东南大学《线性代数》《几何与代数》复习要点 ppt.ppt

线性代数几何与代数复习要点,张小向东南大学数学系E-mail:版本号: 2007.8,一. 行列式,二. 矩阵,三. 向量,四. 线性方程组,六. 二次型,七. 综合与提高,五. (小结)初等变换在线性代数中的地位,内容提要,一. 行列式,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,行 列 式,定义,性质,计算,方程组,秩,秩,极大无关组,线性相关性,特征多项式,伴随矩阵,逆矩阵,面积/体积,叉积/混合积,一. 行列式,行 列 式 的 定 义,低 阶,一 般,一阶,递推 公式,排列 组合,a11A11+a12A12+a1nA1n,a11A11+a21A21+an1An1,二阶,三阶,线性代数几何与代数复习要点,二阶行列式,一. 行列式,a11(1)1+1a22 + a12 (1)1+2a21,线性代数几何与代数复习要点,三阶行列式,一. 行列式,= a11 a22 a33 + a12 a23 a31 + a13 a21 a32 a11 a23 a32 a12 a21 a33 a13 a22 a31,= a11A11 + a12A12 + a13A13,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,a11的余子式:,M11 =,代数余子式:,A11 = (1)1+1M11,a12的余子式:,M12 =,代数余子式:,A12 = (1)1+2M12,a13的余子式:,M13 =,代数余子式:,A13 = (1)1+3M13,线性代数几何与代数复习要点,行列式的性质,一. 行列式,性质1. 互换行列式中的两列, 行列式变号.,推论. 若行列式 D 中有两列完全相同, 则 D = 0.,性质2. (线性性质) (1) det(1, , kj, , n) = kdet(1, , j, , n); (2) det(1, , j+j, , n) = det(1, , j, , n) + det(1, , j, , n).,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,推论. 若行列式 D 中有两列元素成比例, 则 D = 0.,性质3. 把行列式的某一列的k倍加到另一列 上去, 行列式的值不变.,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,例1.,= 14.,注: 本题也可以用定义或对角线法则计算.,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,例2. 设D =,证明: D = D1D2.,证明: 对D1施行ci+kcj 这类运算, 把D1化为下三 角形行列式:,= p11 pmm ,a11 a1m 0 0,am1 amm 0 0,c11 c1m b11 b1n,cn1 cnm bn1 bnn,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,对D2施行ci+kcj 这类运算, 把D2化为下三角形行列式:,于是对D的前m列施行上述ci+kcj 运算, 再对D的后n列 施行上述施行ci+kcj 运算, 可得:,= p11 pmm q11 qnn =D1D2.,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,性质4. 设A, B为同阶方阵, 则|AB| = |A|B|.,性质5. 设A方阵, 则|AT| = |A| .,注: 根据方阵的性质5, 前面几条关于列的性 质可以翻译到行的情形. 例如:,性质1. 互换行列式中的两行, 行列式变号.,线性代数几何与代数复习要点,定理1. n阶行列式D等于它的任意一行 (列) 的各元素与其对应的代数余子式乘积 之和. 即,D = a11A11 + a12A12 + + a1nA1n = a21A21 + a22A22 + + a2nA2n = = an1An1 + an2An2 + + annAnn = a11A11 + a21A21 + + an1An1 = a12A12 + a22A22 + + an2An2 = = a1nA1n + a2nA2n + + annAnn .,一. 行列式,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,性质6. n阶行列式的某一行(列)元素与另一 行(列)的对应的代数余子式乘积之和 为零. 即 ai1Aj1 + ai2Aj2 + + ainAjn = 0 (i j) a1iA1j + a2iA2j + + aniAnj = 0 (i j).,定理2.设n阶行列式D = |aij|, 则,注: 克罗内克(Kronecker)记号,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,行列式的计算,1. 二, 三阶行列式对角线法则.,2. 利用初等变换化为三角形.,(其中n 2,x a).,例3. 计算n阶行列式,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,解:,= x+(n1)a(xa)n1.,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,3. 按某一行(列)展开降阶.,4. 递推/归纳.,(未写出的元素都是0).,例4. 计算2n阶行列式,行列式的计算,1. 二, 三阶行列式对角线法则.,2. 利用初等变换化为三角形.,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,解: D2n=,= a,+(1)2n+1b,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,= ad D2(n1) bc D2(n1)= (ad bc) D2(n1) = (ad bc)2D2(n2) = (ad bc)3D2(n3) = = (ad bc)n1 D2= (ad bc)n.,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,例5. 证明n阶级(n2)范德蒙(Vandermonde)行列式,证明:当n =2时, D2 = (a2 a1). 现设等式对于(n1)阶范德蒙行列式成立, 则,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,Dn =,1 1 1a1 a2 ana12 a22 an2 a1n-1 a2n-1 an n-1, ( a1), ( a1), ( a1),线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,= (a2a1)(a3a1)(ana1),线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,5. 升阶.,(其中a1a2an 0).,例6. 计算n阶行列式,3. 按某一行(列)展开降阶.,4. 递推/归纳.,行列式的计算,1. 二, 三阶行列式对角线法则.,2. 利用初等变换化为三角形.,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,解: Dn=,1+a1 1 1 1 1+a2 1 1 1 1+an,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,I lveit!,线性代数几何与代数复习要点,一. 行列式,=,1 1 1 11 a1 0 0 1 0 a2 0 1 0 0 an,注意已知条件: a1a2an 0,否则不能1/a1, , 1/an!,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,二. 矩阵,矩 阵,运算,分块运算,初等变换,线性 方程组,向量 空间,向量组,二次型,特征值,特征向量,相似,秩,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的运算,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,行矩阵,列 矩 阵,零矩阵,初等 矩阵,对称 矩阵,对角 矩阵,单位矩阵,反对称 矩阵,正交 矩阵,正定 矩阵,可逆 矩阵,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,行矩阵A1n: 只有一行, 又名行向量.,列矩阵An1: 只有一列, 又名列向量.,零矩阵: 每个元素都是0, 常记为Omn或O.,初等矩阵: 由单位矩阵经过一次初等变换所得.,方阵: 行数=列数.,对称矩阵: AT = A.,对角矩阵: diag1, 2, , n, 常用表示.,数量矩阵: kE, kI, 其中k为常数.,单位矩阵: 主对角线元素都是1, 其余元素都是0, 常记为E或I.,反对称矩阵: AT = A.,正交矩阵: QTQ = QQT = E.,正定矩阵: AT = A且x 有xTAx 0.,可逆矩阵: AB = BA = E.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩 阵 的 乘 积,向量组之间的线性表示(系数矩阵),线性变换的合成(z = By = BAx),二次型的矩阵表达式( f(x) = xTAx),不满足消去律,结合律的妙用,不满足交换律,线性方程组的矩阵表达式(Ax = b),两组基之间的联系(过渡矩阵),有非平凡的零因子,(T)k,(P1AP)k,向量的内积( , = T ),线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,例. 某厂家向三个代理商发送四种产品.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,值得注意的现象:,(1) AB和BA未必相等.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,值得注意的现象:,(1) AB和BA未必相等.,(2) (AB)2和A2B2未必相等.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,值得注意的现象:,(1) AB和BA未必相等.,(2) (AB)2和B2A2未必相等.,(3) (A + B)2和A2 + 2AB + B2未必相等, (A + B)(A B)和A2 B2未必相等.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,值得注意的现象:,(1) AB和BA未必相等.,(4) “AB = O”推不出“A = O或B = O”.,(2) (AB)2和B2A2未必相等.,(3) (A + B)2和A2 + 2AB + B2未必相等, (A + B)(A B)和A2 B2未必相等.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,值得注意的现象:,(1) AB和BA未必相等.,(4) “AB = O”推不出“A = O或B = O”.,(5) “AB = AC且A O”推不出“B = C”.,(2) (AB)2和B2A2未必相等.,(3) (A + B)2和A2 + 2AB + B2未必相等, (A + B)(A B)和A2 B2未必相等.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,逆矩阵,存在方阵B使AB=I,存在方阵B使BA=I,|A| 0,Ax = 只有零解,Ax = b 有唯一解,秩(A) = n,A的行(列)向量组 线性无关,A与 I相抵(等价),A为有限多个初等 矩阵的乘积,A的特征值全非零,利用伴随矩阵,利用初等变换,(A1)1 = A,唯一性,(A1)m = (Am)1,(AT)1 = (A1)T,(kA)1 = k1A1,(AB)1 = B1A1,|A1| = |A|1,若A可逆, 则秩(AB) = 秩(B) 秩(CA) = 秩(C),是A的特征值 1是A1的特征值,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,例7. 求下列方阵的逆矩阵.,解: (1),(2) |B| = 2 0,B21 =6,B31 = 4, B12 = 3, B22 = 6, B32 = 5,B13 = 2, B23 = 2, B33 = 2.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,设A可逆, 则A可以经过有限次初等行变换化为 行最简形单位矩阵E.,A E,(A E) (E ?),? = A1 ,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,例8. 设 A =, 求A1.,1 2 3 2 2 13 4 3,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,设A可逆, 则A可以经过有限次初等行变换化为 行最简形单位矩阵E.,下面用初等变换解矩阵方程AX = B.注意到X = A1B.,(A B) (E ?),? = A1B = X ,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,加法,逆矩阵,乘法,数乘,转置,行列式,用初等行变换求A1 (A, E)(E, A1)解AX = B (A, B)(E, A1B),Ax = b的增广矩阵 (A, b),向量组矩阵,矩阵的相似标准形 (Jordan标准形),分块矩阵,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的分块运算,注: 分块之前A与B是同类型的, 分块之后, 与Aij对应的Bij是 同类型的(否则加不起来).,加法,逆矩阵,乘法,数乘,转置,行列式,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的分块运算,加法,逆矩阵,乘法,数乘,转置,行列式,k 为一个数,Easy!,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的分块运算,注: 分块之前A的列数等于B的 行数; 分块之后, 各Aik的列 数分别等于对应的Bkj的行 数(否则乘不起来).,乘法,逆矩阵,转置,行列式,加法,数乘,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,求AB.,解:,于是AB =,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的分块运算,转置,加法,数乘,逆矩阵,行列式,乘法,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的分块运算,行列式,其中A, B都是方阵.,也未必成立, 例如,但即使A, B, C, D都是方阵,= 1.,= |A1|At|.,加法,数乘,乘法,逆矩阵,转置,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的分块运算,逆矩阵,若A1, , At都是可逆方阵,(不必是同阶的), 则,加法,数乘,乘法,转置,行列式,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,与初等矩阵 的联系,解矩阵方程,求逆矩阵,可逆性,解线性方程组,求L(1, , s)的基和维数,求矩阵的秩,保矩阵的秩,求合同标准形,求极大无关组,矩阵的初等变换,求向量组的秩,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的初等变换,1/2,1/2,增广矩阵的 初等变换,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,矩阵的秩,最高阶非零子式的阶数,行向量组的秩,列向量组的秩,r(A) = r(AT),A与B等价r(A) = r(B),P与Q可逆r(A)=r(PAQ),maxr(A), r(B) r(A, B) r(A)+r(B),A与B相似r(A) = r(B),A与B合同r(A) = r(B),r(A+B) r(A) + r(B),r(AB) minr(A), r(B),行空间的维数,列空间的维数,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,并找出A的一个最高阶非零子式.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,可见秩(A) = 3.B的第1, 2, 4列(是由A的第1, 2, 4列变来的)中有一个3阶非零子式.,因而A的第1, 2, 4列中必然有一个3阶非零子式.,不难找到,这个子式就是A的一个最高阶非零子式.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,特 征 值 和 特 征 向 量,|EA| = |E(P1AP)|,i = tr(A), i = |A|,A可逆A的特征值 全不为零, 此时A = A1 =1,|EA| = |EAT|,A = f(A) =f(),对应于不同特征值的 特征向量线性无关,AT=AR且对应于不同特征值的特征向量正交,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,A = ,(EA) = 0,|EA| = 0,特征方程,特征多项式,EA,特征矩阵,特征值,特征向量,n阶方阵,非零向量,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,例11. 求A =,的特征值和特征向量.,解:,所以A的特征值为1=2, 2=4.,解之得,A的对应于1=2的特征向量为,对于1=2, (2EA)x = 0 即,3 11 3,= (2)(4).,(0 k R).,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,例11. 求A =,的特征值和特征向量.,解:,所以A的特征值为1=2, 2=4.,解之得,A的对应于2=4的特征向量为,对于2=4, (4EA)x = 0 即,3 11 3,= (2)(4).,(0 k R).,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,解: |EA| = (2)(1)2. 所以A的特征值为1=2, 2= 3= 1. 对于1=2, 求得(2EA)x = 0 的基础解系: p1=(0,0,1)T. 对应于1=2的特征向量为kp1 (0kR). 对于2=3=1, 求得(EA)x = 0 的基础解系: p2=(1, 2,1)T. 对应于2=3 =1的特征向量为kp2 (0kR).,例12. 求,的特征值和特征向量.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,解: |EA| = (+1)( 2)2. 所以A的特征值为1= 1, 2= 3= 2. (EA)x = 0的基础解系: p1=(1,0,1)T. 对应于1= 1的特征向量为kp1 (0kR). (2EA)x = 0的基础解系: p2=(0, 1, 1)T, p3=(1, 0, 4)T. 对应于2=3 =2的特征向量为k2p2 +k3p3 (k2, k3不同时为零).,例13. 求,的特征值和特征向量.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,相 似 矩 阵,反身性,对称性,传递性,AB AB(相抵/等价),AB |A| = |B|,AB r(A) = r(B),AB 多项式 f(A) f(B),AB|EA|=|EB|,AB tr(A) = tr(B),线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,求|IA| = 0的根,A可以相似对角化,秩(iIA) = nni?,A不能相似对角化,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,例14. 把,正交相似对角化.,解: |IA| = (2)(4)2. 所以A的特征值为1= 2, 2= 3= 4. (2IA)x = 的基础解系1= (0,1, 1)T. (4IA)x = 的基础解系2=(1, 0, 0)T, 3=(0, 1, 1)T. 由于1, 2, 3已经是正交的了, 将它们单位化即 可得,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,注: 对于2=3=4, 若取(4IA)x = 的基础解系 2=(1, 1, 1)T, 3=(1, 1, 1)T, 则需要将它们正交化. 取1= 2,再单位化, 即得,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,例15. 设3阶实对称矩阵A的特征多项式为,(1)2(10), 且3 = 1, 2, 2T是对应于 =10的特征向量. (1)证明: 是对应于= 1的特征向量 与3正交; (2)求A.,证明(1) () 因为A是实对称矩阵, 和3是对应于A,() 因=1是A的二重特征值, 故A有两个 线性无关的特征向量1, 2对应于=1.,由于1, 2, 3线性无关, 而, 1, 2, 3 线性相关, 可设 =k11+k22+k33,故 =k11+k22是对应于=1的特征向量.,由3, = 3, 1 = 3, 2 = 0得k3=0,的不同特征值的特征向量, 所以3.,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,解(2): 由(1)可知对应于=1两个线性无关的,将正交向量组1, 2, 3单位化得正交矩阵,例15. 设3阶实对称矩阵A的特征多项式为,(1)2(10), 且3 = 1, 2, 2T是对应于 =10的特征向量. (1)证明: 是对应于= 1的特征向量 与3正交; (2)求A.,特征向量可取为x1+2x22x3=0的基础解系:,1=2, 1, 2T, 2 =2, 2, 1T,线性代数几何与代数复习要点,二. 矩阵,Q =,由此可得A = QQT,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,三. 向量,线性 运算,度量,内积,线性 映射,向量,向量组,矩阵,线性方程组,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,n维向量的概念,n 维向量,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,列向量组: 1, 2, , s,矩阵A = (1, 2, , s),矩阵A的秩,向量组1, 2, , s的秩,r(1, 2, , s),线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,行向量组: 1, 2, , s,矩阵A的秩,向量组1, 2, , s的秩,r(1, 2, , s),线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,r(1, 2, , s) s,r(1, 2, , s) t, 则向量组I是线性相关的.,(10) 若1, , s线性无关, 且可由1, , t线性表示, 则s t.,(11) 若向量组1, , s和1, , t都线性无关, 并且这两个,向量组等价, 则s = t.,(12) 设I0: 1, , r是向量组I: 1, , s的一个极大无关组,一些常用的结论,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,这两个向量组的秩都是2, 但它们不等价. 事实上, I中的,不能由II线性表示. ),例如:,一些常用的结论,(13) 若向量组I: 1, , s可由向量组II: 1, , t线性表示,则秩(I)秩(II);,若这两个向量组等价, 则秩(I) = 秩(II).,(注: 一般情况下, 两个向量组的秩相等时, 它们未必等价!,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,例16.设A =,3 2 0 5 03 2 3 6 12 0 1 5 31 6 4 1 4, 求A的列向量,组的一个极大无关组.,可见A的第1, 2, 4列构成A的列向量组的一个极大无关组.,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,例17. 设1 = 1 + 22, 2 = 2 + 23, 3 = 3 + 21.,证明: 1, 2, 3线性无关1, 2, 3线性无关.,证明: 由条件可知1, 2, 3能由1, 2, 3线性表示,所以1, 2, 3线性无关 r(1, 2, 3) = 3 r(1, 2, 3) = 3 1, 2, 3线性无关.,即1, 2, 3能由1, 2, 3线性表示.,因而1, 2, 3与1, 2, 3等价.,从而r(1, 2, 3) = r(1, 2, 3).,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,例18. 证明: n个n维列向量1, 2, , n线性无 关的充分必要条件是: 任何一个n维列向 量都能由1, 2, , n线性表示.,证明: (充分性) 任何一个n维列向量 都能由 1, 2, , n线性表示,都能由1, 2, , n线性表示,n = r(1, , n) r(1, , n) n ,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,证明: (必要性) 对于任意的n维列向量,因而都能由1, 2, , n线性表示.,例18. 证明: n个n维列向量1, 2, , n线性无 关的充分必要条件是: 任何一个n维列向 量都能由1, 2, , n线性表示.,所以1, 2, , n, 线性相关.,由于n+1个n维列向量总是线性相关的,又因为1, 2, , n线性无关,线性代数几何与代数复习要点,三. 向量,求L(A1, A2, A3, A4)的一组基和维数.,1 0 1,2 1 0,1 1 1,1 1 1,解:,可见dim L(A1, A2, A3, A4) = 2, A1, A2是L(A1, A2, A3, A4)的一组基.,注: 此外A1, A3也是L(A1, A2, A3, A4)的一组基. 还有A1, A4.,线性代数几何与代数复习要点,四. 线性方程组,四. 线性方程组,基本概念,基本理论,应用,线性代数几何与代数复习要点,四. 线性方程组,定理1. 设ARmn. 若mn(方程的个数小于未知量的,个数), 则齐次线性方程组Ax =有非零解, 且 其通解中至少含nm个自由未知量.,性质1. 若, 都是Ax =的解向量, 则 +也是Ax = 的解向量.,性质2. 若是Ax = 的解向量, kR , 则k也是Ax = 的解向量.,定理2. 设ARmn, 秩(A) = r.,(1) 若r = n, 则Ax = 没有基础解系; (2) 若r n, 则Ax = 确有基础解系, 且任一基础解系中均含有nr个解向量.,线性代数几何与代数复习要点,四. 线性方程组,解齐次线性方程组Amn x = 的一般步骤,性质3. 与基础解系等价的线性无关向量组也是基础 解系.,性质4. 若ARmn, 秩(A) = r, 则Ax = 的任意nr个 线性无关的解向量都是Ax = 的基础解系.,A,行阶梯形,秩(A) n?,行最简形,线性代数几何与代数复习要点,四. 线性方程组,定理3. 设ARmn, bRm, 则,(1) Ax=b有解秩(A, b) = 秩(A); (2) 当秩(A, b)=秩(A)=n时, Ax=b有唯一解; (3) 当秩(A, b)=秩(A) 1.,例28. AT = A, BT = B. 证明:,不是正定的, 因为,线性代数几何与代数复习要点,七. 综合与提高,七. 综合与提高,线性空间与线性变换,方阵的Jordan标准形,广义逆矩阵与最小二乘法,矩阵的几种分解法,线性代数几何与代数复习要点,七. 综合与提高,物理背景: 力, 位移, ,线性代数几何与代