高等代数 2- 期末复习
第五章 线性空间
求向量在不同基下的坐标表示
2.在R4 中,求向量 ξ 在基 α1,α2,α3,α4 下的坐标,其中
α1=(1,1,0,1),α2=(2,1,3,1),α3=(1,1,0,0),α4=(0,1,−1,−1),ξ=(1,2,3,4).
解:对矩阵 A=(α1T,α2T,α3T,α4T∣ξT) 做初等行变换:
4=11012131110001−1−11234→10002−13−1100−101−1−11133→10002−100100−1012−21162→100001000010000152−83
故 ξ 在基 α1,α2,α3,α4 下的坐标为 (5,2,-8,3).
求子空间的补空间
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线性变换
dim(Im(A))=R(A),dim(ImA)+dim(KerA)=dim(V1)
A可逆↔KerA=0↔dim(ImA)=R(A)=dim(V1)↔AX=0只有零解
- Hom(V1,V2):从 V1 到 V2 的全体线性映射所成集
- End(V):V 上全体线性变换所成集。 End(V)=Hom(V,V)
A的特征多项式:f(λ)=∣λI−A∣
a是A−1的特征值λ−1的特征向量
a是A∗的特征值∣A∣λ−1的特征向量
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设数域 F 上 n 阶方阵 A 与 B 在 F 中相似,则
(1)A 与 B 相抵且同秩;
(2)A 与 B 特征多项式相同,特征值相同,且每一个特征值的代数重数也相同
(3)A 与 B 的行列式与迹也相同.
(4)A 与 B 每个特征值的几何重数相同.
A可相似对角化,↔A在Fn中有n个线性无关的特征向量
(2) 设 A ∈End(V),dimV=n,则:
A 在某组基下的矩阵为对角阵 ⇔A 在 V 中有 n 个线性无关的特征向量
定理7.(1)(2)(3)(4)A∈Fn×n 的特征多项式为(λ−λ1)k1⋯(λ−λs)ks,λ1,⋯,λs∈Fλ1,⋯,λs∈F 互异,则如下条件等价:A可对角化;每个特征值的代数重数=几何重数;对每一个 ki>1 重特征值 λi, ki=dimVλi;对每一个 ki>1 重特征值 λi,ki=n−R(λiI−A).
求解变换的核空间和像空间
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矩阵和线性变换的特征值和特征向量
矩阵一般默认的基为单位基,而线性变换则不是,所以需要带上原始的基作为记号
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复合矩阵的特征多项式计算
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判断是否能相似对角化
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Jordan 标准形
定理1. 设 A∈Cn×n 的幂零指数为 m,则(1)A 的特征值均为0,A 的最小多项式为 λm;(2)A的特征多项式为∣λI−A∣=λn,特别地,幂零指数 m≤n
初等变换不改变 λ− 矩阵的各阶行列式因子.可将矩阵先化为相抵标准形 再计算其各阶行列式因子。
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求可逆矩阵使其变为 Jordan 标准形
欧式空间
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QR 分解
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正交化:原向量:a1,a2,a3,….,正交向量:β1,β2,β3,…。正交化; βi 等于 ai 减去其在 β1,β2,…βi−1 上的投影向量。
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欧式空间
正交变换:保持内积的线性变换
- 若 det(A)=1,则称 A 为第一类正交变换
- 若 det(A)=−1,则称 A 为第二类正交变换
- 正交变换在标准正交基下的行列式与基的选取无关
正交矩阵:实方阵 A 满足 AAT=ATA=I (等价于 ATA=I).
设 A,B∈Rn×n 是正交矩阵,则
(1)∣A∣=±1,特别地 A 可逆;
(2) AB,AT=A−1,A∗ 正交;
正交投影:
V1是V的子空间⇒V=V1⊕V1⊥⇒任一α∈V可以惟一地分解为:α=α1+α1⊥,其中α1∈V1,α1⊥∈V1⊥,α1称为α 在V1 上的正交投影,或内射影.
实对称矩阵:
(1) A 的特征值都是实数.
(2) 互异特征值的特征向量必然彼此正交.
(3) 存在 n 阶正交矩阵 C 使得 C−1AC=CTAC 为对角阵.
对称变换:满足 (Aα,β)=(α,Aβ),∀α,β∈Rn
反对称变换:(Aα,β)=−(α,Aβ),∀α,β∈Rn
对称变换对应一种对称矩阵
实对称矩阵不同特征值的特征向量彼此正交
正交对角化步骤:
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求正交矩阵使其完成向量的变换
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α+β 得到两个向量夹角中间的向量 γ1,然后再 α−β 得到与 γ1 垂直的向量 γ2,最后做一个翻转变换得到 α 关于 γ1 的对称变换 A,将 α 变换到 β。
设 W,V1,V2,⋅⋅⋅,Vs 都是 V 的子空间,则
(1)V1⊥V2⇒V1+V2 是直和
(2)W⊥Vi⇒W⊥∑i=1sVi.
(3)V1,V2,...,Vs 两两正交 ⇒V1+V2+⋯+Vs 是直和
设 V1 是 V 的 r 维子空间,令
V1⊥:={α∈V∣α⊥V1}={α∈V∣(α,α1)=0,∀α1∈V1}
则 V1⊥ 是 V 的子空间.
V1⊥V1⊥⇒V1+V1⊥ 是直和 ⇒dim(V1⊥)=dim(V1+V1⊥)−dimV1⊥≤n−r
求正交补空间的一组标准向量基
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先扩充,将里面的向量都变成标准向量基,然后将另外的两个单位化
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求正交投影
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实对称矩阵的正交对角化
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二次型
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相似:存在可逆矩阵 P 使得 B=P−1AP
A,B 具有相同的特征多项式,从而特征值也相同
∣A∣=∣B∣,r(A)=r(B),tr(A)=tr(B)
合同:存在可逆矩阵 C 使得 B=C⊤AC
两同阶矩阵相似,则两矩阵必合同
若矩阵 A,B 合同,则 Rank(A)=Rank(B),两者具有相同的正、负特征值个数。
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标准形:只含平方项
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矩阵变换求合同矩阵
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复二次型的规范形:形如 z12+z,2+⋯+zr2 的二次型。
正交替换化实二次型为标准形
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正定矩阵判定:
(1)A 正定;
(2)f(X) 正定;
(3)f(X) 标准形中平方项系数均为正;
(4)f(X) 的正惯性指数为 n;
(5)A 与单位阵合同;
(6) 存在可逆矩阵 C 使得 A=CTC;
(7)A 的特征值均大于 0;
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度量矩阵正定
正定矩阵恰为欧氏空间在某组基下的度量矩阵.
负定二次型的判断
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非退化线性函数:
设 f 是 V 上的双线性函数, 则如下条件彼此等价:
(1) f 非退化;
(2) f 在某组基下的度量矩阵可逆;
(3) f 在任一组基下的度量矩阵可逆;
(4) f 诱导出的右线性映射是线性同构;
正交线性替换化标准形
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