前言
本文仅仅作为考试复习用,涉及知识较为浅显,若有不懂的符号,请看符号记法
线代基础
线性空间
定义
设V V V 是一个非空集合,F F F 是一个数域,线性空间记为V ( F ) V(F) V ( F ) 或者V F V_F V F 。满足下面两条线性运算 就是线性空间了:
注: 在学习工程矩阵理论中,必须明确一下 集合,数域,元素,向量 这几个概念。请看符号记法
子空间
若V ( F ) V(F) V ( F ) 为线性空间,且W ⊂ V W\subset V W ⊂ V ,且V V V 上的线性运算在W W W 上也满足,那就可以称为子空间了,记为W ≤ V W\leq V W ≤ V 。
W ≤ V ⇔ ∀ α , β ∈ W , α + β ∈ W ; a n d ∀ α ∈ W , ∀ k ∈ F , k α ∈ W ⇔ ∀ k , l ∈ F , ∀ α β ∈ W , k α + l β ∈ W W\leq V\Leftrightarrow \\ \forall \alpha,\beta\in W,\alpha+\beta\in W;\quad and\quad \forall \alpha\in W,\forall k\in F,k\alpha\in W\Leftrightarrow\\
\forall k,l\in F,\forall \alpha\beta\in W,k\alpha+l\beta\in W
W ≤ V ⇔ ∀ α , β ∈ W , α + β ∈ W ; a n d ∀ α ∈ W , ∀ k ∈ F , k α ∈ W ⇔ ∀ k , l ∈ F , ∀ α β ∈ W , k α + l β ∈ W
生成元与生成系:若 W = { ∑ i = 1 k x i α i ∣ ∀ x i ∈ F } W=\left\{\sum\limits_{i=1}^{k}x_i\alpha_i\Big|\forall x_i\in F\right\} W = { i = 1 ∑ k x i α i ∣ ∣ ∣ ∣ ∀ x i ∈ F } ,称 W W W 为 { α i } 1 k \left\{\alpha_i\right\}_1^k { α i } 1 k 生成的的子空间,记为 W = L [ α 1 , α 2 , … , α k ] = s p a n α 1 , α 2 , … , α k W=L\left[\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_k\right]=\mathrm{span}{\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_k} W = L [ α 1 , α 2 , … , α k ] = s p a n α 1 , α 2 , … , α k ,其中,{ α i } 1 k \left\{\alpha_i\right\}_1^k { α i } 1 k 称为 生成系 ,α i \alpha_i α i 称为 生成元 。
基、维数
线性空间 V V V 由 n n n 个线性无关的向量 α 1 , α 2 , … , α n \alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n α 1 , α 2 , … , α n 生成。
称 α 1 , α 2 , … , α n \alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n α 1 , α 2 , … , α n 为 基 ;
称 n n n 为 维数 ,记为 dim V = n \dim V=n dim V = n ;
特别的,零子空间的维数为0;
基扩充
若 W ≤ V , dim V = n W\leq V,\dim V=n W ≤ V , dim V = n , α 1 , α 2 , … , α r \alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_r α 1 , α 2 , … , α r 为 W W W 的基,必可扩充 V V V 的基为 α 1 , α 2 , … , α r , α r + 1 , α r + 2 , … , α n \alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_r,\alpha_{r+1},\alpha_{r+2},\dots,\alpha_n α 1 , α 2 , … , α r , α r + 1 , α r + 2 , … , α n 。
坐标向量
设 α 1 , α 2 , … , α n \alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n α 1 , α 2 , … , α n 为 V ( dim V = n ) V(\dim V=n) V ( dim V = n ) 的基,ξ = ∑ i = 1 n x i α i ∈ V \xi=\sum\limits_{i=1}^nx_i\alpha_i\in V ξ = i = 1 ∑ n x i α i ∈ V ,称 ( x 1 , x 2 , … , x i ) (x_1,x_2,\dots,x_i) ( x 1 , x 2 , … , x i ) 为 坐标 ,列向量 ( x 1 , x 2 , … , x i ) T (x_1,x_2,\dots,x_i)^T ( x 1 , x 2 , … , x i ) T 为 坐标向量 。
过渡矩阵:若 ( β 1 , β 2 , … , β n ) = ( α 1 , α 2 , … , α n ) P (\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_n)=(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)P ( β 1 , β 2 , … , β n ) = ( α 1 , α 2 , … , α n ) P 称 P P P 为基 { α i } 1 n \left\{\alpha_i\right\}_1^n { α i } 1 n 到基 { β i } 1 n \left\{\beta_i\right\}_1^n { β i } 1 n 的过渡矩阵
交与和
定义
设 V 1 , V 2 V_1,V_2 V 1 , V 2 是线性空间 V V V 的两个子空间,称
和: V 1 + V 2 = { α 1 + α 2 ∣ ∀ α 1 ∈ V 1 , ∀ α 2 ∈ V 2 } 交: V 1 ∩ V 2 = { α ∈ V ∣ α ∈ V 1 且 α ∈ V 2 } 和:V_1 + V_2=\left\{ \alpha_1+\alpha_2\big| \forall\alpha_1\in V_1,\forall\alpha_2\in V_2 \right\}\\
交:V_1\cap V_2=\{\alpha\in V\big|\alpha\in V_1 且\alpha\in V_2\}
和 : V 1 + V 2 = { α 1 + α 2 ∣ ∣ ∣ ∀ α 1 ∈ V 1 , ∀ α 2 ∈ V 2 } 交 : V 1 ∩ V 2 = { α ∈ V ∣ ∣ ∣ α ∈ V 1 且 α ∈ V 2 }
且和与交都是 V V V 的子空间。
维数定理:dim V 1 + dim V 2 = dim ( V 1 + V 2 ) + dim ( V 1 ∩ V 2 ) \dim V_1+\dim V_2=\dim(V_1+V_2)+\dim(V_1\cap V_2) dim V 1 + dim V 2 = dim ( V 1 + V 2 ) + dim ( V 1 ∩ V 2 )
直和定义
设V 1 , V 2 ≤ V ∀ α ∈ V 1 + V 2 , ∃ V_1,V_2\leq V\quad\forall \alpha\in V_1+V_2, \exist V 1 , V 2 ≤ V ∀ α ∈ V 1 + V 2 , ∃ 惟一的 α 1 ∈ V 1 , α 2 ∈ V 2 \alpha_1\in V_1,\alpha_2\in V_2 α 1 ∈ V 1 , α 2 ∈ V 2 使得 α = α 1 + α 2 \alpha=\alpha_1+\alpha_2 α = α 1 + α 2 ,则称 V 1 + V 2 V_1+V_2 V 1 + V 2 是直和,记为 V 1 ⊕ V 2 V_1\oplus V_2 V 1 ⊕ V 2
以下命题等价:
V 1 + V 2 V_1+V_2 V 1 + V 2 是直和
θ \theta θ 的表示方式是惟一的
V 1 ∩ V 2 = { θ } V_1\cap V_2=\{\theta\} V 1 ∩ V 2 = { θ }
dim ( V 1 + V 2 ) = dim V 1 + dim V 2 \dim(V_1+V_2)=\dim V_1 + \dim V_2 dim ( V 1 + V 2 ) = dim V 1 + dim V 2
将V 1 , V 2 V_1,V_2 V 1 , V 2 的基合在一起就是V 1 + V 2 V_1+V_2 V 1 + V 2 的基
线性映射
定义
S → f T S\xrightarrow{f}T S f T , 称 f f f 为线性映射,s ∈ S , t = f ( s ) s\in S,t=f(s) s ∈ S , t = f ( s ) 中 s s s 称为 原象 , t t t 称为 象 。
满射:f ( S ) = T f(S)=T f ( S ) = T ,就是 T T T 中的全部元素都能找到一个原象。
单射:一个象只对应一个原象。
双射:满射加单射。
逆射:满足双摄才有逆射,相当于反函数。
线性映射:V ( F ) → f U ( F ) ; f ( k α + l β ) = k f ( α ) + l f ( β ) , ( ∀ α , β ∈ V , ∀ k , l ∈ F ) V(F)\xrightarrow{f}U(F);\quad f(k\alpha+l\beta)=kf(\alpha)+lf(\beta),\quad(\forall \alpha,\beta\in V,\forall k,l\in F) V ( F ) f U ( F ) ; f ( k α + l β ) = k f ( α ) + l f ( β ) , ( ∀ α , β ∈ V , ∀ k , l ∈ F ) ,称 f f f 为 V V V 到 U U U 的线性映射,记为 H o m ( V , U ) \mathrm{Hom}(V,U) H o m ( V , U )
线性变换:当上述 U = V U=V U = V 时,记为 H o m e ( V , V ) \mathrm{Home}(V,V) H o m e ( V , V ) 称为线性变换。
零映射:每个 V V V 中的元素都被映射为 0 U \mathbf{0}_U 0 U
恒等变换:映射到本身
线性映射的矩阵
V ( F ) n → f U ( F ) s V(F)_n\xrightarrow{f}U(F)_s V ( F ) n f U ( F ) s ,n , s n,s n , s 分别为对应的维数。
V V V 的一组基 α 1 , α 2 , … , α n \alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n α 1 , α 2 , … , α n
U U U 的一组基 β 1 , β 2 , … , β s \beta_1,\beta_2,\dots,\beta_s β 1 , β 2 , … , β s
∀ α = ∑ i = 1 n x i α i ∈ V , 有 f ( α ) = ∑ i = 1 n x i f ( α i ) ∈ W { f ( α 1 ) = a 11 β 1 + a 21 β 2 + ⋯ + a s 1 β s , f ( α 2 ) = a 12 β 1 + a 22 β 2 + ⋯ + a s 2 β s , ⋮ f ( α n ) = a 1 n β 1 + a 2 n β 2 + ⋯ + a s n β s , f ( α 1 , α 2 , … , α n ) = ( f ( α 1 ) , f ( α 2 ) , … , f ( α n ) ) = ( β 1 , β 2 , … , β s ) [ a 11 a 12 ⋯ a 1 n a 21 a 22 ⋯ a 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a s 1 a s 2 ⋯ a s n ] \forall \alpha=\sum\limits_{i=1}^nx_i\alpha_i\in V,\ 有f(\alpha)=\sum\limits_{i=1}^nx_if(\alpha_i)\in W\\
\begin{cases}
f(\alpha_1)=a_{11}\beta_1+a_{21}\beta_2+\dots+a_{s1}\beta_s,\\
f(\alpha_2)=a_{12}\beta_1+a_{22}\beta_2+\dots+a_{s2}\beta_s,\\
\vdots\\
f(\alpha_n)=a_{1n}\beta_1+a_{2n}\beta_2+\dots+a_{sn}\beta_s,\\
\end{cases}\\
f(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)=\left(f(\alpha_1),f(\alpha_2),\dots,f(\alpha_n)\right)=(\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_s)
\left[\begin{matrix}
a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\
a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
a_{s1} & a_{s2} & \cdots & a_{sn} \\
\end{matrix}\right]
∀ α = i = 1 ∑ n x i α i ∈ V , 有 f ( α ) = i = 1 ∑ n x i f ( α i ) ∈ W ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎧ f ( α 1 ) = a 1 1 β 1 + a 2 1 β 2 + ⋯ + a s 1 β s , f ( α 2 ) = a 1 2 β 1 + a 2 2 β 2 + ⋯ + a s 2 β s , ⋮ f ( α n ) = a 1 n β 1 + a 2 n β 2 + ⋯ + a s n β s , f ( α 1 , α 2 , … , α n ) = ( f ( α 1 ) , f ( α 2 ) , … , f ( α n ) ) = ( β 1 , β 2 , … , β s ) ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ a 1 1 a 2 1 ⋮ a s 1 a 1 2 a 2 2 ⋮ a s 2 ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ a 1 n a 2 n ⋮ a s n ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤
记 A = ( a i j ) s × n A=(a_{ij})_{s\times n} A = ( a i j ) s × n 为 f f f 在 基偶 { α i } 1 n \left\{\alpha_i\right\}_1^n { α i } 1 n 和 { β i } 1 s \left\{\beta_i\right\}_1^s { β i } 1 s 下的 矩阵 , 特别地,U = V , β i = α i U=V,\beta_i=\alpha_i U = V , β i = α i 时,有:
f ( α 1 , α 2 , … , α n ) = ( f ( α 1 ) , f ( α 2 ) , … , f ( α n ) ) = ( α 1 , α 2 , … , α n ) [ a 11 a 12 ⋯ a 1 n a 21 a 22 ⋯ a 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ a n 1 a n 2 ⋯ a n n ] f(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)=\left(f(\alpha_1),f(\alpha_2),\dots,f(\alpha_n)\right)=(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)
\left[\begin{matrix}
a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\
a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \\
\end{matrix}\right]
f ( α 1 , α 2 , … , α n ) = ( f ( α 1 ) , f ( α 2 ) , … , f ( α n ) ) = ( α 1 , α 2 , … , α n ) ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ a 1 1 a 2 1 ⋮ a n 1 a 1 2 a 2 2 ⋮ a n 2 ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ a 1 n a 2 n ⋮ a n n ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤
若 ξ ∈ V ( α 1 , α 2 , … , α n ) , f ( ξ ) ∈ U ( β 1 , β 2 , … , β n ) \xi\in V_{(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)},f(\xi)\in U_{(\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_n)} ξ ∈ V ( α 1 , α 2 , … , α n ) , f ( ξ ) ∈ U ( β 1 , β 2 , … , β n ) 其坐标分别为 X , Y X,Y X , Y ,有 Y = A X Y=AX Y = A X , A A A 就是上述的矩阵。
设f ∈ H o m ( V , U ) f\in\mathrm{Hom}(V,U) f ∈ H o m ( V , U ) , V V V 中两组基满足 ( β 1 , β 2 , … , β n ) = ( α 1 , α 2 , … , α n ) P (\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_n)=(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)P ( β 1 , β 2 , … , β n ) = ( α 1 , α 2 , … , α n ) P , W W W 中两组基满足 ( η 1 , η 2 , … , η s ) = ( ξ 1 , ξ 2 , … , ξ s ) Q (\eta_1,\eta_2,\dots,\eta_s)=(\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_s)Q ( η 1 , η 2 , … , η s ) = ( ξ 1 , ξ 2 , … , ξ s ) Q 。f f f 在基偶 { α i } 1 n , { ξ i } 1 s \left\{\alpha_i\right\}_1^n,\left\{\xi_i\right\}_1^s { α i } 1 n , { ξ i } 1 s 的矩阵为 A A A ,在基偶 { β i } 1 n , { η i } 1 s \left\{\beta_i\right\}_1^n,\left\{\eta_i\right\}_1^s { β i } 1 n , { η i } 1 s 下的矩阵为 B B B ,则 B = Q − 1 A P B=Q^{-1}AP B = Q − 1 A P ;
如果上述 U = V , ξ = α , η = β U=V,\xi=\alpha,\eta=\beta U = V , ξ = α , η = β 那么有:B = P − 1 A P B=P^{-1}AP B = P − 1 A P ,这就是矩阵 相似 的不同定义。
不变子空间
设 f ∈ H o m ( V , V ) , W ≤ V f\in\mathrm{Hom}(V,V),W\leq V f ∈ H o m ( V , V ) , W ≤ V ,若 ∀ α ∈ W → f ( α ) ∈ W \forall\alpha\in W\rightarrow f(\alpha)\in W ∀ α ∈ W → f ( α ) ∈ W ,则称 W W W 为 V V V 关于 f f f 的 不变子空间 。简称为 f f f 的不变子空间
值域和核
定义
设 f ∈ H o m e ( V , U ) f\in\mathrm{Home}(V,U) f ∈ H o m e ( V , U ) ,称 f ( V ) f(V) f ( V ) 为 f f f 的 值域 ,记为 R ( f ) R(f) R ( f ) ;
K ( f ) = { α ∣ f ( α ) = 0 U , α ∈ V } K(f)=\left\{\alpha\big|f(\alpha)=\mathbf{0}_U,\alpha\in V\right\} K ( f ) = { α ∣ ∣ ∣ f ( α ) = 0 U , α ∈ V } 为 f f f 的 核 。
扩展到由于线性变换可以写成矩阵形式,记矩阵为 A A A 则对应的值域和核可以写成 R ( A ) = R ( f ) , K ( A ) = K ( f ) R(A)=R(f),K(A)=K(f) R ( A ) = R ( f ) , K ( A ) = K ( f )
维数定理
f ∈ H o m ( V , U ) f\in\mathrm{Hom}(V,U) f ∈ H o m ( V , U ) 且 V V V 是有限维,那么有: dim R ( f ) + dim K ( f ) = dim V \dim{R(f)}+\dim{K(f)}=\dim{V} dim R ( f ) + dim K ( f ) = dim V
求基
设 A A A 为线性映射矩阵,那么如何求 R ( A ) , K ( A ) R(A),K(A) R ( A ) , K ( A ) 的基?
值域的基:A A A 中列向量组的 极大线性无关组
核的基:A x = 0 Ax=0 A x = 0 的 基础解系
符号记法
集合,数域,元素,向量:本文中
集合一般指的是某个线性空间
数域指的是定义集合的数域,往往是 实数 或者 复数
元素指的是集合中的某个元素
向量指的是本文探讨的线性空间中的元素,因为本文主要探讨矩阵,所以,元素一般是向量
R , C R,C R , C :分别表示 实数 和 复数
F n , F s × n , F [ x ] , F n [ x ] F^n,F^{s\times n},F[x],F_n[x] F n , F s × n , F [ x ] , F n [ x ] :分别表示为数域F
上的 n维向量 、 s行n列的矩阵 、 多项式 、 最高次数小于n的多项式
E i j E_{ij} E i j :表示一个矩阵中第 i i i 行 j j j 列为1,其他都为0的矩阵。