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线性代数笔记

线性代数笔记#


目录#

第一部分:行列式#

第二部分:矩阵#

第三部分:向量#

第四部分:线性方程组#

第五部分:特征值与特征向量#

第六部分:二次型#


第一部分:行列式#


1.1 行列式的性质#

  1. 按行/列展开不变性:n阶矩阵 AA 的行列式按任意一行(列)展开,其值相等。

  1. 两行(列)全相同则行列式为0:若n阶行列式有两行(列)对应元素全相等,则行列式值为0。

  1. 行(列)的可拆分性:某一行(列)的元素为两数之和时,行列式可拆分为两个行列式之和:

    ∣a11a12…a1nbi+cibi2+ci2…bin+cin⋮⋮⋮an1an2…ann∣=∣a11a12…a1nbibi2…bin⋮⋮⋮an1an2…ann∣+∣a11a12…a1ncici2…cin⋮⋮⋮an1an2…ann∣\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1n} \\ b_i + c_i & b_{i2} + c_{i2} & \dots & b_{in} + c_{in} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \dots & a_{nn} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1n} \\ b_i & b_{i2} & \dots & b_{in} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \dots & a_{nn} \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1n} \\ c_i & c_{i2} & \dots & c_{in} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \dots & a_{nn} \end{vmatrix}

  1. 初等变换对行列式的影响:
    • 某一行(列)乘以数 kk,行列式值变为原来的 kk 倍:det⁡A1=kdet⁡A\det A_1 = k\det A(A1A_1 为 AA 的某行乘 kk 得到的矩阵)
    • 某一行(列)的 kk 倍加到另一行(列),行列式值不变:det⁡A2=det⁡A\det A_2 = \det A(A2A_2 为 AA 经过该变换后的矩阵)
    • 交换两行(列),行列式值变号:det⁡A3=−det⁡A\det A_3 = -\det A(A3A_3 为 AA 交换两行后的矩阵)

  1. 转置不变性:行列式与其转置行列式值相等,即 det⁡AT=det⁡A\det A^T = \det A。

行列式的推论#

  1. 若行列式的某一行(列)元素全为0,则行列式值为0。
  2. 若行列式的某两行(列)对应元素成比例,则行列式值为0。

1.2 行列式的计算#

  1. 范德蒙德行列式: Vn=∣11…1x1x2…xnx12x22…xn2⋮⋮⋮x1n−1x2n−1…xnn−1∣=∏1≤i<j≤n(xj−xi)=(x2−x1)(x3−x1)…(xn−x1)(x3−x2)…(xn−x2)…(xn−xn−1)V_n = \begin{vmatrix} 1 & 1 & \dots & 1 \\ x_1 & x_2 & \dots & x_n \\ x_1^2 & x_2^2 & \dots & x_n^2 \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ x_1^{n-1} & x_2^{n-1} & \dots & x_n^{n-1} \end{vmatrix} = \prod_{1 \le i < j \le n} (x_j - x_i) = (x_2-x_1)(x_3-x_1)\dots(x_n-x_1)(x_3-x_2)\dots(x_n-x_2)\dots(x_n-x_{n-1})

  1. 拉普拉斯定理推论(分块行列式): ∣AOCB∣=∣A∣∣B∣,∣AOOB∣=∣A∣∣B∣,∣ACOB∣=∣A∣∣B∣\begin{vmatrix} A & O \\ C & B \end{vmatrix} = |A||B|, \quad \begin{vmatrix} A & O \\ O & B \end{vmatrix} = |A||B|, \quad \begin{vmatrix} A & C \\ O & B \end{vmatrix} = |A||B| ∣OABO∣=(−1)mn∣A∣∣B∣(m,n为A,B的阶数)\begin{vmatrix} O & A \\ B & O \end{vmatrix} = (-1)^{mn}|A||B| \quad (m,n为A,B的阶数) (其中 A,BA,B 为方阵,OO 为零矩阵,CC 为任意矩阵)

1.3 克莱姆法则#

  1. 引理:行列式的任一行元素乘另一行对应元素的代数余子式之和为 0。

  1. 克拉默法则:设 nn 阶矩阵 AA 可逆,则线性方程组 Ax=bAx = b 有唯一解 x=(x1,x2,…,xn)Tx=(x_1,x_2,\dots,x_n)^T,其中 xj=det⁡Ajdet⁡A(j=1,2,…,n)x_j = \frac{\det A_j}{\det A} \quad (j=1,2,\dots,n) (det⁡Aj\det A_j 是用 bb 替换 det⁡A\det A 的第 jj 列得到的行列式)

  1. 齐次线性方程组判定:对于 Ax=0Ax=0:
    • 若 det⁡A≠0\det A \neq 0,方程组只有零解;
    • 若 det⁡A=0\det A = 0,方程组有非零解。

第二部分:矩阵#


2.1 矩阵的概念#

矩阵与行列式对比#

行列式矩阵
本质数数表
形状必须是方的(行数=列数)行数和列数不一定相等

矩阵的定义#

  1. 矩阵:m×nm \times n 的数表
  2. 同型矩阵:矩阵 AA、BB 的行数和列数都相等
  3. 矩阵相等:A=B  ⟺  A=B \iff 是同型矩阵,且对应位置元素相等

几类特殊矩阵#

  1. 方阵:行数=列数的矩阵
  2. 行矩阵:只有一行的矩阵,如 A=(123)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \end{pmatrix}
  3. 列矩阵:只有一列的矩阵,如 B=(123)B = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix}
  4. 零矩阵:元素全为 0 的矩阵,如 (0000)\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}、(000)\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
  5. 负矩阵:如 A=(1302−45)A = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 0 \\ 2 & -4 & 5 \end{pmatrix},其负矩阵 −A=(−1−30−24−5)-A = \begin{pmatrix} -1 & -3 & 0 \\ -2 & 4 & -5 \end{pmatrix}
  6. 上三角形矩阵:主对角线下方的元素全为 0 的矩阵,如 (1230−14005)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & -1 & 4 \\ 0 & 0 & 5 \end{pmatrix}、(0104)\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 4 \end{pmatrix}
  7. 下三角形矩阵:主对角线上方的元素全为 0 的矩阵,如 (1032)\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 3 & 2 \end{pmatrix}、(000−250014)\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ -2 & 5 & 0 \\ 0 & 1 & 4 \end{pmatrix}
  8. 对角形矩阵:非主对角线元素全为 0 的矩阵,如 (100020003)\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{pmatrix}、(1003)\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix},也可记为 diag(1,2,3)\text{diag}(1,2,3)
  9. 数量矩阵:主对角线上元素相同的对角矩阵,如 (a000a000a)\begin{pmatrix} a & 0 & 0 \\ 0 & a & 0 \\ 0 & 0 & a \end{pmatrix}
  10. 单位矩阵:主对角线上元素全为 1 的对角矩阵记作 II 或 EE:
I=E=(11⋱1)I = E = \begin{pmatrix} 1 & & & \\ & 1 & & \\ & & \ddots & \\ & & & 1 \end{pmatrix}

2.2 矩阵的加法、减法与数乘#

矩阵的加、减运算#

  • 定义:同型矩阵对应位置元素相加/相减。
  • 运算规律:
    1. A+B=B+AA+B = B+A(交换律)
    2. (A+B)+C=A+(B+C)(A+B)+C = A+(B+C)(结合律)
    3. A+O=AA+O = A(OO 为零矩阵)
    4. A+(−A)=OA+(-A) = O
    5. A−B=A+(−B)A-B = A+(-B)
    6. A+B=C  ⟺  A=C−BA+B = C \iff A = C-B

矩阵的数乘运算#

  • 定义:用数 kk 乘以矩阵 AA 的每一个元素,例: A=(abcd),kA=(kakbkckd)A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}, \quad kA = \begin{pmatrix} ka & kb \\ kc & kd \end{pmatrix}

公因子提取对比#

  1. 矩阵:所有元素均有公因子 kk,kk 向外提一次。
  2. 行列式:某一行(列)有公因子 kk,kk 向外提一次。
  3. 行列式:所有元素均有公因子 kk,kk 向外提 nn 次(nn 为阶数)。

数乘的运算规律#

  1. k(A+B)=kA+kBk(A+B) = kA + kB
  2. (k+l)A=kA+lA(k+l)A = kA + lA
  3. k(lA)=(kl)A=l(kA)k(lA) = (kl)A = l(kA)
  4. 1A=A1A = A
  5. (−1)A=−A(-1)A = -A

2.3 矩阵的乘法#

定义#

  1. 可乘条件:Am×nA_{m \times n} 与 Bp×qB_{p \times q} 相乘,需要 n=pn = p
  2. 结果形状:ABAB 是 m×qm \times q 矩阵。

矩阵乘法不满足的规律#

  1. 不满足交换律:
    • AB,BA都有意义,二者不一定相等
    • AB有意义,BA不一定有意义
  2. 不满足消去律:
    • 若AB=AC,且A≠O,推不出B=C
    • 若BA=CA,且A≠O,推不出B=C
  3. 两个非零矩阵的成绩可能是零矩阵
    • 若AB=O,推不出A=O,B=O

矩阵乘法满足的运算规律#

  1. 结合律:(AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC)
  2. 分配律:
    • 左分配律:(A+B)C=AC+BC(A+B)C = AC + BC
    • 右分配律:C(A+B)=CA+CBC(A+B) = CA + CB
  3. 数乘结合律:k(AB)=(kA)B=A(kB)k(AB) = (kA)B = A(kB)
  4. 单位矩阵性质:AE=EA=AAE = EA = A
  5. 数量矩阵性质:若 A=aEA = aE(数量矩阵),则 AB=aBAB = aB

矩阵的可交换性#

若 AB=BAAB = BA,则称 AA 与 BB 可交换。常见可交换情况:

  1. 可交换的矩阵一定是同阶方阵
  2. 不同阶矩阵一定不可交换
  3. AB≠BA,一定不可交换
  4. 单位矩阵E和任一同阶方阵可交换
  5. 两个同阶对角矩阵可交换

2.4 方阵的幂#

  • 定义:设 AA 为方阵,定义 Ak=A⋅A⋅⋯⋅A⏟k个A^k = \underbrace{A \cdot A \cdot \dots \cdot A}_{k\text{个}},规定 A0=EA^0 = E。
  • 性质(AA 为方阵,k,k1,k2k,k_1,k_2 为非负整数,k,lk,l 为常数):
    1. Ak1Ak2=Ak1+k2A^{k_1}A^{k_2} = A^{k_1+k_2}
    2. (Ak1)k2=Ak1k2(A^{k_1})^{k_2} = A^{k_1k_2}
    3. (lA)k=lkAk(lA)^k = l^kA^k

注:由于矩阵乘法不满足交换律,一般情况下,(AB)k≠AkBk(AB)^k \neq A^kB^k(A,BA,B为同阶方阵)

若矩阵A,BA,B可交换,则有: A2−B2=(A+B)(A−B)=(A−B)(A+B)A^2 - B^2 = (A+B)(A-B) = (A-B)(A+B) (A+B)2=A2+2AB+B2(A+B)^2 = A^2 + 2AB + B^2 (A−B)2=A2−2AB+B2(A-B)^2 = A^2 - 2AB + B^2 A3−B3=(A−B)(A2+AB+B2)A^3 - B^3 = (A-B)(A^2 + AB + B^2) A3+B3=(A+B)(A2−AB+B2)A^3 + B^3 = (A+B)(A^2 - AB + B^2) (AB)k=AkBk(AB)^k = A^kB^k

恒成立公式#

A2−E=(A+E)(A−E)A^2 - E = (A+E)(A-E) (A+E)2=A2+2A+E(A+E)^2 = A^2 + 2A + E (A−E)2=A2−2A+E(A-E)^2 = A^2 - 2A + E A3−E=(A−E)(A2+A+E)A^3 - E = (A-E)(A^2 + A + E) A3+E=(A+E)(A2−A+E)A^3 + E = (A+E)(A^2 - A + E)

方阵多项式#

设f(x)=amxm+am−1xm−1+⋯+a1x+a0f(x) = a_mx^m + a_{m-1}x^{m-1} + \dots + a_1x + a_0,则 f(A)=amAm+am−1Am−1+⋯+a1A+a0Ef(A) = a_mA^m + a_{m-1}A^{m-1} + \dots + a_1A + a_0E


2.5 矩阵的转置#

定义#

将矩阵的行依次变为列,列依次变为行,得到的新矩阵称为原矩阵的转置矩阵,记作 ATA^T。 例:若 A=(1230−14)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & -1 & 4 \end{pmatrix},则

AT=(102−134)A^T = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 2 & -1 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}

转置矩阵的性质#

  1. (AT)T=A(A^T)^T = A
  2. (A+B)T=AT+BT(A+B)^T = A^T + B^T
  3. (kA)T=kAT(kA)^T = kA^T(kk 为常数)
  4. (AB)T=BTAT(AB)^T = B^T A^T(反序法则)
  5. (Ak)T=(AT)k(A^k)^T = (A^T)^k(kk 为正整数)

对称矩阵与反对称矩阵#

对称矩阵#

若 nn 阶矩阵 AA 满足 AT=AA^T = A,则称 AA 为对称矩阵。 等价条件:A=(aij)n×nA = (a_{ij})_{n×n} 为对称矩阵   ⟺  aij=aji\iff a_{ij} = a_{ji}(i,j=1,2,…,ni,j=1,2,\dots,n)。 例:A=(12023−10−14)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 2 & 3 & -1 \\ 0 & -1 & 4 \end{pmatrix}

对称矩阵的结论:

  1. 若 A,BA,B 为同阶对称矩阵,则 A+BA+B、A−BA-B 仍为对称矩阵
    • (A+B)T=AT+BT=A+B(A+B)^T=A^T+B^T=A+B
    • (A−B)T=AT−BT=A−B(A-B)^T=A^T-B^T=A-B

  1. 若 AA 为对称矩阵,则 kAkA、AmA^m 仍为对称矩阵(kk 为常数,mm 为正整数)

  1. 若 A,BA,B 为同阶对称矩阵,则 ABAB 为对称矩阵的充要条件是 AB=BAAB=BA
    • 证:(AB)T=BTAT=BA=AB(AB)^T=B^TA^T=BA=AB

  1. 对任意 m×nm×n 矩阵 AA,则 ATAA^TA、AATAA^T 均为对称矩阵

反对称矩阵#

设 A=(aij)n×nA=(a_{ij})_{n×n},AA 为反对称矩阵 ⇔AT=−A⇔aij=−aji\Leftrightarrow A^T=-A \Leftrightarrow a_{ij}=-a_{ji}(i,j=1,2,3⋯ni,j=1,2,3\cdots n) 注:AA 为反对称矩阵,主对角线元素全为0;关于主对角线对称位置的元素互为相反数

反对称矩阵的结论:

  1. 若 A,BA,B 为同阶反对称矩阵,则 A+BA+B、A−BA-B 仍为反对称矩阵
  2. 若 AA 为反对称矩阵,则 kAkA 仍为反对称矩阵
  3. 若 AA 为反对称矩阵,kk 为正整数,则 AkA^k 为对称矩阵(kk 为偶数)、反对称矩阵(kk 为奇数);(Ak)T=(AT)k=(−A)k=(−1)kAk(A^k)^T=(A^T)^k=(-A)^k=(-1)^kA^k

2.6 方阵的行列式#

设 nn 阶方阵 AA,则 AA 的行列式为 ∣A∣|A| 注:1. AA 的行列式 ∣A∣|A| 是一个数;2. 只有方阵才有行列式

方阵行列式的性质:#

设 A,BA,B 为 nn 阶方阵,kk 为常数,mm 为正整数:

  1. ∣AT∣=∣A∣|A^T|=|A|
  2. ∣kA∣=kn∣A∣|kA|=k^n|A|
  3. ∣AB∣=∣A∣⋅∣B∣|AB|=|A|\cdot|B|
  4. ∣Am∣=∣A∣m|A^m|=|A|^m,如 ∣A3∣=∣AAA∣=∣A∣∣A∣∣A∣=∣A∣3|A^3|=|AAA|=|A||A||A|=|A|^3
  5. ∣E∣=1|E|=1(EE 为单位矩阵)


2.7 方阵的伴随矩阵#

伴随矩阵的定义#

设 A=(aij)n×nA=(a_{ij})_{n×n},∣A∣|A| 中元素 aija_{ij} 的代数余子式为 AijA_{ij}(i,j=1,2,…,ni,j=1,2,\dots,n),AA 的伴随矩阵 A∗A^* 定义为:

A∗=(A11A21…An1A12A22…An2⋮⋮⋮A1nA2n…Ann)A^* = \begin{pmatrix} A_{11} & A_{21} & \dots & A_{n1} \\ A_{12} & A_{22} & \dots & A_{n2} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ A_{1n} & A_{2n} & \dots & A_{nn} \end{pmatrix}

注意:

  1. A∗A^* 的元素是 aija_{ij} 的代数余子式,是把行的代数余子式放到列上;
  2. 任一方阵都有伴随矩阵;
  3. 只有方阵才有伴随矩阵。

伴随矩阵的性质#

  1. 对任意方阵 AA,有 AA∗=A∗A=∣A∣EAA^* = A^*A = |A|E(不管 AA 可逆与否,均成立) 例: A=(a11a12a13a21a22a23a31a32a33),A∗=(A11A21A31A12A22A32A13A23A33)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{pmatrix}, \quad A^* = \begin{pmatrix} A_{11} & A_{21} & A_{31} \\ A_{12} & A_{22} & A_{32} \\ A_{13} & A_{23} & A_{33} \end{pmatrix} AA∗=(∣A∣000∣A∣000∣A∣)=∣A∣(111)=∣A∣EAA^* = \begin{pmatrix} |A| & 0 & 0 \\ 0 & |A| & 0 \\ 0 & 0 & |A| \end{pmatrix} = |A| \begin{pmatrix} 1 & & \\ & 1 & \\ & & 1 \end{pmatrix} = |A|E

  1. 若 AA 为 nn 阶方阵,则 ∣A∗∣=∣A∣n−1|A^*| = |A|^{n-1} 证:由 AA∗=∣A∣EAA^* = |A|E,两边取行列式得: ∣A∣∣A∗∣=∣∣A∣E∣=∣A∣n∣E∣=∣A∣n|A||A^*| = | |A|E | = |A|^n |E| = |A|^n 两边除以 ∣A∣|A|(∣A∣≠0|A|≠0 时),得 ∣A∗∣=∣A∣n−1|A^*| = |A|^{n-1}。

  1. 若 AA 为方阵,则 (AT)∗=(A∗)T(A^T)^* = (A^*)^T

  1. 若 AA 为 nn 阶方阵,kk 为常数,则 (kA)∗=kn−1A∗(kA)^* = k^{n-1}A^* 证:以3阶矩阵为例: kA=(kakbkckdkekfkhkikg),(kA)ij=(−1)i+j∣kekfkikg∣=k2AijkA = \begin{pmatrix} ka & kb & kc \\ kd & ke & kf \\ kh & ki & kg \end{pmatrix}, \quad (kA)_{ij} = (-1)^{i+j} \begin{vmatrix} ke & kf \\ ki & kg \end{vmatrix} = k^2 A_{ij} 推广得 (kA)∗=kn−1A∗(kA)^* = k^{n-1}A^*。

  1. 若 A=(abcd)A=\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix},则 A∗=(d−b−ca)A^*=\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix},主对换,负号易号。

2.8 逆矩阵#

逆矩阵的定义#

  1. 设 AA 为 nn 阶方阵,若存在 nn 阶方阵 BB,使 AB=BA=EAB=BA=E,则称 AA 是可逆矩阵,BB 为 AA 的逆矩阵,记作 A−1A^{-1}。 注:任何方阵未必都有逆矩阵;若方阵 AA 可逆,则 A−1A^{-1} 是唯一的(证明:若 B1,B2B_1,B_2 满足 B1A=E,AB2=EB_1A=E,AB_2=E,则 B1=B1E=B1(AB2)=(B1A)B2=EB2=B2B_1=B_1E=B_1(AB_2)=(B_1A)B_2=EB_2=B_2)。

  2. 设 AA 为 nn 阶方阵,若 ∣A∣≠0|A|≠0,称 AA 是非奇异矩阵,可逆;若 ∣A∣=0|A|=0,称 AA 是奇异矩阵,不可逆。

矩阵可逆的判定及逆矩阵的求法#

定理1:方阵 AA 可逆的充要条件是 AA 为非奇异矩阵,即 ∣A∣≠0|A|≠0,并且当 AA 可逆时,A−1=1∣A∣A∗A^{-1}=\frac{1}{|A|}A^*。

定理2(对角形矩阵):diagA=diag(a1,a2,…,an)\text{diag}A=\text{diag}(a_1,a_2,\dots,a_n) 可逆的充要条件是 a1,a2,…,ana_1,a_2,\dots,a_n 都不等于0,且 A−1=diag(1a1,1a2,…,1an)A^{-1}=\text{diag}(\frac{1}{a_1},\frac{1}{a_2},\dots,\frac{1}{a_n})。

定理3:设 AA 是 nn 阶方阵,若存在 nn 阶方阵 BB,使 AB=EAB=E 或 BA=EBA=E,则 AA 可逆,且 A−1=BA^{-1}=B。

可逆矩阵的性质#

  1. 若 AA 可逆,则 A−1A^{-1} 也可逆,且 (A−1)−1=A(A^{-1})^{-1}=A。

  1. 若 AA 可逆,则 ATA^T 也可逆,且 (AT)−1=(A−1)T(A^T)^{-1}=(A^{-1})^T(证明:AT(A−1)T=(A−1A)T=ET=EA^T(A^{-1})^T=(A^{-1}A)^T=E^T=E)。

  1. 若 AA 可逆,kk 为非零常数,则 kAkA 也可逆,且 (kA)−1=1kA−1(kA)^{-1}=\frac{1}{k}A^{-1}。

  1. 若 AA 可逆,则 A∗A^* 也可逆,且 (A∗)−1=(A−1)∗=1∣A∣A(A^*)^{-1}=(A^{-1})^*=\frac{1}{|A|}A。 证:AA∗=A∗A=∣A∣EAA^*=A^*A=|A|E,则 (1∣A∣A)A∗=A∗(1∣A∣A)=E(\frac{1}{|A|}A)A^*=A^*(\frac{1}{|A|}A)=E,故 A∗A^* 可逆。 附:∣kA∣=kn∣A∣|kA|=k^n|A|,(kA)∗=kn−1A∗(kA)^*=k^{n-1}A^*,(kA)−1=1kA−1(kA)^{-1}=\frac{1}{k}A^{-1}。 运算顺序可交换:(AT)−1=(A−1)T(A^T)^{-1}=(A^{-1})^T,(A∗)T=(AT)∗(A^*)^T=(A^T)^*,(A∗)−1=(A−1)∗(A^*)^{-1}=(A^{-1})^*。

  1. 若 A,BA,B 同阶可逆,则 ABAB 也可逆,(AB)−1=B−1A−1(AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}。 证:∣A∣≠0,∣B∣≠0|A|≠0,|B|≠0,则 ∣AB∣=∣A∣∣B∣≠0|AB|=|A||B|≠0,ABAB 可逆;ABB−1A−1=AEA−1=AA−1=EABB^{-1}A^{-1}=AEA^{-1}=AA^{-1}=E。

  1. 若 AA 可逆,mm 为正整数,则 AmA^m 也可逆,且 (Am)−1=(A−1)m(A^m)^{-1} = (A^{-1})^m。 ∣A∣≠0|A| \neq 0,∣Am∣=∣A∣m≠0|A^m| = |A|^m \neq 0, Am(A−1)m=(A−1A)m=Em=EA^m(A^{-1})^m = (A^{-1}A)^m = E^m = E。

  1. 若 AA 可逆,则 ∣A−1∣=1∣A∣|A^{-1}| = \frac{1}{|A|}。

  1. 若 AA 可逆,则 A−1=1∣A∣A∗A^{-1} = \frac{1}{|A|}A^*。

矩阵方程#

若 A,BA,B 均为可逆矩阵,则矩阵方程:

  1. AX=CAX = C,其解为 X=A−1CX = A^{-1}C。 证:A−1AX=A−1C⇒X=A−1CA^{-1}AX = A^{-1}C \Rightarrow X = A^{-1}C

  1. XA=CXA = C,其解为 X=CA−1X = CA^{-1}。 证:XAA−1=CA−1⇒X=CA−1XAA^{-1} = CA^{-1} \Rightarrow X = CA^{-1}

  1. AXB=CAXB = C,其解为 X=A−1CB−1X = A^{-1}CB^{-1}。 证:A−1AXBB−1=A−1CB−1⇒X=A−1CB−1A^{-1}AXB B^{-1} = A^{-1}CB^{-1} \Rightarrow X = A^{-1}CB^{-1}

2.9 矩阵的初等变换#

定义#

矩阵初等变换分为:行变换和列变换。

初等行变换:

  1. 交换矩阵的两行;
  2. 用数 k≠0k \neq 0 乘矩阵某一行的所有元素;
  3. 把矩阵某一行所有元素的 ll 倍加到另一行对应的元素上去。

标准形矩阵:元素只有 11 和 00 组成,且矩阵左上角是单位矩阵,其余元素全为 00。 例:

(100001000000),(100010000),(1001)\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&0&0\end{pmatrix}, \quad \begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&0\end{pmatrix}, \quad \begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}

定理:任何矩阵都能通过初等变换化为标准型矩阵,此矩阵称为矩阵的标准形。

行阶梯形矩阵#

  1. 定义:若矩阵满足以下条件,则称为行阶梯形矩阵:
    • 若矩阵存在零行,则零行都在非零行的下方;
    • 任一非零行从左到右第一个非零元素(非零首元)所在的列中,该元素左下方的元素全为零。

  1. 行简化阶梯形矩阵:行阶梯形矩阵的非零首元均为 11,且非零首元所在列的其他元素全为零。

  1. 例子: (−103020005),(120000100001)\begin{pmatrix} -1 & 0 & 3 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 5 \end{pmatrix}, \quad \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

  1. 定理:任何矩阵都可通过初等行变换化为唯一的行阶梯形矩阵;再通过初等行变换化为唯一的行简化阶梯形矩阵;最终可通过初等列变换化为唯一的标准形矩阵,其中“11”的个数等于矩阵的秩 r(A)r(A)。

2.10 初等矩阵#

定义#

由单位矩阵 EE 经过一次初等行(列)变换得到的矩阵,称为初等矩阵,分为三类:

  • 交换 EE 的第 i,ji,j 两行(列),得到 E(i,j)E(i,j);
  • 用非零数 kk 乘 EE 的第 ii 行(列),得到 E(i(k))E(i(k));
  • 把 EE 的第 jj 行的 ll 倍加到第 ii 行,得到 E(i,j(l))E(i,j(l))。

性质#

  • 行列式非零:∣E(i,j)∣=−1|E(i,j)| = -1,∣E(i(k))∣=k|E(i(k))| = k,∣E(i,j(l))∣=1|E(i,j(l))| = 1
  • 转置仍为同类型初等矩阵:E(i,j)T=E(i,j)E(i,j)^T = E(i,j),E(i(k))T=E(i(k))E(i(k))^T = E(i(k)),E(i,j(l))T=E(j,i(l))E(i,j(l))^T = E(j,i(l))
  • 可逆,且逆矩阵仍为同类型初等矩阵:E(i,j)−1=E(i,j)E(i,j)^{-1} = E(i,j),E(i(k))−1=E(i(1/k))E(i(k))^{-1} = E(i(1/k)),E(i,j(l))−1=E(i,j(−l))E(i,j(l))^{-1} = E(i,j(-l))

初等矩阵与矩阵初等变换的关系#

设 AA 为 m×nm×n 矩阵,则:

  1. 对 AA 进行一次初等行变换得到的矩阵,等于用同类型的 mm 阶初等矩阵左乘 AA;
  2. 对 AA 进行一次初等列变换得到的矩阵,等于用同类型的 nn 阶初等矩阵右乘 AA。(左乘对应行变换,右乘对应列变换)

2.11 矩阵的等价#

定义#

若矩阵 AA 可经过有限次初等变换化为矩阵 BB,则称 AA 与 BB 等价,记作 A≅BA \cong B。 A≅B  ⟺  A→BA \cong B \iff A \to B。

矩阵等价的性质#

矩阵的等价具有下列性质:

  1. 反身性:对任何矩阵 AA,都有 A≅AA \cong A;
  2. 对等称性:若矩阵 A≅BA \cong B,则 B≅AB \cong A;
  3. 传递性:若矩阵 A≅BA \cong B,B≅CB \cong C,则 A≅CA \cong C。

矩阵等价的有关结论#

  1. 任意一个矩阵 Am×nA_{m×n} 都和其标准形矩阵
D=(1⋱10⋱0)m×nD=\begin{pmatrix} 1 & & & & \\ & \ddots & & & \\ & & 1 & & \\ & & & 0 & \\ & & & & \ddots \\ & & & & & 0 \end{pmatrix}_{m×n}

等价。#

  1. 矩阵 A≅BA \cong B 的充要条件是存在一系列初等矩阵 P1,P2,…,Ps,Q1,Q2,…,QtP_1, P_2, \dots, P_s, Q_1, Q_2, \dots, Q_t,使
Ps⋯P2P1AQ1Q2⋯Qt=BP_s \cdots P_2 P_1 A Q_1 Q_2 \cdots Q_t = B
  1. 矩阵 A≅BA \cong B 的充要条件是存在可逆矩阵 P,QP,Q,使 PAQ=BPAQ=B。

  1. 若矩阵 A≅BA \cong B,则 AA 与 BB 的标准形相同。

  1. 若矩阵 A≅BA \cong B,则 AA 与 BB 的秩相等,即 r(A)=r(B)r(A)=r(B)。

  1. 若 A,BA,B 为同型矩阵,则 A≅BA \cong B 的充要条件是 r(A)=r(B)r(A)=r(B)。

  1. 若 A,BA, B 为同阶方阵,且 A≅BA \cong B,则 ∣A∣=k∣B∣|A| = k|B|(k≠0k \neq 0。

  1. 若 A,BA, B 为同阶方阵,且 A≅BA \cong B,则 A,BA, B 同时可逆,或同时不可逆。

  1. 设 AA 为 nn 阶方阵,则 AA 可逆的充要条件为 A≅EA \cong E。

  1. 设 AA 为方阵,则 AA 可逆的充要条件是 AA 可以表示为有限个初等矩阵的乘积。

2.12 初等变换法求逆矩阵#

具体步骤#

  1. 第一步:利用矩阵 AA 和同阶单位矩阵 EE,作 n×2nn \times 2n 的矩阵 (A⋮E)(A \vdots E);

  1. 第二步:对 (A⋮E)(A \vdots E) 进行初等行变换,将其化为行简化阶梯形矩阵: (A⋮E)→行(B⋮D)(A \vdots E) \xrightarrow{\text{行}} (B \vdots D) (注:只能进行行变换) 其中,(B⋮D)(B \vdots D) 为行简化阶梯形矩阵,此时相应的有 A→行BA \xrightarrow{\text{行}} B,E→行DE \xrightarrow{\text{行}} D;

  1. 第三步:判定得结论: {若 B=E, 则 A 可逆,且 A−1=D;若 B≠E, 则 A 不可逆.\begin{cases} \text{若 } B=E, \text{ 则 } A \text{ 可逆,且 } A^{-1}=D; \\ \text{若 } B \neq E, \text{ 则 } A \text{ 不可逆.} \end{cases}

示例#

求矩阵 A=(123221343)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 2 & 1 \\ 3 & 4 & 3 \end{pmatrix} 的逆矩阵。

构造增广矩阵:

(A∣E)=(123100221010343001)(A \mid E) = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 2 & 2 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ 3 & 4 & 3 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

进行初等行变换:

  • r2−2r1r_2 - 2r_1,r3−3r1r_3 - 3r_1:
(1231000−2−5−2100−2−6−301)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & -5 & -2 & 1 & 0 \\ 0 & -2 & -6 & -3 & 0 & 1 \end{pmatrix}
  • r3−r2r_3 - r_2:
(1231000−2−5−21000−1−1−11)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & -5 & -2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & -1 & -1 & 1 \end{pmatrix}
  • r3×(−1)r_3 \times (-1):
(1231000−2−5−21000111−1)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & -5 & -2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & -1 \end{pmatrix}
  • r2+5r3r_2 + 5r_3,r1−3r3r_1 - 3r_3:
(120−2−330−2036−500111−1)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & -2 & -3 & 3 \\ 0 & -2 & 0 & 3 & 6 & -5 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & -1 \end{pmatrix}
  • r2×(−12)r_2 \times (-\frac{1}{2}):
(120−2−33010−32−35200111−1)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & -2 & -3 & 3 \\ 0 & 1 & 0 & -\frac{3}{2} & -3 & \frac{5}{2} \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & -1 \end{pmatrix}
  • r1−2r2r_1 - 2r_2:
(10013−2010−32−35200111−1)\begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 & 3 & -2 \\ 0 & 1 & 0 & -\frac{3}{2} & -3 & \frac{5}{2} \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & -1 \end{pmatrix}

因此,A−1=(13−2−32−35211−1)A^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & 3 & -2 \\ -\frac{3}{2} & -3 & \frac{5}{2} \\ 1 & 1 & -1 \end{pmatrix}。

初等变换法解矩阵方程#

设 AA 为 nn 阶可逆矩阵,求解矩阵方程 AX=BAX=B,有下列两种方法:

  1. 方法一:先求出 A−1A^{-1},然后求 X=A−1BX=A^{-1}B 即可。

  1. 方法二(初等变换法):只适用于方程 AX=BAX=B。 对矩阵 (A⋮B)(A \vdots B) 进行初等行变换,将其化为如下形式: (A⋮B)→行(E⋮C)(A \vdots B) \xrightarrow{\text{行}} (E \vdots C) (注:只能进行行变换) 则 X=CX=C。 即将 AA 对应的左边子块化为单位矩阵 EE 时,BB 对应的右边子块化出的矩阵 CC 即为所求的矩阵 XX。

  1. 对于 AX=BAX=B,需要构建2n * n的矩阵,把 AA 和 BB 放在矩阵的上边和下边,然后对矩阵进行初等列变换,直到 AA 变化为单位矩阵 EE。

2.13 分块矩阵#

  1. 将 AA 进行如下分块:
A=(120∣−130−11∣21015∣−22134∣06)A= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & \bigm| & -1 & 3 \\ 0 & -1 & 1 & \bigm| & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 5 & \bigm| & -2 & 2 \\ \hline 1 & 3 & 4 & \bigm| & 0 & 6 \end{pmatrix}

于是 AA 成为分块矩阵:

A=(A11A12A21A22A31A32)A= \begin{pmatrix} A_{11} & A_{12} \\ A_{21} & A_{22} \\ A_{31} & A_{32} \end{pmatrix}
  1. 将 AA 按行分块,可得
A=(120−130−1121015−2213406)=(α1α2α3α4)A= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 & 3 \\ 0 & -1 & 1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 5 & -2 & 2 \\ 1 & 3 & 4 & 0 & 6 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \alpha_1 \\ \alpha_2 \\ \alpha_3 \\ \alpha_4 \end{pmatrix}

其中

α1=(1 2 0 −1 3),α2=(0 −1 1 2 1),\alpha_1=(1\ 2\ 0\ -1\ 3),\quad \alpha_2=(0\ -1\ 1\ 2\ 1),α3=(0 1 5 −2 2),α4=(1 3 4 0 6).\alpha_3=(0\ 1\ 5\ -2\ 2),\quad \alpha_4=(1\ 3\ 4\ 0\ 6).

α1,α2,α3,α4\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,\alpha_4 也叫 AA 的行向量组。


  1. 将 AA 按列分块,可得:
A=(120−130−1121015−2213406)=(β1 β2 β3 β4 β5)A= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & -1 & 3 \\ 0 & -1 & 1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 5 & -2 & 2 \\ 1 & 3 & 4 & 0 & 6 \end{pmatrix} = (\beta_1\ \beta_2\ \beta_3\ \beta_4\ \beta_5)

其中

β1=(1001), β2=(2−113), β3=(0154), β4=(−12−20), β5=(3126)\beta_1= \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix},\ \beta_2= \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix},\ \beta_3= \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 5 \\ 4 \end{pmatrix},\ \beta_4= \begin{pmatrix} -1 \\ 2 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix},\ \beta_5= \begin{pmatrix} 3 \\ 1 \\ 2 \\ 6 \end{pmatrix}

β1,β2,β3,β4,β5\beta_1,\beta_2,\beta_3,\beta_4,\beta_5 也叫 AA 的列向量组。

将矩阵分块是为了简化计算,具体如何分块,要根据具体情况而定。

1.特殊的分块矩阵#

  1. 上三角形分块矩阵:形如 (A1∗…∗A2…∗⋱⋮Ak)\begin{pmatrix} A_1 & * & \dots & * \\ & A_2 & \dots & * \\ & & \ddots & \vdots \\ & & & A_k \end{pmatrix} 的分块方阵,其中 A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k 为方阵。

  1. 下三角形分块矩阵:形如

    (A1∗A2⋮⋮⋱∗∗…Ak)\begin{pmatrix} A_1 & & & \\ * & A_2 & & \\ \vdots & \vdots & \ddots & \\ * & * & \dots & A_k \end{pmatrix}

    的分块方阵,其中 A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k 均为方阵。


  1. 对角形分块矩阵:形如 (A1A2⋱Ak)\begin{pmatrix} A_1 & & & \\ & A_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_k \end{pmatrix} 的分块方阵,其中 A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k 均为方阵。

2.分块矩阵的运算#

  1. 分块矩阵的加法与数乘 设矩阵 Am×nA_{m\times n}、Bm×nB_{m\times n} 按同一方式分块:
A=(A11A12…A1tA21A22…A2t⋮⋮⋮As1As2…Ast),B=(B11B12…B1tB21B22…B2t⋮⋮⋮Bs1Bs2…Bst)A = \begin{pmatrix} A_{11} & A_{12} & \dots & A_{1t} \\ A_{21} & A_{22} & \dots & A_{2t} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ A_{s1} & A_{s2} & \dots & A_{st} \end{pmatrix},\quad B = \begin{pmatrix} B_{11} & B_{12} & \dots & B_{1t} \\ B_{21} & B_{22} & \dots & B_{2t} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ B_{s1} & B_{s2} & \dots & B_{st} \end{pmatrix}

则

A+B=(A11+B11A12+B12…A1t+B1tA21+B21A22+B22…A2t+B2t⋯⋯⋯⋯As1+Bs1As2+Bs2…Ast+Bst)A+B= \begin{pmatrix} A_{11}+B_{11} & A_{12}+B_{12} & \dots & A_{1t}+B_{1t} \\ A_{21}+B_{21} & A_{22}+B_{22} & \dots & A_{2t}+B_{2t} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ A_{s1}+B_{s1} & A_{s2}+B_{s2} & \dots & A_{st}+B_{st} \end{pmatrix}

设矩阵 AA 按分块形式表示为

A=(A11A12…A1tA21A22…A2t⋮⋮⋮As1As2…Ast)A= \begin{pmatrix} A_{11} & A_{12} & \dots & A_{1t} \\ A_{21} & A_{22} & \dots & A_{2t} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ A_{s1} & A_{s2} & \dots & A_{st} \end{pmatrix}

则 kAkA 的分块形式为

kA=(kA11kA12…kA1tkA21kA22…kA2t⋮⋮⋮kAs1kAs2…kAst)kA= \begin{pmatrix} kA_{11} & kA_{12} & \dots & kA_{1t} \\ kA_{21} & kA_{22} & \dots & kA_{2t} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ kA_{s1} & kA_{s2} & \dots & kA_{st} \end{pmatrix}
  1. 分块矩阵的乘法 设矩阵 Am×lA_{m\times l}、Bl×nB_{l\times n},把 AA、BB 分块,使 AA 的列分块和 BB 的行分块相同:
A=(A11A12…A1tA21A22…A2t⋮⋮⋮As1As2…Ast),B=(B11B12…B1rB21B22…B2r⋮⋮⋮Bt1Bt2…Btr)A = \begin{pmatrix} A_{11} & A_{12} & \dots & A_{1t} \\ A_{21} & A_{22} & \dots & A_{2t} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ A_{s1} & A_{s2} & \dots & A_{st} \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} B_{11} & B_{12} & \dots & B_{1r} \\ B_{21} & B_{22} & \dots & B_{2r} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ B_{t1} & B_{t2} & \dots & B_{tr} \end{pmatrix}

设分块矩阵:

A=(A1A2A3A4A5A6),B=(B1B2B3B4B5B6)A= \begin{pmatrix} A_1 & A_2 & A_3 \\ A_4 & A_5 & A_6 \end{pmatrix},\quad B= \begin{pmatrix} B_1 & B_2 \\ B_3 & B_4 \\ B_5 & B_6 \end{pmatrix}

则分块乘法结果为:

AB=(A1B1+A2B3+A3B5A1B2+A2B4+A3B6A4B1+A5B3+A6B5A4B2+A5B4+A6B6)AB= \begin{pmatrix} A_1B_1+A_2B_3+A_3B_5 & A_1B_2+A_2B_4+A_3B_6 \\ A_4B_1+A_5B_3+A_6B_5 & A_4B_2+A_5B_4+A_6B_6 \end{pmatrix}

分块矩阵乘法的前提条件: 矩阵 AA 的列分法与矩阵 BB 的行分法必须完全相同,即 AA 的列数与 BB 的行数相同,且分块的方式一致,以保证子块之间可以进行矩阵乘法运算。


特别地,若 A,BA,B 是同阶对角形分块矩阵,且分块方式相同:

A=(A1A2⋱Ak),B=(B1B2⋱Bk)A = \begin{pmatrix} A_1 & & & \\ & A_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_k \end{pmatrix},\quad B = \begin{pmatrix} B_1 & & & \\ & B_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & B_k \end{pmatrix}

则

AB=(A1B1A2B2⋱AkBk),Am=(A1mA2m⋱Akm)AB = \begin{pmatrix} A_1B_1 & & & \\ & A_2B_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_kB_k \end{pmatrix},\quad A^m = \begin{pmatrix} A_1^m & & & \\ & A_2^m & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_k^m \end{pmatrix}

3.分块矩阵的转置#

设分块矩阵

A=(A1A2A3A4)A= \begin{pmatrix} A_1 & A_2 \\ A_3 & A_4 \end{pmatrix}

则其转置为

AT=(A1TA3TA2TA4T)A^T= \begin{pmatrix} A_1^T & A_3^T \\ A_2^T & A_4^T \end{pmatrix}

分块矩阵转置的两步法:

  1. 整体转置:将子块视为普通元素,对分块矩阵整体进行转置(交换行和列)。
  2. 子块转置:对每个子块分别求其转置。

4.分块矩阵的逆矩阵#

  1. 设 A,BA, B 为方阵,则上三角分块矩阵 (ACOB)\begin{pmatrix} A & C \\ O & B \end{pmatrix} 可逆的充要条件是 A,BA, B 都可逆,且其逆矩阵为:
(ACOB)−1=(A−1−A−1CB−1OB−1)\begin{pmatrix} A & C \\ O & B \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & -A^{-1}CB^{-1} \\ O & B^{-1} \end{pmatrix}
  1. 设 A,BA, B 为方阵,则下三角分块矩阵 (AOCB)\begin{pmatrix} A & O \\ C & B \end{pmatrix} 可逆的充要条件是 A,BA, B 都可逆,且其逆矩阵为:
(AOCB)−1=(A−1O−B−1CA−1B−1)\begin{pmatrix} A & O \\ C & B \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & O \\ -B^{-1}CA^{-1} & B^{-1} \end{pmatrix}
  1. 设 A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k 为方阵,则对角分块矩阵
(A1A2⋱Ak)\begin{pmatrix} A_1 & & & \\ & A_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_k \end{pmatrix}

可逆的充要条件是 A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k 都可逆,且其逆矩阵为:

(A1A2⋱Ak)−1=(A1−1A2−1⋱Ak−1)\begin{pmatrix} A_1 & & & \\ & A_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_k \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A_1^{-1} & & & \\ & A_2^{-1} & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_k^{-1} \end{pmatrix}
  1. 设 A=(BC)A = \begin{pmatrix} & B \\ C & \end{pmatrix},其中 B,CB, C 为方阵且均可逆,则其逆矩阵为:
A−1=(C−1B−1)A^{-1} = \begin{pmatrix} & C^{-1} \\ B^{-1} & \end{pmatrix}
  1. 设 A,B,CA,B,C 均为可逆方阵,则分块对角矩阵的逆矩阵满足:
(ABC)−1=(A−1B−1C−1)\begin{pmatrix} A & & \\ & B & \\ & & C \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & & \\ & B^{-1} & \\ & & C^{-1} \end{pmatrix}
  1. 设 A,B,CA,B,C 均为可逆方阵,则反对角分块矩阵的逆矩阵为:
(ABC)−1=(C−1B−1A−1)\begin{pmatrix} & & A \\ & B & \\ C & & \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} & & C^{-1} \\ & B^{-1} & \\ A^{-1} & & \end{pmatrix}

该结论是反对角分块矩阵求逆的通用形式,核心规律是:

  1. 每个子块取自身的逆;
  2. 逆矩阵中的子块位置与原矩阵呈中心对称。

5.分块矩阵的行列式#

分块三角矩阵的行列式性质#

一.若 A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k 均为方阵,则:

  1. 上三角分块矩阵:

    ∣A1∗…∗A2…∗⋱⋮Ak∣=∣A1∣⋅∣A2∣⋅⋯⋅∣Ak∣\begin{vmatrix} A_1 & * & \dots & * \\ & A_2 & \dots & * \\ & & \ddots & \vdots \\ & & & A_k \end{vmatrix} = |A_1| \cdot |A_2| \cdot \dots \cdot |A_k|
  2. 下三角分块矩阵:

    ∣A1∗A2⋮⋮⋱∗∗…Ak∣=∣A1∣⋅∣A2∣⋅⋯⋅∣Ak∣\begin{vmatrix} A_1 & & & \\ * & A_2 & & \\ \vdots & \vdots & \ddots & \\ * & * & \dots & A_k \end{vmatrix} = |A_1| \cdot |A_2| \cdot \dots \cdot |A_k|
  3. 对角分块矩阵的行列式性质:

若 A1,A2,…,AkA_1, A_2, \dots, A_k 均为方阵,则:

∣A1A2⋱Ak∣=∣A1∣⋅∣A2∣⋅⋯⋅∣Ak∣\begin{vmatrix} A_1 & & & \\ & A_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & A_k \end{vmatrix} = |A_1| \cdot |A_2| \cdot \dots \cdot |A_k|

二.若 AA 为 mm 阶方阵,BB 为 nn 阶方阵,则:

∣(OABC)∣=(−1)mn∣A∣⋅∣B∣\left|\begin{pmatrix} O & A \\ B & C \end{pmatrix}\right| = (-1)^{mn} |A| \cdot |B|∣(CABO)∣=(−1)mn∣A∣⋅∣B∣\left|\begin{pmatrix} C & A \\ B & O \end{pmatrix}\right| = (-1)^{mn} |A| \cdot |B|∣(OABO)∣=(−1)mn∣A∣⋅∣B∣\left|\begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}\right| = (-1)^{mn} |A| \cdot |B|

2.14 矩阵的秩#

  1. 矩阵的子式: 设矩阵 A=(aij)m×nA=(a_{ij})_{m\times n},在 AA 中任取 kk 行 kk 列(k≤min⁡(m,n)k\le\min(m,n)),位于这些行列交叉点处的 k2k^2 个元素,按原位置不变得到的 kk 阶行列式,称为矩阵 AA 的一个 kk 阶子式。

  2. 矩阵的秩:矩阵 AA 中非零子式的最高阶数,称为矩阵 AA 的秩,记作 r(A)r(A)。

例如:

A=(01200000105−3)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 5 & -3 \end{pmatrix}

子式分析#

  1. 1阶子式:存在非零值,如 ∣1∣=1|1|=1、∣2∣|2|、∣0∣|0| 等,说明矩阵至少存在1阶非零子式。
  2. 2阶子式:存在非零值,如 ∣0110∣=−1\begin{vmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{vmatrix}=-1,说明矩阵至少存在2阶非零子式。
  3. 3阶子式:所有3阶子式的值均为0,如 ∣012000105∣=0\begin{vmatrix} 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 5 \end{vmatrix}=0,说明矩阵不存在3阶非零子式。

根据矩阵秩的定义,该矩阵的秩为2。


注:

  1. 零矩阵没有非零子式,规定零矩阵的秩为零。
  2. 若 A≠OA \neq O,则 r(A)≥1r(A) \ge 1。
  3. 对任意矩阵 Am×nA_{m \times n},有 0≤r(A)≤min⁡(m,n)0 \le r(A) \le \min(m,n)。

满秩矩阵与降秩矩阵#

定义 2.15: 设 AA 为 m×nm \times n 矩阵,若 r(A)=min⁡(m,n)r(A) = \min(m,n),称 AA 为满秩矩阵。

  • 若 r(A)=mr(A) = m,称 AA 为行满秩矩阵;
  • 若 r(A)=nr(A) = n,称 AA 为列满秩矩阵。

若 r(A)<min⁡(m,n)r(A) < \min(m,n),称 AA 为降秩矩阵。


特别地,若 AA 为 nn 阶方阵:

  • 若 r(A)=nr(A) = n,称 AA 为满秩矩阵;
  • 若 r(A)<nr(A) < n,称 AA 为降秩矩阵。

由定义可知:若 AA 为 nn 阶方阵,则

  • AA 满秩   ⟺  r(A)=n  ⟺  ∣A∣≠0  ⟺  A\iff r(A)=n \iff |A| \neq 0 \iff A 可逆   ⟺  A\iff A 非奇异;
  • AA 降秩   ⟺  r(A)<n  ⟺  ∣A∣=0  ⟺  A\iff r(A)<n \iff |A| = 0 \iff A 不可逆   ⟺  A\iff A 奇异。

矩阵秩的性质#

  1. r(A)=r(r>0)  ⟺  r(A)=r(r>0) \iff 矩阵 AA 中至少有一个 rr 阶子式不等于零,而所有的 r+1r+1 阶子式全等于零(或根本没有 r+1r+1 阶子式)。

  1. r(A)≥r  ⟺  r(A) \ge r \iff 矩阵 AA 中至少有一个 rr 阶子式不等于零。

  1. r(A)<r  ⟺  r(A) < r \iff 矩阵 AA 中所有 rr 阶子式全等于零。

  1. r(A)=r(AT)r(A)=r(A^T),r(A)=r(−A)r(A)=r(-A),r(kA)=r(A) (k≠0)r(kA)=r(A)\ (k\neq 0)。

  1. r(A)=0  ⟺  A=Or(A)=0\iff A=O,r(A)≥1  ⟺  A≠Or(A)\ge 1\iff A\neq O。

  1. 若 A≠OA \neq O,则 AA 的任意两行(列)元素对应成比例   ⟺  r(A)=1\iff r(A)=1。

  1. 若 AA 为行阶梯形矩阵,则 r(A)r(A) 等于 AA 中非零行的行数。

  1. 初等变换不改变矩阵的秩。即若 A≅BA \cong B,则 r(A)=r(B)r(A)=r(B)。

  1. 若 A,BA, B 为同型矩阵,则 A≅B  ⟺  r(A)=r(B)A \cong B \iff r(A)=r(B)。

  1. 若 AA 的标准形为 D=(1⋱10⋱0)D=\begin{pmatrix}1&&&&\\&\ddots&&&\\&&1&&\\&&&0&\\&&&&\ddots\\&&&&&0\end{pmatrix},则 r(A)r(A) 等于 DD 中1的个数。

  1. 若 A,BA,B 同为 m×nm \times n 矩阵,则 r(A±B)≤r(A)+r(B)r(A \pm B) \le r(A) + r(B)。

  1. 若 AA 为 m×nm\times n 矩阵,BB 为 n×sn\times s 矩阵,则
r(A)+r(B)−n≤r(AB)≤min⁡(r(A),r(B)).r(A)+r(B)-n\le r(AB)\le \min(r(A), r(B)).
  1. 若 AA 为 m×nm\times n 矩阵,BB 为 n×sn\times s 矩阵,且 AB=OAB=O,则
r(A)+r(B)≤n.r(A)+r(B)\le n.
r(ATA)=r(AAT)=r(A)=r(AT).r(A^T A)=r(AA^T)=r(A)=r(A^T).
  1. 若 AA 为可逆方阵,则
r(AB)=r(B),r(CA)=r(C).r(AB)=r(B),\quad r(CA)=r(C).

(16)若 AA 为 nn 阶方阵(n≥2n\ge2),A∗A^* 为 AA 的伴随矩阵,则:

r(A∗)={n,r(A)=n;1,r(A)=n−1;0,r(A)<n−1.r(A^*)= \begin{cases} n, & r(A)=n; \\ 1, & r(A)=n-1; \\ 0, & r(A)<n-1. \end{cases}

矩阵秩的求法#

  1. 定义法 若矩阵 AA 中有不等于零的 rr 阶子式,而所有的 r+1r+1 阶子式全都等于零(或根本没有 r+1r+1 阶子式),则 r(A)=rr(A)=r。

  1. 初等变换法 利用矩阵的初等行变换,将矩阵化为行阶梯形矩阵,行阶梯形矩阵的非零行的行数即为矩阵的秩。

  1. 行列式法 若 AA 为 nn 阶方阵,通过计算行列式 ∣A∣|A| 来判断秩:
  • 若 ∣A∣≠0|A| \neq 0,则 r(A)=nr(A)=n(矩阵满秩);
  • 若 ∣A∣=0|A| = 0,则 r(A)<nr(A)<n(矩阵降秩)。

第三部分:向量#


3.1 向量的概念与线性运算#

向量的概念#

  1. 零向量:所有分量全为零的向量,记为 0\boldsymbol{0}。

    如: 0=(0,0,…,0)或0=(00⋮0)\boldsymbol{0} = (0, 0, \dots, 0) \quad \text{或} \quad \boldsymbol{0} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ \vdots \\ 0 \end{pmatrix}


  1. 负向量:将每个分量都取相反数得到的向量。

    向量 α=(a1,a2,…,an)\boldsymbol{\alpha}=(a_1, a_2, \dots, a_n) 的负向量为 −α=(−a1,−a2,…,−an)-\boldsymbol{\alpha}=(-a_1, -a_2, \dots, -a_n)。

    向量 β=(b1b2⋮bm)\boldsymbol{\beta} = \begin{pmatrix} b_1 \\ b_2 \\ \vdots \\ b_m \end{pmatrix} 的负向量为 −β=(−b1−b2⋮−bm)-\boldsymbol{\beta} = \begin{pmatrix} -b_1 \\ -b_2 \\ \vdots \\ -b_m \end{pmatrix}。


  1. 向量的转置:按矩阵的转置来求。

  1. 向量的相等:两个同种类型的向量相等 ⇔\Leftrightarrow 相同位置的分量对应相等。

如:设向量 α=(a1,a2,…,an)\boldsymbol{\alpha}=(a_1, a_2, \dots, a_n),β=(b1,b2,…,bn)\boldsymbol{\beta}=(b_1, b_2, \dots, b_n),则 α=β⇔a1=b1, a2=b2, …, an=bn\boldsymbol{\alpha}=\boldsymbol{\beta} \Leftrightarrow a_1=b_1,\ a_2=b_2,\ \dots,\ a_n=b_n


向量的线性运算#

1. 向量的加法与减法

定义 3.2:设两个 nn 维向量 α=(a1,a2,…,an)\boldsymbol{\alpha}=(a_1, a_2, \dots, a_n),β=(b1,b2,…,bn)\boldsymbol{\beta}=(b_1, b_2, \dots, b_n),

  • 向量加法定义为: α+β=(a1+b1, a2+b2, …, an+bn)\boldsymbol{\alpha} + \boldsymbol{\beta} = (a_1+b_1,\ a_2+b_2,\ \dots,\ a_n+b_n) (对应分量相加)

  • 借助负向量和加法,定义向量的减法: α−β=α+(−β)=(a1−b1, a2−b2, …, an−bn)\boldsymbol{\alpha} - \boldsymbol{\beta} = \boldsymbol{\alpha} + (-\boldsymbol{\beta}) = (a_1-b_1,\ a_2-b_2,\ \dots,\ a_n-b_n)


2. 向量的数乘(定义3.3)

设向量 α=(a1,a2,…,an)\boldsymbol{\alpha}=(a_1, a_2, \dots, a_n),kk 是一个常数。数 kk 与向量 α\boldsymbol{\alpha} 的乘法(简称数乘)定义为: kα=(ka1, ka2, …, kan)k\boldsymbol{\alpha}=(ka_1,\ ka_2,\ \dots,\ ka_n) (每个分量都乘 kk)

示例: 5(123)=(51015)5\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 5 \\ 10 \\ 15 \end{pmatrix} (该运算可用于提公因子)


3. 向量的运算律

  1. 交换律:α+β=β+α\boldsymbol{\alpha} + \boldsymbol{\beta} = \boldsymbol{\beta} + \boldsymbol{\alpha}

  1. 结合律:(α+β)+γ=α+(β+γ)(\boldsymbol{\alpha} + \boldsymbol{\beta}) + \boldsymbol{\gamma} = \boldsymbol{\alpha} + (\boldsymbol{\beta} + \boldsymbol{\gamma})

  1. 零向量性质:α+0=0+α=α\boldsymbol{\alpha} + \boldsymbol{0} = \boldsymbol{0} + \boldsymbol{\alpha} = \boldsymbol{\alpha}(其中 0\boldsymbol{0} 为同型的 nn 维零向量)

  1. 负向量性质:α+(−α)=(−α)+α=0\boldsymbol{\alpha} + (-\boldsymbol{\alpha}) = (-\boldsymbol{\alpha}) + \boldsymbol{\alpha} = \boldsymbol{0}(其中 0\boldsymbol{0} 为同型的 nn 维零向量)

  1. 1⋅α=α1 \cdot \boldsymbol{\alpha} = \boldsymbol{\alpha}

  1. (kl)α=k(lα)=l(kα)(kl)\boldsymbol{\alpha} = k(l\boldsymbol{\alpha}) = l(k\boldsymbol{\alpha})

  1. k(α+β)=kα+kβk(\boldsymbol{\alpha} + \boldsymbol{\beta}) = k\boldsymbol{\alpha} + k\boldsymbol{\beta}

  1. (k+l)α=kα+lα(k+l)\boldsymbol{\alpha} = k\boldsymbol{\alpha} + l\boldsymbol{\alpha}

并且还可以推出:

(i) α+β=γ  ⟺  α=γ−β  ⟺  β=γ−α\boldsymbol{\alpha} + \boldsymbol{\beta} = \boldsymbol{\gamma} \iff \boldsymbol{\alpha} = \boldsymbol{\gamma} - \boldsymbol{\beta} \iff \boldsymbol{\beta} = \boldsymbol{\gamma} - \boldsymbol{\alpha}

(ii) kα=0  ⟺  k=0k\boldsymbol{\alpha} = \boldsymbol{0} \iff k=0 或 α=0\boldsymbol{\alpha} = \boldsymbol{0}(kk 为实数,α\boldsymbol{\alpha} 为向量)。


3.2 向量的线性组合与线性表示#

定义 3.4

设 α1,α2,…,αm\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \dots, \boldsymbol{\alpha}_m 是一组 nn 维向量,k1,k2,…,kmk_1, k_2, \dots, k_m 是一组常数,则称 k1α1+k2α2+⋯+kmαmk_1\boldsymbol{\alpha}_1 + k_2\boldsymbol{\alpha}_2 + \dots + k_m\boldsymbol{\alpha}_m 为向量组 α1,α2,…,αm\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \dots, \boldsymbol{\alpha}_m 的一个线性组合,其中 k1,k2,…,kmk_1, k_2, \dots, k_m 称为组合系数。


定义 3.5

设 β,α1,α2,…,αm\boldsymbol{\beta}, \boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \dots, \boldsymbol{\alpha}_m 是 nn 维向量,若存在常数 k1,k2,…,kmk_1, k_2, \dots, k_m,使关系式 β=k1α1+k2α2+⋯+kmαm\boldsymbol{\beta} = k_1\boldsymbol{\alpha}_1 + k_2\boldsymbol{\alpha}_2 + \dots + k_m\boldsymbol{\alpha}_m 成立,则称 β\boldsymbol{\beta} 是向量组 α1,α2,…,αm\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \dots, \boldsymbol{\alpha}_m 的线性组合,也称 β\boldsymbol{\beta} 可由向量组 α1,α2,…,αm\boldsymbol{\alpha}_1, \boldsymbol{\alpha}_2, \dots, \boldsymbol{\alpha}_m 线性表示。称 k1,k2,…,kmk_1, k_2, \dots, k_m 为组合系数。


β 可由 α₁, …, αₛ 表示Ax=β 方程组
可以表示有解
不可以表示无解
可以唯一地表示唯一解
可以表示,不唯一无穷多解

有关向量的线性组合与线性表示的结论:

  1. 零向量是任意向量组的线性组合。
  2. 向量组 α1,α2,…,αn\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n 中任一向量 αi\alpha_i(1≤i≤n1 \le i \le n)均可由本向量组线性表示。
  3. 任一nn维向量α=(a1,a2,…,an)\alpha=(a_1,a_2,\dots,a_n)都可由nn维基本单位向量组ε1=(1,0,0,…,0)\varepsilon_1=(1,0,0,\dots,0),ε2=(0,1,0,…,0)\varepsilon_2=(0,1,0,\dots,0),…,εn=(0,0,0,…,1)\varepsilon_n=(0,0,0,\dots,1)线性表示,且表示法唯一。

即有 α=a1ε1+a2ε2+⋯+anεn\alpha = a_1\varepsilon_1 + a_2\varepsilon_2 + \dots + a_n\varepsilon_n

组合系数即为α\alpha的分量。

3.3 向量组的线性相关性#

定义 3.7

给定向量组 α1,α2,…,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n,如果存在不全为零的数 k1,k2,…,knk_1,k_2,\dots,k_n,使 k_1\alpha_1 + k_2\alpha_2 + \dots + k_n\alpha_n = 0 \tag{*} 则称向量组 α1,α2,…,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n 线性相关,而称 k1,k2,…,knk_1,k_2,\dots,k_n 为一组相关系数。否则,称向量组 α1,α2,…,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n 线性无关。

线性无关的等价表述:

  1. 不存在不全为零的 k1,…,knk_1,\dots,k_n,使 (*) 式成立;
  2. 若 (*) 式成立,则 k1,…,knk_1,\dots,k_n 必全取 00;
  3. 对任意不全为 00 的 k1,…,knk_1,\dots,k_n,都有 k1α1+⋯+knαn≠0k_1\alpha_1 + \dots + k_n\alpha_n \neq 0。

补充:0α1+0α2+⋯+0αm=00\alpha_1 + 0\alpha_2 + \dots + 0\alpha_m = 0


线性相关性性质的结论#

(1):一个向量α\alpha 线性相关   ⟺  α=0\iff \alpha = 0;
一个向量α\alpha 线性无关   ⟺  α≠0\iff \alpha \neq 0。 (2):两个非零向量α\alpha与β\beta线性相关  ⟺  α\iff \alpha与β\beta的分量对应成比例。 (3):如果向量组中有一部分向量(称为部分组)线性相关,则该向量组线性相关。 (4):若向量组线性无关,则其任一部分组也线性无关。 (5):含有零向量的向量组必线性相关。 (6):nn维单位坐标向量组必线性无关。 (7):设rr维向量α1,α2,…,αm\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_m线性无关,β1,β2,…,βm\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_m为α1,α2,…,αm\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_m的r+lr+l维接长向量,则β1,β2,…,βm\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_m线性无关。 (8):设α1,α2,…,αm\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_m是rr维向量,β1,β2,…,βm\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_m是其r+lr+l维接长向量,若β1,β2,…,βm\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_m线性相关,则α1,α2,…,αm\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_m也线性相关。 (9):若向量组中有两个向量成比例,则向量组必线性相关。


3.4 极大线性无关组#

定义#

设向量组 TT 的一个部分组 αi1,αi2,…,αir\alpha_{i_1}, \alpha_{i_2}, \dots, \alpha_{i_r} 满足:

  1. 线性无关:αi1,αi2,…,αir\alpha_{i_1}, \alpha_{i_2}, \dots, \alpha_{i_r} 线性无关;
  2. 极大性:向量组 TT 中任意一个向量都可由 αi1,αi2,…,αir\alpha_{i_1}, \alpha_{i_2}, \dots, \alpha_{i_r} 线性表示。

则称 αi1,αi2,…,αir\alpha_{i_1}, \alpha_{i_2}, \dots, \alpha_{i_r} 是向量组 TT 的一个极大线性无关组。

性质#

(1):向量组与其极大线性无关组等价。
(2):线性无关的向量组,其极大线性无关组为向量组本身。
(3):向量组的极大线性无关组可能不唯一。
(4):向量组和它的任一极大线性无关组等价。
(5):同一向量组的两个极大线性无关组等价,所含向量个数相等。
(6):若向量组(Ⅰ)可由向量组(Ⅱ)线性表示,则向量组(Ⅰ)的极大线性无关组可由向量组(Ⅱ)的极大线性无关组线性表示。
(7):等价的向量组,其极大线性无关组也等价。


极大线性无关组的求法-初等矩阵变换法#

方法原理#

将向量组中的向量作为列向量构成矩阵 AA,对 AA 进行初等行变换化为行阶梯形矩阵。行阶梯形矩阵中非零行的首元(主元)所在的列,对应的原矩阵中的列向量即为向量组的一个极大线性无关组。

核心依据:初等行变换不改变矩阵列向量之间的线性相关性。

具体步骤#

  1. 构造矩阵:设向量组为 α1,α2,…,αs\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_s,构造矩阵 A=(α1,α2,…,αs)A = (\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_s);
  2. 初等行变换:对 AA 进行初等行变换,化为行阶梯形矩阵 BB;
  3. 确定主元列:在 BB 中找出非零行首元所在的列(主元列);
  4. 对应原向量:原矩阵 AA 中与 BB 主元列对应的列向量,构成极大线性无关组。

示例#

求向量组 α1=(1,2,3)T\alpha_1 = (1, 2, 3)^T,α2=(2,4,6)T\alpha_2 = (2, 4, 6)^T,α3=(1,0,1)T\alpha_3 = (1, 0, 1)^T,α4=(3,2,5)T\alpha_4 = (3, 2, 5)^T 的极大线性无关组。

  1. 构造矩阵:
A=(α1,α2,α3,α4)=(121324023615)A = (\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3, \alpha_4) = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & 3 \\ 2 & 4 & 0 & 2 \\ 3 & 6 & 1 & 5 \end{pmatrix}
  1. 初等行变换:
A→r2−2r1,r3−3r1(121300−2−400−2−4)→r3−r2(121300−2−40000)A \xrightarrow{r_2-2r_1, r_3-3r_1} \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & -2 & -4 \\ 0 & 0 & -2 & -4 \end{pmatrix} \xrightarrow{r_3-r_2} \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & -2 & -4 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
  1. 确定主元列:行阶梯形矩阵中,第1列和第3列为主元列(非零行首元所在列)。

  2. 对应原向量:原矩阵中第1列和第3列对应的向量 α1,α3\alpha_1, \alpha_3 是一个极大线性无关组。

向量的线性表示#

若需将其他向量用极大线性无关组表示,可继续将行阶梯形矩阵化为行简化阶梯形矩阵:

(121300−2−40000)→r2×(−12)(121300120000)→r1−r3(120100120000)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & -2 & -4 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \xrightarrow{r_2 \times (-\frac{1}{2})} \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \xrightarrow{r_1-r_3} \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}

由此可得:

  • α2=2α1\alpha_2 = 2\alpha_1(第2列:(2,0,0)T=2(1,0,0)T(2, 0, 0)^T = 2(1, 0, 0)^T)
  • α4=α1+2α3\alpha_4 = \alpha_1 + 2\alpha_3(第4列:(1,2,0)T=1(1,0,0)T+2(0,1,0)T(1, 2, 0)^T = 1(1, 0, 0)^T + 2(0, 1, 0)^T)

注意事项#

  1. 行变换而非列变换:必须使用初等行变换,不能使用初等列变换;
  2. 主元列的选择:不同的初等行变换可能得到不同的主元列位置,但极大线性无关组所含向量个数相同;
  3. 结果验证:可通过验证所选向量组线性无关,且其他向量可由其线性表示来确认正确性;
  4. 行简化阶梯形:化为行简化阶梯形矩阵可直接得到线性表示系数。

定义 3.9 向量组 α1,α2,…,αs\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_s 的任一极大线性无关组所含向量的个数,称为该向量组的秩,记作 r(α1,α2,…,αs)r(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_s)。

规定:零向量组的秩为 00,0≤r(α1,α2,…,αs)≤s0 \le r(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_s) \le s。


相关结论#

  1. 向量组的秩唯一。
  2. 向量组线性无关   ⟺  r(α1,α2,…,αs)=s\iff r(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_s)=s 向量组线性相关   ⟺  r(α1,α2,…,αs)<s\iff r(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_s)<s
  3. 若向量组(Ⅰ)可由向量组(Ⅱ)线性表示,则 r(Ⅰ)≤r(Ⅱ)r(\text{Ⅰ}) \le r(\text{Ⅱ})。
  4. 等价向量组的秩相等。
  5. 向量组的秩 ≤\le 向量个数,向量组的秩 ≤\le 向量维数。
  6. 秩为 rr 的向量组,存在 rr 个线性无关向量,任意 r+1r+1 个向量必线性相关。
  7. 秩为 r(r>0)r(r>0) 的向量组,任意 rr 个线性无关的部分组都是其极大线性无关组。

矩阵的行秩与列秩#

矩阵行向量组的秩称为行秩,列向量组的秩称为列秩。 行秩 == 列秩 =r(A)= r(A)


第四部分:线性方程组#


4.1 线性方程组的表示法#

一般形式#

{a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=b2⋮am1x1+am2x2+⋯+amnxn=bm\begin{cases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 + \dots + a_{1n}x_n = b_1 \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 + \dots + a_{2n}x_n = b_2 \\ \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\vdots \\ a_{m1}x_1 + a_{m2}x_2 + \dots + a_{mn}x_n = b_m \end{cases}
  • mm:方程的个数
  • nn:未知量的个数

矩阵形式#

  • 系数矩阵:
A=(a11a12…a1na21a22…a2n⋮⋮⋮am1am2…amn)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \dots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \dots & a_{mn} \end{pmatrix}
  • 增广矩阵:
A‾=(A,b)=(a11a12…a1nb1a21a22…a2nb2⋮⋮⋮⋮am1am2…amnbm)\overline{A} = (A,b) = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1n} & b_1 \\ a_{21} & a_{22} & \dots & a_{2n} & b_2 \\ \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \dots & a_{mn} & b_m \end{pmatrix}
  • 未知数列向量:
x=(x1x2⋮xn)x = \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_n \end{pmatrix}
  • 常数列向量:
b=(b1b2⋮bm)b = \begin{pmatrix} b_1 \\ b_2 \\ \vdots \\ b_m \end{pmatrix}

分类#

  1. 非齐次线性方程组 常数项 b1,b2,…,bmb_1,b_2,\dots,b_m 不全为零,矩阵形式为: Ax=bAx = b

  2. 齐次线性方程组(导出组) 常数项 b1,b2,…,bmb_1,b_2,\dots,b_m 全为零,即:

    {a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=0a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=0⋮am1x1+am2x2+⋯+amnxn=0\begin{cases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 + \dots + a_{1n}x_n = 0 \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 + \dots + a_{2n}x_n = 0 \\ \quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\vdots \\ a_{m1}x_1 + a_{m2}x_2 + \dots + a_{mn}x_n = 0 \end{cases}

    矩阵形式为: Ax=0Ax = 0


向量形式#

将系数矩阵 AA 按列分块,即 A=(α1,α2,…,αn)A = (\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n),根据向量的线性运算,则非齐次线性方程组(4.1)可以表示为向量形式:

x1α1+x2α2+⋯+xnαn=bx_1\alpha_1 + x_2\alpha_2 + \dots + x_n\alpha_n = b

齐次线性方程组(4.2)的向量形式为:

x1α1+x2α2+⋯+xnαn=0x_1\alpha_1 + x_2\alpha_2 + \dots + x_n\alpha_n = 0

其中,α1,α2,…,αn\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n 为系数矩阵 AA 的列向量组。


4.2 线性方程组解的判定#

定义 4.1.1 线性方程组的下列三种变换,称为线性方程组的初等变换:

  1. 交换两个方程的位置;
  2. 在方程两端乘以数 k≠0k \neq 0;
  3. 某方程两端 ll 倍后加到另一个方程上。

n 元非齐次线性方程组 Ax=bAx = b 解的判定#

解的情况充要条件
有解r(A)=r(A‾)r(A) = r(\overline{A})
有唯一解r(A)=r(A‾)=nr(A) = r(\overline{A}) = n
有无穷多解r(A)=r(A‾)<nr(A) = r(\overline{A}) < n
无解r(A)≠r(A‾)r(A) \neq r(\overline{A})

逻辑关系#

  • r(A)≠r(A‾)  ⟹  r(A) \neq r(\overline{A}) \implies 无解
  • r(A)=r(A‾)  ⟹  r(A) = r(\overline{A}) \implies 有解
    • r(A)=r(A‾)=n  ⟹  r(A) = r(\overline{A}) = n \implies 唯一解
    • r(A)=r(A‾)<n  ⟹  r(A) = r(\overline{A}) < n \implies 无穷多解

齐次线性方程组解的判定#

核心结论#

  1. Ax=0Ax=0 有非零解   ⟺  \iff 向量组 α1,α2,…,αn\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n 线性相关   ⟺  r(α1,α2,…,αn)<n\iff r(\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n) < n   ⟺  r(A)<n\iff r(A) < n

  2. Ax=0Ax=0 只有零解   ⟺  \iff 向量组 α1,α2,…,αn\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n 线性无关   ⟺  r(α1,α2,…,αn)=n\iff r(\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n) = n   ⟺  r(A)=n\iff r(A) = n


定理 4.2#

nn 元齐次线性方程组 Ax=0Ax=0 有非零解的充要条件是其系数矩阵 AA 的秩小于未知量的个数,即 r(A)<nr(A) < n。
Ax=0Ax=0 只有零解的充要条件是其系数矩阵 AA 的秩等于未知量的个数,即 r(A)=nr(A) = n。

解的情况充要条件
有非零解r(A)<nr(A) < n
只有零解r(A)=nr(A) = n

推论 4.1#

对于齐次线性方程组 Ax=0Ax=0,若方程个数 mm 小于未知数个数 nn,则 Ax=0Ax=0 必有非零解。
(理由:r(A)≤min⁡{m,n}=m<nr(A) \le \min\{m, n\} = m < n)

推论 4.2#

对于齐次线性方程组 Ax=0Ax=0,若方程个数等于未知数个数(即 AA 为方阵):

  • Ax=0Ax=0 有非零解   ⟺  ∣A∣=0\iff |A| = 0
  • Ax=0Ax=0 只有零解   ⟺  ∣A∣≠0\iff |A| \neq 0

4.3 线性方程组的解的性质#

齐次线性方程组解的性质#

  • 性质1:若 ξ1,ξ2\xi_1, \xi_2 是 Ax=0Ax=0 的解,则 ξ1+ξ2\xi_1+\xi_2 也是 Ax=0Ax=0 的解。 证明:A(ξ1+ξ2)=Aξ1+Aξ2=0+0=0A(\xi_1+\xi_2)=A\xi_1+A\xi_2=0+0=0。
  • 性质2:若 ξ\xi 是 Ax=0Ax=0 的解,则对任意常数 kk,kξk\xi 也是 Ax=0Ax=0 的解。 证明:A(kξ)=kAξ=k⋅0=0A(k\xi)=kA\xi=k\cdot0=0。
  • 性质3:若 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 是 Ax=0Ax=0 的解,则它们的线性组合 c1ξ1+c2ξ2+⋯+csξsc_1\xi_1+c_2\xi_2+\dots+c_s\xi_s(c1,c2,…,csc_1,c_2,\dots,c_s 为任意常数)也是 Ax=0Ax=0 的解。 证明:A(c1ξ1+⋯+csξs)=c1Aξ1+⋯+csAξs=0A(c_1\xi_1+\dots+c_s\xi_s)=c_1A\xi_1+\dots+c_sA\xi_s=0。

非齐次线性方程组解的性质#

(Ax=bAx=b 与其导出组 Ax=0Ax=0 的解的关系)

  • 性质4:设 η1,η2\eta_1, \eta_2 是 Ax=bAx=b 的任意两个解,则 η1−η2\eta_1-\eta_2 是导出组 Ax=0Ax=0 的解。 证明:A(η1−η2)=Aη1−Aη2=b−b=0A(\eta_1-\eta_2)=A\eta_1-A\eta_2=b-b=0。
  • 性质5:设 η\eta 是 Ax=bAx=b 的解,ξ\xi 是导出组 Ax=0Ax=0 的解,则 ξ+η\xi+\eta 是 Ax=bAx=b 的解。 证明:A(η+ξ)=Aη+Aξ=b+0=bA(\eta+\xi)=A\eta+A\xi=b+0=b。
  • 性质6:若 η∗\eta^* 是 Ax=bAx=b 的一个特解,则 Ax=bAx=b 的任一解都可表示为 ξ+η∗\xi+\eta^*,其中 ξ\xi 是导出组 Ax=0Ax=0 的解。

4.4 齐次线性方程组的基础解系#

定义 4.1 基础解系#

设 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 是齐次线性方程组 Ax=0Ax=0 的解向量,若满足:

  1. ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 线性无关;
  2. 方程组 Ax=0Ax=0 的任一解向量都可以由 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 线性表示。 则称 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 是 Ax=0Ax=0 的一个基础解系。

定理 4.3#

对于 nn 元齐次线性方程组 Ax=0Ax=0,若系数矩阵的秩 r(A)=r<nr(A)=r < n,则:

  • Ax=0Ax=0 一定存在基础解系;
  • 基础解系中含有 n−rn-r 个线性无关的解向量。

示例:求基础解系#

  1. 写出齐次方程组: {x1+x2+x3+4x4−3x5=0x1−x2+3x3−2x4−x5=02x1+x2+3x3+5x4−5x5=03x1+x2+5x3+6x4−7x5=0\begin{cases} x_1 + x_2 + x_3 + 4x_4 - 3x_5 = 0 \\ x_1 - x_2 + 3x_3 - 2x_4 - x_5 = 0 \\ 2x_1 + x_2 + 3x_3 + 5x_4 - 5x_5 = 0 \\ 3x_1 + x_2 + 5x_3 + 6x_4 - 7x_5 = 0 \end{cases}
  2. 对系数矩阵做初等行变换,化为阶梯形: A=(1114−31−13−2−12135−53156−7)→(1021−201−13−10000000000)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 4 & -3 \\ 1 & -1 & 3 & -2 & -1 \\ 2 & 1 & 3 & 5 & -5 \\ 3 & 1 & 5 & 6 & -7 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & 2 & 1 & -2 \\ 0 & 1 & -1 & 3 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
  3. 写出同解方程组: {x1=−2x3−x4+2x5x2=x3−3x4+x5\begin{cases} x_1 = -2x_3 - x_4 + 2x_5 \\ x_2 = x_3 - 3x_4 + x_5 \end{cases}
  4. 令自由变量 (x3,x4,x5)(x_3, x_4, x_5) 分别取 (1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)(1,0,0), (0,1,0), (0,0,1),得: ξ1=(−21100),ξ2=(−1−3010),ξ3=(21001)\xi_1 = \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \xi_2 = \begin{pmatrix} -1 \\ -3 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \xi_3 = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} ξ1,ξ2,ξ3\xi_1, \xi_2, \xi_3 即为该方程组的一个基础解系。

  1. 基础解系的判定

根据基础解系的定义及存在条件,可知:

向量组 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 是 nn 元齐次线性方程组 Ax=0Ax=0 的基础解系,当且仅当:

  • (Ⅰ)ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 是 Ax=0Ax=0 的解向量;
  • (Ⅱ)ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 线性无关;
  • (Ⅲ)方程组 Ax=0Ax=0 的任一解向量都可以由 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_s 线性表示。

向量组 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_s 是 nn 元齐次线性方程组 Ax=0Ax=0 的基础解系,当且仅当:

  • (Ⅰ)ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_s 是 Ax=0Ax=0 的解向量;
  • (Ⅱ)ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_s 线性无关;
  • (Ⅲ)向量组 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_s 中向量的个数等于 n−r(A)n-r(A)(即能表示方程组的所有解)。

基础解系的性质(具备极大线性无关组的性质)#

  1. 当 Ax=0Ax=0 有非零解时,基础解系存在;
  2. 若 Ax=0Ax=0 的基础解系存在,则基础解系不唯一;
  3. Ax=0Ax=0 的不同基础解系之间可以互相线性表示;
  4. Ax=0Ax=0 的不同基础解系中所含向量的个数相等,均为 n−r(A)n - r(A)(其中 nn 为未知数的个数,r(A)r(A) 为系数矩阵的秩)。
  5. Ax=0Ax=0 的任意 n−r(A)n-r(A) 个线性无关的解向量都是它的基础解系(其中 nn 为未知数的个数)。
  6. 若 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_s 是 Ax=0Ax=0 的一个基础解系,则 Ax=0Ax=0 的任一解都可用 ξ1,ξ2,…,ξs\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_s 线性表示。

4.5 线性方程组解的结构#

齐次线性方程组解的结构(定理4.4)#

当齐次线性方程组 Ax=0Ax=0 只有零解时,问题自然解决;当有非零解时,有如下结论:

对于 nn 元齐次线性方程组 Ax=0Ax=0,若系数矩阵 AA 的秩 r(A)=r<nr(A)=r<n,且 ξ1,ξ2,…,ξn−r\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_{n-r} 为其一个基础解系,则方程组的通解可表示为:

x=c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−rx = c_1\xi_1 + c_2\xi_2 + \dots + c_{n-r}\xi_{n-r}

其中 c1,c2,…,cn−rc_1,c_2,\dots,c_{n-r} 为任意常数。

由于基础解系不唯一,齐次线性方程组的通解形式也不唯一,但都可以表示方程组的所有解。


非齐次线性方程组解的结构(定理4.5)#

对于 nn 元非齐次线性方程组 Ax=bAx=b,若 r(A)=r(A‾)=r<nr(A)=r(\overline{A})=r<n,且:

  • α0\alpha_0 是 Ax=bAx=b 的一个特解,
  • ξ1,ξ2,…,ξn−r\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_{n-r} 为其导出组 Ax=0Ax=0 的一个基础解系,

则方程组的通解可表示为:

x=α0+c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−rx = \alpha_0 + c_1\xi_1 + c_2\xi_2 + \dots + c_{n-r}\xi_{n-r}

其中 c1,c2,…,cn−rc_1,c_2,\dots,c_{n-r} 为任意常数。


4.6 线性方程组的求解#

一、齐次线性方程组 Ax=0A\mathbf{x} = \mathbf{0}#

求解步骤#

  1. 写出系数矩阵 AA;
  2. 初等行变换:将 AA 化为行简化阶梯形矩阵;
  3. 确定秩:设 r(A)=rr(A) = r,未知数个数 nn;
  4. 判断解的情况:
    • 若 r=nr = n,方程组只有零解;
    • 若 r<nr < n,方程组有非零解(无穷多解);
  5. 写出基础解系:
    • 确定自由未知量(非主元列对应的未知数);
    • 令自由未知量分别取 (1,0,…,0),(0,1,…,0),…,(0,0,…,1)(1,0,\dots,0), (0,1,\dots,0), \dots, (0,0,\dots,1);
    • 求出对应的解向量,即为基础解系 ξ1,ξ2,…,ξn−r\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_{n-r};
  6. 写出通解: x=c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−r\mathbf{x} = c_1\xi_1 + c_2\xi_2 + \dots + c_{n-r}\xi_{n-r} 其中 c1,c2,…,cn−rc_1, c_2, \dots, c_{n-r} 为任意常数。

示例#

求解齐次线性方程组:

{x1+x2+x3+x4=02x1+3x2+4x3+5x4=03x1+4x2+5x3+6x4=0\begin{cases} x_1 + x_2 + x_3 + x_4 = 0 \\ 2x_1 + 3x_2 + 4x_3 + 5x_4 = 0 \\ 3x_1 + 4x_2 + 5x_3 + 6x_4 = 0 \end{cases}

解:

  1. 系数矩阵:
A=(111123453456)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 2 & 3 & 4 & 5 \\ 3 & 4 & 5 & 6 \end{pmatrix}
  1. 初等行变换:
A→r2−2r1,r3−3r1(111101230123)→r3−r2(111101230000)A \xrightarrow{r_2-2r_1, r_3-3r_1} \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \end{pmatrix} \xrightarrow{r_3-r_2} \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}→r1−r2(10−1−201230000)\xrightarrow{r_1-r_2} \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 & -2 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
  1. 确定秩:r(A)=2r(A) = 2,n=4n = 4,n−r=2n-r = 2,有无穷多解。

  2. 确定自由未知量:x3,x4x_3, x_4 为自由未知量。

  3. 求基础解系:

    • 令 x3=1,x4=0x_3 = 1, x_4 = 0,得 x1=1,x2=−2x_1 = 1, x_2 = -2,ξ1=(1,−2,1,0)T\xi_1 = (1, -2, 1, 0)^T;
    • 令 x3=0,x4=1x_3 = 0, x_4 = 1,得 x1=2,x2=−3x_1 = 2, x_2 = -3,ξ2=(2,−3,0,1)T\xi_2 = (2, -3, 0, 1)^T。
  4. 通解:

x=c1(1−210)+c2(2−301)\mathbf{x} = c_1\begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} + c_2\begin{pmatrix} 2 \\ -3 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}

(c1,c2c_1, c_2 为任意常数)


二、非齐次线性方程组 Ax=bA\mathbf{x} = \mathbf{b}#

求解步骤#

  1. 写出增广矩阵 Aˉ=(A∣b)\bar{A} = (A \mid \mathbf{b});
  2. 初等行变换:将 Aˉ\bar{A} 化为行简化阶梯形矩阵;
  3. 判断解的情况:
    • 若 r(A)≠r(Aˉ)r(A) \neq r(\bar{A}),方程组无解;
    • 若 r(A)=r(Aˉ)=nr(A) = r(\bar{A}) = n,方程组有唯一解;
    • 若 r(A)=r(Aˉ)=r<nr(A) = r(\bar{A}) = r < n,方程组有无穷多解;
  4. 求解:
    • 唯一解:直接读出解;
    • 无穷多解:先求特解 α0\alpha_0,再求导出组 Ax=0A\mathbf{x} = \mathbf{0} 的基础解系 ξ1,ξ2,…,ξn−r\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_{n-r};
  5. 写出通解: x=α0+c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−r\mathbf{x} = \alpha_0 + c_1\xi_1 + c_2\xi_2 + \dots + c_{n-r}\xi_{n-r} 其中 c1,c2,…,cn−rc_1, c_2, \dots, c_{n-r} 为任意常数。

示例#

求解非齐次线性方程组:

{x1+x2+x3=22x1+3x2+4x3=73x1+4x2+5x3=9\begin{cases} x_1 + x_2 + x_3 = 2 \\ 2x_1 + 3x_2 + 4x_3 = 7 \\ 3x_1 + 4x_2 + 5x_3 = 9 \end{cases}

解:

  1. 增广矩阵:
Aˉ=(111223473459)\bar{A} = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 2 \\ 2 & 3 & 4 & 7 \\ 3 & 4 & 5 & 9 \end{pmatrix}
  1. 初等行变换:
Aˉ→r2−2r1,r3−3r1(111201230123)→r3−r2(111201230000)\bar{A} \xrightarrow{r_2-2r_1, r_3-3r_1} \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \end{pmatrix} \xrightarrow{r_3-r_2} \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}→r1−r2(10−1−101230000)\xrightarrow{r_1-r_2} \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 & -1 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
  1. 判断:r(A)=r(Aˉ)=2<3r(A) = r(\bar{A}) = 2 < 3,有无穷多解。

  2. 求特解:令自由未知量 x3=0x_3 = 0,得 x1=−1,x2=3x_1 = -1, x_2 = 3,特解 α0=(−1,3,0)T\alpha_0 = (-1, 3, 0)^T。

  3. 求导出组的基础解系:

    • 令 x3=1x_3 = 1,得 x1=1,x2=−2x_1 = 1, x_2 = -2,ξ1=(1,−2,1)T\xi_1 = (1, -2, 1)^T。
  4. 通解:

x=(−130)+c1(1−21)\mathbf{x} = \begin{pmatrix} -1 \\ 3 \\ 0 \end{pmatrix} + c_1\begin{pmatrix} 1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix}

(c1c_1 为任意常数)


三、含参数的线性方程组#

讨论步骤#

  1. 对增广矩阵 Aˉ\bar{A} 进行初等行变换,化为行阶梯形矩阵;
  2. 根据参数的取值,讨论 r(A)r(A) 与 r(Aˉ)r(\bar{A}) 的关系;
  3. 确定方程组有解、无解、唯一解、无穷多解的条件;
  4. 在有解的情况下求解。

示例#

讨论方程组解的情况:

{x1+x2+x3=1x1+2x2+ax3=2x1+4x2+a2x3=a\begin{cases} x_1 + x_2 + x_3 = 1 \\ x_1 + 2x_2 + ax_3 = 2 \\ x_1 + 4x_2 + a^2x_3 = a \end{cases}

解:

  1. 增广矩阵:
Aˉ=(111112a214a2a)→r2−r1,r3−r1(111101a−1103a2−1a−1)\bar{A} = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & a & 2 \\ 1 & 4 & a^2 & a \end{pmatrix} \xrightarrow{r_2-r_1, r_3-r_1} \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & a-1 & 1 \\ 0 & 3 & a^2-1 & a-1 \end{pmatrix}→r3−3r2(111101a−1100a2−3a+2a−4)\xrightarrow{r_3-3r_2} \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & a-1 & 1 \\ 0 & 0 & a^2-3a+2 & a-4 \end{pmatrix}
  1. 讨论:
    • a2−3a+2=(a−1)(a−2)a^2-3a+2 = (a-1)(a-2)
    • 当 a≠1a \neq 1 且 a≠2a \neq 2 时,r(A)=r(Aˉ)=3=nr(A) = r(\bar{A}) = 3 = n,有唯一解;
    • 当 a=1a = 1 时,Aˉ→(11110101000−3)\bar{A} \to \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & -3 \end{pmatrix},r(A)=2≠r(Aˉ)=3r(A) = 2 \neq r(\bar{A}) = 3,无解;
    • 当 a=2a = 2 时,Aˉ→(11110111000−2)\bar{A} \to \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & -2 \end{pmatrix},r(A)=2≠r(Aˉ)=3r(A) = 2 \neq r(\bar{A}) = 3,无解。

四、线性方程组解的结构定理#

定理:设 nn 元线性方程组 Ax=bA\mathbf{x} = \mathbf{b} 的系数矩阵 AA 的秩 r(A)=rr(A) = r,则:

  1. 若 r(A)≠r(Aˉ)r(A) \neq r(\bar{A}),方程组无解;
  2. 若 r(A)=r(Aˉ)=nr(A) = r(\bar{A}) = n,方程组有唯一解;
  3. 若 r(A)=r(Aˉ)=r<nr(A) = r(\bar{A}) = r < n,方程组有无穷多解,通解为: x=α0+c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−r\mathbf{x} = \alpha_0 + c_1\xi_1 + c_2\xi_2 + \dots + c_{n-r}\xi_{n-r} 其中:
    • α0\alpha_0 是 Ax=bA\mathbf{x} = \mathbf{b} 的一个特解;
    • ξ1,ξ2,…,ξn−r\xi_1, \xi_2, \dots, \xi_{n-r} 是导出组 Ax=0A\mathbf{x} = \mathbf{0} 的基础解系;
    • c1,c2,…,cn−rc_1, c_2, \dots, c_{n-r} 为任意常数。

五、解题技巧总结#

  1. 行简化阶梯形:尽量化为行简化阶梯形,可直接读出解;
  2. 自由未知量选择:通常选非主元列对应的未知量为自由未知量;
  3. 特解求法:令所有自由未知量为 0,可直接得到一个特解;
  4. 基础解系求法:对每个自由未知量轮流取 1,其余取 0;
  5. 参数讨论:注意使分母为 0 或使某行全为 0 的参数值;
  6. 验证:可将求得的解代入原方程组验证正确性。

第五部分:特征值与特征向量#


5.1 特征值与特征向量的定义与关系#

特征值与特征向量定义#

设 AA 为 nn 阶方阵,α\alpha 为 nn 维非零列向量,λ\lambda 为数。若满足: Aα=λαA\alpha = \lambda\alpha 则称 λ\lambda 为方阵 AA 的特征值,α\alpha 为 AA 对应于特征值 λ\lambda 的特征向量。

关键说明#

  1. 矩阵 AA 必须是方阵 若 AA 不是方阵,则 AαA\alpha 与 λα\lambda\alpha 的维度无法匹配,因此特征值/特征向量仅对方阵定义。

  2. 特征值 λ\lambda 是一个数,可取 0

(1−11−1)(11)=0×(11)\begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix} = 0 \times \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix}

此处 λ=0\lambda=0 为该矩阵的一个特征值。

  1. 特征向量 α\alpha 是非零列向量
  • 列向量:满足矩阵乘法维度要求;
  • 非零向量:α=0\alpha=0 时等式恒成立,无法体现矩阵特性,故特征向量规定为非零。

特征值与特征向量的关系#

性质1 若α\alpha是矩阵AA对应于特征值λ\lambda的特征向量,则kα(k≠0)k\alpha(k\neq0)也是矩阵AA对应于特征值λ\lambda的特征向量。

性质2 给定方阵AA,特征向量α\alpha只能属于一个特征值。

性质3 给定方阵AA,若α1,α2\alpha_1,\alpha_2都是对应于特征值λ\lambda的特征向量,当线性组合k1α1+k2α2≠0k_1\alpha_1+k_2\alpha_2\neq0时,该组合也是对应于特征值λ\lambda的特征向量。

5.2 特征值与特征向量的求法#

特征值的求法(公式:∣λE−A∣=0|\lambda E - A| = 0)#


步骤1:写出 λE−A\lambda E - A#

  • 构造方法:
    1. λ\lambda 仅出现在主对角线上;
    2. 其余元素为矩阵 AA 对应元素的相反数。
  • 示例:若 A=(111222333)A=\begin{pmatrix}1&1&1\\2&2&2\\3&3&3\end{pmatrix},则 λE−A=(λ−1−1−1−2λ−2−2−3−3λ−3)\lambda E - A = \begin{pmatrix} \lambda-1 & -1 & -1 \\ -2 & \lambda-2 & -2 \\ -3 & -3 & \lambda-3 \end{pmatrix}

步骤2:写出 ∣λE−A∣|\lambda E - A|#

将矩阵 λE−A\lambda E - A 改写为行列式形式(熟练后可省略步骤1):

∣λE−A∣=∣λ−1−1−1−2λ−2−2−3−3λ−3∣|\lambda E - A| = \begin{vmatrix} \lambda-1 & -1 & -1 \\ -2 & \lambda-2 & -2 \\ -3 & -3 & \lambda-3 \end{vmatrix}

步骤3:解特征方程 ∣λE−A∣=0|\lambda E - A| = 0#

根据矩阵类型,有以下常见情况:

情况1:2阶矩阵#

直接展开行列式计算。

  • 例:A=(1141)A=\begin{pmatrix}1&1\\4&1\end{pmatrix} ∣λE−A∣=∣λ−1−1−4λ−1∣=(λ−1)2−4=(λ+1)(λ−3)=0|\lambda E - A| = \begin{vmatrix}\lambda-1 & -1 \\ -4 & \lambda-1\end{vmatrix} = (\lambda-1)^2 - 4 = (\lambda+1)(\lambda-3)=0 解得:λ1=−1, λ2=3\lambda_1=-1,\ \lambda_2=3。
情况2:对角、上三角、下三角矩阵#

特征值等于主对角线元素,直接写出结果。

  • 例:上三角矩阵 A=(−36904−11007)A=\begin{pmatrix}-3&6&9\\0&4&-11\\0&0&7\end{pmatrix},特征值为 λ1=−3, λ2=4, λ3=7\lambda_1=-3,\ \lambda_2=4,\ \lambda_3=7。
情况3:特征行列式零元素较多#

按某一行(列)展开,优先选择只有一个非零元素的行/列;若零元素不足,可先用行列式性质消零再展开。

情况4:行和(列和)相等的矩阵#

先将所有列加到第1列,提取公因子,再化为上三角行列式。

  • 例:A=(111111111)A=\begin{pmatrix}1&1&1\\1&1&1\\1&1&1\end{pmatrix} ∣λE−A∣=∣λ−1−1−1−1λ−1−1−1−1λ−1∣=(λ−3)λ2=0|\lambda E - A| = \begin{vmatrix}\lambda-1 & -1 & -1 \\ -1 & \lambda-1 & -1 \\ -1 & -1 & \lambda-1\end{vmatrix} = (\lambda-3)\lambda^2 = 0 解得:λ1=λ2=0, λ3=3\lambda_1=\lambda_2=0,\ \lambda_3=3。
情况5:行列式中有对应相等/相反数元素#

利用行列式性质消元,构造零元素,再展开求解。

  • 例:A=(−112−222−213)A=\begin{pmatrix}-1&1&2\\-2&2&2\\-2&1&3\end{pmatrix},通过行变换消元后可得 ∣λE−A∣=(λ−1)2(λ−2)=0|\lambda E - A|=(\lambda-1)^2(\lambda-2)=0,解得 λ1=λ2=1, λ3=2\lambda_1=\lambda_2=1,\ \lambda_3=2。

特征向量的求法#

求出特征值后,特征向量的求解就是求齐次线性方程组的非零解。

推导过程:

Aα=λαA\alpha = \lambda\alphaλα−Aα=0\lambda\alpha - A\alpha = 0(λE−A)α=0, α 为非零向量(\lambda E - A)\alpha = 0,\ \alpha \text{ 为非零向量}

即:求齐次线性方程组 (λE−A)x=0(\lambda E - A)x = 0 的非零解。


【例10】矩阵特征值与特征向量求解#

求矩阵

A=(−110−430102)A=\begin{pmatrix} -1 & 1 & 0 \\ -4 & 3 & 0 \\ 1 & 0 & 2 \end{pmatrix}

的特征值与特征向量。

  1. 求特征值 计算特征行列式:

    ∣λE−A∣=∣λ+1−104λ−30−10λ−2∣=(λ−2)(−1)3+3∣λ+1−14λ−3∣=(λ−2)(λ−1)2|\lambda E - A| = \begin{vmatrix} \lambda+1 & -1 & 0 \\ 4 & \lambda-3 & 0 \\ -1 & 0 & \lambda-2 \end{vmatrix} = (\lambda-2)(-1)^{3+3} \begin{vmatrix} \lambda+1 & -1 \\ 4 & \lambda-3 \end{vmatrix} = (\lambda-2)(\lambda-1)^2

    令 ∣λE−A∣=0|\lambda E - A|=0,解得特征值:

    λ1=2,λ2=λ3=1\lambda_1=2,\quad \lambda_2=\lambda_3=1
  2. 对特征值 λ1=2\lambda_1=2 求特征向量 构造并化简矩阵 2E−A2E-A:

    2E−A=(3−104−10−100)→(0−10000100)→(100010000)2E-A = \begin{pmatrix} 3 & -1 & 0 \\ 4 & -1 & 0 \\ -1 & 0 & 0 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}

    得同解方程组:

    {x1=0x2=0\begin{cases} x_1 = 0 \\ x_2 = 0 \end{cases}

    取 x3=1x_3=1,得基础解系:

    c1(001), c1≠0c_1\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix},\ c_1\neq 0
  3. 对特征值 λ2=λ3=1\lambda_2=\lambda_3=1 求特征向量 构造并化简矩阵 E−AE-A:

    E−A=(2−104−20−10−1)→(2−10000−10−1)→(101012000)E-A = \begin{pmatrix} 2 & -1 & 0 \\ 4 & -2 & 0 \\ -1 & 0 & -1 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ -1 & 0 & -1 \end{pmatrix} \rightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}

    得同解方程组:

    {x1=−x3x2=−2x3\begin{cases} x_1 = -x_3 \\ x_2 = -2x_3 \end{cases}

    取 x3=1x_3=1,得基础解系:

    c2(−1−21), c2≠0c_2\begin{pmatrix} -1 \\ -2 \\ 1 \end{pmatrix},\ c_2\neq 0

5.3 特征值与特征向量的性质#

特征值与特征向量全套性质整理#

性质1#

nn阶矩阵AA在复数域内必有nn个特征值(重根按重数计算)。

备注:该知识点一般仅作了解,通常不考核。

性质2#

nn阶方阵AA与其转置矩阵ATA^\mathrm{T}有相同的特征多项式,因此二者特征值完全相同; ⚠️ 注意:AA和ATA^\mathrm{T}特征向量一般不相等。

性质3(迹与行列式公式,高频考点)#

设nn阶方阵AA全部特征值为λ1,λ2,…,λn\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_n:

  1. 特征值之和 = 矩阵主对角线元素之和(矩阵的迹) λ1+λ2+⋯+λn=a11+a22+⋯+ann\lambda_1+\lambda_2+\dots+\lambda_n = a_{11}+a_{22}+\dots+a_{nn}
  2. 特征值之积 = 方阵行列式 λ1λ2⋯λn=∣A∣\lambda_1\lambda_2\cdots\lambda_n = |A|

性质4(可逆性等价判定)#

  1. nn阶方阵AA可逆   ⟺  \iff AA所有特征值都不为00;
  2. nn阶方阵AA不可逆   ⟺  \iff AA至少有一个特征值为00。

性质5#

方阵AA对应互不相同特征值的特征向量线性无关。

性质6#

取自不同特征值、各自内部线性无关的特征向量,合并之后整体仍线性无关。

性质7(重特征向量个数约束)#

  1. 若λ\lambda是AA的kk重特征值,则对应于λ\lambda的线性无关特征向量数量≤k\le k;
  2. 单特征值(一重特征值)有且仅有1个线性无关的特征向量。

性质8(矩阵变换后特征值对照表,必考)#

设λ\lambda是AA的特征值,α\boldsymbol{\alpha}是对应特征向量:

矩阵AAAmA^mkAkAA+EA+Ef(A)f(A)多项式矩阵A2+2A+3EA^2+2A+3EA−1A^{-1}A∗A^*伴随矩阵
对应特征值λ\lambdaλm\lambda^mkλk\lambdaλ+1\lambda+1f(λ)f(\lambda)λ2+2λ+3\lambda^2+2\lambda+31λ\dfrac{1}{\lambda}$\dfrac{
特征向量α\boldsymbol{\alpha}α\boldsymbol{\alpha}α\boldsymbol{\alpha}α\boldsymbol{\alpha}α\boldsymbol{\alpha}α\boldsymbol{\alpha}α\boldsymbol{\alpha}α\boldsymbol{\alpha}

配套例题#

已知88是AA的特征值,∣A∣=15|A|=15:

  • 2A2A特征值:2×82\times8
  • −14A-14A特征值:−14×8-14\times8
  • A3A^3特征值:838^3
  • 3A23A^2特征值:3×823\times8^2
  • A+EA+E特征值:8+18+1
  • 2A2+A+3E2A^2+A+3E特征值:2×82+8+32\times8^2+8+3
  • A4+A3+2A2+5A−6EA^4+A^3+2A^2+5A-6E特征值:84+83+2×82+5×8−68^4+8^3+2\times8^2+5\times8-6
  • A−1A^{-1}特征值:18\dfrac{1}{8}
  • A∗A^*特征值:158\dfrac{15}{8}

推论#

若λ\lambda是方阵AA的特征值,f(x)f(x)为多项式,且f(A)=Of(A)=\boldsymbol{O}(零矩阵),则必有f(λ)=0f(\lambda)=0。

性质9(秩1矩阵专用结论)#

nn阶方阵A=(aij)A=(a_{ij}),若r(A)=1r(A)=1:

  • 一个特征值:λ1=∑i=1naii\lambda_1=\displaystyle\sum_{i=1}^n a_{ii}(矩阵的迹)
  • 剩余n−1n-1个特征值:λ2=λ3=⋯=λn=0\lambda_2=\lambda_3=\dots=\lambda_n=0

5.4 相似矩阵的概念与性质#

一、相似矩阵定义(定义5.2)#

设 A,BA,B 均为 nn 阶方阵,若存在可逆矩阵 PP,满足 P−1AP=BP^{-1}AP=B 则称矩阵 AA 与 BB 相似,记作 A∼BA\sim B,BB 是 AA 的相似矩阵。

特殊定义:若方阵 AA 能和对角矩阵相似,则称 AA 可对角化。


二、相似矩阵整体性质#

性质1:相似是等价关系 等价关系满足三条公理:

  1. 反身性:A∼AA\sim A
  2. 对称性:若 A∼BA\sim B,则 B∼AB\sim A
  3. 传递性:若 A∼B, B∼CA\sim B,\ B\sim C,则 A∼CA\sim C

推论:A∼B  ⟹  AA\sim B \implies A 与 BB 等价(A≅BA\cong B)。

性质2:秩相等 若 A∼BA\sim B,则 r(A)=r(B)r(A)=r(B)。 依据:相似矩阵必等价,等价矩阵秩相同。

性质3:特征多项式、特征值完全相同 若 A∼BA\sim B,则 ∣λE−A∣=∣λE−B∣|\lambda E-A|=|\lambda E-B|,二者特征值一致。

推论

若 AA 相似于对角矩阵,则 AA 的全部特征值就是该对角矩阵主对角线元素。

性质4:行列式、迹相等 若 A∼BA\sim B,则: ∣A∣=∣B∣,tr(A)=tr(B)|A|=|B|,\quad \mathrm{tr}(A)=\mathrm{tr}(B)

性质5:可逆性同步

  1. ∣A∣,∣B∣|A|,|B| 同时为0,或同时非0;
  2. AA 可逆   ⟺  B\iff B 可逆;
  3. AA 不可逆   ⟺  B\iff B 不可逆。 简言之:相似矩阵要么同时可逆,要么同时不可逆。

性质6:逆矩阵、伴随矩阵也相似(A,BA,B 均可逆时)

  1. A−1∼B−1A^{-1}\sim B^{-1}
  2. A∗∼B∗A^{*}\sim B^{*}

性质7:幂矩阵相似 若 A∼BA\sim B,mm 为正整数,则 Am∼BmA^m\sim B^m。

性质8:转置矩阵相似 若 A∼BA\sim B,则 AT∼BTA^\mathrm{T}\sim B^\mathrm{T}。

性质9:相似矩阵的性质 若 A∼BA\sim B,kk 为常数,f(x)f(x) 为一元多项式,则: kA∼kB,A+kE∼B+kE,f(A)∼f(B)kA\sim kB,\quad A+kE\sim B+kE,\quad f(A)\sim f(B)


A∼BA\sim B 完整推论导图#

A∼B⇒{A≅B⇒r(A)=r(B)A、B 特征值相同{∣A∣=∣B∣tr(A)=tr(B)A、B 可逆性完全一致A−1∼B−1, A∗∼B∗AT∼BTkA∼kBf(A)∼f(B)Am∼Bm (m 正整数)A\sim B\Rightarrow \begin{cases} A\cong B\Rightarrow r(A)=r(B)\\ A、B\text{ 特征值相同} \begin{cases} |A|=|B|\\ \mathrm{tr}(A)=\mathrm{tr}(B) \end{cases}\\ A、B\text{ 可逆性完全一致}\\ A^{-1}\sim B^{-1},\ A^*\sim B^*\\ A^\mathrm{T}\sim B^\mathrm{T}\\ kA\sim kB\\ f(A)\sim f(B)\\ A^m\sim B^m\ (m\text{ 正整数}) \end{cases}

5.5 矩阵的对角化#

一、可对角化三大核心问题#

  1. 如何判断方阵 AA 是否能相似对角化?
  2. 若可对角化,可逆变换矩阵 PP 如何求解?
  3. 对角矩阵 Λ\Lambda 如何求解?

二、可对角化判定定理#

定理5.1(充要核心定理) nn 阶方阵 AA 可对角化   ⟺  A\iff A 拥有 nn 个线性无关的特征向量。

定理5.2(充分条件,常用快速判定) 若 nn 阶方阵 AA 有 nn 个互不相同的特征值,则 AA 一定可对角化。

注意:该条件只是充分非必要,有重特征值也有可能可对角化。

定理5.3(重特征值判定充要条件) nn 阶方阵 AA 可对角化   ⟺  \iff 每一个 ss 重特征值 λ\lambda,对应的线性无关特征向量个数恰好等于重数 ss,等价表述:

  1. 齐次方程组 (λE−A)x=0(\lambda E-A)\boldsymbol{x}=\boldsymbol 0 的基础解系含 ss 个向量;
  2. n−r(λE−A)=sn-r(\lambda E-A)=s;
  3. r(λE−A)=n−sr(\lambda E-A)=n-s。

三、PP 与对角矩阵 Λ\Lambda 求解公式#

设 Aαi=λiαi(i=1,2,…,n)A\boldsymbol\alpha_i=\lambda_i\boldsymbol\alpha_i\quad(i=1,2,\dots,n),α1,α2,…,αn\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\dots,\boldsymbol\alpha_n 线性无关:

A(α1,α2,…,αn)=(α1,α2,…,αn)(λ1λ2⋱λn)A(\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\dots,\boldsymbol\alpha_n) =(\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\dots,\boldsymbol\alpha_n) \begin{pmatrix} \lambda_1 & & \\ & \lambda_2 & \\ & & \ddots & \\ & & & \lambda_n \end{pmatrix}

记:

P=(α1,α2,…,αn),Λ=diag(λ1,λ2,…,λn)P=(\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\dots,\boldsymbol\alpha_n),\quad \Lambda=\mathrm{diag}(\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_n)

则有 P−1AP=ΛP^{-1}AP=\Lambda。

关键配对规则

  • PP 的第 ii 列 = 特征值 λi\lambda_i 对应的特征向量 αi\boldsymbol\alpha_i;
  • PP 列向量顺序、Λ\Lambda 对角线特征值顺序必须一一对应,顺序可同步调换。

四、完整例题演示#

题目

A=(1−22−2−2424−2)A=\begin{pmatrix} 1 & -2 & 2 \\ -2 & -2 & 4 \\ 2 & 4 & -2 \end{pmatrix}

判断能否对角化;若可以,求 P,ΛP,\Lambda 满足 P−1AP=ΛP^{-1}AP=\Lambda。

步骤1:求特征值

∣λE−A∣=(λ−2)2(λ+7)=0|\lambda E-A|=(\lambda-2)^2(\lambda+7)=0

特征值:λ1=λ2=2\lambda_1=\lambda_2=2(二重),λ3=−7\lambda_3=-7(一重)。

步骤2:判定可对角化 二重特征值 λ=2\lambda=2 解方程组 (2E−A)x=0(2E-A)\boldsymbol x=\boldsymbol0,得到2个线性无关特征向量;一重特征值天然对应1个线性无关特征向量,总计3个线性无关特征向量,AA 可对角化。

步骤3:求特征向量

  • λ1=λ2=2\lambda_1=\lambda_2=2:α1=(−210),α2=(201)\boldsymbol\alpha_1=\begin{pmatrix}-2\\1\\0\end{pmatrix},\boldsymbol\alpha_2=\begin{pmatrix}2\\0\\1\end{pmatrix}
  • λ3=−7\lambda_3=-7:α3=(12−2)\boldsymbol\alpha_3=\begin{pmatrix}1\\2\\-2\end{pmatrix}

步骤4:构造 P,ΛP,\Lambda

P=(α1,α2,α3)=(−22110201−2),Λ=(22−7)P=(\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\alpha_3)= \begin{pmatrix} -2 & 2 & 1 \\ 1 & 0 & 2 \\ 0 & 1 & -2 \end{pmatrix},\quad \Lambda= \begin{pmatrix} 2 & & \\ & 2 & \\ & & -7 \end{pmatrix}

满足 P−1AP=ΛP^{-1}AP=\Lambda。

5.6 内积与正交#

一、向量内积(数量积)四条基本性质#

设 α,β,α1,α2\boldsymbol \alpha,\boldsymbol \beta,\boldsymbol \alpha_1,\boldsymbol \alpha_2 为 nn 维向量,kk 为实数:

  1. 非负性:(α,α)≥0(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\alpha)\ge 0,且 (α,α)=0  ⟺  α=0(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\alpha)=0 \iff \boldsymbol\alpha=\boldsymbol 0 若 α=(x1,x2,…,xn)\boldsymbol\alpha=(x_1,x_2,\dots,x_n),则 (α,α)=x12+x22+⋯+xn2(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\alpha)=x_1^2+x_2^2+\dots+x_n^2。
  2. 对称性:(α,β)=(β,α)(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\beta)=(\boldsymbol\beta,\boldsymbol\alpha)
  3. 齐次性:(kα,β)=k(α,β)(k\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\beta)=k(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\beta)
  4. 线性可加性 (α1+α2,β)=(α1,β)+(α2,β)(α,β1+β2)=(α,β1)+(α,β2)\begin{align*} (\boldsymbol\alpha_1+\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\beta)&=(\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\beta)+(\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\beta)\\ (\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\beta_1+\boldsymbol\beta_2)&=(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\beta_1)+(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\beta_2) \end{align*}

二、向量长度(范数/模)#

1. 定义#

∥α∥=(α,α)=x12+x22+⋯+xn2\|\boldsymbol\alpha\|=\sqrt{(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\alpha)}=\sqrt{x_1^2+x_2^2+\dots+x_n^2}

满足 (α,α)=∥α∥2(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\alpha)=\|\boldsymbol\alpha\|^2。

2. 单位向量与单位化#

  • 单位向量:长度 ∥α∥=1\|\boldsymbol\alpha\|=1 的向量;
  • 单位化公式:非零向量 α\boldsymbol\alpha,令 β=1∥α∥α\boldsymbol\beta=\frac{1}{\|\boldsymbol\alpha\|}\boldsymbol\alpha β\boldsymbol\beta 即为单位向量,该变换过程称为单位化。

三、正交相关定义#

定义5.6 向量正交 若 (α,β)=0(\boldsymbol\alpha,\boldsymbol\beta)=0,称 α\boldsymbol\alpha 与 β\boldsymbol\beta 正交,记作 α⊥β\boldsymbol\alpha\perp\boldsymbol\beta。 备注:

  1. 零向量和任意向量都正交;
  2. 只有零向量和自身正交。

定义5.7 正交向量组 两两正交的非零向量构成的向量组;单个非零向量也属于正交向量组。

定义5.8 标准正交(单位正交)向量组 每个向量都是单位向量的正交向量组,满足:

(αi,αj)={1,i=j0,i≠j(\boldsymbol\alpha_i,\boldsymbol\alpha_j)= \begin{cases} 1,&i=j\\ 0,&i\ne j \end{cases}

定理5.4 正交向量组一定线性无关;线性无关向量组不一定正交。


四、施密特正交化(线性无关组 → 等价正交组)#

1. 正交化公式#

已知线性无关向量组 α1,α2,…,αs\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\dots,\boldsymbol\alpha_s:

β1=α1β2=α2−(α2,β1)(β1,β1)β1β3=α3−(α3,β1)(β1,β1)β1−(α3,β2)(β2,β2)β2\begin{align*} \boldsymbol\beta_1&=\boldsymbol\alpha_1\\ \boldsymbol\beta_2&=\boldsymbol\alpha_2-\frac{(\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\beta_1)}{(\boldsymbol\beta_1,\boldsymbol\beta_1)}\boldsymbol\beta_1\\ \boldsymbol\beta_3&=\boldsymbol\alpha_3-\frac{(\boldsymbol\alpha_3,\boldsymbol\beta_1)}{(\boldsymbol\beta_1,\boldsymbol\beta_1)}\boldsymbol\beta_1-\frac{(\boldsymbol\alpha_3,\boldsymbol\beta_2)}{(\boldsymbol\beta_2,\boldsymbol\beta_2)}\boldsymbol\beta_2 \end{align*}

得到的 β1,β2,β3\boldsymbol\beta_1,\boldsymbol\beta_2,\boldsymbol\beta_3 两两正交,且与原向量组等价。

2. 再单位化得到标准正交组#

γ1=β1∥β1∥,γ2=β2∥β2∥,γ3=β3∥β3∥\boldsymbol\gamma_1=\frac{\boldsymbol\beta_1}{\|\boldsymbol\beta_1\|},\quad \boldsymbol\gamma_2=\frac{\boldsymbol\beta_2}{\|\boldsymbol\beta_2\|},\quad \boldsymbol\gamma_3=\frac{\boldsymbol\beta_3}{\|\boldsymbol\beta_3\|}

γ1,γ2,γ3\boldsymbol\gamma_1,\boldsymbol\gamma_2,\boldsymbol\gamma_3 就是和原向量组等价的标准正交向量组。

5.7 实对称矩阵的相似对角化#

一、正交相似定义(定义5.10)#

设 A,BA,B 为 nn 阶方阵,若存在正交矩阵 QQ,满足: Q−1AQ=BQ^{-1}AQ=B 则称 AA 与 BB 正交相似。 补充:正交矩阵满足 Q−1=QTQ^{-1}=Q^\mathrm{T},因此上式等价于 QTAQ=BQ^\mathrm{T}AQ=B。


二、实对称矩阵核心7条性质#

实对称矩阵满足 AT=A\boldsymbol A^\mathrm{T}=A,全部性质罗列如下: 性质1 实对称矩阵所有特征值都是实数,对应的特征向量全为实向量。

性质2 属于不同特征值的特征向量互相正交。

一般方阵仅能保证线性无关,实对称矩阵可加强为正交。

性质3 对 ss 重特征值 λ\lambda,恒有 r(λE−A)=n−sr(\lambda E-A)=n-s。

性质4 ss 重特征值恰好对应**ss 个线性无关**的特征向量。

性质5 nn 阶实对称矩阵一定拥有 nn 个线性无关的特征向量。

性质6 实对称矩阵必定可以相似对角化(无条件可对角化)。

性质7 实对称矩阵一定能和对角矩阵正交相似; 即存在正交矩阵 QQ,使得 Q−1AQ=QTAQ=Λ=diag(λ1,λ2,…,λn)Q^{-1}AQ=Q^\mathrm{T}AQ=\Lambda=\mathrm{diag}(\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_n) λ1,λ2,…,λn\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_n 是 AA 的全部特征值。


三、实对称矩阵两种对角化完整步骤#

前置通用两步(两种方式共用)#

  1. 求特征值:解特征方程 ∣λE−A∣=0|\lambda E-A|=0,得到全部特征值 λ1,λ2,…,λn\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_n;
  2. 求特征向量:对每个特征值 λi\lambda_i,解 (λiE−A)x=0(\lambda_i E-A)\boldsymbol x=\boldsymbol 0,得到 nn 个线性无关特征向量 α1,α2,…,αn\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\dots,\boldsymbol\alpha_n。

方式1:普通相似对角化(构造可逆矩阵 PP)#

  1. 直接拼接特征向量构成可逆矩阵:P=(α1,α2,…,αn)P=(\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\dots,\boldsymbol\alpha_n)
  2. 结果:P−1AP=ΛP^{-1}AP=\Lambda,A∼ΛA\sim\Lambda

适用:题目只要求相似对角化,不要求正交矩阵。

方式2:正交相似对角化(构造正交矩阵 QQ,必考)#

  1. 正交化处理
    • 不同特征值对应的特征向量天然正交,无需处理;
    • 同一重特征值内部多个线性无关特征向量,用施密特正交化得到正交向量组 β1,β2,…,βn\boldsymbol\beta_1,\boldsymbol\beta_2,\dots,\boldsymbol\beta_n。
  2. 单位化 γi=1∥βi∥βi,i=1,2,…,n\boldsymbol\gamma_i=\frac{1}{\|\boldsymbol\beta_i\|}\boldsymbol\beta_i,\quad i=1,2,\dots,n
  3. 拼接正交矩阵:Q=(γ1,γ2,…,γn)Q=(\boldsymbol\gamma_1,\boldsymbol\gamma_2,\dots,\boldsymbol\gamma_n)
  4. 结果: Q−1AQ=QTAQ=ΛQ^{-1}AQ=Q^\mathrm{T}AQ=\Lambda AA 与对角阵正交相似。

适用:题目明确要求正交矩阵、二次型标准化。


四、实对称矩阵正交相似对角化分三类情形完整操作#

实对称矩阵正交相似对角化分三类情形完整操作#

设三阶实对称矩阵 A\boldsymbol A,要构造正交矩阵 Q\boldsymbol Q 使得 QTAQ=Λ\boldsymbol Q^\mathrm{T}\boldsymbol A\boldsymbol Q=\boldsymbol \Lambda,按特征值重数分3种情况处理:

情形一:λ1,λ2,λ3\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3 三个互不相同单特征值#

实对称矩阵不同特征值对应的特征向量天然正交,无需施密特正交化,只做单位化:

  1. 对每个特征值求出特征向量 α1,α2,α3\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\alpha_3;
  2. 分别单位化:
\boldsymbol\gamma_2=\frac{\boldsymbol\alpha_2}{\|\boldsymbol\alpha_2\|},\quad \boldsymbol\gamma_3=\frac{\boldsymbol\alpha_3}{\|\boldsymbol\alpha_3\|}$$ 3. 正交矩阵 $\boldsymbol Q=(\boldsymbol\gamma_1,\boldsymbol\gamma_2,\boldsymbol\gamma_3)$。 --- #### 情形二:$\lambda_1$ 单根,$\lambda_2=\lambda_3$ 二重特征值 1. 单特征值 $\lambda_1$:特征向量 $\boldsymbol\alpha_1$ 直接单位化得到 $\boldsymbol\gamma_1$; 2. 二重特征值 $\lambda_2=\lambda_3$:解方程组得到2个线性无关特征向量 $\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\alpha_3$ - 这两个同特征值的向量**不一定正交**,必须先做**施密特正交化**得到正交向量 $\boldsymbol\beta_2,\boldsymbol\beta_3$; - 再分别单位化得到 $\boldsymbol\gamma_2,\boldsymbol\gamma_3$; 3. 拼接正交矩阵 $\boldsymbol Q=(\boldsymbol\gamma_1,\boldsymbol\gamma_2,\boldsymbol\gamma_3)$。 --- #### 情形三:$\lambda_1=\lambda_2=\lambda_3$ 三重特征值 3个线性无关特征向量 $\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\alpha_3$ 全部属于同一个重特征值,互相不一定正交: 1. 先对 $\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\alpha_3$ 整体做**施密特正交化**,得到两两正交的 $\boldsymbol\beta_1,\boldsymbol\beta_2,\boldsymbol\beta_3$; 2. 再逐个单位化得到 $\boldsymbol\gamma_1,\boldsymbol\gamma_2,\boldsymbol\gamma_3$; 3. 拼接得到正交矩阵 $\boldsymbol Q=(\boldsymbol\gamma_1,\boldsymbol\gamma_2,\boldsymbol\gamma_3)$。 --- ## 核心规则总结 1. **跨不同特征值**:特征向量自动正交,跳过正交化,仅单位化; 2. **同一多重特征值内部**:线性无关特征向量不一定正交,**必须施密特正交化 + 单位化两步**; 3. 最终全部单位化后的列向量拼成矩阵,一定是正交矩阵,满足 $\boldsymbol Q^{-1}=\boldsymbol Q^\mathrm{T}$。 ### 补充关键对比 | 矩阵类型 | 能否对角化 | 不同特征值特征向量关系 | 能否正交相似对角化 | |----------------|--------------------------|------------------------|--------------------| | 普通 $n$ 阶方阵 | 不一定,要看无关特征向量个数 | 仅线性无关 | 不一定 | | 实对称矩阵 | 一定可以 | 互相正交 | 一定可以 | --- # 第六部分:二次型 --- ## 6.1 二次型及矩阵表示 ### 一、二次型定义(定义6.1) #### 1. 文字定义 $n$ 个变量 $x_1,x_2,\dots,x_n$ 的**二次齐次多项式**称为 $n$ 元二次型,简称二次型;系数全为实数时,称作**实二次型**,本课程只讨论实二次型。 展开形式:

\begin{align*} f(x_1,x_2,\dots,x_n) =&a_{11}x_1^2+2a_{12}x_1x_2+2a_{13}x_1x_3+\dots+2a_{1n}x_1x_n\ &+a_{22}x_2^2+2a_{23}x_2x_3+\dots+2a_{2n}x_2x_n\ &+\dots+a_{nn}x_n^2 \end{align*}

#### 2. 判断规则 - 只允许二次项(平方项 $x_i^2$、交叉项 $x_ix_j,i\ne j$); - 不能出现一次项、常数项、三次及更高次项。 例题判断结果: 1. $f=2x_1^2-x_2^2+4x_3^2+5x_1x_2-x_1x_3+3x_2x_3$:✅ 是二次型 2. $f=x_1x_2-x_1x_3+3x_2x_3$:✅ 是二次型(无平方项仅有交叉项也成立) 3. $f=x_1^2-2x_2^2+4x_3^2$:✅ 是二次型(纯平方项,标准型) 4. $f=-x_1^2+x_2^2+x_1x_2-x_1x_3+\boldsymbol3$:❌ 含常数项,不是 5. $f=x^2-xy+\boldsymbol y$:❌ 含一次项,不是 --- ### 二、二次型矩阵表达式(核心) #### 1. 矩阵标准写法 记

\boldsymbol x=\begin{pmatrix}x_1\x_2\\vdots\x_n\end{pmatrix},\quad A=(a_{ij}),\ A^\mathrm{T}=A

二次型唯一对称矩阵形式:二次型唯一对称矩阵形式:

f(x_1,x_2,\dots,x_n)=\boldsymbol x^\mathrm{T}A\boldsymbol x

**规定:二次型的矩阵 $A$ 必须是实对称矩阵**。 --- ### 三、二次型标准形(定义6.3) #### 1. 定义 二次型只含平方项、不含任何交叉项 $x_ix_j(i\ne j)$:

f=d_1x_1^2+d_2x_2^2+\dots+d_nx_n^2

称作二次型的一个**标准形**;$d_i$ 可为任意实数(包含0)。 #### 2. 由二次型写出对称矩阵 $A$ 口诀 1. 平方项 $x_i^2$ 系数直接放到主对角线 $a_{ii}$; 2. 交叉项 $2a\,x_ix_j$,系数除以 $2$,分别填入 $a_{ij}$、$a_{ji}$,保证对称。 示例:

f(x_1,x_2,x_3)=x_1^2+2x_1x_2+3x_2^2-8x_2x_3+x_3^2

A=\begin{pmatrix} 1 & 1 & 0\ 1 & 3 & -4\ 0 & -4 & 1 \end{pmatrix}

#### 3. 由对称矩阵还原二次型口诀 1. 主对角线元素 $a_{ii}$ 为 $x_i^2$ 系数; 2. 上三角元素 $a_{ij}$ 乘以 $2$,作为 $x_ix_j$ 交叉项系数。 示例:

A=\begin{pmatrix}3&1&0\1&-1&-2\0&-2&5\end{pmatrix}

f=3x_1^2-x_2^2+5x_3^2+2x_1x_2-4x_2x_3

#### 4. 二次型的秩 二次型的秩 = 它的对称矩阵 $A$ 的秩:

r(f)=r(A)

> 非对称矩阵形式必须先对称化,再求秩。 --- ### 四、二次型规范形(定义6.4) #### 1. 定义 标准形的平方项系数只能取 $\boldsymbol 1,-1,0$ 时,称为二次型的**规范形**,标准排布形式:

f=z_1^2+\dots+z_p^2-z_{p+1}^2-\dots-z_r^2

其中 $r=r(A)$ 是二次型的秩,$p\le r\le n$。 #### 2. 对应矩阵结构 规范形的矩阵是对角阵,对角元依次为 $p$ 个$1$、$(r-p)$个$-1$、$(n-r)$个$0$,分块写法:

\Lambda=\begin{pmatrix} E_p & & \ & -E_{r-p} & \ & & O_{n-r} \end{pmatrix}

#### 3. 关键结论 **惯性定理**:任意实二次型的规范形**唯一**,与可逆线性变换的选取无关。 --- ### 惯性指数与符号差(定义6.5) 设二次型秩为 $r$ 1. **正惯性指数 $p$**:标准形/规范形里,系数为正数的平方项个数; 2. **负惯性指数 $q$**:标准形/规范形里,系数为负数的平方项个数; 3. **符号差**:$p-q$; 4. 核心等式:$\boldsymbol r=p+q$。 --- ### 线性变换(定义6.6) #### 1. 矩阵表达 两组变量 $\boldsymbol x=(x_1,\dots,x_n)^\mathrm T,\boldsymbol y=(y_1,\dots,y_n)^\mathrm T$,变换记作:

\boldsymbol x=C\boldsymbol y

$C=(c_{ij})$ 是 $n$ 阶变换矩阵。 #### 2. 两类重要线性变换 1. **可逆线性变换** $|C|\ne 0$($C$ 满秩、非退化、非奇异),逆变换:$\boldsymbol y=C^{-1}\boldsymbol x$。 2. **正交变换** 若 $C$ 是正交矩阵($C^{-1}=C^\mathrm T$),则 $\boldsymbol x=C\boldsymbol y$ 为正交线性变换。 #### 3. 变换复合定理(定理6.1) 多个线性变换连续复合后的总矩阵 = 各变换矩阵依次相乘; 多个可逆线性变换复合后,仍然是可逆线性变换。 --- ### 可逆线性变换作用于二次型(定理6.2) 1. 二次型 $\boldsymbol x^\mathrm T A\boldsymbol x$ 做可逆变换 $\boldsymbol x=C\boldsymbol y$:

\boldsymbol x^\mathrm T A\boldsymbol x =(C\boldsymbol y)^\mathrm T A(C\boldsymbol y) =\boldsymbol y^\mathrm T (C^\mathrm T A C)\boldsymbol y =\boldsymbol y^\mathrm T B\boldsymbol y

其中 $B=C^\mathrm T A C$。 2. 结论: - 变换后依旧是二次型; - 新矩阵 $B$ 与原矩阵 $A$ **合同**; - 秩不变:$r(B)=r(A)$,即二次型秩在可逆变换下恒定。 --- ### 标准形、规范形、惯性指数关系梳理 | 形式 | 系数取值 | 是否唯一 | 核心标识量 | |------------|------------------------|----------------|--------------------------| | 标准形 | 任意实数 | 不唯一 | 正、负惯性指数唯一不变 | | 规范形 | 仅 $1,-1,0$ | **唯一** | $p,q,r$ 全部固定不变 | --- ### 合同矩阵定义(定义6.8) 设 $A,B$ 为 $n$ 阶方阵,若存在**可逆矩阵 $C$**,满足: $$C^\mathrm{T}AC=B$$ 则称矩阵 $A$ 与 $B$ **合同**,记作 $A\simeq B$;该变换称作合同变换,$C$ 是合同变换矩阵。 #### 相似、正交相似、合同公式对比 | 关系 | 核心等式 | 变换矩阵要求 | |--------------|-------------------------|--------------------| | 相似 | $P^{-1}AP=B$ | $P$ 可逆 | | 正交相似 | $P^{-1}AP=P^\mathrm{T}AP=B$ | $P$ 正交矩阵 | | 合同 | $P^\mathrm{T}AP=B$ | $P$ 可逆 | --- ### 合同关系三大等价性质(等价关系) 1. **反身性**:任意方阵 $A$,$A\simeq A$; 2. **对称性**:若 $A\simeq B$,则 $B\simeq A$; 3. **传递性**:若 $A\simeq B,\ B\simeq C$,则 $A\simeq C$。 --- ### 合同矩阵重要推论 1. **秩相等**:$A\simeq B \implies r(A)=r(B)$,同时 $A,B$ 等价; 2. **对称性同步**:$A$ 是对称矩阵 $\iff B$ 是对称矩阵; 3. **可逆性一致**:$A,B$ 同时可逆或同时不可逆;若均可逆,则 $A^{-1}\simeq B^{-1}$; 4. **转置也合同**:$A\simeq B \implies A^\mathrm{T}\simeq B^\mathrm{T}$。 --- ### 二次型视角下的合同结论 #### 结论1(普通可逆线性变换) 二次型 $f=\boldsymbol x^\mathrm{T}A\boldsymbol x$,做可逆变换 $\boldsymbol x=C\boldsymbol y$,得到 $f=\boldsymbol y^\mathrm{T}(C^\mathrm{T}AC)\boldsymbol y=\boldsymbol y^\mathrm{T}B\boldsymbol y$,则 $A\simeq B$。 #### 结论2(正交变换特殊情况) 正交变换 $\boldsymbol x=Q\boldsymbol y$($Q$ 正交矩阵,$Q^\mathrm{T}=Q^{-1}$),此时 $$B=Q^\mathrm{T}AQ=Q^{-1}AQ$$ $A$ 与 $B$ **既相似,又合同**。 --- ## 6.2 化二次型为标准形 ### 方法1:配方法(可逆线性变换,标准形不唯一) #### 分类操作步骤 1. **含平方项(第一题例题)** 优先对出现平方项的变量配方,逐步消去交叉项: $$f(x_1,x_2,x_3)=x_1^2-3x_2^2+4x_3^2-2x_1x_2+2x_1x_3-6x_2x_3$$ 先把含 $x_1$ 的项全部收拢配方,再依次对 $x_2$ 配方,最终化成纯平方项: $$f=y_1^2-y_2^2+4y_3^2$$ 同时写出可逆线性变换 $\boldsymbol x=C\boldsymbol y$,$C$ 为可逆变换矩阵。 2. **无平方项(只有交叉项,第二题例题)** 先做可逆变换构造出平方项: $$\begin{cases}x_1=y_1+y_2\\x_2=y_1-y_2\\x_3=y_3\end{cases}$$ 代入后产生 $y_1^2,y_2^2$,再继续常规配方,最终得到标准形。 #### 配套定理6.3 任意 $n$ 元二次型,都能通过**可逆线性变换**化为标准形: $$f=d_1y_1^2+d_2y_2^2+\dots+d_ny_n^2$$ ⚠️ 配方法得到的标准形系数 $d_i$ 不唯一,但**正、负惯性指数固定不变**。 --- ### 方法2:正交变换法(正交相似,标准形唯一) #### 核心原理 正交变换化二次型 = 实对称矩阵正交相似对角化。 正交矩阵 $Q$ 满足 $Q^\mathrm T=Q^{-1}$,因此 $Q^\mathrm TAQ=Q^{-1}AQ=\Lambda$,$A$ 和对角阵**既相似又合同**。 #### 定理6.5 实二次型 $f=\boldsymbol x^\mathrm TA\boldsymbol x$($A^\mathrm T=A$),正交变换 $\boldsymbol x=Q\boldsymbol y$ 可化为: $$f=\lambda_1y_1^2+\lambda_2y_2^2+\dots+\lambda_ny_n^2$$ $\lambda_1,\lambda_2,\dots,\lambda_n$ 恰好是矩阵 $A$ 的全部特征值。 #### 完整解题步骤(例题演示) $$f=2x_1^2+x_2^2-4x_1x_2-4x_2x_3$$ 1. 写出对称矩阵 $$A=\begin{pmatrix}2&-2&0\\-2&1&-2\\0&-2&0\end{pmatrix}$$ 2. 解特征方程 $|\lambda E-A|=0$,求出特征值 $\lambda_1=1,\lambda_2=4,\lambda_3=-2$; 3. 逐个求特征向量,不同特征值向量天然正交; 4. 全部特征向量单位化,拼成正交矩阵 $Q$; 5. 正交变换 $\boldsymbol x=Q\boldsymbol y$,直接写出标准形: $$f=y_1^2+4y_2^2-2y_3^2$$ --- ## 二、实对称矩阵合同判定核心结论 ### 定理6.4 任意 $n$ 阶实对称矩阵 $A$,**一定合同于对角矩阵**。 ### 定理6.8(合同充要条件) 实对称矩阵 $A\simeq B$ 的等价判定(全部互为充要): 1. 秩相等 + 正惯性指数相等; 2. 秩相等 + 负惯性指数相等; 3. 正、负惯性指数全部相同; 4. 规范形完全一致; 5. 正特征值个数、负特征值个数分别对应相等。 ### 重要推论 若两个实对称矩阵**相似**,则二者一定合同。 > 解释:相似特征值完全相同,正负特征值数量一致,惯性指数相等,必然合同;反之合同不一定相似。 --- ### 三、两种化标准形方法对比表 | 对比维度 | 配方法(可逆线性变换)| 正交变换法 | |-------------------------|---------------------------------|-----------------------------------| | 变换矩阵性质 | $C$ 可逆,无正交要求 | $Q$ 正交矩阵,$Q^\mathrm T=Q^{-1}$ | | $A$ 与对角阵关系 | 仅合同,不相似 | 既合同,又相似 | | 标准形系数 | 任意实数,不唯一 | 只能是 $A$ 的特征值,唯一 | | 惯性指数 | 唯一不变 | 唯一不变 | | 适用场景 | 只求标准形、规范形、惯性指数 | 题目明确要求正交变换、二次曲面几何变换 | --- ### 四、做题易错提醒 💡 1. 配方法得到的变换矩阵 $C$ 必须验算行列式 $|C|\ne0$,保证变换可逆; 2. 正交变换标准形系数固定为特征值,不需要额外配方,直接写结果; 3. 只有实对称矩阵能用「惯性指数相等」判定合同,普通方阵不适用该结论; 4. 相似 $\implies$ 合同(实对称),合同 $\nRightarrow$ 相似。 ## 6.3 二次型与对称矩阵的有定性 ### 一、二次型定性五大分类(定义6.9) 设实二次型 $f(\boldsymbol x)=\boldsymbol x^\mathrm T A \boldsymbol x,\ A^\mathrm T=A$,对任意非零实向量 $\boldsymbol x\ne\boldsymbol 0$: 1. **正定**:恒有 $f(\boldsymbol x)>0$ 2. **负定**:恒有 $f(\boldsymbol x)<0$ 3. **半正定**:恒有 $f(\boldsymbol x)\ge0$,存在非零向量使 $f=0$ 4. **半负定**:恒有 $f(\boldsymbol x)\le0$,存在非零向量使 $f=0$ 5. **不定**:既有 $\boldsymbol x_1$ 使 $f>0$,又有 $\boldsymbol x_2$ 使 $f<0$ #### 例题定性判断 1. $f=2x_1^2+x_2^2+5x_3^2$:正定 2. $f=-x_1^2-3x_2^2-4x_3^2$:负定 3. $f=x_1^2+3x_2^2+0x_3^2$:半正定(取 $\boldsymbol x=(0,0,1)^\mathrm T,f=0$) --- ### 二、正定二次型核心性质(定理6.9) 正定二次型经过**任意可逆线性变换**,仍然是正定二次型。 > 本质:可逆变换不改变正惯性指数,正定要求正惯性指数 $p=n$,因此不变。 --- ### 三、正定矩阵(实对称)充要判定方法(全套考研结论) 设 $A$ 为 $n$ 阶实对称矩阵,下述条件**全部等价**: #### 方法1:惯性指数判定 正惯性指数 $p=n$;规范形为 $y_1^2+y_2^2+\dots+y_n^2$。 #### 方法2:合同判定 $A$ 合同于单位矩阵 $E$,$\exists$ 可逆阵 $C$,$C^\mathrm T A C=E$。 #### 方法3:矩阵分解判定 存在可逆矩阵 $C$,使得 $\boldsymbol A=C^\mathrm T C$。 #### 方法4:特征值判定 $A$ 的所有特征值 $\lambda_i>0$。 #### 方法5:顺序主子式判定(霍尔维茨定理,最常用) $A$ 的**各阶顺序主子式全部大于0**:

D_k=\begin{vmatrix} a_{11} & \dots & a_{1k}\ \vdots & & \vdots\ a_{k1} & \dots & a_{kk} \end{vmatrix}>0,\quad k=1,2,\dots,n

$k$ 阶顺序主子式:取矩阵前 $k$ 行、前 $k$ 列构成子方阵的行列式。 --- ### 四、正定矩阵必要条件(只能排除,不能判定正定) 1. $A$ 一定是对称矩阵(正定前提); 2. 主对角线元素全部 $a_{ii}>0$; 3. 行列式 $|A|>0$; 4. $A$ 可逆。 --- ### 五、正定矩阵常用运算性质 1. $A^\mathrm T,A^{-1},A^*$ 均正定; 2. $kA\ (k>0)$、$A^m$($m$ 正整数)正定; 3. $A,B$ 同阶正定/半正定 $\implies A+B$ 正定。 --- ### 六、做题思路速查表 | 已知条件 | 首选判定方法 | |------------------------------|----------------------------------| | 已化标准形/规范形 | 数正惯性指数是否等于阶数 $n$ | | 给出全部特征值 | 逐个检查是否全大于0 | | 低阶方阵、无特征值 | 逐阶计算顺序主子式,全部>0即正定 | | 矩阵表达式变形证明题 | 证 $A=C^\mathrm T C$ 或 $A\simeq E$ | --- #### 例7 证明:$A,B$ 均 $n$ 阶正定矩阵 $\implies A+B$ 正定 1. **验证对称性** 正定矩阵必对称:$A^\mathrm T=A,\ B^\mathrm T=B$ $$(A+B)^\mathrm T=A^\mathrm T+B^\mathrm T=A+B$$ 故 $A+B$ 是实对称矩阵,满足二次型矩阵前提。 2. **正定定义验证** 任取非零列向量 $\boldsymbol x\ne\boldsymbol 0$: $$\boldsymbol x^\mathrm T(A+B)\boldsymbol x=\boldsymbol x^\mathrm T A\boldsymbol x+\boldsymbol x^\mathrm T B\boldsymbol x$$ $A,B$ 正定,因此 $\boldsymbol x^\mathrm T A\boldsymbol x>0,\ \boldsymbol x^\mathrm T B\boldsymbol x>0$,相加得: $$\boldsymbol x^\mathrm T(A+B)\boldsymbol x>0$$ 由正定定义,$A+B$ 正定。 --- #### 例8 已知实对称矩阵 $A^2-3A+2E=O$,证 $A+E$ 正定 1. 特征值满足矩阵多项式方程:若 $\lambda$ 是 $A$ 的特征值,则 $$\lambda^2-3\lambda+2=0 \implies (\lambda-1)(\lambda-2)=0$$ 解得 $A$ 的特征值只能是 $\lambda_1=1,\ \lambda_2=2$。 2. 设 $A$ 特征值为 $\lambda$,则 $A+E$ 的特征值为 $\lambda+1$: - $\lambda=1$ 时,$\lambda+1=2>0$ - $\lambda=2$ 时,$\lambda+1=3>0$ 3. $A$ 实对称 $\implies A+E$ 实对称;**全部特征值大于0**,故 $A+E$ 正定。 --- #### 例9 求 $t$ 的取值,使二次型正定 $$f(x_1,x_2,x_3)=2x_1^2+x_2^2+x_3^2+2x_1x_2+tx_2x_3$$ **步骤1:写出实对称矩阵** $$A=\begin{pmatrix} 2 & 1 & 0\\ 1 & 1 & \dfrac t2\\ 0 & \dfrac t2 & 1 \end{pmatrix}$$ **步骤2:顺序主子式全大于0(霍尔维茨定理)** 1阶顺序主子式:$D_1=2>0$,恒成立; 2阶顺序主子式: $$D_2=\begin{vmatrix}2&1\\1&1\end{vmatrix}=2-1=1>0$$ 3阶顺序主子式:

D_3= \begin{vmatrix} 2 & 1 & 0\ 1 & 1 & \frac t2\ 0 & \frac t2 & 1 \end{vmatrix} =2\left(1-\frac{t^2}{4}\right)-1\cdot\left(1-0\right) =1-\frac{t^2}{2}>0

∗∗步骤3:解不等式∗∗ **步骤3:解不等式**

1-\frac{t^2}{2}>0 \implies t^2<2

最终取值范围: $$\boldsymbol{-\sqrt{2}<t<\sqrt{2}}$$ --- **三类正定证明题型方法总结** | 题型特征 | 首选方法 | |--------|--------| | 矩阵相加、线性组合证明正定 | 原始定义 $\boldsymbol x^\mathrm T A\boldsymbol x>0$ | | 给出矩阵多项式方程($f(A)=O$) | 求特征值,验证所有特征值$>0$ | | 含参数二次型求参数范围 | 顺序主子式逐阶大于0,解不等式 |
线性代数笔记
https://fairycrane.website/posts/linear-algebra/
作者
仙鹤
发布于
2026-08-22
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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