工程矩阵的定义
分块矩阵
分块矩阵的乘法可以表示为:
AB=(A11A21A12A22)(B11B21B12B22)
对于分块矩阵,有性质:(AB)∗=(A∗,B∗)
矩阵方程组
设方程组 Ax=b, A=(aij)m×n, b=(bi)m×1,则有:
- 有解 ⇔r(A)=r(A,b)
- 若 r(A)=r(A,b)=r<n,则有解且有 n−r 个自由未知量
- 若 r(A)=r(A,b)=r=n,则有唯一解
齐次线性方程组的基础解系
对齐次线性方程组 Ax=0,A=(aij)m×n,则有:
- 非零解 ⇔r(A)<n
- 若 r(A)=r<n,则其基础解系中含有 n−r 个解向量
- 若 r(A)=r<n,则其任意 n−r 个线性无关 的解向量就是其基础解系
高斯消元法:
- 用初等行变换将 A 逐步化成阶梯形矩阵
- 确定自由未知量
- 用回代法找出通解
极大无关组
设向量组 α1,α2,⋯,αm 的所有极大线性无关组 αi1,αi2,⋯,αir 满足:
- αi1,αi2,⋯ 线性无关
- α1,α2,⋯,αm 中每个向量都可由 αi1,αi2,⋯,αir 线性表示
则称 αi1,αi2,⋯,αir 是 α1,⋯,αm 的一个极大无关组。
定理:
- 若向量组的秩为 r,则该向量组中任意 r 个线性无关的向量组是其极大无关组
- 如果一向量组的极大 无关组中含 r 个向量,则称该向量组的秩为 r
矩阵的等价标准形
s×n 矩阵 A 的秩等于 r ⇒ 存在可逆矩阵 Ps×s,Qn×n 使得
A=P(Ir000)Q
消去分解
s×n 矩阵 A 的秩为 r,存在 s×r 矩阵 B 和 r×n 矩阵 C 使得 A=BC,即矩阵的消去分解。
定理:
- r(A+B)≤r(A)+r(B)
- r(AB)≤r(A),r(B)
- r(A)+r(B)≤r((Akk,Bkk))+n
线性空间和线性变换
线性空间的定义和性质
线性空间的定义
线性空间满足下述三个要求建立的八条公理:
- 一个数 域 K,一个非空集合 V(V 中的元素称为向量)
- 两个运算:
- 加法:∀x,y∈V, 记作:x+y∈V
- 数乘运算:∀a∈K,x∈V, 记作:ax∈V
- 这两个运算满足如下八条公理:
- 加法交换律:∀α,β∈V, α+β=β+α
- 加法结合律:∀α,β,γ∈V, (α+β)+γ=α+(β+γ)
- 零元存在性:存在 0∈V, 使得 ∀α∈V, 有 α+0=α
- 负元存在性:∀α∈V, 存在 β∈V, 使得 α+β=0
- 数乘结合律:∀λ∈K,α∈V, λα∈V
- 乘法结合律:∀k1,k2∈K,∀α∈V, 有 k1(k2α)=(k1k2)α
- 分配律一:∀k∈F,∀α,β∈V, 有 k(α+β)=kα+kβ
- 分配律二:∀k1,k2∈F,∀α∈V, 有 (k1+k2)α=k1α+k2α
线性空间的性质
设 V 是数域 F 上的线性空间,∀α,β,γ∈V,k∈K,则:
- V 中的零元是唯一的,通常记为 0
- 任何一个向量的负向量是唯一的,通常记为 −a
- 加法满足消去律:若 α+γ=β+γ,则 α=β
- 若 α+β=0 且 α=−β,则 β=−α
- k⋅0=0, 0⋅α=0
- (−k)α=−kα, 特别地, (−1)α=−α
线性相关与线性无关
定义
设 α1,α2,⋯,αn∈V,若有不全为 0 的数 k1,k2,⋯,kn 使得 k1α1+k2α2+⋯+knαn=0,则向量组 α1,α2,⋯,αn 线性相关。否则,称线性无关。
性质
- 若 n≥2,则 α1,α2,⋯,αn 线性相关当且仅当存在向量 αi 使得它可由其余向量线性表示
- 向量 α1,α2,⋯,αn 能否无关,但 α1,α2,⋯,αn,αn+1 线性相关,则可知 αn+1 可由前面线性表示,而且,线性表示的方式是唯一的
推论
- 若 β1,β2,⋯,βn 线性相关,α1,α2,⋯,αn 线性无关,则 β1,⋯,βn 不能都由 α1,⋯,αn 线性表示
- 若 β1,β2,⋯,βn 线性无关,α1,α2,⋯,αn 线性相关,则 αi=βi
基和维数
基的定义
若 α1,α2,⋯,αn∈V 满足:
- 向量组 α1,⋯,αn 线性无关
- ∀β∈V,均可由 α1,⋯,αn 线性表示
则称 α1,⋯,αn 是 V 的一组基
基的性质
- 线性空间的基不一定存在,仅当一个空间由有限向量系生成,基相当于可以简明生成的最简集
- 注意:有限维线性空间 V 中任意线性无关向量组均可扩展成基
维数
- 若 V 的某一组基中含 n 个向量,则 V 的任一组基中都含 n 个向量
- 称 V 是 n 维空间,记为 dimV=n
- 规定零空间的维数为 0
维数的性质
- 若 dimV=n,则 V 中任意 n+1 个向量线性相关
- 定理:若 dimV=n,则 V 中任意 n 个线性无关向量均构成 V 的一组基
坐标和形式记导
坐标的定义
设 α1,α2,⋯,αn 是 V 的一组基,β∈V,且 β=x1α1+x2α2+⋯+xnαn,则称 (x1,x2,⋯,xn) 是 β 在基 α1,⋯,αn 下的坐标。
坐标的性质
假设 ηi∈V 是基 α1,⋯,αn 下的坐标分析对应关系,及 Xi, i=1,2,⋯,n,则:
- n=0⇒X=0
- 若 η1=x1α1+⋯+xnαn, 则 X=(x1,x2,⋯,xn)T
- η1,⋯,ηn 线性相关 ⇔X1,⋯,Xn 线性相关
形式记导
- X=x1x2x3 是在基 α1,α2,α3 下的坐标
- 则可形式记成 β=(α1,α2,α3)X
形式记导的性质
- 若 βi=(α1,α2,⋯,αn)A,β1,β2,⋯,βn 线性无关 ⇔A 是可逆矩阵
- 若有 (β1,β2,⋯,βn)=(α1,α2,⋯,αn)A
(η1,η2,⋯,ηn)=(β1,β2,⋯,βn)B
则有 (η1,η2,⋯,ηn)=(α1,α2,⋯,αn)(AB)
过渡矩阵
定义
设 α1,⋯,αn 和 β1,⋯,βn 都是 V 的基,且 (β1,⋯,βn)=(α1,⋯,αn)A,则称从基 α1,⋯,αn 到基 β1,⋯,βn 的矩阵 A 为过渡矩阵。
性质
- 过渡矩阵一定是可逆的
- 由 β1,⋯,βn 到 α1,⋯,αn 的过渡矩阵是 A−1
- 若 β1,⋯,βn 到 γ1,⋯,γn 的过渡矩阵是 B,那么 α1,⋯,αn 到 γ1,⋯,γn 的过渡矩阵是 AB
变换公式
设 X 为 η 在基 α1,⋯,αn 下的坐标,Y 在基 β1,⋯,βn 下的坐标,若 (β1,⋯,βn)=(α1,⋯,αn)P,则 Y=PX
子空间
定义
设 V 是域 F 上的线性空间,W 是 V 的非空子集。若 W 关于 V 的运算也构成 F 上的线性空间,则称 W 为 V 的子空间,记为 W≤V。
性质
- 子空间与 V 的运算规则相同
- 定理:设 W⊆V 非空,则 W 是 V 的子空间 ⇔ W 关于线性运算封闭
解空间
定义
设 A∈Fm×n,V={η∈Fn∣Aη=0} 称为齐次方程组 Aη=0 的解空间。
性质
生成的子空间
定义
设 V 是 F 上的线性空间,α1,⋯,αn∈V,集合 W={∑kiαi∣ki∈F} 称为 α1,⋯,αn 生成的子空间,记为 W=L(α1,⋯,αn)。
性质
- W=L(α1,⋯,αn) 是 V 的子空间
- L(α1,⋯,αn) 的基是 α1,⋯,αn 的极大无关组,即 dimL(α1,⋯,αn)=r(α1,⋯,αn)
- L(α1,⋯,αn)=L(β1,⋯,βn)⇔ α1,⋯,αn与β1,⋯,βn等价
子空间的运算
子空间的交
- 定义:V1∩V2={η∈V∣η∈V1,η∈V2}
- 性质:V1∩V2 仍为 V 的子空间
子空间的和
- 定义:V1+V2={η∈V∣∃η1∈V1,η2∈V2,η=η1+η2}
- 性质:
- V1+V2 是 V 的子空间
- 定理:若 V1=L(α1,⋯,αs),V2=L(β1,⋯,βt),则 V1+V2=L(α1,⋯,αs,β1,⋯,βt)
- 维数公式:dim(V1+V2)=dimV1+dimV2−dim(V1∩V2)
定义
设 V1,V2≤V,若 ∀η∈V1+V2,存在唯一的 η1∈V1,η2∈V2,使得 η=η1+η2,则称 V1+V2 是 V 的直和,记为 V1⊕V2。
定理
若 V1,V2≤V,则下述条件等价:
- V1+V2 直和
- 0的表示方式唯一
- V1∩V2={0}
- dim(V1+V2)=dimV1+dimV2
- V1,V2 的基合在一起就是 V1+V2 的基
多个空间的直和
定义
设 V1,V2,⋯,Vs≤V,若 ∀η∈V1+V2+⋯+Vs,存在唯一的 ηi∈Vi,使得 η=∑i=1sηi,则称 V1⊕V2⊕⋯⊕Vs 是 V 的直和。
定理
若 V1,V2,⋯,Vs≤V,则下述条件等价:
- V1+V2+⋯+Vs 直和
- 0的表示方式唯一
- Vi∩(∑j=iVj)={0}
- dim(∑i=1sVi)=∑i=1sdimVi
- V1,V2,⋯,Vs 的基合在一起就是 V1+⋯+Vs 的基
映射相关概念
映射、象、值域
- 设 f:A→B ,A,B是两个集合,f 是一个映射,a∈A,f(a) 是 B 中的元素
- f 的值域记为 f(A)={f(a)∣a∈A}
- 若 f(x)=y,则y是x的象,则x是y的原象
- B在映射下的全体象记为 f(A),称为f的值域
恒等变换
- 集合 S 到自身的映射 I:S→S;x↦x 称为 S 上的恒等变换
单射、满射、双射
- 设映射 f:S→T
- 若 f(S)=T,则称 f 是满射
- 若由 f(a)=f(b) 必能推得 a=b,则称 f 是单射
- 若 f 既是满射又是单射,则称 f 是双射
- 定理:f:S→T 是双射 ⇔f 是可逆映射
线性映射
定义
设 V,U 是数域 F 上的线性空间,若映射 f:V→U 满足条件:
- ∀v∈V,k∈F,f(kv)=kf(v)
- ∀x,y∈V,f(x+y)=f(x)+f(y)
则称 f 是从 V 到 U 的线性映射。
性质
- f(0)=0
- 若 α1,…,αn∈V,k1,…,kn∈F,则 f(∑i=1nkiαi)=∑i=1nkif(αi)
- 若 α1,…,αn∈V 线性相关,则 f(α1),…,f(αn)∈U 线性相关
线性变换的运算
设 f,f′∈Hom(V,U),g∈Hom(U,W),k∈F,定义 kf,f+f′,gf 如下:
- kf:V→U, (kf)(x)=kf(x)
- f+f′:V→U, (f+f′)(x)=f(x)+f′(x)
- gf:V→W, (gf)(x)=g(f(x))
则 kf,f+f′,gf 都是线性映射
值域和核空间
值域
- 若 V=L(α1,…,αs),则 f 的值域为 R(f)={f(v)∣v∈V}=L(f(α1),…,f(αs))
- 定理:设 f∈Hom(V,U),则 f 是满射 ⇔R(f)=U
- 定理:若 f∈Hom(V,U),在基 V:α1,…,αn; U:β1,…,βs 下的矩阵是 A,即(f(α1),f(α2),⋯,f(αn))=(β1,β2,⋯,βs)A,由于 R(f)=L(f(α1),…,f(αn))
f(α1),…,f(αn) 的极大无关组是 R(f) 的基,且 dimR(f)=r(A)
核空间
- 定义:K(f)={v∈V∣f(v)=0} 是 V 的子空间,称为 f 的核空间
- 定理:设 f∈Hom(V,U),则 f 是单射 ⇔K(f)={0}
- 定理:若 f∈Hom(V,U) 在基 V:α1,…,αn; U:β1,…,βs 下的矩阵是 A,η∈V 在 α1,…,αn 下的坐标是 X,则 f(η) 在 β1,…,βs 下的坐标是 AX。因此,η∈K(f)⇔AX=0
- 维数定理:设 dimV<∞,f∈Hom(V,U),则 dimR(f)+dimK(f)=dimV
- 推论:设 dimV<∞,f∈Hom(V,V),则 f 可逆 ⇔f 是单射 ⇔f 是满射
基下的矩阵
定义
设 f∈Hom(V,U),选定基 V:α1,…,αn; U:β1,…,βs。若 (f(α1),f(α2),…,f(αn))=(β1,β2,…,βs)A,则称 A 是 f 在选定基下的矩阵。
特别如果 U=V,且 αi=βi,则称 A 是线性变换 f 在所选基下的矩阵。
定理
- 若 f∈Hom(V,U) 在基 V:α1,…,αn; U:β1,…,βs 下的矩阵是 A,η∈V 在 α1,…,αn 下的坐标是 X,则 f(η) 在 β1,…,βs 下的坐标是 AX
- 设 f∈Hom(V,U) 在基 V:α1,…,αn; U:β1,…,βs 下的矩阵是 A;在基 V:α1′,…,αn′; U:β1′,…,βm′ 下的矩阵是 B。若从基 α 到基 α′ 的过渡矩阵是 P,从基 β 到基 β′ 的过渡矩阵是 Q,则 B=Q−1AP
- 设 f∈Hom(V,V) 在基 α1,…,αn 下的矩阵是 A;在基 α1′,…,αn′ 下的矩阵是 B。若从基 α 到基 α′ 的过渡矩阵是 P,则 B=P−1AP
- 设 f,g∈Hom(V,V) 在 V 的基 α1,…,αn 下的矩阵分别是 A,B,设 k∈F,则在该基下:
- kf 的矩阵是 kA
- f+g 的矩阵是 A+B
- fg 的矩阵是 AB
- f 可逆 ⇔A 可逆,f−1 的矩阵是 A−1
不变子空间
定义
设 f∈Hom(V,V),W⊆V, 若 ∀η∈W, 有 f(η)∈W, 则称 W 是 f 的不变子空间。
性质
- 设 f∈Hom(V,V), 则 R(f),K(f) 均是 f 的不变子空间
- W 是关于 f 的不变子空间, 则 f∥W 可以看成是 W 上的线性变换
- 如果 V=V1⊕V2, 其中, V1,V2 都是关于 f 的不变子空间, 则取 V1 的基 α1,…,αs, 取 V2 的基 αs+1,…,αn, 则 α1,…,αs,αs+1,…,αn 是 V 的基, 这组基下, f 的矩阵为 (AOOB)
- 定理:线性变换在不同的基下的矩阵是相似的
定义
- 设 U,V 都是数域 F 上的线性空间。如果 f∈Hom(V,U) 是双射, 则称 f 是线性空间 U,V 之间的同构映射。
- 如果 U,V 之间存在同构映射, 则称 U,V 是同构的。记为 V≅U。
定理
- 设 f:V→U 是线性空间 U,V 之间的同构, α1,α2,…,αs∈V, 则 α1,α2,…,αs 线性相关当且仅当 f(α1),f(α2),…,f(αs)∈U 线性相关。
- 设 U,V 都是数域 F 上的线性空间, 则 V≅U 当且仅当 dimV=dimU。


内积空间和等距变换
内积的定义与性质
内积的定义
设 V 是数域 F 上的线性空间,在 V 上定义了一个二元函数 ⟨α,β⟩,若满足:
- 共轭对称性 :⟨α,β⟩=⟨β,α⟩
- 可加性:∀α,β,γ∈V, ⟨α+β,γ⟩=⟨α,γ⟩+⟨β,γ⟩
- 齐次性:∀α,β∈V,k∈F, ⟨kα,β⟩=k⟨α,β⟩
- 正定性:∀α∈V,⟨α,α⟩≥0; 且等号成立当且仅当 α=0
则称 ⟨α,β⟩ 是 α,β 的内积。
内积的性质
- ⟨α,β+γ⟩=⟨α,β⟩+⟨α,γ⟩
- ⟨α,kβ⟩=k⟨α,β⟩
- ⟨∑i=1skiαi,∑j=1tljβj⟩=∑i=1s∑j=1tkilj⟨αi,βj⟩
- 对任意 α∈V,⟨α,0⟩=⟨0,α⟩=0
标准内积
- 实数域:⟨α,β⟩=βTα=∑i=1naibi
- 复数域:⟨α,β⟩=βHα=∑i=1naibi
内积空间
定义
- 定义了内积的线性空间称为内积空间
- 当 F=R 时,称 V 是欧几里德空间(欧氏空间)
- 当 F=C 时,称 V 是酉空间
度量矩阵
设 ϵ1,ϵ2,…,ϵn 是 V 的基,α,β∈V 的坐标是 X=(x1,x2,…,xn)T,Y=(y1,y2,…,yn)T
则 ⟨α,β⟩=∑i=1n∑j=1nxiyj⟨ϵi,ϵj⟩=XTAY
其中,A=((⟨ϵi,ϵj⟩))n×n,称 A 是 V 在基 ϵ1,ϵ2,…,ϵn 下的度量矩阵。
性质:
- 若 F=R,则度量矩阵是实对称矩阵:A=AT
- 若 F=C,则度量矩阵是 Hermite 矩阵:A=AH
长度与距离
长度
设 α∈V,α 的模(长度)定义为 ∥α∥=⟨α,α⟩
若 ∥α∥=1,则称 α 是单位向量。
性质:
- ∀α∈V,∥α∥≥0, 且 ∥α∥=0⇔α=0
- ∥kα∥=∣k∣∥α∥
重要定理:
- Cauchy-Schwarz不等式:∀α,β∈V,∣⟨α,β⟩∣≤∥α∥∥β∥
- 三角不等式:∀α,β∈V,∥α+β∥≤∥α∥+∥β∥
距离
向量 α,β 间的距离定义为 d⟨α,β⟩=∥α−β∥
三角不等式:∀α,β,γ∈V,d(α,γ)≤d(α,β)+d(β,γ)
正交性
定义
- 若向量 α,β 的内积为零,则称 α,β 是正交的,记作 α⊥β
- 由两两正交的非零向量组成的向量组称为正交向量组
- 由两两正交的单位向量组成的向量组称为标准正交向量组
- 由正交向量组组成的基称为正交基
- 由标准正交向量组组成的基称为标准正交基
重要定理
- 勾股定理:若 α⊥β, 则 ∥α+β∥2=∥α∥2+∥β∥2
- 基扩充定理:假设 W 是 V 的子空间,α1,α2,…,αs 是 W 的标准正交基,则存在 αs+1,αs+2,…,αn,使得 α1,α2,…,αs,αs+1,αs+2,…,αn 是 V 的标准正交基
Schmidt正交化
若 α1,α2,…,αs∈V 是线性无关的,可以通过以下步骤正交化:
- β1=α1
- βk=αk−∑j=1k−1⟨βj,βj⟩⟨αk,βj⟩βj for k=2,…,s
- 单位化:γi=∥βi∥1βi,i=1,2,…,s
酉矩阵
定义
若 AHA=I,则 n 阶方阵 A 称为酉矩阵
(酉矩阵本质上是正交矩阵在复数域的推广)
性质
- A是酉矩阵 ⇔ AHA=I ⇔ A−1=AH ⇔ A 的行(列)向量组是 Cn 的标准正交基
- 若 A,B 是同阶酉矩阵,则 A−1,AB 都是酉矩阵
- 设 A 是上(下)三角矩阵,若 A 是酉矩阵,则 A 是对角阵,且其主对角元的模均等于1
重要定理
设 α1,α2,…,αn 是 V 的标准正交基,(γ1,γ2,…,γn)=(α1,α2,…,αn)U,则 γ1,γ2,…,γn 是标准正交基 ⇔U 是酉矩阵
正交补空间
定义
- 若 W1,W2≤V,对 ∀α1∈W1,α2∈W2, α1⊥α2,称 W1⊥W2
- 设 W≤V,记 W⊥={α∈V