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工程硕士《矩阵理论
工程硕士《矩阵理论》考试范围与重要习题
1、两个子空间的直和
例:设和分别是齐次方程组和的解空间,证明。
证明:因方程组和,只有零解,故,从而=,且是的子空间,即≤。
又的维数是n-1,的维数是1
故的维数是n维,所以。
注:任给一个的子空间,可以找到子空间使得:
此式称为V的一个直和分解,,称为互补空间
线性空间中线性变换的象空间与核
例题1:证明:线性空间V的线性变换T的象空间和核都是V的子空间
证明:
例题2:线性空间V中的线性变化T的象空间和核的维数之和等于V的维数
dim(T(V))+dim(ker(T))=dim(V)
证明:设dim(V)=n dim(ker(T))=s 只需证明dim(T(V))=n-s即可
取ker(T)的一组基再添加n-s个向量
将这组向量扩充为V的一组基
现在只需证明线性无关。
设
则:
故
于是可由线性表示
即
故有
因是V的一组基,
所以
因此线性无关
3、过渡矩阵 线性变换在给定基下的矩阵
例题:已知中的线性变换T在基
下的矩阵是
求T在基下的矩阵。
解:设基到的过度矩阵为Q
则
即:
所以
所以T在基下的矩阵B为
4、定理:内积空间中必存在标准正交基(施密特正交化)
例:设是中的一组标准正交基
其中
求V的一组标准正交基
解:设,即有
因为线性无关,故
因此线性无关,所以是V的一组基。
现将其化为标准正交基,首先将其正交化
取
再将其单位化
5、正交矩阵与酉矩阵的性质与判定
例1:设是n维欧氏空间V中的单位向量,定义V中的变换T为。证明T为正交变换
证明:
故T是V的线性变换
故,所以T是正交变换
例2证明:n阶的方阵A为酉矩阵的充要条件是对任何都有
证明:(必要性) 注:酉矩阵
若A是酉矩阵,则对
则
(充分性)
取中的一组标准正交基
则存在唯一的线性变换T,使得T在基下的矩阵是A
即:(证明T是正交变换)
因此T是正交变换,从而A是酉矩阵。
6、矩阵A的约当标准形(初等因子和不变因子)
例题:求矩阵都的约当标准形、不变因子、初等因子。
解:
故A的不变因子是1,,
初等因子是,
因对应的约当块
对应的约当块
故A的约当标准形为或
求约当标准形的步骤:
①写出A的特征矩阵
②求出的全部初等因子
③写出每个初等因子对应的约当块
④写出约当标准形
7、凯莱-哈密顿定理
例题:设,证明:
为可逆矩阵并将表示为A的多项式。
证明:A的特征多项式为
由凯莱-哈密顿定理得:
8、线性空间的范数
没有例子就把定义搬上了
定义:设V是数域P上的线性空间,如果对V中的任意向量V都有一个非负实数与之对应,记为且满足下列的性质
1正定性:
2齐次性:
3三角不等式:
称为的范数并称定义了范数的线性空间为赋范空间
其他重要例题
例题1:
设是数域P上的线性空间V的一组向量,则由他们的所有线性组合构成的集合是V的子空间。
证明:显然S非空,
()
故S是V的子空间称S为由生成的子空间
记作
①的一个最大线性无关组就是的一组基
②的维数 = 秩
例题2:
在n维的向量空间中,对向量
定义其中表示y的共轭转置
则为中的内积
验证:①
② 令
③
且
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