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2014汤家凤线性代数辅导讲义.doc

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2014汤家凤线性代数辅导讲义.doc
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文都教育2014年考研数学春季基础班线性代数辅导讲义 主讲:汤家凤第一讲 行列式一、基本概念定义1 逆序—设是一对不等的正整数,若,则称为一对逆序。定义2 逆序数—设是的一个排列,该排列所含逆序总数称为该排列的逆序数,记为,逆序数为奇数的排列称为奇排列,逆序数为偶数的排列称为偶排列。定义3 行列式—称称为阶行列式,规定 。定义4 余子式与代数余子式—把行列式中元素所在的行元素和列元素去掉,剩下的行和列元素按照元素原来的排列次序构成的阶行列式,称为元素的余子式,记为,称为元素的代数余子式。二、几个特殊的高阶行列式1、对角行列式—形如称为对角行列式,。2、上(下)三角行列式—称及为上(下)三角行列式,,。3、,,。4、范得蒙行列式—形如称为阶范得蒙行列式,且。【注解】的充分必要条件是两两不等。三、行列式的计算性质(一)把行列式转化为特殊行列式的性质1、行列式与其转置行列式相等,即。2、对调两行(或列)行列式改变符号。3、行列式某行(或列)有公因子可以提取到行列式的外面。推论1行列式某行(或列)元素全为零,则该行列式为零。推论2行列式某两行(或列)相同,行列式为零。推论3行列式某两行(或列)元素对应成比例,行列式为零。4、行列式的某行(或列)的每个元素皆为两数之和时,行列式可分解为两个行列式,即。5、行列式的某行(或列)的倍数加到另一行(或列),行列式不变,即,其中为任意常数。【例题1】设为4维列向量,且,,求。【例题2】用行列式性质1~5计算。【例题3】计算行列式。【例题4】计算,其中。(二)行列式降阶的性质6、行列式等于行列式某行(或列)元素与其对应的代数余子式之积的和,即,。7、行列式的某行(或列)元素与另一行(或列)元素的代数余子式之积的和为零。【例题1】用行列式按行或列展开的性质计算。【例题2】设,求(1);(2)。四、行列式的应用—克莱姆法则对方程组 () 及 ()其中称为非齐方程组,称为对应的齐次方程组或的导出方程组。令,其中称为系数行列式,我们有定理1 只有零解的充分必要条件是;有非零解(或者有无穷多个解)的充分必要条件是。定理2 有唯一解的充分必要条件是,且;当时,要么无解,要么有无穷多个解。第二讲 矩阵一 、基本概念及其运算(一)基本概念1、矩阵—形如称为行列的矩阵,记为,行数与列数相等的矩阵称为方阵,元素全为零的矩阵称为零矩阵。(1)若矩阵中所有元素都为零,该矩阵称为零矩阵,记为。(2)对,若,称为阶方阵。(3)称为单位矩阵。(4)对称矩阵—设,若,称为对称矩阵。(5)转置矩阵—设,记,称为矩阵的转置矩阵。2、同型矩阵及矩阵相等—若两个矩阵行数与列数相同,称两个矩阵为同型矩阵,若两个矩阵为同型矩阵,且对应元素相同,称两个矩阵相等。3、伴随矩阵—设为矩阵,将矩阵中的第行和列去掉,余下的元素按照原来的元素排列次序构成的阶行列式,称为元素的余子式,记为,同时称为元素的代数余子式,这样矩阵中的每一个元素都有自己的代数余子式,记,称为矩阵的伴随矩阵。(二)矩阵的三则运算1、矩阵加减法—设,,则。2、数与矩阵的乘法—设,则。3、矩阵与矩阵的乘法:设,,则,其中()。【注解】(1)推不出。(2)。(3)矩阵多项式可进行因式分解的充分必要条件是矩阵乘法可交换。若,则,再如。(4)方程组的三种形式形式一:基本形式()与()()()分别称为齐次与非齐线性方程组。记则方程组()、()可改写为形式二:方程组的矩阵形式 , () , ()令,则有形式三:方程组的向量形式 () ()二、矩阵的两大核心问题—矩阵的逆矩阵与矩阵的秩【背景】初中数学问题:对一元一次方程,其解有如下几种情况(1)当时,两边乘以得。(2)当时,方程的解为一切实数。(3)当时,方程无解。矩阵形式的线性方程组解的联想:对线性方程组,其解有如下几种情况(1)设为阶矩阵,对方程组,存在阶矩阵,使得,则。(此种情况产生矩阵的逆阵理论)(2)设为阶矩阵,对方程组,不存在阶矩阵,使得,方程组是否有解?(3)设是矩阵,且,方程组是否有解?(后两种情况取决于方程组的未知数个数与方程组约束条件的个数即矩阵的秩)(一)逆矩阵1、逆矩阵的定义—设为阶矩阵,若存在,使得,称可逆,称为的逆矩阵,记为。【例题1】设为阶矩阵,且,求。【例题2】设为阶矩阵,且,求。2、关于逆矩阵的两个问题【问题1】 设为阶矩阵,何时可逆?【问题2】 若可逆,如何求?3、逆阵存在的充分必要条件定理 设为阶矩阵,则矩阵可逆的充分必要条件是。4、逆阵的求法(1)方法一:伴随矩阵法 。(2)初等变换法 。5、初等变换法求逆阵的思想体系第一步,方程组的三种同解变形(1)对调两个方程;(2)某个方程两边同乘以非零常数;(3)某个方程的倍数加到另一个方程,以上三种变形称为方程组的三种同解变形。第二步,矩阵的三种初等行变换(1)对调矩阵的两行;(2)矩阵的某行乘以非零常数倍;(3)矩阵某行的倍数加到另一行,以上三种变换称为矩阵的三种初等行变换。若对矩阵的列进行以上三种变换,称为矩阵的初等列变换,矩阵的初等行变换和初等列变换统称为矩阵的初等变换。第三步,三个初等矩阵及性质(1)—将的第行与第行或者单位矩阵的第列与第列对调所得到的矩阵,如。性质: 1);1);3)即为矩阵的第行与第行对调,即为矩阵的第列与第列对调,即是对进行第一种初等行变换,是对进行第一种初等列变换。(2)—将的第行乘以非零常数或的第列乘以非零常数所得到的矩阵,如。性质:1);2);3)即为矩阵的第行非零常数,即为矩阵的第列非零常数,即为对进行第二种初等行变换,为对进行第二种初等列变换。(3)—将第行的倍加到第行或的第列的倍加到第列所得到的矩阵。性质:1)即第行的倍加到第行,即第列的倍加到第列;2);3)。第四步,三个问题【问题1】 设是阶可逆矩阵,可都经过有限次初等行变换化为?【问题2】 设是阶不可逆矩阵,是否可以经过有限次初等行变换化为?【问题3】设是阶不可逆矩阵,是否可以经过有限次初等变换化为?第五步,初等变换法求逆阵的理论定理1 设是阶可逆矩阵,则经过有限次初等行变换化为,且。定理2设是阶不可逆矩阵,则存在阶可逆矩阵和,使得。6、逆矩阵的性质(1)。(2)。(3),更进一步。(4)。(5),。【例题1】设可逆矩阵的行对调所得的矩阵为。(1)证明:可逆。 (2)求。【例题2】设分别为阶可逆矩阵,,求。【例题3】设可逆阵的两行对调得矩阵,讨论与之间的关系。【例题4】设,则 ( ) 【例题5】设,且,求。(二)矩阵的秩1、矩阵秩的定义—设是矩阵,中任取行和列且元素按原有次序所成的阶行列式,称为的阶子式,若中至少有一个阶子式不等于零,而所有阶子式(如果有)皆为零,称为矩阵的秩,记为。2、矩阵秩的求法—将用初等行变换化为阶梯矩阵,阶梯矩阵的非零行数即为矩阵的秩。【注解】(1)设为矩阵,则。(2)的充分必要条件为。(3)的充分必要条件为。(4)的充分必要条件是至少有两行不成比例。(5),则。3、矩阵秩的性质(1)。【例题1】设是矩阵,证明:若,则。(2)。【例题2】设,,证明:。(3),等价于。(口诀:即矩阵的乘法不会使矩阵的秩升高)【例题3】设分别为与矩阵,且,求。(4)设,且,则。【例题4】设为可逆矩阵,证明其逆矩阵唯一。【例题5】设,证明:。(5)设为可逆矩阵,则。(6)。(7)。(8)存在非零向量,使得。第三讲 向量一、向量基本概念1、向量—个实数所构成的一个数组称为向量,其中称为维行向量,称为维列向量,构成向量的所有元素皆为零的向量称为零向量。2、向量的内积:。[注解](1); (2);(3); (4)。(5)当,即时,称向量与正交,记为,注意零向量与任何向量正交。【注解】方程组的向量形式齐次线性方程组可以表示为;非齐线性方程组可以表示为,其中。3、线性相关与线性无关对齐次线性方程组,(1)当且仅当时成立,即齐次线性方程组只有零解,称向量组线性无关;(2)若有不全为零的常数,使得成立,即齐次线性方程组有非零解,称线性相关。4、向量的线性表示对非齐线性方程组,(1)存在一组常数,使得成立,即非齐线性方程组有解,称可由线性表示;(2)若不能成立,即非齐线性方程组无解,称不可由线性表示。5、向量组的秩与矩阵的秩的概念(1)向量组的极大线性无关组与向量组的秩—设为一个向量组,若中存在个线性无关的子向量组,但任意个子向量组(如果有)线性相关,称个线性无关的子向量组为向量组的一个极大线性无关组,称为向量组的秩。[注解](1)若一个向量组中含有零向量,则该向量组一定线性相关。(2)两个向量线性相关的充分必要条件是两个向量成比例。(3)向量组的极大线性无关组不一定唯一。6、向量组的等价—设与为两个向量组,若,则称向量组可由向量组线性表示,若两个向量组可以相互线性表示,称两个向量组等价。二、向量的性质(一)向量组的相关性与线性表示的性质1、若线性相关,则其中至少有一个向量可由其余向量线性表出。2、设线性无关,而线性相关,则可由线性表出,且表示方法唯一。3、若一个向量组线性无关,则其中任意一个部分向量组也必然线性无关;4、若一个向量组的一个部分向量组线性相关,则此向量组一定线性相关;5、设为个维向量,则线性无关。6、若一个向量组的个数多于维数。则此向量组一定线性相关。7、若为一个两两正交的非零向量组,则线性无关。8、设为两两正交的非零向量组,则线性无关,反之不对。【例题1】 设线性无关,线性相关,证明:可由线性表示。【例题2】设线性无关,令,讨论的相关性。【例题4】设线性无关,令,讨论的相关性。(二)向量组的秩的性质1、设为两个向量组,若组可由线性表出,则组的秩不超过组的秩。2、等价的向量组由相等的秩。3、矩阵的秩、矩阵的行向量组的秩、矩阵的列向量组的秩三者相等。【注解】(1)设线性无关,线性无关的充分必要条件是不可由向量组线性表示,等价于。(2)设,若向量组可由向量组线性表示,而向量组不可由向量组线性表示,则。第四讲 方程组一、线性方程组的基本概念方程组(),称()为元齐次线性方程组。方程组()称()为元非齐线性方程组,方程组()又称为方程组()对应的齐次线性方程组或者导出方程组。二、线性方程组解的结构1、设为齐次线性方程组的解,则为的解,其中为任意常数。特殊情形,及(为任意常数)都是的解。2、设为齐次线性方程组的解,为非齐线性方程组的解,则为方程组的解。3、设为非齐线性方程组的解,则为的解。4、设为的一组解,则为的解的充分必要条件是。三、线性方程组解的基本定理定理1 (1)齐次线性方程组只有零解的充分必要条件是;(2)齐次线性方程组有非零解(或者无穷多个解)的充分必要条件是。定理2 (1)非齐线性方程组无解的充分必要条件是。(2)有解的充分必要条件是。更进一步地,当时,方程组有唯一解;当时,方程组有无穷多个解。四、线性方程组的通解(一)齐次线性方程组的基础解系与通解【例题1】求方程组的通解。【例题2】求方程组。【注解】齐次线性方程组基础解的的三大条件一个向量组为齐次线性方程组的基础解系的充分必要条件是(1)该向量组为方程组的解。(2)该向量组线性无关。 (3)该向量组的向量个数与方程组自由变量个数相等。(二)非齐线性方程的通解【例题1】设方程组无解,求。【例题2】取何值时,方程组有解,并求出其解。【例题3】(1)设为阶阵,且的各行元素之和为0,,求的通解。 (2)设为阶阵,且,求的通解。(3)设为四元非齐方程组,为其3个解向量,且,,求的通解。(4)设为4维列向量组,线性无关,,求的一个基础解系。(5)设线性无关,且,求的通解。【例题3】设为维向量组,且线性无关,为的非零解,问线性相关性。方程组补充(一)理论拓展定理1 若,则的列向量组为方程组的解。【例题1】设,证明:。【例题2】设为三阶非零矩阵,的第一行元素不全为零,,且,求方程组的通解。定理2 若与同解,则。【例题1】证明:。【例题2】设为矩阵,是矩阵,且,证明:。(二)方程组的公共解定理 与的公共解即为的解。【例题1】设都是阶矩阵,且,证明:与有公共的非零解。【例题2】设线性方程组(1)与方程组(2)。(1)求两个方程组的基础解系。 (2)求两个方程组的公共解。第五讲 特征值与特征向量一、基本概念1、矩阵的特征值、特征向量—设为阶矩阵,若存在和非零向量,使得,称为矩阵的特征值,称为矩阵的属于特征值的特征向量。【问题1】设为阶矩阵,如何求的特征值?【问题2】设为阶矩阵,为的特征值,如何求矩阵的属于的特征向量?2、特征多项式、特征方程—令,称为矩阵的特征多项式,称为矩阵的特征方程。【注解】(1)设为实矩阵,则的特征值不一定是实数。(2)。(3)。(4)的充分必要条件是。【例题1】设,求的特征值及每个特征值对应的线性无关的特征向量。【例题2】设,求的特征值及每个特征值对应的线性无关的特征向量。【问题1】设,则是的特征值,问的非零特征值个数是否与的秩相等?【问题2】问每个特征值的重数与其对应的线性无关的特征向量个数是否一致?3、矩阵相似—设为两个阶阵,若存在可逆阵,使得,则称与相似,记为。【注解】(1)。 (2)若,则。 (3)若,,则。(4),反之不对。(5),反之不对。(6)(其中可逆)。(7)若,则,。4、矩阵的对角化—若一个矩阵和对角矩阵相似,则称矩阵可以对角化,设是阶矩阵,所谓可对角化,即存在可逆矩阵,使得,其中为对角矩阵。二、特征值与特征向量的性质(一)一般矩阵特征值与特征向量的性质1、(重要性质)不同特征值对应的特征向量线性无关。2、设为阶矩阵,是矩阵的特征值,是矩阵的对应于的特征向量,则(1)若可逆,则是矩阵的特征值,是矩阵的对应于的特征向量。(2)若可逆,则为矩阵的特征值,是矩阵的对应于的特征向量。(3)设为一元次多项式,称为关于矩阵的矩阵多项式,则有为矩阵的特征值,是矩阵的对应于的特征向量。3、矩阵可对角化的充分必要条件是有个线性无关的特征向量。(二)实对称矩阵特征值特征向量的性质1、设为实对称阵,则的特征根都是实数。2、设为实对称阵,则的不同特征根对应的特征向量正交。3、可对角化有个线性无关的特征向量。4、设为实对称阵,为其特征根,则存在正交阵,使得。三、矩阵的对角化(一)非实对称矩阵(二)实对称矩阵典型问题(一)特征值、特征向量的性质【例题1】设为四阶矩阵,,且的特征值为,则。【例题2】设为可逆矩阵,为的一个特征值,则的一个特征值为。【例题3】设为的两个不同的特性根,分别为所对应的特征向量,则不是特征向量。(二)特征值、特征向量的求法【思路分析】特征值的求法常见有三种方法:(1)公式法,即通过求的特征值。(2)定义法(3)关联矩阵法【例题1】设矩阵的每行元素之和分别为,其中可逆。(1)求的每行元素之和;(2)求的每行元素之和。【例题2】设为阶矩阵,且,求的特征值。【例题3】设,且,令,求的特征值及重数。【例题4】是三阶矩阵,线性无关,,求矩阵的特征值。(三)矩阵对角化问题【思路分析】判断矩阵对角化常见思路有:(1)矩阵的特征值是否为单值。(2)矩阵是否存在个线性无关的特征向量。(3)矩阵是否为实对称矩阵。【例题1】设且,证明可对角化。【例题2】设,证明不可以对角化。【例题3】,求的特征根、特征向量,以及是否可以对角化?【例题4】设为非零矩阵,且存在正整数,使得,证明不可以对角化。【例题5】设有三个线性无关的特征向量,求满足的条件。【例题6】,有解但不唯一,(1)求的值;(2)求可逆阵,使得为对角阵;(3)求正交阵,使得为对角阵。(四)求矩阵【思路分析】特征值与特征向量部分求未知矩阵的思路为:(1)求的特征值。(2)求的不同特征值对应的线性无关的特征向量(注意:实对称矩阵不同特征值对应的特征向量正交)(3)令,由得。【例题1】设,求。【例题2】设三阶实对称阵的特征值分别为,的属于特征值的特征向量分别为。(1)求的属于特征值的特征向量;(2)求。第六讲 二次型及其标准型一、基本概念1、二次型—含个变量且每项皆为二次的齐次多项式称为二次型。令,,则。矩阵称为二次型的矩阵,显然,即二次型的矩阵都是对称矩阵,矩阵的秩称为二次型的秩。2、标准二次型—只含有平方项不含交叉项的二次型称为标准二次型。3、矩阵合同—设为阶矩阵,若存在可逆矩阵,使得,称矩阵与合同,记为。4、二次型的标准化—设为一个二次型,若经过可逆的线性变换(即为可逆矩阵)把二次型化为,称为二次型的标准化。5、规范二次型—二次型的标准型的系数为和的标准型,称为二次型的规范型。二、二次型标准化方法(一)配方法【例题1】用配方法化二次型为标准型。【例题2】用配方法化二次型为标准型。(二)正交变换法(1)求的特征值。(2)求的线性无关的特征向量。(3)将进行施密特正交化和规范化得,令。(4)。【例题1】用正交变换法化二次型为标准型。【例题2】设。(1)写出二次型的矩阵形式;(2)用正交变换法求二次型的标准型,写出正交阵。三、正定矩阵与正定二次型1、正定二次型定义—若对任意的总有,称为正定二次型,称为正定矩阵。2、正定二次型的判别法方法一:定义法【例题1】设都是阶正定矩阵,证明:为正定矩阵。【例题2】设为可逆矩阵,,证明:为正定矩阵。【例题3】设为阶实对称正定阵, 为实阵,证明: 是正定矩阵的充分必要条件是。方法二:特征值法【例题1】设为正定矩阵,证明:为正定矩阵。【例题2】设为正定矩阵,证明:。方法三:顺序主子式法是实对称矩阵,则正定的充要条件是。【例题1】设二次型为正定二次型,求的范围。
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