 n 个未知数的增广矩阵化为 RREF 后,一般形式为:
10⋮00⋮001⋮00⋮0⋯⋯⋱⋯⋯⋱⋯00⋮10⋮0∗∗⋮∗0⋮0⋯⋯⋱⋯⋯⋱⋯∗∗⋮∗0⋮0d1d2⋮drdr+1⋮0
其中前 r 行为非零行(含主元 1),后 m−r 行为全零行。解的个数由下式决定:
- dr+1=0:出现 (0⋯0∣dr+1) 矛盾行,无解;
- dr+1=0(即无矛盾行):
- r=n:所有变量都是主元变量,唯一解;
- r<n:有 n−r 个自由变量,无穷多解。
齐次线性方程组
Ax=0,即 b=0 的情形。齐次方程组必有零解 x=0。
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):
⎩⎨⎧x1+2x2+x3=02x1+4x2+x3=0x1+3x2+2x3=0⇒100010001000⇒x=0
例 2(有非零解):
{x1+x2+x3=02x1+2x2+2x3=0⇒(10101000)
x2,x3 自由,取 x2=s,x3=t,则 x1=−s−t:
x=s−110+t−101,s,t∈R
2.行列式
第一节 定义
逆序对定义
设 σ 为 {1,2,…,n} 上的一个排列。若 i<j 但 σ(i)>σ(j),则称 (i,j) 为一个逆序对。排列 σ 的符号为 sgn(σ)=(−1)逆序数。
n 阶方阵 A=(aij) 的行列式定义为:
detA=σ∈Sn∑sgn(σ)i=1∏nai,σ(i)
2 阶:
a11a21a12a22=a11a22−a12a21
3 阶:
a11a21a31a12a22a32a13a23a33=a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32−a11a23a32−a12a21a33−a13a22a31
上三角阵
上三角矩阵 A(即 i>j 时 aij=0)的行列式等于对角元乘积。
a110⋮0a12a22⋮0⋯⋯⋱⋯a1na2n⋮ann=a11a22⋯ann
因只有恒等排列 σ(i)=i 不包含 i>j 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
对 n 阶方阵 A,三种初等行变换对行列式的影响:
-
交换两行 Ri↔Rj:行列式变号,det(E(i,j)A)=−detA。
从排列定义看:交换两行后,每个排列 σ 的奇偶性反转,故每项符号取反。
-
某行乘 k Ri→kRi:行列式变为 k 倍,det(E(i(k))A)=kdetA。
每项 ∏ai,σ(i) 中恰有一个因子来自第 i 行,乘以 k 后整项扩大 k 倍。
-
某行加另一行的 k 倍 Ri→Ri+kRj:行列式不变,det(E(i,j(k))A)=detA。
由多重线性性,拆成两项:原行列式 + 第 i,j 行成比例的零行列式。
对应的初等方阵行列式:detE(i,j)=−1、detE(i(k))=k、detE(i,j(k))=1。
相关:初等变换和初等方阵
方阵乘积的行列式
对任意 n 阶方阵 A,B,有:
det(AB)=detA⋅detB
推论:若 A 可逆,则 det(A−1)=(detA)−1。
第三节 行列式的展开
代数余子式
去掉 A 的第 i 行第 j 列后得到的 n−1 阶子式称为余子式 Mij。代数余子式为:
Aij=(−1)i+jMij
例:
A=147258369,M11=5869=45−48=−3,A11=(−1)1+1(−3)=−3
按行展开
n 阶行列式等于第 i 行各元素与其代数余子式乘积之和:
detA=j=1∑naijAij
例(按第一行展开 3×3 行列式):
a11a21a31a12a22a32a13a23a33=a11A11+a12A12+a13A13=a11a22a32a23a33−a12a21a31a23a33+a13a21a31a22a32
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
Vn=1x1x12⋮x1n−11x2x22⋮x2n−1⋯⋯⋯⋱⋯1xnxn2⋮xnn−1=1≤i<j≤n∏(xj−xi)
证明(归纳法):n=2 时 V2=x2−x1 成立。假设 n−1 阶成立。将 Vn 视为 xn 的 n−1 次多项式。当 xn=xk(k=1,…,n−1) 时,第 n 列与第 k 列相同,Vn=0,故 xn−xk 是 Vn 的因式。由归纳假设:
Vn=Vn−1⋅k=1∏n−1(xn−xk)=1≤i<j≤n−1∏(xj−xi)⋅k=1∏n−1(xn−xk)=1≤i<j≤n∏(xj−xi)
拉普拉斯展开
[!abstract] 拉普拉斯展开
将行列式按指定的 k 行展开:取定行指标集 I={i1,i2,…,ik},设 Ic 为补集,则
detA=1≤j1<⋯<jk≤n∑detA[I,J]⋅(−1)∑I+∑J⋅detA[Ic,Jc]
其中 J={j1,…,jk},Jc 为 J 的补集,A[I,J] 表示取 I 行 J 列的子矩阵。k=1 时退化为 按行展开。
例(4×4 按前两行展开):
A=2100121001210012
取 I={1,2},需枚举 J={j1,j2} 共 (24)=6 种组合。非零项只有两组:
(j1,j2)=(1,2):
detA[I,J]=2112=3,detA[Ic,Jc]=2112=3
符号 (−1)1+2+1+2=1,该项为 3⋅3=9。
(j1,j2)=(1,3):
detA[I,J]=2101=2,detA[Ic,Jc]=1012=2
符号 (−1)1+2+1+3=−1,该项为 2⋅(−1)⋅2=−4。
其余组合 {(1,4),(2,3),(2,4),(3,4)} 子式中均含零列故为零。求和得 detA=9−4=5。
第四节
伴随矩阵求逆
A 的伴随矩阵 adj(A) 是各元素代数余子式的转置:
adj(A)=(Aji)n×n
A 可逆时:
A−1=detA1adj(A)
例(3×3):
A=121243112
计算各代数余子式:
A11=+4312=5,A21=−2312=−1,A31=+2411=−2,A12=−2112=−3,A22=+1112=1,A32=−1211=1,A13=+2143=2A23=−1123=−1A33=+1224=0
adj(A)=(Aji)T=5−32−11−1−210,detA=1⋅5+2⋅(−3)+1⋅2=1
A−1=detA1adj(A)=5−32−11−1−210
克拉默法则
设 Ax=b,A 为 n 阶可逆方阵(detA=0),解为:
xi=detAdetAi,i=1,…,n
其中 Ai 是将 A 的第 i 列替换为 b 得到的矩阵。
例(3×3 方程组):
⎩⎨⎧x1+2x2+x3=12x1+4x2+x3=3x1+3x2+2x3=2
detA=121243112=1⋅(8−3)−2⋅(4−1)+1⋅(6−4)=5−6+2=1=0
detA1=132243112=1⋅(8−3)−2⋅(6−2)+1⋅(9−8)=5−8+1=−2
detA2=121132112=1⋅(6−2)−1⋅(4−1)+1⋅(4−3)=4−3+1=2
detA3=121243132=1⋅(8−9)−2⋅(4−3)+1⋅(6−4)=−1−2+2=−1
x1=1−2=−2,x2=12=2,x3=1−1=−1
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
m×n 矩阵 A 可视为 m 个行向量或 n 个列向量的排列:
A=a11a21⋮am1a12a22⋮am2⋯⋯⋱⋯a1na2n⋮amn=r1r2⋮rm=(c1c2⋯cn)
其中 ri=(ai1,ai2,…,ain)∈Rn 为行向量,cj=(a1j,a2j,…,amj)T∈Rm 为列向量。
例:
A=(120−123),r1=(1,0,2),r2=(2,−1,3),c1=(12),c2=(0−1),c3=(23)
线性组合
对向量组 v1,…,vp,称 ∑i=1pkivi 为它们的线性组合,系数 ki∈R。
例:
2(12)+3(0−1)=(21)
线性相关与线性无关
向量组 v1,…,vp 称为线性相关的,若存在不全为零的系数 k1,…,kp 使
i=1∑pkivi=0
反之,若上式仅当 k1=⋯=kp=0 时成立,则称线性无关。
例(相关):
v1=(10),v2=(20),2v1−v2=0
例(无关):
e1=100,e2=010,e3=001
若 k1e1+k2e2+k3e3=(k1,k2,k3)T=0,则 k1=k2=k3=0。
基本性质:
- 单个非零向量线性无关,0 线性相关。
- 含 0 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 R2 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 {α1,…,αp} 与 {β1,…,βq} 称为等价的,若每个 αi 可由 {βj} 线性表示,且每个 βj 可由 {αi} 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 A 组与 B 组等价,则 B 组与 A 组等价。
- 传递律:若 A 组与 B 组等价,B 组与 C 组等价,则 A 组与 C 组等价。
例:
α1=(10),α2=(01),β1=(20),β2=(02)
β1=2α1、β2=2α2,且 α1=21β1、α2=21β2,故两向量组等价。
极大线性无关组
向量组的一个子集满足:
- 自身线性无关;
- 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。
例:向量组
v1=(10),v2=(20),v3=(01)
{v1,v3} 是一个极大线性无关组(v2=2v1),{v2,v3} 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
向量组的秩定义为该向量组中极大线性无关组所含向量的个数。记作 r(v1,…,vp)。
对矩阵 A 而言,r(A) 即其行向量组(或列向量组)的秩。也等于 A 化为 RREF 后非零行(主元)的个数。
例:
A=121243112RREF100010001,r(A)=3
B=(121212)RREF(101010),r(B)=1
向量组秩的基本性质:
- 0≤r(v1,…,vp)≤min{p,维数}
- r(A)=r(AT)(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
- 若 α1,…,αp 可由 β1,…,βq 线性表示,则 r(α)≤r(β)
第三节 矩阵的秩
行秩与列秩
m×n 矩阵 A 的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 A 的秩 r(A)。
相关:向量组的秩 | 行秩的行列式定义
行秩的行列式定义
A 的 k 阶子式是指从 A 中任取 k 行 k 列构成的 k 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 r:A 中存在一个非零的 r 阶子式 Dr,且所有含 Dr 的 r+1 阶子式(若存在)均为零。
证明(证明此时行秩为 r):
设 Dr=0 位于行 i1,…,ir 与列 j1,…,jr 的交叉处。
-
r(A)≥r:Dr=0 说明这 r 行在 j1,…,jr 列上的限制线性无关,故整体也无关,行秩 ≥r。
-
r(A)=r(只需证 ≤r):对任意行 p(p 可以是 i1,…,ir 之一或其他行),取唯一解 λ1,…,λr 满足:
k=1∑rλkaik,jl=ap,jl,l=1,…,r
(Dr=0 保证解存在唯一。)
任取一列 q,考虑 r+1 阶子式
Δ=ai1,j1⋮air,j1ap,j1⋯⋱⋯⋯ai1,jr⋮air,jrap,jrai1,q⋮air,qap,q
- 若 q∈{j1,…,jr},则末列与某一前列重复,Δ=0;
- 若 q∈/{j1,…,jr},则 Δ 是含 Dr 的 r+1 阶子式,由条件 Δ=0。
对 Δ 做行变换:Rr+1→Rr+1−∑k=1rλkRk。该变换不改变行列式的值,且由 λ 的定义,新末行的前 r 个元素全为 0:
Δ=ai1,j1⋮air,j10⋯⋱⋯⋯ai1,jr⋮air,jr0ai1,q⋮air,qap,q−∑k=1rλkaik,q=0
按末行展开得 (ap,q−k=1∑rλkaik,q)⋅Dr=0。
因 Dr=0,故 ap,q=∑k=1rλkaik,q 对任意列 q 均成立。即行 p 是行 i1,…,ir 的线性组合。
因此 A 的所有行皆可由这 r 行线性表示,行秩 ≤r。
综上,行秩 =r。
例:
A=147258369
取 D2=1425=−3=0,含 D2 的 3 阶子式仅有 ∣A∣ 一个且为零,故 r(A)=2。
行秩等于列秩
[!abstract] 定理
对任意矩阵 A,行秩 = 列秩 =r(A)。
证明:对 A 施行初等行变换化为 RREF R。行变换保持行空间,故 A 的行秩 =R 的非零行数 r。
另一方面,行变换保持列向量间的线性关系(若 A 的某组列线性相关,在 R 中仍相关,反之亦然),故列秩在行变换下不变。R 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 R 的列秩也等于主元列个数 r。故 A 的列秩 =r= 行秩。
例:
A=121243112RREF100010001
行秩 =3(三个非零行),列秩 =3(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 A 经行变换得 B。若 A 的某组列 ck1,…,ckt 满足 ∑μicki=0,则行变换后对应列 ck1′,…,ckt′ 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。
例:
A=121243112R2−2R11002011−11
A 的列 c1,c2 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
m×n 矩阵 A 与 B 称为等价的,若 B 可由 A 经有限次初等行、列变换得到。充要条件是存在可逆方阵 Pm×m、Qn×n 使
A=PBQ
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 P 和 Q。反之,可逆阵可分解为初等方阵的乘积,左乘 P 等价于行变换,右乘 Q 等价于列变换。
推论:A 与 B 等价 ⟺r(A)=r(B)。
等价标准形
[!abstract] 等价标准形
对任意 m×n 矩阵 A,存在可逆阵 Pm×m、Qn×n 使
PAQ=(Ir000)
其中 r=r(A)。该矩阵称为 A 的等价标准形。等价标准形由秩 r 唯一确定:左上角为 r 阶单位阵,其余为零。
例:
A=(122411),r(A)=2
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
PAQ=(100100)
满秩
设 Am×n 的秩为 r。
- 行满秩:r=m(行数 ≤ 列数时可能),行向量线性无关。
- 列满秩:r=n(列数 ≤ 行数时可能),列向量线性无关。
- 满秩方阵:m=n=r,即 A 可逆。
例:
A=(100121),r(A)=2=m (行满秩)
B=102011,r(B)=2=n (列满秩)
满秩分解
设 Am×n 的秩为 r,则 A 可分解为
A=HL
其中 Hm×r 为列满秩,Lr×n 为行满秩。此分解称为满秩分解(或秩分解)。
构造:将 A 化为 RREF R,取 R 中 r 个非零行构成 L,取 A 中 R 的主元列对应的 r 列构成 H,则有 A=HL。
例:
A=121242120001,r(A)=2
化为 RREF:
121242120001R2−2R1R3−R110020010−1001R2↔R31002001−10010
−R21002001100−10R1−R21002000101−10=R
主元列为第 1、3 列。取 H 为 A 的第 1、3 列,L 为 R 的非零行:
H=121120,L=(1020011−1)
验证 A=HL:
HL=121120(1020011−1)=121242120001=A
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 Ax=b(A 为 m×n)有解的充要条件是系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩:
r(A)=r(A∣b)
证明:Ax=b 有解 ⟺ b 可由 A 的列向量线性表示 ⟺ A 的列空间包含 b ⟺ 添加 b 不改变列空间的维数 ⟺ r(A)=r(A∣b)。
例:
{x1+x2=12x1+2x2=3⇒r(A)=1,r(A∣b)=2无解
{x1+x2=12x1+2x2=2⇒r(A)=r(A∣b)=1有解(无穷多解)
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 Ax=0(Am×n)有非零解的充要条件是 r(A)<n。
- r(A)=n:所有变量都是主元变量,仅有零解。
- r(A)<n:存在自由变量(共 n−r 个),有无穷多非零解。
例:
{x1+2x2−x3=02x1+4x2−2x3=0⇒r(A)=1<n=3
有非零解,如 x=(−2,1,0)T。
基础解系
[!abstract] 基础解系
Ax=0 的解空间维数为 n−r(r=r(A))。基础解系是解空间的一组基,即 n−r 个线性无关的解 ξ1,…,ξn−r,满足:
- 它们线性无关;
- 任一解都可表示为它们的线性组合。
构造:将 A 化为 RREF,确定主元变量和自由变量。对每个自由变量赋值为 1(其余自由变量赋 0),反解主元变量即得一个基础解系向量。
例:
A=(1020011−1),r(A)=2,n=4
方程组为 x1+2x2+x4=0,x3−x4=0。自由变量为 x2,x4。
取 (x2,x4)=(1,0) 得 ξ1=(−2,1,0,0)T;
取 (x2,x4)=(0,1) 得 ξ2=(−1,0,1,1)T。
基础解系为 {ξ1,ξ2},通解 x=c1ξ1+c2ξ2。
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 Ax=b 的导出组是它对应的齐次方程组 Ax=0。
若 x0 是 Ax=b 的一个特解,ξ 是导出组的任一解,则 x0+ξ 是 Ax=b 的解。反之,Ax=b 的任一解均可表示为 x0+ξ。
因此非齐次方程组的通解结构为:
x=x0+i=1∑n−rciξi
其中 x0 是一个特解,{ξ1,…,ξn−r} 是导出组的基础解系。
例:承接上例,考虑非齐次方程组
{x1+2x2+x4=1x3−x4=2
取自由变量 x2=x4=0,反解得 x1=1,x3=2,得特解 x0=(1,0,2,0)T。通解为
x=1020+c1−2100+c2−1011,c1,c2∈R
4.线性空间
第一节 线性空间的定义
定义
设 V 为非空集合,F 为数域(如 R 或 C)。在 V 上定义两种运算:
- 加法:∀α,β∈V,有唯一的 α+β∈V
- 数乘:∀k∈F,α∈V,有唯一的 kα∈V
[!abstract] 线性空间公理
若满足以下八条公理,则称 V 为 F 上的线性空间(向量空间):
加法公理:
- 交换律:α+β=β+α
- 结合律:(α+β)+γ=α+(β+γ)
- 零元素:∃0∈V,使 α+0=α
- 负元素:∀α,∃(−α)∈V,使 α+(−α)=0
数乘公理(∀k,l∈F):
5. k(α+β)=kα+kβ
6. (k+l)α=kα+lα
7. k(lα)=(kl)α
8. 1⋅α=α
此时称 V 中的元素为向量,F 中的元素为标量。零元素 0 和负元素 −α 均唯一。
线性空间举例
- Fn:n 元有序数组全体,加法为分量相加,数乘为分量乘标量,0=(0,…,0)T。
- Mm×n(F):m×n 矩阵全体,加法为矩阵相加,数乘为数乘矩阵。
- P[x]n:次数 <n 的多项式全体,加法为多项式相加,数乘为系数乘标量。
- C[a,b]:[a,b] 上连续函数全体,(f+g)(x)=f(x)+g(x),(kf)(x)=kf(x)。
第二节 子空间
子空间的定义与判定
V 的非空子集 W 称为 V 的子空间,若 W 在 V 的加法和数乘下自身构成线性空间。
[!abstract] 子空间判别定理
W⊆V 是子空间 ⟺ W=∅ 且对加法和数乘封闭,即
∀α,β∈W,∀k∈F⟹α+β∈W,kα∈W
(非空性常通过验证 0∈W 来保证。)
平凡子空间:{0} 和 V 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:R3 中,坐标轴(如 x 轴 {(t,0,0)T∣t∈R})和坐标面(如 xy 平面 {(a,b,0)T∣a,b∈R})都是子空间。
例 2:P[x]n(次数 <n)是 P[x](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
设 W1,W2 为 V 的子空间,定义它们的和为
W1+W2={w1+w2∣w1∈W1,w2∈W2}
W1+W2 是包含 W1∪W2 的最小子空间。类似可定义多个子空间的和。
交:W1∩W2 也是 V 的子空间(任意多个子空间的交仍为子空间)。但子空间的并通常不是子空间。
例:R3 中,x 轴 W1={te1∣t∈R},y 轴 W2={te2∣t∈R},则 W1+W2 是 xy 平面 {(a,b,0)T∣a,b∈R}。
第三节 基与维数
生成元集与线性相关
设 v1,…,vn∈V。若 V 中每个向量均可表示为 v1,…,vn 的线性组合,则称这些向量生成 V,记作
V=span{v1,…,vn}
向量组 v1,…,vn 称为线性相关的,若存在不全为零的 k1,…,kn∈F 使
i=1∑nkivi=0
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 V 中线性无关向量的个数不超过任意生成元集的大小。
相关:基 | 维数
基
V 的一个子集 {e1,…,en} 称为 V 的一组基,若它同时满足:
- 线性无关;
- 生成 V(即 span{e1,…,en}=V)。
此时任意 v∈V 可唯一地写成 v=∑xiei,(x1,…,xn) 称为 v 在该基下的坐标。
例:
- Rn 的标准基:e1=(1,0,…,0)T,…,en=(0,…,0,1)T
- M2×2(R) 的基:
(1000),(0010),(0100),(0001)
- P[x]n 的基:{1,x,x2,…,xn−1}
维数
若线性空间 V 有一组含 n 个向量的基,则 V 的任何基都恰含 n 个向量。n 称为 V 的维数,记作 dimV=n。
- dimV=0⟺V={0}(零空间)。
- V 称为有限维的,若它有一组有限基。
- dimW1+dimW2=dim(W1+W2)+dim(W1∩W2)(维数公式)。
例:
- dimFn=n
- dimMm×n(F)=mn
- dimP[x]n=n
- dimC[a,b]=∞(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 S1 与 S2 生成相同子空间的充要条件是 S1 与 S2 等价。
证明:若 span(S1)=span(S2),则 S1 中每个向量属于 span(S2),故可由 S2 线性表示;同理 S2 中每个向量可由 S1 表示,故等价。反之,若等价,则 S1 中向量的任意线性组合也可由 S2 表示(因 S1 的每个向量是 S2 的组合),故 span(S1)⊆span(S2),同理反向包含,故相等。
定理 2(子空间基的扩张):W 的任何一组基可扩充为 V 的基。即若 e1,…,ek 是 W 的基,则可添入 ek+1,…,en 使其成为 V 的基。由此 dimW≤dimV,等号成立 ⟺W=V。
维数公式:
[!abstract] 维数公式
设 W1,W2 是 V 的子空间,则
dimW1+dimW2=dim(W1+W2)+dim(W1∩W2)
证明(概述):取 W1∩W2 的基 α1,…,αm。扩张为 W1 的基 α1,…,αm,β1,…,βp 和 W2 的基 α1,…,αm,γ1,…,γq。则可以证明 α1,…,αm,β1,…,βp,γ1,…,γq 组成 W1+W2 的基。因此
dimW1dimW2dim(W1+W2)dim(W1∩W2)=m+p=m+q=m+p+q=m
代入即得维数公式。
例:R3 中,W1 为 xy 平面(dim=2),W2 为 xz 平面(dim=2),则 W1∩W2 为 x 轴(dim=1),W1+W2=R3(dim=3)。验证 2+2=3+1。
第四节 基变换与坐标变换
基变换
设 V 的两组基为
(I): e1,e2,…,en,(II): e1′,e2′,…,en′
每个 ej′ 用 (I) 线性表示:
ej′=a1je1+a2je2+⋯+anjen=i=1∑naijei(j=1,…,n)
写成矩阵形式即基变换公式:
(e1′,e2′,…,en′)=(e1,e2,…,en)A
其中
A=a11a21⋮an1a12a22⋮an2⋯⋯⋱⋯a1na2n⋮ann
A 的第 j 列即为 ej′ 在基 (I) 下的坐标。A 称为由基 (I) 到基 (II) 的过渡矩阵。
过渡矩阵必可逆:因 (I) 也可由 (II) 线性表示,设过渡矩阵为 B,则 (e)=(e′)B。代入得 (e′)=(e′)BA,由基的线性无关性得 BA=I,故 B=A−1。
坐标变换公式
设向量 α∈V 在基 (I) 和 (II) 下的坐标分别为
x=(x1,x2,…,xn)T,x′=(x1′,x2′,…,xn′)T
即
α=(e1,…,en)x=(e1′,…,en′)x′
由基变换公式 (e′)=(e)A:
α=(e′)x′=(e)Ax′
与 α=(e)x 比较,由坐标表示的唯一性得:
x=Ax′或x′=A−1x
相关:基
第五节 子空间的直和
直和的定义
设 W1,W2 是 V 的子空间。若 W1+W2 中每个向量的分解 α=α1+α2(α1∈W1,α2∈W2) 是唯一的,则称 W1+W2 为 直和,记作 W1⊕W2。
[!abstract] 直和的等价条件
W1+W2 是直和 ⟺ W1∩W2={0} ⟺ 零向量表示法唯一(若 0=α1+α2,则 α1=α2=0)
证明:若 W1∩W2={0},取非零 γ∈W1∩W2,则 0=γ+(−γ) 是 0 的两种不同分解(另一为 0+0),故零向量表示法不唯一。反之,若零向量表示法唯一,设 α1+α2=β1+β2,则 (α1−β1)+(α2−β2)=0。由唯一性 α1−β1=0,α2−β2=0,故分解唯一。
推广到 m 个子空间:W1+W2+⋯+Wm 是直和 ⟺ 零向量表示法唯一 ⟺
Wi∩(j=i∑Wj)={0}(i=1,…,m)
直和的性质
性质 1(补子空间):若 W1⊕W2=V,则称 W1 和 W2 互为 补子空间。V 的任意子空间 W 都存在补子空间。
性质 2(维数公式):
dim(W1⊕W2)=dimW1+dimW2
更一般地,dim(W1⊕⋯⊕Wm)=∑dimWi。
性质 3(基的合并):若 W1,W2 的基分别为 {α1,…,αr} 和 {β1,…,βs},则 W1⊕W2 的基为 {α1,…,αr,β1,…,βs}。
性质 4(与维数的关系):W1+W2 是直和 ⟺ dim(W1+W2)=dimW1+dimW2。
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
设 V 和 U 是数域 F 上的线性空间。若存在双射 σ:V→U,满足
σ(α+β)=σ(α)+σ(β),σ(kα)=kσ(α)
对任意 α,β∈V,k∈F 成立,则称 σ 为 同构映射,V 与 U 同构,记作 V≅U。
同构映射是保持线性运算的一一对应。σ−1 也是同构映射。
同构映射的性质
性质 1:σ(0V)=0U,σ(−α)=−σ(α)
性质 2:α1,…,αm 线性相关 ⟺ σ(α1),…,σ(αm) 线性相关。即同构映射保持线性相关性。
性质 3:{e1,…,en} 是 V 的基 ⟺ {σ(e1),…,σ(en)} 是 U 的基。因此 dimV=dimU。
性质 4(核心定理):
[!abstract] 同构的充要条件
数域 F 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。⇐ 设 dimV=dimU=n,取 V 的基 {ei} 和 U 的基 {fi}。定义映射
σ(i=1∑nxiei)=i=1∑nxifi
则可验证 σ 是双射且保持线性运算,故是同构映射。
推论:设 dimV=n,则 V≅Fn。任意 n 维线性空间都可通过取定一组基,与坐标空间 Fn 等同。同构关系是等价关系(自反、对称、传递)。
相关:基 | 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
设 V,W 是数域 F 上的线性空间。映射 A:V→W 称为线性映射,若满足:
A(α+β)=A(α)+A(β),A(kα)=kA(α)
对任意 α,β∈V,k∈F 成立。
当 V=W 时,A:V→V 称为 V 上的线性变换。V 上全体线性变换的集合记作 L(V)。
典型例子
零变换 O:
O(α)=0(∀α∈V)
恒等变换 I:
I(α)=α(∀α∈V)
微分算子:在 P[x]n 上,D(f)=f′ 是线性变换:
D(k1f1+k2f2)=k1D(f1)+k2D(f2)
积分算子:在 C[a,b] 上,J(f)(x)=∫axf(t)dt 是线性变换:
J(k1f1+k2f2)=k1J(f1)+k2J(f2)
线性变换的性质
性质 1:A(0V)=0W(零向量映为零向量)
性质 2:A(−α)=−A(α)
性质 3:保持线性组合
A(i=1∑mkiαi)=i=1∑mkiA(αi)
性质 4:若 α1,…,αm 线性相关,则 A(α1),…,A(αm) 也线性相关。反之不成立(如零变换)。
性质 5:有限维空间中,A 由基的像唯一确定。设 {e1,…,en} 是 V 的基,则对任意 α=∑xiei:
A(α)=i=1∑nxiA(ei)
相关:线性映射与线性变换
加法与数乘
设 A,B∈L(V),k∈F。
加法:(A+B)(α)=A(α)+B(α)
数乘:(kA)(α)=kA(α)
L(V) 对加法和数乘构成 F 上的线性空间,dimL(V)=n2(其中 n=dimV)。
乘法(复合)
(AB)(α)=A(B(α))
运算性质
对任意 A,B,C∈L(V),k∈F:
- 加法交换律:A+B=B+A
- 加法结合律:(A+B)+C=A+(B+C)
- 乘法结合律:(AB)C=A(BC)
- 左分配律:A(B+C)=AB+AC
- 右分配律:(A+B)C=AC+BC
- 数乘结合律:k(AB)=(kA)B=A(kB)
[!warning] 注意
线性变换的乘法一般不可交换:AB=BA。
逆变换
若存在 B∈L(V) 使得
AB=BA=I
则称 A 可逆,B 称为 A 的逆变换,记作 A−1。
逆变换若存在必唯一。(A−1)−1=A,(AB)−1=B−1A−1。
相关:像空间与核空间 | 逆变换
像空间与核空间
设 A∈L(V),dimV=n。
像空间(值域):
ImA={A(α)∣α∈V}⊆V
核空间(零空间):
KerA={α∈V∣A(α)=0}⊆V
ImA 和 KerA 都是 V 的子空间。A 的秩定义为 rankA=dimImA,零度定义为 nullA=dimKerA。
像与核的维数公式
[!abstract] 维数公式
dimV=dimKerA+dimImA
证明:取 KerA 的一组基 α1,…,αr(dimKerA=r)。将其扩充为 V 的基
α1,…,αr,αr+1,…,αn
下面证明 A(αr+1),…,A(αn) 是 ImA 的基。
生成:对任意 β∈ImA,存在 α=∑i=1nxiαi 使 β=A(α)。由于 A(α1)=⋯=A(αr)=0:
β=A(i=1∑nxiαi)=i=r+1∑nxiA(αi)
故 A(αr+1),…,A(αn) 生成 ImA。
线性无关:设 ∑i=r+1nkiA(αi)=0,则 A(∑i=r+1nkiαi)=0,即 ∑i=r+1nkiαi∈KerA。由 KerA 的基表示:
i=r+1∑nkiαi=i=1∑rliαi
移项得线性组合为零,由 α1,…,αn 线性无关知 ki=0(i=r+1,…,n)。故 A(αr+1),…,A(αn) 线性无关。
因此 dimImA=n−r,即 dimKerA+dimImA=r+(n−r)=n。
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
设 A∈L(V),dimV=n,则以下等价:
- A 是单射(A(α1)=A(α2)⇒α1=α2)
- A 是满射(ImA=V)
- A 是可逆的
证明:
A 单射 ⟺ KerA={0}(若 A(α1)=A(α2),则 A(α1−α2)=0,由单射得 α1=α2)。
由维数公式:
A 单射⟺KerA={0}⟺dimKerA=0⟺dimImA=n⟺ImA=V⟺A 满射
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 dimV 有限。无限维空间中单射 ⇏ 满射,满射 ⇏ 单射。
例:P[x] 上微分算子 D 是满射(每个多项式有原函数)但不是单射(D(1)=0)。
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 | A:V→W | A(α+β)=A(α)+A(β),A(kα)=kA(α) |
| 线性变换 | A:V→V | 线性映射的特例,V=W |
| 同构映射 | σ:V→U | 线性映射 + 双射(一一对应) |
| 自同构 | A:V→V | 同构映射 + V=U(即 V 到自身的同构映射) |
关系:
- 线性变换 ⊂ 线性映射(线性变换是 V 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 V 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
线性变换∩同构映射=自同构=可逆线性变换
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
设 dimV=n,取定一组基 e1,…,en。对线性变换 A∈L(V),每个基向量的像 A(ej) 仍属于 V,可用该基唯一线性表示:
A(ej)=a1je1+a2je2+⋯+anjen=i=1∑naijei(j=1,…,n)
将 n 个等式合并写成矩阵形式:
A(e1,e2,…,en)=(e1,e2,…,en)a11a21⋮an1a12a22⋮an2⋯⋯⋱⋯a1na2n⋮ann
简记为 A(e)=(e)A。矩阵 A=(aij)n×n 称为 A 在基 {e1,…,en} 下的矩阵,其第 j 列恰为 A(ej) 在该基下的坐标。
坐标映射关系:设向量 α∈V 在基下的坐标为
x=x1x2⋮xn,即α=(e1,…,en)x=x1e1+⋯+xnen
其像 β=A(α) 的坐标为 y=(y1,…,yn)T。由
β=A(α)=A(j=1∑nxjej)=j=1∑nxjA(ej)=j=1∑nxji=1∑naijei=i=1∑n(j=1∑naijxj)ei
比较系数得
y=Ax,即y1y2⋮yn=a11a21⋮an1a12a22⋮an2⋯⋯⋱⋯a1na2n⋮annx1x2⋮xn
线性变换 A 对向量的作用完全等价于矩阵 A 左乘坐标列向量。
线性映射在基下的矩阵
设 A:V→W 为线性映射,dimV=n,dimW=m。取 V 的基 (I):e1,…,en 和 W 的基 (II):f1,…,fm:
A(ej)=i=1∑maijfi(j=1,…,n)
写成矩阵形式:
A(e1,…,en)=(f1,…,fm)a11a21⋮am1a12a22⋮am2⋯⋯⋱⋯a1na2n⋮amnm×n
A=(aij)m×n 称为 A 在基 (I) 和 (II) 下的矩阵。坐标映射关系仍是 y=Ax:
在 W 中坐标y1y2⋮ym=m×na11⋮am1⋯⋱⋯a1n⋮amn在 V 中坐标x1x2⋮xn
相关:线性映射与线性变换 | 基
矩阵运算与线性变换运算的对应
取定基 e1,…,en 后,每个 A∈L(V) 唯一对应一个 n 阶方阵 A∈Mn(F)。记此对应为 φ(A)=A。
加法与数乘:设 φ(A)=A,φ(B)=B,由定义直接验证:
φ(A+B)=A+B,φ(kA)=kA
φ 是线性空间 L(V) 到 Mn(F) 的线性同构,且 dimL(V)=dimMn(F)=n2。
乘法(复合):设 φ(A)=A=(aij),φ(B)=B=(bij),验证 φ(AB)=AB:
(AB)(ej)=A(B(ej))=A(k=1∑nbkjek)=k=1∑nbkjA(ek)=k=1∑nbkji=1∑naikei=i=1∑n(k=1∑naikbkj)ei
右边括号内正是矩阵乘积 AB 的 (i,j) 元。
逆变换:
A 可逆⟺A 可逆,且φ(A−1)=A−1
于是 φ:L(V)→Mn(F) 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
设 A 在两组基下的矩阵分别为 A 和 B。基 (I):e1,…,en,基 (II):e1′,…,en′。由基变换公式 (e′)=(e)P,其中过渡矩阵
P=p11⋮pn1⋯⋱⋯p1n⋮pnn
由 A(e)=(e)A 及 A(e′)=(e′)B:
A(e′)A(e′)=A((e)P)=(A(e))P=(e)AP=(e′)B=(e)PB
对比得 AP=PB,过渡矩阵 P 可逆,故
B=P−1AP
相似矩阵的定义:设 A,B∈Mn(F),若存在可逆矩阵 P 使得 B=P−1AP,则称 A 与 B 相似,记作 A∼B。
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:A∼A(取 P=I)
- 对称性:A∼B⇒B∼A(由 B=P−1AP 得 A=PBP−1=(P−1)−1BP−1)
- 传递性:A∼B,B∼C⇒A∼C(若 B=P−1AP,C=Q−1BQ,则 C=(PQ)−1A(PQ))
- 若 A∼B,则 ∣A∣=∣B∣,rankA=rankB
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
设 A∈L(V),dimV=n。若存在 λ∈F 和非零向量 α∈V 满足
A(α)=λα
则称 λ 为 A 的特征值,α 为 A 的属于 λ 的特征向量。
等价地,A(α)=λα⟺(A−λI)α=0⟺α∈Ker(A−λI),故 λ 是特征值 ⟺ A−λI 不可逆。
矩阵版本:取定基后 A 对应矩阵 A,则 Ax=λx(x=0)。
特征子空间
属于特征值 λ 的全部特征向量连同零向量构成 V 的子空间:
Vλ={α∈V∣A(α)=λα}=Ker(A−λI)
Vλ 称为 λ 的特征子空间。dimVλ 称为 λ 的几何重数。
不同特征值对应的特征向量线性无关:若 λ1,…,λm 互不相同,αi∈Vλi 非零,则 α1,…,αm 线性无关。
特征多项式
取定 V 的基,设 A 的矩阵为 A。定义 A 的特征多项式:
f(λ)=det(λI−A)=λ−a11−a21⋮−an1−a12λ−a22⋮−an2⋯⋯⋱⋯−a1n−a2n⋮λ−ann
f(λ) 是 λ 的 n 次首一多项式。λ0 是特征值 ⟺ f(λ0)=0。
特征多项式与基的选取无关:若 A 在另一组基下矩阵为 B=P−1AP,则
det(λI−B)=det(λI−P−1AP)=det(P−1(λI−A)P)=det(λI−A)
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
将 f(λ)=det(λI−A) 展开:
f(λ)=λn−(trA)λn−1+⋯+(−1)ndetA
其中 trA=a11+a22+⋯+ann 称为 A 的迹。
设 f(λ) 在复数域上的 n 个根(重根按重数计)为 λ1,λ2,…,λn,则由根与系数的关系:
i=1∑nλi=trA
i=1∏nλi=detA
求特征值与特征向量
步骤:
- 写出 A 的特征多项式 f(λ)=det(λI−A)
- 解 f(λ)=0 得全部特征值 λ1,…,λk(设互不相同)
- 对每个 λi,解齐次线性方程组 (λiI−A)x=0,其非零解即为 λi 对应的特征向量,解空间的基构成 Vλi 的基
例:A=(3012)
f(λ)=λ−30−1λ−2=(λ−3)(λ−2)
特征值 λ1=3,λ2=2。
- λ=3:(3I−A)x=(00−11)(x1x2)=0⇒x2=0,特征向量为 k(10)
- λ=2:(2I−A)x=(−10−10)(x1x2)=0⇒x1=−x2,特征向量为 k(1−1)
可对角化
线性变换的可对角化:A∈L(V) 称为可对角化,若存在 V 的一组基使 A 在该基下的矩阵为对角阵,即
A(e1,…,en)=(e1,…,en)λ1⋱λn
上式等价于 A(ei)=λiei,即该基的每个向量都是 A 的特征向量。因此:
[!abstract] 可对角化的充要条件(初步)
A 可对角化 ⟺ V 存在由 A 的特征向量构成的基 ⟺ V=Vλ1⊕⋯⊕Vλk
矩阵的可对角化:方阵 A 称为可对角化,若 A 相似于某个对角矩阵,即存在可逆矩阵 P 使得
P−1AP=diag(λ1,…,λn)
其中 P 的列即为 A 的 n 个线性无关的特征向量。这等价于 A 作为 Fn 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
设 A∈L(V),dimV=n,则以下等价:
- A 可对角化
- V 存在由 A 的特征向量构成的基
- A 有 n 个线性无关的特征向量
- V=i=1⨁kVλi,其中 λ1,…,λk 是 A 的全部互异特征值
矩阵版本:A∈Mn(F) 可对角化 ⟺ A 有 n 个线性无关的特征向量。
充分条件:若 A 有 n 个互不相同的特征值,则对应的 n 个特征向量线性无关,故 A 可对角化。
[!warning] 注意
特征值互不相同是充分不必要条件。例如 A=In 只有一个特征值 λ=1(重数 n),但仍可对角化(本身就是对角阵)。
代数重数与几何重数
设 λ0 是 A 的特征值。
代数重数:λ0 作为特征多项式 f(λ) 的根的重数,记作 ma(λ0)。
几何重数:特征子空间 Vλ0 的维数,记作 mg(λ0)=dimVλ0=dimKer(A−λ0I)。
关系:
1≤mg(λ0)≤ma(λ0)
即几何重数不超过代数重数(由 dimKer(A−λ0I)=n−rank(λ0I−A) 可得)。
[!abstract] 可对角化的重数条件
A 可对角化 ⟺ 对每个特征值 λi,几何重数等于代数重数:
mg(λi)=ma(λi)(i=1,…,k)
且满足 ∑ma(λi)=n(特征多项式在 F 上完全分解)。
零化多项式
设 A∈L(V)。若多项式 p(x)=amxm+⋯+a1x+a0 满足
p(A)=amAm+⋯+a1A+a0I=O
则称 p(x) 为 A 的零化多项式。
Cayley-Hamilton 定理:特征多项式 f(λ)=det(λI−A) 是 A 的零化多项式,即
f(A)=O
最小多项式
A 的所有非零零化多项式中,次数最低的首一多项式称为 A 的最小多项式,记作 mA(x)。
性质:
- mA(x) 整除 A 的任一零化多项式(特别地,mA(x)∣f(x))
- mA(x) 与 f(x) 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:mA(x) 为 A 的最小多项式
[!abstract] 最小多项式判据
A(或 A)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:
mA(x)=(x−λ1)(x−λ2)⋯(x−λk)
证明思路:若 A 可对角化为 diag(λ1In1,…,λkInk),则 mA(x)=∏(x−λi) 无重根。反之,若最小多项式无重根,可证 V 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
以 λ 的多项式为元素的矩阵称为 λ-矩阵,记作 A(λ)=(aij(λ))m×n,其中 aij(λ)∈F[λ]。
A(λ)=a11(λ)a21(λ)⋮am1(λ)a12(λ)a22(λ)⋮am2(λ)⋯⋯⋱⋯a1n(λ)a2n(λ)⋮amn(λ)
当 A(λ) 中有非零的 r 阶子式,而所有 r+1 阶子式均为零时,称 A(λ) 的秩为 r。
行列初等变换
λ-矩阵的初等变换:
- 行(列)互换:λ-矩阵的两行(列)对换
- 行(列)倍乘:某行(列)乘以非零常数 c∈F(c=0)
- 行(列)倍加:某行(列)加上另一行(列)的 φ(λ) 倍,φ(λ)∈F[λ]
[!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 λ 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
A(λ)(n 阶方阵)可逆 ⟺ detA(λ) 为非零常数(即属于 F∖{0})。
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 λ。
标准形
任意秩为 r 的 m×n λ-矩阵 A(λ),必可通过初等变换化为如下形式:
A(λ)初等变换d1(λ)d2(λ)⋱dr(λ)0m×n
其中每个 di(λ) 是首一多项式(最高次项系数为 1),且满足
d1(λ)∣d2(λ)∣⋯∣dr(λ)
即 di(λ) 整除 di+1(λ)。此形式称为 A(λ) 的 Smith 标准形。
行列式因子
A(λ) 的所有 k 阶子式的首一最大公因式称为 A(λ) 的第 k 个行列式因子,记作 Dk(λ)(k=1,…,r)。规定 D0(λ)=1。
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:
dk(λ)=Dk−1(λ)Dk(λ)(k=1,…,r)
不变因子的性质:
- dk(λ) 首一,且 dk(λ)∣dk+1(λ)
- Dk(λ)=d1(λ)d2(λ)⋯dk(λ)
标准形的唯一性
设 A(λ) 经初等变换化为两种标准形 diag(d1,…,dr) 和 diag(d~1,…,d~r)。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 Dk=d1⋯dk=d~1⋯d~k,故 dk=d~k,即标准形唯一。
例题
求 A(λ)=(λ01λ) 的行列式因子、不变因子和标准形。
解:
- D1(λ):一阶子式为 λ,1,0,λ,首一最大公因式为 1,故 D1=1
- D2(λ):二阶子式为 λ01λ=λ2,故 D2=λ2
不变因子:
d1=D0D1=1,d2=D1D2=λ2
标准形:
(100λ2)
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
设 A(λ)=(aij(λ))n×n,每个 aij(λ) 是多项式。对常数矩阵 A,λE−A 是特殊的 λ-矩阵。
带余除法:对任意 n 阶 λ-矩阵 A(λ) 和常数矩阵 A,存在 λ-矩阵 Q(λ) 和常数矩阵 R,使
A(λ)=(λE−A)Q(λ)+R
类似有左除形式 A(λ)=Q(λ)(λE−A)+R。
哈密顿-凯莱定理(λ-矩阵证明)
对 A∈Mn(F),f(λ)=det(λE−A) 为特征多项式。由伴随矩阵关系:
(λE−A)adj(λE−A)=det(λE−A)E=f(λ)E
将 adj(λE−A) 按 λ 的幂展开并代入 A,可得 f(A)=O。
常数矩阵相似的 λ-矩阵判据
[!abstract] 相似判据
A∼B ⟺ λE−A 与 λE−B 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:A∼B ⟺ λE−A 与 λE−B 有相同的 Smith 标准形。
友矩阵
多项式 p(λ)=λn+an−1λn−1+⋯+a1λ+a0 的友矩阵(companion matrix)为
C=010⋮0001⋮0⋯⋯⋯⋱⋯000⋮1−a0−a1−a2⋮−an−1n×n
λE−C 的不变因子为 n−1个1,…,1,p(λ)。
有理标准形(Frobenius 标准形)
设 A 的不变因子为 1,…,1,d1(λ),…,dk(λ)(不计那些为 1 的不变因子)。每个 di(λ) 对应其友矩阵 Ci,则 A 相似于分块对角阵:
A∼C1⋱Ck
称为 A 的有理标准形(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 A 唯一确定一组不变因子 di(λ),且 di(λ)∣di+1(λ);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
将 A(或 λE−A)的每个次数 ≥1 的不变因子 di(λ) 在 F 上分解为不可约因式幂的乘积:
di(λ)=p1(λ)ei1p2(λ)ei2⋯pt(λ)eit
其中每个 pj(λ)eij(eij≥1)称为 A 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 A 的初等因子组。
初等因子判据
[!abstract] 相似判据(初等因子版本)
A∼B ⟺ A 与 B 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 λE−A 的初等因子组,可反求不变因子。设 A 为 n 阶方阵:
- 将初等因子按不可约因式分组,同组内按降幂排列
- 列成 n 个竖直列,每组元素自上而下填入,不足 n 个的用 1 补齐
- 每列所有因式的乘积即为一个不变因子
例:n=5,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:
(λ−1) 组(λ−2) 组第 1 列(λ−1)3(λ−2)2第 2 列(λ−1)2λ−2第 3 列λ−11
各列乘积为不变因子:
d5(λ)d4(λ)d3(λ)d2(λ)d1(λ)=(λ−1)3(λ−2)2=(λ−1)2(λ−2)=λ−1=1=1
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
设 A 的特征值均在 F 中(即特征多项式在 F 上完全分解),则 λE−A 的初等因子全为一次因式的幂 (λ−λi)mij。
对每个初等因子 (λ−λi)m,构造 m 阶若尔当块:
Jm(λi)=λi1λi⋱⋱1λim×m
将所有若尔当块排成分块对角阵,即得 A 的若尔当标准形:
J=Jm1(λ1)⊕Jm2(λ2)⊕⋯⊕Jmk(λk)=Jm1(λ1)⋱Jmk(λk)
构造步骤:
- 求 λE−A 的初等因子组 {(λ−λi)mij}
- 每个初等因子 (λ−λi)m 对应一个 m 阶若尔当块 Jm(λi)
- 排列若尔当块(顺序可任意),得到 J
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 A 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
A 与对角矩阵相似 ⟺ λE−A 的初等因子全为一次式(即所有 (λ−λi)m 中 m=1)。
此时每个若尔当块为 1×1,若尔当标准形退化为对角阵。
注: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
设 V 是数域 F 上的线性空间。映射 ⟨⋅,⋅⟩:V×V→F 称为 V 上的内积,若满足以下三条公理(∀α,β,γ∈V,∀k∈F):
- 共轭对称性:⟨α,β⟩=⟨β,α⟩
- 对第一变元的线性性:⟨α+β,γ⟩=⟨α,γ⟩+⟨β,γ⟩,⟨kα,β⟩=k⟨α,β⟩
- 正定性:⟨α,α⟩≥0,且 ⟨α,α⟩=0⟺α=0
定义了内积的有限维线性空间称为内积空间:
- F=C 时称为酉空间(复内积空间);
- F=R 时,共轭对称性退化为对称性 ⟨α,β⟩=⟨β,α⟩,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:⟨α,β+γ⟩=⟨α,β⟩+⟨α,γ⟩,⟨α,kβ⟩=kˉ⟨α,β⟩。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(∀α,β∈V):
- ⟨0,α⟩=⟨α,0⟩=0
- ⟨α,β⟩=0(∀β)⟹α=0(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 α 的长度(范数)定义为:
∥α∥=⟨α,α⟩
长度 =1 的向量称为单位向量。∀α=0,∥α∥α 是与 α 同方向的单位向量(规范化)。
长度的基本性质:
- ∥α∥≥0,且 ∥α∥=0⟺α=0
- ∥kα∥=∣k∣∥α∥(齐次性)
标准内积
在 Cn(或 Rn)中,最常用的内积是标准内积:
⟨x,y⟩=yTx=i=1∑nxiyi
其中 yT 表示 y 的共轭转置,即先取共轭再转置。在 Rn 中退化为普通点积 yTx=∑xiyi。
此时长度即为欧几里得长度:
∥x∥=x1x1+⋯+xnxn=i=1∑n∣xi∣2
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 α,β:
∣⟨α,β⟩∣≤∥α∥∥β∥
等号成立 ⟺ α 与 β 线性相关。
证明:若 β=0 显然成立。设 β=0,取 t=−⟨β,β⟩⟨α,β⟩,由正定性:
0≤⟨α+tβ,α+tβ⟩=⟨α,α⟩+t⟨β,α⟩+tˉ⟨α,β⟩+∣t∣2⟨β,β⟩
代入 t 化简得 ⟨α,α⟩−⟨β,β⟩∣⟨α,β⟩∣2≥0,即得不等式。
[!abstract] 三角不等式
对内积空间中任意向量 α,β:
∥α+β∥≤∥α∥+∥β∥
证明:
∥α+β∥2=⟨α+β,α+β⟩=∥α∥2+⟨α,β⟩+⟨β,α⟩+∥β∥2=∥α∥2+2Re⟨α,β⟩+∥β∥2
由 Re⟨α,β⟩≤∣⟨α,β⟩∣≤∥α∥∥β∥,得 ∥α+β∥2≤(∥α∥+∥β∥)2。
垂直(正交)
若 ⟨α,β⟩=0,则称 α 与 β 垂直(正交),记作 α⊥β。
由共轭对称性,α⊥β⟺β⊥α。
勾股定理:若 α⊥β,则
∥α+β∥2=∥α∥2+∥β∥2
例:R2 中 e1=(1,0)T 与 e2=(0,1)T 正交,∥e1+e2∥2=2=1+1。
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
设 e1,…,en 是内积空间 V 的一组基。对任意 α=∑xiei,β=∑yiei:
⟨α,β⟩=⟨i=1∑nxiei,j=1∑nyjej⟩=i=1∑nj=1∑nxiyj⟨ei,ej⟩
矩阵 G=(gij)n×n,其中 gij=⟨ei,ej⟩,称为内积在基 {ei} 下的度量矩阵(Gram 矩阵)。
则内积可写为矩阵形式:
⟨α,β⟩=yTGx
其中 x=(x1,…,xn)T,y=(y1,…,yn)T。
度量矩阵的性质:
- GT=G(Hermite 矩阵);实情形 GT=G(对称矩阵)
- G 是正定矩阵(∀x=0,xTGx>0)
- 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 (e′)=(e)P,P 为过渡矩阵。在基 (e) 和 (e′) 下的度量矩阵分别为 G 和 G′,则:
G′=PTGP
推导:⟨ei′,ej′⟩=⟨∑kpkiek,∑lpljel⟩=∑k,lpkiplj⟨ek,el⟩,即 G′=PTGP。
实情形下为 G′=PTGP,此时 G 与 G′合同。
相关:基变换
标准正交基
若基向量组 e1,…,en 满足:
- 彼此正交:⟨ei,ej⟩=0(i=j)
- 均为单位向量:∥ei∥=1
则称为标准正交基(规范正交基)。等价地:
⟨ei,ej⟩=δij
其中 δij 为 Kronecker 符号。
标准正交基下的度量矩阵 G=In。此时内积化为标准形式:
⟨α,β⟩=yTx=i=1∑nxiyi
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:
xi=⟨α,ei⟩
即 α=∑⟨α,ei⟩ei(傅里叶展开)。
例:Rn 的标准基 {e1,…,en} 即为标准内积下的标准正交基。
相关:基 | 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 α1,…,αm 出发,构造一组标准正交向量 q1,…,qm,使得
span{q1,…,qk}=span{α1,…,αk}(k=1,…,m)
步骤:
- 正交化:β1=α1,βk=αk−i=1∑k−1⟨βi,βi⟩⟨αk,βi⟩βi(k≥2)
- 单位化:qi=∥βi∥βi(i=1,…,m)
例:将 R3 中向量组 α1=(1,1,0)T,α2=(1,0,1)T,α3=(0,1,1)T 标准正交化(标准内积)。
第一步:β1=α1=(1,1,0)T。
β2=α2−⟨β1,β1⟩⟨α2,β1⟩β1=101−21110=21−211
β3=α3−⟨β1,β1⟩⟨α3,β1⟩β1−⟨β2,β2⟩⟨α3,β2⟩β2=011−21110−3/21/221−211=−323232
第二步:单位化。
q1=21110,q2=3221−211,q3=23−323232
从 {αi} 到 {qi} 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 UTU=I(即 U−1=UT)的 n 阶复矩阵称为酉矩阵。实情形下 UTU=I,称为正交矩阵。
酉矩阵的列(行)向量构成 Cn 在标准内积下的标准正交基。∣detU∣=1。
QR 分解:
[!abstract] QR 分解
设 A 是列满秩的 m×n 矩阵(m≥n),则存在唯一的分解
A=QR
其中 Qm×n 的列构成标准正交向量组(QTQ=In),Rn×n 是对角元为正的上三角矩阵。
从格拉姆-施密特过程看:A=(α1,…,αn),Q=(q1,…,qn),而 R 中的元素 rij 即为正交化系数。具体地:
rii=∥βi∥>0,rij=⟨αj,qi⟩(i<j)
R 的对角元正是各步 βi 的长度。
例:A=110101 的 QR 分解(承接上例 α1,α2)。
由 q1=21110,r11=∥β1∥=2;r12=⟨α2,q1⟩=21。
β2=α2−r12q1=101−21⋅21110=21−211,r22=∥β2∥=23
Q=2121061−6162,R=(202123)
A 可逆(m=n)时,Q 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
设 W1,W2 是内积空间 V 的子空间。若 ∀w1∈W1,w2∈W2 均有 ⟨w1,w2⟩=0,则称 W1 与 W2正交,记作 W1⊥W2。
若 W1⊥W2,则 W1∩W2={0},且 W1+W2 是直和。
向量 α 与子空间 W正交(记作 α⊥W)指 α 与 W 中每个向量正交。
例:R3 中 x 轴与 y 轴正交,x 轴与 xy 平面不正交(y 轴上的向量在 xy 平面中但不与 x 轴正交)。
正交补
子空间 W⊆V 的正交补定义为:
W⊥={α∈V∣⟨α,w⟩=0,∀w∈W}
W⊥ 是 V 的子空间。对有限维内积空间:
V=W⊕W⊥
由此得 dimW⊥=dimV−dimW,且 (W⊥)⊥=W。
例:R3 中,W=span{e1,e2}(xy 平面),则 W⊥=span{e3}(z 轴)。
正投影
由 V=W⊕W⊥,任意 α∈V 可唯一分解为:
α=w+w⊥,w∈W,w⊥∈W⊥
w 称为 α 在 W 上的正投影(正交投影)。映射 PW:V→W,PW(α)=w 称为投影算子。
投影系数公式:若 {e1,…,er} 是 W 的一组标准正交基,则
PW(α)=i=1∑r⟨α,ei⟩ei
例:R3 中,W=span{(1,1,0)T,(0,0,1)T}(标准正交基),α=(2,0,3)T,则
PW(α)=⟨α,e1⟩e1+⟨α,e2⟩e2=1⋅110+3⋅001=113
距离与垂线最短原理
向量 α 到子空间 W 的距离定义为:
d(α,W)=w∈Wmin∥α−w∥
[!abstract] 垂线最短原理
设 W 是内积空间 V 的子空间,α∈V。则 α 到 W 中最近的点恰是其正投影 PW(α),即
∥α−PW(α)∥≤∥α−w∥(∀w∈W)
等号成立 ⟺ w=PW(α)。
证明:任取 w∈W,由于 α−PW(α)∈W⊥ 而 PW(α)−w∈W,两者正交。由勾股定理:
∥α−w∥2=∥(α−PW(α))+(PW(α)−w)∥2=∥α−PW(α)∥2+∥PW(α)−w∥2≥∥α−PW(α)∥2
且等号成立 ⟺∥PW(α)−w∥=0⟺w=PW(α)。
因此 d(α,W)=∥α−PW(α)∥。
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
设 V,W 是内积空间,A:V→W 是线性映射。
- A 称为保长映射(等距映射),若 ∀α∈V,∥A(α)∥=∥α∥
- A 称为保内积映射,若 ∀α,β∈V,⟨A(α),A(β)⟩=⟨α,β⟩
[!abstract] 保内积与保长的等价性
线性映射 A 保内积 ⟺ A 保长。
证明:
-
⇒:取 β=α,则 ∥A(α)∥2=⟨A(α),A(α)⟩=⟨α,α⟩=∥α∥2。
-
⇐(实情形):∥A(α+β)∥2=∥α+β∥2。展开得
∥A(α)∥2+2⟨A(α),A(β)⟩+∥A(β)∥2=∥α∥2+2⟨α,β⟩+∥β∥2
由保长性 ∥A(α)∥=∥α∥、∥A(β)∥=∥β∥,消去得 ⟨A(α),A(β)⟩=⟨α,β⟩。
复情形类似,利用 ∥α+β∥2 和 ∥α+iβ∥2 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 A(α)=0,则 ∥α∥=∥A(α)∥=0,故 α=0。
酉变换与正交变换
设 A 是内积空间 V 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,A 的矩阵为 U。则
A 是酉变换⟺UTU=I(U 是酉矩阵)
A 是正交变换⟺UTU=I(U 是正交矩阵)
推导:设标准正交基下 α,β 坐标分别为 x,y,则 A(α),A(β) 坐标分别为 Ux,Uy。保内积 ⟺⟨Ux,Uy⟩=⟨x,y⟩⟺yTUTUx=yTx 对任意 x,y 成立 ⟺UTU=I。
酉变换(正交变换)的性质
设 A 是酉变换(或正交变换),则:
-
保长保内积:∥A(α)∥=∥α∥,⟨A(α),A(β)⟩=⟨α,β⟩
-
保正交性:α⊥β⟺A(α)⊥A(β)
-
特征值的模长为 1:若 A(α)=λα,则 ∣λ∣=∥α∥∥A(α)∥=1
-
不同特征值的特征向量正交:若 λ=μ,A(α)=λα,A(β)=μβ,则 ⟨α,β⟩=0
证明:⟨α,β⟩=⟨A(α),A(β)⟩=⟨λα,μβ⟩=λμˉ⟨α,β⟩,由 λμˉ=1(因 ∣λ∣=∣μ∣=1 且 λ=μ)得 ⟨α,β⟩=0。
-
行列式模长为 1:酉矩阵 U 满足 ∣detU∣=1;正交矩阵 O 满足 detO=±1
-
酉矩阵(正交矩阵)的全体构成群:n 阶酉矩阵全体记作 U(n),正交矩阵全体记作 O(n),对乘法构成群。
-
标准正交基的像仍是标准正交基:若 {ei} 是标准正交基,则 {A(ei)} 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
n 阶复矩阵 H 称为埃尔米特矩阵(Hermite 矩阵,自伴矩阵),若
HT=H,即hji=hij
等价地:HT=H。实对称矩阵是埃尔米特矩阵的特例。
设 V 是内积空间(酉空间或欧几里得空间),线性变换 H∈L(V) 称为埃尔米特变换(自伴变换),若
⟨H(α),β⟩=⟨α,H(β)⟩(∀α,β∈V)
即在 V 上的内积中,H 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 V 的一组标准正交基,设 H 在该基下的矩阵为 H。对任意坐标 x,y,有
⟨H(α),β⟩=⟨Hx,y⟩=yTHx,⟨α,H(β)⟩=⟨x,Hy⟩=(Hy)Tx=yTHTx
故 H 是埃尔米特变换 ⟺HT=H,即其在标准正交基下的矩阵是埃尔米特矩阵。
例:C2 上标准内积下,矩阵 H=(11−i1+i2) 满足 HT=H,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
设 H 是内积空间 V 上的埃尔米特变换。
性质 1:特征值全为实数。
设 H(α)=λα,α=0。则
λ∥α∥2=⟨α,λα⟩=⟨α,H(α)⟩=⟨H(α),α⟩=⟨λα,α⟩=λˉ∥α∥2
由 ∥α∥2>0 得 λ=λˉ,故 λ∈R。
性质 2:不同特征值的特征向量正交。
设 λ=μ,H(α)=λα,H(β)=μβ。则
λ⟨α,β⟩=⟨H(α),β⟩=⟨α,H(β)⟩=μ⟨α,β⟩
(因 μ∈R,μˉ=μ。)由 λ=μ 得 ⟨α,β⟩=0。
性质 3:埃尔米特性质在酉相似下保持。
若 H 是埃尔米特矩阵,U 是酉矩阵,则 UTHU 也是埃尔米特矩阵:
(UTHU)T=UTHTU=UTHU
即若 A 酉相似于埃尔米特矩阵,则 A 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
设 H 是有限维内积空间 V 上的埃尔米特变换,则 V 中存在一组标准正交基,使 H 在该基下的矩阵为实对角矩阵:
H(e1,…,en)=(e1,…,en)λ1⋱λn,λi∈R
等价地:任意埃尔米特矩阵 H 必可酉对角化,即存在酉矩阵 U 使
UTHU=diag(λ1,…,λn),λi∈R
证明(数学归纳法):对 dimV=n 归纳。
n=1 时显然。设命题对维数 <n 成立,考虑 dimV=n 的情形。
由于特征多项式在 C 上必有根,H 至少有一个特征值 λ1(实数),对应特征向量 e1。将其规范化,使 ∥e1∥=1。
令 W=span{e1}⊥。由埃尔米特性质:对任意 w∈W,
⟨H(w),e1⟩=⟨w,H(e1)⟩=⟨w,λ1e1⟩=λ1⟨w,e1⟩=0
故 H(w)∈W,即 W 是 H 的不变子空间。H 限制在 W 上仍是埃尔米特变换,dimW=n−1。
由归纳假设,W 中存在标准正交基 e2,…,en 使 H∣W 对角化。于是 e1,e2,…,en 是 V 的标准正交基,且 H 在此基下的矩阵为对角阵 diag(λ1,…,λn)。
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 A∈Mn(C) 称为正规矩阵,若它与自身的共轭转置可交换:
ATA=AAT
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 | AT=A | =A | 实数 |
| 斜埃尔米特矩阵 | AT=−A | =−A | 纯虚数或 0 |
| 酉矩阵 | AT=A−1 | =A−1 | 模长为 1 |
斜埃尔米特矩阵(反自伴矩阵):满足 AT=−A。A 斜埃尔米特 ⟺iA 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分解和酉变换和正交变换中介绍。酉矩阵的特征值模长均为 1。
[!abstract] 正规矩阵的酉对角化
A 可酉对角化(即存在酉矩阵 U 使 UTAU 为对角阵)⟺ A 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
设 V 是数域 F 上的线性空间。映射 f:V×V→F 称为 V 上的双线性函数,若它对两个变元分别都是线性的:
f(kα1+α2,β)f(α,kβ1+β2)=kf(α1,β)+f(α2,β)=kf(α,β1)+f(α,β2)
例:Rn 上的标准内积 ⟨x,y⟩=xTy 是双线性函数。f(A,B)=tr(AB) 是 Mn(F) 上的双线性函数。
若 f(α,β)=f(β,α) 对任意 α,β 成立,则称 f 为对称双线性函数。若 f(α,β)=−f(β,α),则称 f 为反对称双线性函数。
双线性函数的度量矩阵
取 V 的一组基 e1,…,en。对 α=∑xiei,β=∑yiei,由双线性性:
f(α,β)=f(i=1∑nxiei,j=1∑nyjej)=i=1∑nj=1∑nxiyjf(ei,ej)
定义矩阵 A=(aij)n×n,其中 aij=f(ei,ej),称为 f 在该基下的度量矩阵。则
f(α,β)=xTAy
其中 x=(x1,…,xn)T,y=(y1,…,yn)T。
f 是对称双线性函数 ⟺ AT=A。f 是反对称双线性函数 ⟺ AT=−A。
不同基下的度量矩阵:设基变换 (e′)=(e)P,在新基下的度量矩阵为 A′,则
A′=PTAP
推导:f(ei′,ej′)=f(∑kpkiek,∑lpljel)=∑k,lpkipljf(ek,el)=(PTAP)ij。
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
设 f 是 V 上的对称双线性函数。称映射 Q:V→F,Q(α)=f(α,α) 为 V 上的二次型(二次齐次函数)。
取定一组基 e1,…,en,设对称双线性函数 f 的度量矩阵为 A=(aij)n×n(AT=A)。则对 α=∑xiei:
Q(α)=f(α,α)=xTAx=i=1∑nj=1∑naijxixj
其中 x=(x1,…,xn)T 是 α 的坐标。A 称为该二次型(在该基下)的矩阵,且 AT=A。
反之,给定对称矩阵 A 和坐标 x,xTAx 定义了 V 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
f(α,β)=21[Q(α+β)−Q(α)−Q(β)]
可知对称双线性函数与二次型互相唯一确定。
例:Q(x1,x2,x3)=x12+4x1x2+2x1x3+3x22+x2x3+5x32,矩阵为
A=12123211215,aij=aji,aii 为平方项系数,aij(i<j) 为交叉项系数的一半
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 Q(α)=xTAx,做非退化线性替换 x=Cy(C 可逆),坐标 x 变为新坐标 y:
Q(α)=xTAx=(Cy)TA(Cy)=yT(CTAC)y
新坐标系下的矩阵为 B=CTAC。
[!abstract] 矩阵合同
设 A,B∈Mn(F),若存在可逆矩阵 C 使得
B=CTAC
则称 A 与 B 合同(相合),记作 A≃B。
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:A≃A(取 C=I)
- 对称性:A≃B⇒B≃A(B=CTAC⇒A=(C−1)TBC−1)
- 传递性:A≃B,B≃D⇒A≃D
- 合同不改变矩阵的对称性(AT=A⇒(CTAC)T=CTAC)
- 合同的矩阵有相同的秩
[!warning] 合同与相似
合同 B=CTAC 与相似 B=P−1AP 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 CT=C−1,合同与相似一致。
相关:相似矩阵 | 基变换
标准形
二次型 Q(x)=xTAx 可通过适当的非退化线性替换化为只含平方项的形式:
Q=λ1y12+λ2y22+⋯+λryr2
其中 r=r(A)。此形式称为二次型的标准形。等价地,A 合同于对角阵 diag(λ1,…,λr,0,…,0)。
配方法
步骤:通过逐步配方消去交叉项。
情形 1:存在平方项 aii=0。以 xi 为主元,将所有含 xi 的项集中配方,消去所有含 xi 的交叉项。然后对剩余变量重复。
情形 2:所有 aii=0,但存在 aij=0(i=j)。做替换
xi=yi+yj,xj=yi−yj,xk=yk(k=i,j)
此变换产生平方项 2aij(yi2−yj2),再转入情形 1。
例:用配方法化 Q(x1,x2,x3)=x12+4x1x2+2x1x3+x22+2x2x3+3x32 为标准形。
Q=x12+4x1x2+2x1x3+x22+2x2x3+3x32=(x12+4x1x2+2x1x3)+x22+2x2x3+3x32=[x12+2x1(2x2+x3)+(2x2+x3)2]−(2x2+x3)2+x22+2x2x3+3x32=(x1+2x2+x3)2−3x22−2x2x3+2x32
对剩余 x2,x3 部分继续配方:
−3x22−2x2x3+2x32=−3(x22+32x2x3)+2x32=−3[(x2+31x3)2−91x32]+2x32=−3(x2+31x3)2+37x32
令
y1=x1+2x2+x3,y2=x2+31x3,y3=x3
得标准形 Q=y12−3y22+37y32。从替换可解出 C(x3=y3,x2=y2−31y3,x1=y1−2y2−31y3),则
C=100−210−31−311,CTAC=diag(1,−3,37)
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 1。令
zi=λiyi(i=1,…,r),zj=yj(j=r+1,…,n)
得复二次型的规范形:
Q=z12+z22+⋯+zr2
其中 r=r(A)。复二次型的规范形完全由秩 r 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 1,负系数化为 −1。对标准形 Q=λ1y12+⋯+λryr2,令
zi=⎩⎨⎧λiyi,−λiyi,yi,λi>0(i=1,…,p)λi<0(i=p+1,…,r)i>r
得实二次型的规范形:
Q=z12+⋯+zp2−zp+12−⋯−zr2
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 p 和负平方项的个数 r−p(其中 r=r(A))是唯一确定的,不依赖于替换的选取。
p 称为正惯性指数,q=r−p 称为负惯性指数,二者的差 p−q 称为符号差。
惯性定理的核心含义:虽然标准形的系数 λi 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 p 和 p′ 且 p<p′。构造子空间的方法可导出矛盾(维数公式)。具体地,设 V+=span{e1,…,ep}(第一次正项对应坐标),V−′=span{ep′+1′,…,en′}(第二次非正项坐标),计算维数可证明 V+∩V−′={0},取其中非零向量得矛盾。
例:Q(x1,x2,x3)=x12+4x1x2+2x22,配方得 Q=(x1+2x2)2−2x22=y12−2y22,正惯性指数 p=1,负惯性指数 q=1,符号差 =0。
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
设 Q(x)=xTAx 是 n 元实二次型(AT=A)。
- 正定:Q(x)>0(∀x=0)
- 负定:Q(x)<0(∀x=0)
- 半正定:Q(x)≥0(∀x),且存在 x=0 使等号成立
- 半负定:Q(x)≤0(∀x),且存在 x=0 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
设 A 为 n 阶实对称矩阵,则以下条件等价:
- A 正定(Q(x)=xTAx>0,∀x=0)
- A 的特征值全大于零
- 正惯性指数 p=n
- A 的各阶顺序主子式均大于零(Sylvester 判据)
- 存在可逆上三角矩阵 R 使 A=RTR(Cholesky 分解)
证明脉络:
(1)⟺(3):正定 ⟺ 规范形为全正号 ⟺p=n。
(1)⟺(2):存在正交矩阵 Q 使 QTAQ=diag(λ1,…,λn)。令 y=QTx,则 xTAx=∑λiyi2>0(∀y=0)⟺λi>0。
(1)⟺(4):Sylvester 判据。记 Ak 为 A 的前 k 阶顺序主子矩阵。
- ⇒:A 正定 ⇒ Ak 作为 A 在 span{e1,…,ek} 上的限制也是正定的,故 detAk>0。
- ⇐:对 n 归纳。detA1=a11>0,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。
(1)⟺(5):由配方法知 A=CTDC,其中 D 对角元为正。令 R=DC(D 为对角元取平方根的对角阵),则 A=RTR,且 C 是上三角(配方过程中每次只消下方变量),故 R 也是上三角。此即 Cholesky 分解。
用 QR 分解的简洁证明:因 A 正定,由谱定理存在正交矩阵 U 使
A=UTdiag(λ1,…,λn)U,λi>0
令 Λ=diag(λ1,…,λn),则 A=(ΛU)T(ΛU)=BTB(B=ΛU)。
对 B 做 QR 分解:B=QR,其中 Q 正交、R 上三角且对角元为正。于是
A=BTB=(QR)T(QR)=RT(QTQ)R=RTR
R 即为所求的上三角矩阵。
顺序主子式判据示例
判断 A=2−10−12−10−12 是否正定。
各阶顺序主子式:
Δ1=2>0,Δ2=2−1−12=3>0,Δ3=2−10−12−10−12=4>0
所有顺序主子式 >0,故 A 正定。
在求极值中的应用
多元函数 F(x1,…,xn) 在驻点处的 Hessian 矩阵 HF 是实对称矩阵。若 HF 正定,则驻点为极小值点;若 HF 负定,则为极大值点;若不定,则为鞍点。
例:f(x,y)=x2+xy+y2,梯度零点在 (0,0),Hessian
Hf=(2112),Δ1=2>0,Δ2=3>0
Hf 正定,故 (0,0) 为极小值点。
相关:惯性定理 | 标准形 | 特征值与特征向量