(1)线性空间的定义:
以为元素的非空集合,数域,定义两种运算:加法;数乘。满足8条:加法交换律、加法结合律、数乘结合律、两个分配律,0元存在,1元存在,负元存在。称 为数域上的线性空间。
(2)证明一组向量是线性空间的基,两步走:
(3)如果是矩阵空间的一组基,则。
注:这里有前提条件,实际上并不是总等于,如2015年填空题第2题。
(4)是线性空间的一组基,对于,
\beta = (\alpha_1 \; \alpha_2 \; ... \; \alpha_n)
\begin{bmatrix}
x_1\\
x_2\\
...\\
x_n
\end{bmatrix}
= (\alpha_1 \; \alpha_2 \; ... \; \alpha_n)X
其中称为向量在基下对应的坐标。
中向量组线性相关的充要条件是坐标向量组是线性相关组。
(5)设和是维线性空间中的两组基,则有
(\beta_1 \; \beta_2 \; ... \; \beta_n) = (\alpha_1 \; \alpha_2 \; ... \; \alpha_n)C
其中称为从基设到的过渡矩阵。
重要推论:如果向量,在两组基下对应坐标分别是和,则有:
\alpha = (\alpha_1 \; \alpha_2 \; ... \; \alpha_n)X
\alpha = (\beta_1 \; \beta_2 \; ... \; \beta_n)Y
显然有:。
(6)设是线性空间的非空子集合,则是的子空间的充要条件是:
也就是说只需要验证对加法和数乘封闭即可。
(7)设是线性空间的子空间,则:
两个重要的维数公式
直和子空间:如果,并且,那么称是与的直和子空间,表示为。
直和补子空间:对维空间的任何子空间,设为的基,,把它们扩充为的基,有成立,则称是的直和补子空间。
(8)若是线性空间的一组基,则
V_n(F) = L \{\alpha_1, \alpha_2, .., \alpha_n\}
对一个矩阵,可以得到两个与相关的子空间:
N(A) = \{X |AX=0 \} \subseteq F^n
R(A) = L\{A_1, A_2, ...,A_n \} \subseteq F^m
其中称为矩阵的零空间,称为矩阵的列空间。
(9)内积:
柯西不等式:
正交补子空间:设为内积空间的一个子空间,定义上的一个子集称为的正交补子空间,有。
(10)设是线性空间上的线性变换,则满足,则有:
像空间:是上的子空间,称为的像空间;称为的秩。
零空间:是上的子空间,称为的零空间;称为的零度。
(11)设为上的线性变换,是的基,若存在阶方阵,有:
T(\alpha_1 \; \alpha_2 \; ... \; \alpha_n) = (\alpha_1 \; \alpha_2 \; ... \; \alpha_n)A
称为在基下的矩阵。
设与在基下的坐标分别是与,则有:。
设和是的两组基,且有;在两组基下的变换矩阵分别是与,则****。
(12)设是线性空间上的线性变换,是的子空间,如果,即值域,则称是的不变子空间。
重要例题
设是欧式空间上的线性变换,对中单位矢量,,,问:T的不变子空间的直和分解以及相应的矩阵分解。
答:对向量有
blockformula_editorT(u) = u - (1-k)(u,u)u= u - (1-k)u = ku
所以以为基向量的空间是不变子空间,表示为;
同理,对于的正交补子空间,对于任意向量,有blockformula_editorT(X) = X - (1-k)(X,u)u = X-0=X
于是另一个不变子空间为;即。
显然有是一维空间,特征值对应的特征向量是;那么就是二维空间,特征值对应两个线性无关的特征向量,可以找到两个单位正交特征向量,所以相应的矩阵分解为 ,对应的特征向量组 为标准正交基。
(13)正交变换(酉变换):线性变换不改变向量内积,即。
(14)常见的正交变换
上绕原点逆时针旋转角的线性变换称为正交变换,在标准正交基下对应的变换矩阵是正交矩阵。
空间上绕过原点的直线旋转角的变化为正交变换,在标准正交基下对应的变换矩阵是正交矩阵。
(1)若有,称为的特征值,为的特征向量。如果是线性变换对应的矩阵,那么,和也是的特征值和特征向量。
(2)设是上线性变换的个互异特征值,是的特征子空间,其中,则:
(3)线性变换有对角矩阵表示的充分必要条件是 有个线性无关的特征向量。
幂等矩阵:,相似于对角矩阵,其中为矩阵的秩。
乘方矩阵:,相似于对角阵,其中。
(4)关于秩的不等式:
blockformula_editorrank(A \pm B) \leqslant rank(A) + rank(B)
blockformula_editorrank(A) + rank(B) -n \leqslant rank(A_{m \times n}B_{n \times m}) \leqslant \min(r(A), r(B))
blockformula_editorif \;A_{m \times n}B_{n \times m}=0, \quad rank(A) + rank(B) \leqslant n
(5)形如,称为Jordan块。Jordan块呈上三角,主对角线是它的全部特征值,特点是主对角线上元素相等,紧邻上方元素,其余元素为0。
(6)每个阶方阵都相似于一个Jordan矩阵,即存在可逆矩阵,有:
P^{-1}AP = J_A = \begin{bmatrix}
J_1(\lambda_1) & & & \\
& J_2(\lambda_2) & & \\
& & ... & \\
& & & J_s(\lambda_s)
\end{bmatrix}
其中称为Jordan标准形。
(7)Jordan标准形的求法:
求矩阵的特征多项式,其中是特征值的代数重数,决定了对角线上特征值的个数;
对,由,求的线性无关的特征向量,其中是特征值的几何重数,决定了Jordan块的个数;
将所有特征值对应的Jordan块组合起来,形成Jordan矩阵。
(8)矩阵多项式可以表示为,由于有,所以有:
g(A) = P \begin{bmatrix}
g(J_1(\lambda_1)) & & & \\
& g(J_2(\lambda_2)) & & \\
& & ... & \\
& & & g(J_s(\lambda_s))
\end{bmatrix} P^{-1}
而对于则有:
g(J(\lambda)) = \begin{bmatrix}
g(\lambda) & g'(\lambda) & ... & \frac{g^{(r-1)}(\lambda)}{(r-1)!} \\
& g(\lambda) & ... & .\\
& & ... & .\\
& & & g(\lambda)
\end{bmatrix}
对于常用的幂指数形式有:
J^k(\lambda) = \begin{bmatrix}
\lambda^k & \frac{(\lambda^k)'}{1!} & \frac{(\lambda^k)''}{2!} &... \\
& \lambda^k& ... & .\\
& & ... & .\\
& & & \lambda^k
\end{bmatrix}
(9)使的多项式称为的化零多项式,特征多项式必是矩阵的化零多项式。
注:化零多项式的根一定包含了所有的特征值,但不能说化零多项式的根一定是特征值。
(10)对于最小多项式
1
;最小多项式的根一定包含了所有的特征值,子式的幂等于Jordan标准形中关于特征值的Jordan块中的最高阶数。
比如矩阵有一个代数重数为
3
的特征值2
,该特征值对应两个Jordan块,分别是 以及, 说明其中其最高阶数为2,那么在最小多项式中对应的子式为。
(1)等价标准形
对于,存在可逆矩阵,使得
A = P \begin{bmatrix}
I_r & 0 \\
0 & 0
\end{bmatrix}Q
其中是矩阵的秩。
(2)相似标准形
存在可逆矩阵,有
A = P \begin{bmatrix}
\lambda_1 & & & \\
& \lambda_2 & & \\
& & ... & \\
& & & \lambda_n
\end{bmatrix} P^{-1}
(3)LU分解
定义:是下三角矩阵,是上三角矩阵,。
求法:
(4)LDV分解
定义:分别是对角线元素为1的下三角矩阵和上三角矩阵,为对角矩阵,。
求法:
方法一:
方法二:
取矩阵对角线第一个元素,得到矩阵,则有;
取包含对角线前两个元素的二阶矩阵,则有矩阵,其中,,,求得未知量;
以此类推,最终得到。
(5)满秩分解
定义:对于的矩阵,若存在秩为的矩阵,有,称为矩阵的满秩分解。
求法:方法较多,一般只用最简单的第3种。
举个例子:
求矩阵的满秩分解。
答: 用行初等变换化为Hermite标准形:
A = \begin{bmatrix}
1 & 1 & 2\\
0 & 2 & 2\\
1 & 0 & 1
\end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix}
1 & 1 & 2\\
0 & 2 & 2\\
0 & -1 & -1
\end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix}
1 & 0 & 1\\
0 & 1 & 1\\
0 &0 &0
\end{bmatrix}
可知,的前两列线性无关,取出构成;取出的Hermite标准形的前两行作为,有:
B = \begin{bmatrix}
1&1 \\
0&2 \\
1&0
\end{bmatrix}, C = \begin{bmatrix}
1 & 0 & 1\\
0 & 1 & 1
\end{bmatrix}, A=BC
(6)谱分解
定义:矩阵互异的特征值称为矩阵的谱。可相似对角化是可以谱分解的充要条件。
求法:
(7)Schur分解
定义:对可逆矩阵,存在酉矩阵和主对角线上元素都为正的上三角矩阵,使。
求法:
(8)几种特殊矩阵:
(9)奇异值分解(SVD分解)
奇异值:对的矩阵,矩阵的非零特征值有,则称正数为矩阵的奇异值。
定义:对的矩阵,奇异值有,则存在酉矩阵,分块矩阵,有,其中。
求解:
(10)极分解
定义:对于的矩阵,可以被分解为,其中为半正定矩阵,为酉矩阵。
求法:
(1)设,若有,则称是的一个左逆。
等价条件:
(2)设,有,则称是的一个右逆。
等价条件:
(3)对于,有,称是的一个减号广义逆。
求法:
(4)加号广义逆(M-P逆)
定义:对于矩阵,满足4条
称为的M-P逆。
求法:
方法一:
C的右逆 x B的左逆
。方法二:
性质
(5)投影变换
定义:,投影变换就是把映射成子空间,称是从沿子空间到子空间的投影变换,在一组基下对应的矩阵称为投影矩阵,子空间称为投影子空间。显然有,子空间就是的像空间,就是的核空间,于是。
是投影变换的充要条件是关于某组基下的矩阵是幂等矩阵,即。
求法
(6)正交投影变换
定义:若,的正交补空间是,称是正交投影变换,其在标准正交基下对应的矩阵称为正交投影矩阵。
是正交投影变换的充要条件是是幂等Hermite矩阵,即。
求法
A = (B | 0)(B|C)^{-1} = (B|0)((B|C)^H(B|C))^{-1}(B|C)^H = {\color{red} {B(B^HB)^{-1}B^H}}
(7)最佳最小二乘解
,则****是线性方程组的最佳最小二乘解。
,则****是的最佳最小二乘解。
(1)向量范数满足正定性、齐次性和三角不等式,定义了范数的内积空间称为赋范空间。
(2)重要的向量范数:
对于复向量,有:
有限维线性空间的任意两种向量范数都是等价的。
(3)矩阵范数满足正定性、齐次性、三角不等式以及相容性。
(4)重要的矩阵范数和诱导范数
(5)向量收敛和矩阵收敛必须其中的每一个元素都收敛。
向量按分量收敛的充要条件是它按任意一个向量范数收敛。
当时,,称矩阵序列按矩阵范数收敛于
(6)谱半径
定义:是矩阵的全部特征值,称****为的谱半径。
的充要条件是。
的谱半径是的任意一种矩阵范数的下确界。
(7)矩阵幂级数
若复变量的幂级数的收敛半径为,而方阵的谱半径为,则
当求解的特征值比较困难时,由于的每个范数都是谱半径的上界,只需要找到一种特殊的矩阵范数,使得,就能说明矩阵幂级数收敛。(优先考虑行和、列和范数)
(8)常用的幂级数
收敛域是整个复平面的幂级数
blockformula_editore^A = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{k!}A^k
blockformula_editor\cos A = \sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^k}{(2k)!}A^{2k}
blockformula_editor\sin A = \sum_{k=0}^{\infty}\frac{(-1)^k}{(2k+1)!}A^{2k+1}
收敛域为复平面的幂级数
blockformula_editor(I-A)^{-1} = \sum_{k=0}^{\infty}A^k, \quad \rho(A) < 1
blockformula_editor\ln(I+A) = \sum_{k=1}^{\infty}\frac{(-1)^{k-1}}{k}A^k, \quad \rho(A) < 1
(9)矩阵函数的两种求法
方法一:Jordan标准形法
这种方法的难点在于需要求Jordan链,过程中可以会遇到麻烦。如果不同特征值个数较多,建议使用第一种;而如果特征值比较单一,并且 代数重数 - 几何重数 > 2,建议使用第二种。
方法二:最小多项式法
先计算的Jordan标准形,由此得到最小多项式,其中幂次和有;
得到,并令,解得系数;
最后得到
当不同特征值的个数比较多或者最小多项式幂次较高时,计算起来比较复杂,建议使用第一种。
(10)两个知识点:
重要的导数
矩阵指数函数的行列式
(11)矩阵函数应用
一阶常系数齐次微分方程组:
blockformula_editor\begin{cases}\dot{x}(t) = Ax(t)\\x(t_0) = C_{n \times 1}\end{cases}
解为:
一阶线性常系数非齐次线性方程组:
blockformula_editor\begin{cases}\dot{x}(t) = Ax(t) + f(t)\\x(t_0) = C\end{cases}
解为:
(1)对于矩阵,则K积为:
A \otimes B = \begin{bmatrix}a_{11}B & a_{12}B & ... & a_{1n}B\\ a_{21}B & a_{22}B & ... & a_{2n}B\\
... & ... & & ...\\ a_{n1}B & a_{n2}B & ... & a_{nn}B\end{bmatrix}
K积不具有交换律,即
(2)重要性质
n
表示B
的阶数,m
表示A
的阶数)(3)K和:设,
(4)若的特征值是,相应的特征向量是;的特征值是,相应的特征向量为;则:
(5)设是解析函数,,存在,则
(6)设矩阵,则
(7)求解矩阵方程,将两边同时取向量化算子,得到****,最后通过常规的求非齐次线性方程组的方法求解。
(8)求微分方程:
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