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

  • 矩阵的秩:记为r(A)r(A)

    • AB=0r(A)+r(B)nAB=0\rightarrow r(A)+r(B)\leq n
    • r(A+B)r(A)+r(B)r(A+B)\leq r(A)+r(B)
    • r(AB)r(A),r(B)r(AB)\leq r(A),r(B)
    • As×nBn×t=0r(A)+r(B)nA_{s\times n}B_{n\times t} = 0\Rightarrow r(A)+r(B)\leq n
    • r(As×nBn×t)r(A)+r(B)nr(A_{s\times n}B_{n\times t})\geq r(A)+r(B)-n
  • 矩阵的迹:记为tr(A)tr(A)

    • tr(A)=λi=aiitr(A)=\sum\lambda_i=\sum{a_{ii}}
  • 行列式:记为 det(A)\det(A)

    • det(kA)=kndet(A)\det(kA)=k^n\det(A)
    • det(AB)=det(A)det(B)\det(AB)=\det(A)\det(B)
    • det(A1)=(det(A))1\det(A^{-1})=\left(\det(A)\right)^{-1}
    • det(A+B)det(A)+det(B)\det(A+B)\neq\det(A)+\det(B) :往往都是不等于,特殊情况才会等于。
  • 齐次线性方程组:

    可以写成:As×nx=0A_{s\times n}x=0

    求解方法,先把A初等行变换变成阶梯矩阵,可以得到第r+1,r+2,,nr+1,r+2,\dots,n列不存在非零首元,第1,2,,r1,2,\dots,r存在非零首元。

    r(A)=rr(A)=r,基础解系为:(x11,x12,,x1r,1,0,,0)T,(x21,x22,,x2r,0,1,,0)T,(xm1,xm2,,xmr,0,0,,1)T(x_{11},x_{12},\dots,x_{1r},1,0,\dots,0)^T,(x_{21},x_{22},\dots,x_{2r},0,1,\dots,0)^T,(x_{m1},x_{m2},\dots,x_{mr},0,0,\dots,1)^Tm=nrm=n-r个基础解,就可以得到通解了。

线性空间

定义

VV是一个非空集合,FF是一个数域,线性空间记为V(F)V(F)或者VFV_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

  • 加法:加法指的是 元素 的加法,下面的加法+仅仅表示一种加法的笼统概念,并非特指已学习数学体系中的某个加法

    • α,βV\forall \alpha,\beta\in V均有唯一γV\gamma \in V满足γ=α+β\gamma=\alpha+\beta:加法封闭性
    • A1:α,βV,α+β=β+αA_1:\forall \alpha,\beta\in V, \alpha+\beta=\beta+\alpha
    • A2:α,β,γV,(α+β)+γ=α+(β+γ)A_2:\forall\alpha,\beta,\gamma\in V, (\alpha+\beta)+\gamma=\alpha+(\beta+\gamma)
    • A3:0V,αVα+0=αA_3:\exist \mathbf 0\in V,\forall\alpha\in V\rightarrow\alpha+\mathbf 0=\alpha,其中零元素也有写作θ\theta
    • A4:αV,βVα+β=0A_4:\forall\alpha\in V,\exist\beta\in V\rightarrow \alpha+\beta=\mathbf 0

    A1,A2A_1,A_2分别是交换律和结合律,A3,A4A_3,A_4​分别是 零元素逆元素

  • 数乘:数乘指的是 元素数域 的乘法,下面的加法·仅仅表示一种数乘的笼统概念,并非特指已学习数学体系中的某个数乘

    • kF,αV\forall k\in F,\forall \alpha\in V
    • M1:αV,1α=αM_1:\forall\alpha\in V,1\cdot\alpha=\alpha
    • M2:k,lF,αV,k(lα)=(kl)αM_2:\forall k,l\in F,\forall\alpha\in V,k\cdot(l\cdot\alpha)=(k\cdot l)\cdot\alpha
    • M3:k,lF,αV,(k+l)α=kα+lαM_3:\forall k,l\in F,\forall\alpha\in V,(k+l)\cdot\alpha=k\cdot\alpha+l\cdot\alpha
    • M4:kF,α,βV,k(α+β)=kα+kβM_4:\forall k\in F,\forall\alpha,\beta\in V,k\cdot(\alpha+\beta)=k\cdot\alpha+k\cdot\beta

子空间

V(F)V(F)为线性空间,且WVW\subset V,且VV上的线性运算在WW上也满足,那就可以称为子空间了,记为WVW\leq V

WVα,βW,α+βW;andαW,kF,kαWk,lF,αβW,kα+lβWW\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

生成元与生成系:若 W={i=1kxiαixiF}W=\left\{\sum\limits_{i=1}^{k}x_i\alpha_i\Big|\forall x_i\in F\right\},称 WW{αi}1k\left\{\alpha_i\right\}_1^k 生成的的子空间,记为 W=L[α1,α2,,αk]=spanα1,α2,,αkW=L\left[\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_k\right]=\mathrm{span}{\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_k},其中,{αi}1k\left\{\alpha_i\right\}_1^k 称为 生成系αi\alpha_i​ 称为 生成元

基、维数

线性空间 VVnn 个线性无关的向量 α1,α2,,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n 生成。

  1. α1,α2,,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n
  2. nn维数,记为 dimV=n\dim V=n​;
  3. 特别的,零子空间的维数为0;

基扩充

WV,dimV=nW\leq V,\dim V=nα1,α2,,αr\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_rWW 的基,必可扩充 VV 的基为 α1,α2,,αr,αr+1,αr+2,,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_r,\alpha_{r+1},\alpha_{r+2},\dots,\alpha_n

坐标向量

α1,α2,,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_nV(dimV=n)V(\dim V=n) 的基,ξ=i=1nxiαiV\xi=\sum\limits_{i=1}^nx_i\alpha_i\in V,称 (x1,x2,,xi)(x_1,x_2,\dots,x_i)坐标,列向量 (x1,x2,,xi)T(x_1,x_2,\dots,x_i)^T坐标向量

过渡矩阵:若 (β1,β2,,βn)=(α1,α2,,αn)P(\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_n)=(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)PPP 为基 {αi}1n\left\{\alpha_i\right\}_1^n 到基 {βi}1n\left\{\beta_i\right\}_1^n​ 的过渡矩阵

交与和

定义

V1,V2V_1,V_2 是线性空间 VV 的两个子空间,称

和:V1+V2={α1+α2α1V1,α2V2}交:V1V2={αVαV1αV2}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\}

且和与交都是 VV 的子空间。

维数定理:dimV1+dimV2=dim(V1+V2)+dim(V1V2)\dim V_1+\dim V_2=\dim(V_1+V_2)+\dim(V_1\cap V_2)

直和定义

V1,V2VαV1+V2,V_1,V_2\leq V\quad\forall \alpha\in V_1+V_2, \exist 惟一的 α1V1,α2V2\alpha_1\in V_1,\alpha_2\in V_2 使得 α=α1+α2\alpha=\alpha_1+\alpha_2,则称 V1+V2V_1+V_2 是直和,记为 V1V2V_1\oplus V_2

以下命题等价:

  1. V1+V2V_1+V_2是直和
  2. θ\theta的表示方式是惟一的
  3. V1V2={θ}V_1\cap V_2=\{\theta\}
  4. dim(V1+V2)=dimV1+dimV2\dim(V_1+V_2)=\dim V_1 + \dim V_2
  5. V1,V2V_1,V_2的基合在一起就是V1+V2V_1+V_2​​的基

线性映射

定义

SfTS\xrightarrow{f}T, 称 ff 为线性映射,sS,t=f(s)s\in S,t=f(s)ss 称为 原象tt 称为

满射:f(S)=Tf(S)=T,就是 TT 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)fU(F);f(kα+lβ)=kf(α)+lf(β),(α,βV,k,lF)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) ,称 ffVVUU 的线性映射,记为 Hom(V,U)\mathrm{Hom}(V,U)
  • 线性变换:当上述 U=VU=V 时,记为 Home(V,V)\mathrm{Home}(V,V) 称为线性变换。
  • 零映射:每个 VV 中的元素都被映射为 0U\mathbf{0}_U
  • 恒等变换:映射到本身

线性映射的矩阵

V(F)nfU(F)sV(F)_n\xrightarrow{f}U(F)_sn,sn,s 分别为对应的维数。

VV 的一组基 α1,α2,,αn\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n

UU 的一组基 β1,β2,,βs\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_s

α=i=1nxiαiV, 有f(α)=i=1nxif(αi)W{f(α1)=a11β1+a21β2++as1βs,f(α2)=a12β1+a22β2++as2βs,f(αn)=a1nβ1+a2nβ2++asnβs,f(α1,α2,,αn)=(f(α1),f(α2),,f(αn))=(β1,β2,,βs)[a11a12a1na21a22a2nas1as2asn]\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]

A=(aij)s×nA=(a_{ij})_{s\times n}ff基偶 {αi}1n\left\{\alpha_i\right\}_1^n{βi}1s\left\{\beta_i\right\}_1^s 下的 矩阵, 特别地,U=V,βi=αiU=V,\beta_i=\alpha_i 时,有:

f(α1,α2,,αn)=(f(α1),f(α2),,f(αn))=(α1,α2,,αn)[a11a12a1na21a22a2nan1an2ann]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]

ξV(α1,α2,,αn),f(ξ)U(β1,β2,,βn)\xi\in V_{(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)},f(\xi)\in U_{(\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_n)} 其坐标分别为 X,YX,Y,有 Y=AXY=AXAA​ 就是上述的矩阵。

fHom(V,U)f\in\mathrm{Hom}(V,U)VV 中两组基满足 (β1,β2,,βn)=(α1,α2,,αn)P(\beta_1,\beta_2,\dots,\beta_n)=(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_n)PWW 中两组基满足 (η1,η2,,ηs)=(ξ1,ξ2,,ξs)Q(\eta_1,\eta_2,\dots,\eta_s)=(\xi_1,\xi_2,\dots,\xi_s)Qff 在基偶 {αi}1n,{ξi}1s\left\{\alpha_i\right\}_1^n,\left\{\xi_i\right\}_1^s 的矩阵为 AA ,在基偶 {βi}1n,{ηi}1s\left\{\beta_i\right\}_1^n,\left\{\eta_i\right\}_1^s 下的矩阵为 BB ,则 B=Q1APB=Q^{-1}AP

如果上述 U=V,ξ=α,η=βU=V,\xi=\alpha,\eta=\beta 那么有:B=P1APB=P^{-1}AP​ ,这就是矩阵 相似 的不同定义。

不变子空间

fHom(V,V),WVf\in\mathrm{Hom}(V,V),W\leq V ,若 αWf(α)W\forall\alpha\in W\rightarrow f(\alpha)\in W ,则称 WWVV 关于 ff不变子空间 。简称为 ff 的不变子空间

值域和核

定义

fHome(V,U)f\in\mathrm{Home}(V,U) ,称 f(V)f(V)ff值域 ,记为 R(f)R(f)

K(f)={αf(α)=0U,αV}K(f)=\left\{\alpha\big|f(\alpha)=\mathbf{0}_U,\alpha\in V\right\}ff​ 的

扩展到由于线性变换可以写成矩阵形式,记矩阵为 AA 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)

维数定理

fHom(V,U)f\in\mathrm{Hom}(V,U)VV 是有限维,那么有: dimR(f)+dimK(f)=dimV\dim{R(f)}+\dim{K(f)}=\dim{V}

求基

AA 为线性映射矩阵,那么如何求 R(A),K(A)R(A),K(A) 的基?

值域的基:AA 中列向量组的 极大线性无关组

核的基:Ax=0Ax=0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,CR,C:分别表示 实数复数
  • Fn,Fs×n,F[x],Fn[x]F^n,F^{s\times 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
  • EijE_{ij} :表示一个矩阵中第 iijj 列为1,其他都为0的矩阵。