导图社区 考研线性代数
考研线性代数 李永乐零基础 、基础、强化,汤家凤基础课吐血整理。主要内容有:第一章行列式、第二章矩阵、第三章向量、第四章线性方程组、第五章特征值和特征向量、第六章二次型。每一章的应用部分是常见题型的思路
编辑于2021-11-10 10:03:56线性代数
第一章 行列式
概念
一个数,是不同行不同列元素乘积的代数和(共n!项)
排列
n个数组成的有序数组
逆序
大的数排在小的数前面,这两个数构成一个逆序
逆序数
一个排列中逆序的总和
偶排列/奇排列
逆序数是偶/奇数的排列
对角线法
只能用在三阶以下
性质
转置值不变
行(列)互换值变号
提取行(列)公因子k
某行(列)元素全为0,行列式的值为0 两行(列)元素成比例,行列式的值为0
将是两个元素之和的行(列)拆成两个行列知之和
行间倍加值不变
展开式
余子式
划去某元素所在的行和列,剩下的元素构成的行列式,记Mij
代数余子式
定理
n阶行列式等于任一行(列)元素与对应Aij乘积之和
行列式任一行(列)元素与另一行(列)元素的代数余子式乘积之和为0
特殊行列式
上三角、下三角
副对角矩阵
拉普拉斯展开式
范德蒙行列式
克拉默法则
非齐次线性方程组
|Ai|为|A|中第i列元素替换成方程组右端的常数项构成的行列式
齐次线性方程组
|A|!=0是方程组有唯一零解的充要条件
有非零解,充要条件是|A|=0
应用
计算
计算带λ行列式要点
消去1个λ的同时要出现关于λ的公因式
具体矩阵
0多
直接展开(两头非零,中间为零的较易算)
化成拉普拉斯
第一行(列)的k倍加到第i行
每行(列)都加到第一行(列)
逐行(列)相加
爪型的可用主对角线元素化其为三角阵
抽象矩阵
行列式性质
矩阵性质(恒等变形)
特征值:|A|=∏λi
E可写成任意矩阵与其逆阵相乘,而|A+B|无公式。考虑
证|A|=0
Ax=0有非零解
反证法
r(A)<n
0是A的特征值
|A|=-|A|
A不可逆
第二章 矩阵
概念
矩阵是一个表格,A=O与|A|=0不同! 当A!=O时,|A|=0或!=0皆可能
是一个表格。m行n列称为m*n矩阵
n阶方阵
m=n
对应的行列式记作|A|或detA
同型矩阵
行列数相同的矩阵
相等矩阵
两个同型矩阵的对应元素相等,称A与B相等,记A=B
矩阵多项式
常见矩阵
零矩阵
所有元素都为0
单位矩阵
记En,矩阵乘单位矩阵等于其本身
数量阵
数k与单位阵E的乘积
对角矩阵
对角线元素也可能为0
上(下)三角阵
上(下)三角元素为0
对称阵
原矩阵=转置阵
反对称阵
原矩阵=-转置阵,aii=0
向量
运算
加减
交换律:A+B=B+A 结合律:(A+B)+C=A+(B+C)=A+B+C,A+O=O+A=A,A+(-A)=O
数乘
k(mA)=m(kA)=(km)A (k+m)A=kA+mA k(A+B)=kA+kB 1*A=A,0*A=O
矩阵乘
无交换律:一般AB!=BA。AB=O不能推出A=O或B=O 无消去律:AB=AC且A!=O不能推出B=C
(AB)C=A(BC) A(B+C)=AB+AC (B+C)A=BA+CA AE=EA=A OA=AO=O (kA)(lB)=klAB
条件
左列数=右行数
方法
左行*右列
结果
左行数*右列数
转置
方法:行列互换
伴随、可逆矩阵
定义
伴随矩阵
可逆矩阵
若n阶矩阵A、B,有AB=BA=E成立,称A是可逆矩阵或非奇异矩阵,记
运算
定理
若A可逆,则A的逆矩阵唯一
A可逆<=>|A|!=0
A、B为n阶且AB=E,则BA=E
n阶阵A可逆<=>
存在n阶阵B,使AB=E(或BA=E)
|A|!=0
秩r(A)=n
A的列(行)向量线性无关
齐次方程组Ax=0只有零解
∀b,非齐次线性方程组Ax=b总有唯一解
矩阵A的特征值全不为0
A与单位矩阵等价
A=P1P2...Ps,Pi是初等矩阵
秩
初等变换
初等变换
倍乘
互换
倍加
初等矩阵
单位矩阵经一次初等变换得到的矩阵
倍乘初等矩阵
逆矩阵:对应元素取倒数
互换初等矩阵
逆矩阵:不变
倍加初等矩阵
逆矩阵:对应元素取反
等价矩阵
等价的充要条件是存在可逆阵P、Q,使PAQ=B
性质
初等矩阵的转置仍是初等矩阵
初等矩阵均是可逆阵,其逆矩阵仍是初等矩阵
用初等矩阵P左乘(右乘)A,相当于对A做相应的初等行(列)变换
定理
A可逆的充要条件是能表示成一些初等矩阵的乘积
行阶梯矩阵
零行在底部,非零行主元在上一行主元右边
行最简矩阵
行阶梯矩阵,非零行主元为1,且其所在列其他元素均为0
分块矩阵
运算
应用
给出AB=O,两个思路
B的列向量是Ax=0的解
r(A)+r(B)<=n
给出AB=C
对B和C分行:AB的行向量可由B的行向量线性表出
对A和C分列:AB的列向量可由A的列向量线性表出
证可逆
|A|!=0
r(A)=n
特征值
反证法
求逆矩阵
公式法
初等变换
定义法
使AB=E或BA=E,则A可逆,且A的逆=B
分块矩阵
分块矩阵
分行:求向量,秩
分列:求方程组解
分块:求AB,A^n,A^-1
求A^n
一次方,二次方递推找规律
若r(A)=1,则A可分解成列向量和行向量的乘积,从而A^n=a^(n-1)A,a=对角线之和
拆成E+A`,然后用
分块
求秩
找r(A)>=a,r(A)<=a
向量空间
求过渡矩阵
直接写系数 βi=k1α1+…knαn ,…, βn=…
公式B=AC
坐标变换
第三章 向量
概念
向量
n个数a1,...an组成的有序数组称为n维向量。α=(a1,...an)^T。 a1,...an称为向量的分量(坐标),有列向量和行向量
零向量0=(0,...,0)^T
相等
α=β<=>α,β同维,且对应分量相等
向量组
若干个同维的行(列)向量组成的集合
部分组:向量组的部分向量
整体组:向量组的全部向量
β可由α1,...,αm线性表出
具有传递性
线性相关和线性无关
①含有零向量,相等向量,成比例向量的向量组相关。单个向量时,零向量是相关的 ②(1,0)(0,1)无关。不成比例的向量无关
存在不全为零的k1,...,km,使k1α1+...+kmαm=0成立, 称α1,...,αm线性相关,否则称为线性无关
运算
加法
数乘
定理
n+1个n维向量必相关
部分组相关=>整体组相关,整体组无关=>部分组无关;原组无关=>延伸组无关,原组相关=>缩短组相关
①组(I)可由组(II)线性表出=>r(I)<=r(II) ②(I)(II)等价=>r(I)=r(II)
特征值不同=>特征向量无关
三秩相等:A的秩=r的行秩=r的列秩
经初等变换矩阵的秩不变
向量组、矩阵的秩
极大线性无关组(I)
不唯一,但向量个数一样。零向量没有极大线性无关组
(I)是向量组(II)的部分组
(I)无关
(II)中任一向量均可由(I)线性表示
等价于(I)中加入任一(II)中向量就相关
等价向量组
两向量组可相互线性表示
向量组的秩
极大无关组的向量个数,记r(a1,a2,...,as)
矩阵的秩
矩阵A存在r阶子式!=0,r阶以上子式均=0,则称A的秩为r,记r(A)
r阶子式:在矩阵A中任取r行r列,交点元素按原顺序构成的行列式。
r(A)=r <=> A中非0子式的最高阶为r
r(A)<r <=>A中每个r阶子式=0
r(A)>=r <=>A中有r阶子式!=0
若A为n阶,r(A)=n<=>|A|!=0<=>A可逆,r(A)<n<=>|A|=0<=>A不可逆
若A为m*n阶,则r(A)<=min(m,n)
正交
概念
内积
模
单位向量
模=1的向量
两向量夹角的余弦
正交
(α,β)=0时,称α与β正交
柯西不等式
两两正交的非0向量线性无关
性质
对称性
(α,β)=(β,α)
线性性
λ(α,β)=(λα,β)=(α,λβ)
(α+β,γ)=(α,γ)+(β,γ)
正定性
(α,α)>=0,等号成立当且仅当α=0
施密特正交
正交化
标准化
正交矩阵
定义
定理
A是正交矩阵=>|A|=+-1
应用
证无关
定义法
设k1α1+...+knαn=0,证k1=0,...,kn=0
乘
直接乘,乘完式子变短
乘完与原式相加减,变短
拆括号重组
秩
(α1,...αs)x=0有仅有零解=>r(α1,...αs)=s
方法
三秩相等
秩的公式
反证法
给出AB=O
B的列向量是Ax=0的解
r(A)+r(B)≤n
证相关
[α1,...,αs]x=0有非零解
r(α1,...αs)<s
αi可由组内其他向量表示
多数向量能用少数向量表示
n+1个n维向量
|A|=0
分量成比例
证线性表出
证对应的k!=0
反证法
证向量组等价
r(I)=r(II)=r(I,II)
可互相表出
几个一起算,不要分开算
第四章 线性方程组
概念
零解
齐次方程组必有零解
x1=0,x2=0,...xn=0
非零解
除了零解的所有解
基础解系
①线性无关的解向量个数 ②未知数中自由变量的个数
t=n-r(A)
η1,η2,..ηt是Ax=0的解
η1,η2,...,ηt线性无关
Ax=0的任一个解η都可由η1,η2,...,ηt线性表出
称η1,η2,...ηt为Ax=0的一个基础解系
求方程组的解(同解变形)
同解变形对应矩阵的初等行变换
两个方程互换位置
用非零常数乘方程的两端
把某个方程的k倍加到另一个方程上
定理
m<n时,Ax=0必有非零解
m=n时,Ax=0有非零解<=>|A|=0
Ax=0的基础解系由n-r(A)个解向量构成
若η1,η1,...,ηt是Ax=0的基础解系,则其通解是k1η1+k2η2+...+ktηt
解的性质
若η1,η1,...,ηt是Ax=0的解,则有k1η1+k2η2+...+ktηt仍是其解
ξ1,ξ2是Ax=b的解=>ξ1-ξ2是Ax=0的解
ξ是Ax=b的解,η是Ax=0的解=>ξ+kη是Ax=b的解
应用
具体
行变换
讨论参数
抽象
秩
解的结构
推理分析
齐次解
n-r(A)=基础解系
非齐解
有解判定,解的结构
公共解
两个解集合的交集
给出两个方程组,直接联立求解
给出一个方程组和另一个方程组的基础解系,求出基础解系,则公共解可由两组基础解系表出,联立
同解
两个解集合完全相等
同解⇒秩r(A)=r(B)
第五章 特征值和特征向量
特征值和特征向量
定义
Aα=λα,α!=0
定理
αs=k1α1+...ktαt!=0仍是A属于λ的特征向量
不同特征值对应的特征向量线性无关
若n阶阵有n个不同的特征值
λ0有无数个特征向量,λ0对应的线性无关的特征向量为(λE-A)X=0的基础解系
相似矩阵
定义
A,B为n阶矩阵,P为可逆阵。若P^-1AP=B,则称B是A的相似矩阵,记
若A与对角阵相似,称A可相似对角化,对角阵为A的相似标准形
性质
反身性
A~B
对称性
传递性
相似必要性
特征多项式相同,即|λE-A|=|λE-B|
r(A+kE)=r(B+kE)
A,B有相同的特征值
f(A)α=f(λ)α
A可逆 =>
定理
n阶阵A可对角化<=>A有n个线性无关的特征向量
n阶阵A有n个不同的特征值=>A可对角化
n阶阵A可对角化<=>A的每个特征值对应的特征向量数为该特征值的重数
实对称矩阵
定义
A^T=A
定理
必可相似对角化
不同特征值的特征向量相互正交
必存在正交阵Q,使Q^-1AQ=Q^TAQ=对角阵
特征值皆为实数
k重特征值必有k个线性无关的特征向量
(λ_1E-A)X=0=>ξ_1,...,ξ_s线性无关
(λ_2E-A)X=0=>η_1,..η_t线性无关
且ξ_1,...,ξ_s,η_1,..η_t也线性无关
应用
求特征值
定义
|λE-A|=0
相似
上,下三角,对角矩阵的特征值是主对角线上的元素
a11+...ann=λ1+...λn
r(A)=1时,A的特征值为λ1=a11+a22+a33+...+ann,λ2=λ3=0
Aλ=0=>特征值=0,特征向量=λ
r(A)<n=>|0E-A|=0=>λ=0
解题要点
λ1!=λ2=>α1+α2不是A的特征向量
A(kα)=kAα=k(λα)=λ(kα)
(A+kE)α=(λ+k)α
A^nα=λ^nα(α!=0)
A(β1,...,βs)=(Aβ1,...,Aβs)
求特征向量
若已知实对称阵两个特征向量,可用正交性求第三个特征向量
证相似
定义
特征值相等
找中介(对角阵),利用传递性
证有n个无关的向量
证不相似
相似必要性
A可对角化,B不可对角化
求A的n次方
变换成对角阵的相似,求对角阵的n次方
对角化
<=>
A有n个线性无关的特征向量
k重特征值必有k个线性无关的特征向量
=>
A有n个不同的特征值
A是实对称矩阵
求相似矩阵
求特征值
求特征向量
把特征向量构成可逆阵P
求实对称矩阵
求特征值
求特征向量
特征向量正交化
特征向量单位化
若求出的特征向量已正交化或单位化,则不用处理
把特征向量构成正交阵Q
第六章 二次型
定义
每一项中的未知数的数量都是2。如
含有n个未知数(变量)称为n元实二次型
平方项
变量相同的项
混合项
变量不同的项
二次型的对应矩阵
平方项把系数放到下标对应的对角线上。混合项把系数除以2,再分别放到下标对应的对称点上
标准型
只有平方项,没有混合项
规范型
只有平方项,且系数只能是1,-1,0
惯性指数
前提
是标准型
正惯性指数p
正平方项的个数
负惯性指数q
负平方项的个数
二次型的秩
即对应矩阵A的秩=p+q
合同
定义
A,B为n阶方阵,存在可逆阵C,使C^TAC=B,称A合同于B,记
|A|与|B|符号相同
性质
反身性
对称性
传递性
经坐标变换后的二次型矩阵是合同的
经正交变换后的二次型矩阵是合同且相似的
正定二次型
定义
x!=0,恒有x^TAx>0,即有x1,...xn不全为0,使f>0 ,称A为正定矩阵
坐标变换后,二次型的正定性不变
充要条件
λ>0
p=n
顺序主子式大于0
A=C^TEC,C可逆
必要条件
aii>0
|A|>0
应用
化为标准型
坐标变换
x=Cy:由x=(x1,x2,x3)^T到y=(y1,y2,y3)^T的坐标变换
|C|!=0
正交变换法
任意二次型必存在正交变换x=Qy(Q为正交阵),化二次型为标准型
即Q^-1AQ=Q^TAQ=对角矩^。其中对角元素为A的特征值。即A既相似又合同于对角阵
正交矩阵Q^-1=Q^T
得到的标准型是唯一的
方法
求A的特征向量,然后正交化,单位化
配方法
任意二次型都可通过(配方法)可逆线性变换x=Cy(C是可逆阵),化成标准型
即C^TAC=对角阵
得到的标准型不唯一
惯性定理
二次型经坐标变化化为标准型,p和q是唯一且不变的
推论:规范型是唯一的
方法
每次只去掉一个变量,配完后剩下的项不含这个变量。依次下去,直到最后一个
看到规范型立刻想到正负惯性指数
证明矩阵合同性
定义
正交、坐标变换
证不合同
|A|与|B|符号不同
惯性指数
定义
证明正定
必须先证明矩阵是二次型(即对称)
p=n
A合同于E,即存在可逆阵C,使C^TAC=E
λ>0
顺序主子式>0
坐标变换
与已知矩阵合同
证不正定
必要条件
aii>0
|A|>0
充要条件
顺序主子式大于0
λ>0
p=n
A=C^TEC,C可逆
已知规范型求系数
求特征值,按小到大排序。规范型的系数按负到正排序。两组一一对应,求出系数
求p和q
看特征值的符号
配方法求出标准型
矩阵对比
等价
等价的充要条件是存在可逆阵P、Q,使PAQ=B
相似
定义
A,B为n阶矩阵,P为可逆阵。若P^-1AP=B,则称B是A的相似矩阵,记
若A与对角阵相似,称A可相似对角化,对角阵为A的相似标准形
性质
反身性
A~B
对称性
传递性
相似必要性
特征值相同
特征多项式相同,即|λE-A|=|λE-B|
秩:r(A+kE)=r(B+kE)
迹:
行列式:
“特”“多”“字”(秩)“迹”的“行列式”(值)
f(A)α=f(λ)α
A可逆 =>
定理:A可对角化
<=>A有n个线性无关的特征向量
<=>A的每个特征值对应的特征向量数为该特征值的重数
<=n阶阵A有n个不同的特征值
合同
定义
A,B为n阶方阵,存在可逆阵C,使C^TAC=B,称A合同于B,记
|A|与|B|符号相同
性质
反身性
对称性
传递性
经坐标变换后的二次型矩阵是合同的
经正交变换后的二次型矩阵是合同且相似的
正交矩阵
定义
定理
A是正交矩阵=>|A|=±1
转逆相等,行(列)正交; A、B若正交,AB也正交; 特征、行列式,皆为正负1。
实对称矩阵
定义
A^T=A,元素皆为实数
定理
必可相似对角化
必存在正交阵Q,使Q^-1AQ=Q^TAQ=对角阵
不同特征值的特征向量相互正交
k重特征值必有k个线性无关的特征向量
“正交”“对角”“不正交”, k重特征k无关。
(λ_1E-A)X=0=>ξ_1,...,ξ_s线性无关
(λ_2E-A)X=0=>η_1,..η_t线性无关
且ξ_1,...,ξ_s,η_1,..η_t也线性无关
正定二次型
定义
x!=0,恒有x^TAx>0,即有x1,...xn不全为0,使f>0 ,称A为正定矩阵
坐标变换后,二次型的正定性不变
必要条件
aii>0
|A|>0
充要条件
λ>0
p=n
顺序主子式>0
A=C^TEC,C可逆
行列、对角为必要, 特征、子式为充要, 还有正惯和定义