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870138612 authored Nov 27, 2024
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Expand Up @@ -865,28 +865,46 @@ $$
### 齐次线性方程组

- 有解的条件

- 当$r(A)=n(\alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_n线性无关)$时,方程组有唯一解.

- 当$r(A)<n(\alpha_1,\alpha_2,\cdots,\alpha_n线性相关)$时,方程组有非零解,且有$n-r$个线性无关解.
- 解的性质

- 若$A\xi_1=0$,$A\xi_2=0$,则$A(k_1\xi+k_2\xi_2)=0$,其中$k_1$,$k_2$是任意常数.

- 基础解系和解的结构

- 若$\xi_1,\xi_2,\cdots,\xi_{n-r}$是方程的线性无关解,则称为基础解系.

- 则$k_1\xi_1+k_2+\xi_2+\cdots+k_{n-r}\xi_{n-r}$是方程组$Ax=0$的通解.

- 求解的步骤

- 将系数矩阵$A$通过初等行变换乘行阶梯形矩阵$B$,求解$B$的解,基础解系的个数为$n-r(A)$.

### 非齐次线性方程组

- 有解的条件

- 若$r(A)\not=r([A,b])(b不能由A线性表示)$,方程组无解.

- 若$r(A)=r([A,b])=n(b能由A线性表示)$,方程组有唯一解.

- 若$r(A)=r([A,b])<n(b能由A线性表示)$,方程组有无穷解.

- 解的性质

- 设$\eta_1,\eta_2,\eta$是非齐次线性方程组$Ax=b$的解,$\xi$是对应齐次线性方程组$Ax=0$的解,(1)则$\eta_1-\eta_2$是$Ax=0$的解,(2)$k\xi+\eta$是$Ax=b$的解.

- 求解的步骤

- 首先通过齐次方程组的解法求出齐次方程的通解$k_1\xi_1+k_2\xi_2+\cdots+k_{n-r}\xi_{n-r}$.

- 求出非齐次方程$Ax=b$的一个特解$\eta$.

- $Ax=b$的通解是$k_1\xi_1+k_2\xi_2+\cdots+k_{n-r}\xi_{n-r}+\eta$,其中$k_1,k_2+\cdots+k_{n-r}$是任意常数.(齐次通解+非齐次特解)


### 两个方程组的公共解

Expand All @@ -912,8 +930,11 @@ $$
### 矩阵的特征值和特征向量求法

- 满足$A\xi=\lambda\xi$,则称$\lambda$是$A$的特征值,$\xi$是特征值对应的特征向量.

- 通过$(\lambda E-A)\xi=0$有非零解,因此求特征多项式$|\lambda E-A|=0$的解即是特征值.

- 求出的解是基础解系,例如有基础解系$\xi_1,\xi_2$,则$k_1\xi_1+k_2\xi_2$是全部特征向量,且$k_1,k_2$不全为$0$.


### 特征值、特征向量的性质与重要结论

Expand All @@ -933,9 +954,13 @@ $$
- 重要结论

- $k$重特征值$\lambda$至多有$k$个线性无关特征向量.

- 属于不同特征值的特征向量线性无关.

- 若$\xi_1,\xi_2$是$A$的属于同一个特征值$\lambda$的特征向量,则非零向量$k_1\xi_1+k_2\xi_2$仍然是$A$属于特征值$\lambda$的特征向量.($k_1,k_2$中有一个为$0$也成立)

- 若$\xi_1,\xi_2$是$A$的属于不同特征值特征向量,则非零向量$k_1\xi_1+k_2\xi_2$不是任何特征值对应的特征向量.

- 一个特征向量不能属于两个不同的特征值.

- 常用矩阵的特征值与特征向量
Expand All @@ -948,52 +973,76 @@ $$
### 矩阵的相似

- 设$A$,$B$是两个$n$阶方阵,若存在$n$阶可逆矩阵$P$,使得$P^{-1}AP=B$,则$A$相似于$B$,记作$A\sim B$.

- 若$A\sim B$则(均是必要条件)

- $|A|=|B|$.

- $r(A)=r(B)$.

- $tr(A)=tr(B)$.

- $\lambda_A=\lambda_B(或|\lambda E-A|=|\lambda E-B|)$.

- $r(\lambda E-A)=r(\lambda E-B)$.

- $A$,$B$各阶主子式之和分别相等.

- 重要结论

- 若$A\sim B$则$A^k\sim B^k$,$f(A)\sim f(B)$.

- 若$A\sim B$,且$A$可逆,则$A^{-1}\sim B^{-1}$,$f(A^{-1})\sim f(B^{-1})$.

- 若$A\sim B$则$A^*\sim B^*$.

- 若$A\sim B$则$A^T\sim B^T$.

- 两个矩阵相似的判别方法

- 定义法,存在可逆矩阵$P$,使得$P^{-1}AP=B$.

- 传递性,若$A\sim \Lambda$,$\Lambda \sim B$,则$A \sim B$.

- 性质,$A\sim B$,则$r(A)=r(B)$,$|A|=|B|$,$tr(A)=tr(B)$,$\lambda_A=\lambda_B(或|\lambda E-A|=|\lambda E-B|)$,$A$,$B$各阶主子式之和分别相等.


### 矩阵的相似对角化

- 设$A$为$n$阶矩阵,若存在$n$阶可逆矩阵,使得$P^{-1}AP=\Lambda$,$\Lambda$是$A$的相似标准型.

- 重要结论

- 若$A$可相似对角化矩阵$\Leftrightarrow A$对应于每个$k_i$重特征值都有$k_i$个线性无关特征向量.

- $n$阶矩阵$A$有$n$个不同的特征值$\Rightarrow$$A$可相似对角化.

- $n$阶矩阵$A$为实对称矩阵$\Rightarrow$$A$可相似对角化.

- 求可逆矩阵$P$,使得$P^{-1}AP=\Lambda$

- 求$A$的特征值$\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_n$.

- 求特征值对应的特征向量$\xi_1,\xi_2,\cdots,\xi_n$.

- 令$P=[\xi_1,\xi_2,\cdots,\xi_n]$,则$P^{-1}AP=\Lambda=\begin{bmatrix}\lambda_1&&&\\&\lambda_2&&\\&&\ddots \\&&&\lambda_n\end{bmatrix}$,注意特征值和特征矩阵的对应顺序.

### 实对称矩阵相似对角化

- 若$A^T=A$则称为$A$是对称矩阵,若所有元素都是实数,则是实对称矩阵,其对应的特征值也是实数,特征向量是实向量.

- 实对称矩阵相似对角化的基本步骤

- 若$A$为$n$实对称矩阵,则其用正交矩阵$Q$相似对角化的基本步骤如下.

- 求$A$的特征值$\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_n$.

- 求特征值对应的特征向量$\xi_1,\xi_2,\cdots,\xi_n$.

- 将$\xi_1,\xi_2,\cdots,\xi_n$正交化,单位化得到$\eta_1,\eta_2,\cdots,\eta_n$.

- 令$Q=[\eta_1,\eta_2,\cdots,\eta_n]$,则$Q$为正交矩阵,且$Q^{-1}AQ=Q^TAQ=\Lambda$.(正交矩阵有$Q^{-1}=Q^T$)

- 施密特正交化
$$
设\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3线性无关但不正交,令\\
Expand Down Expand Up @@ -1023,7 +1072,9 @@ $$
- 合同有如下性质

- $A\simeq A$(反身);

- 若$A\simeq B$,则$B\simeq A$(对称);

- 若$A\simeq B$,$B\simeq C$,则$A\simeq C$(传递).

- 二次型的标准型,规范型.
Expand All @@ -1035,6 +1086,7 @@ $$
则二次型称为标准型.

- 若在标准型中系数$d_i(i=1,2,\cdots,n)$取值范围为${-1,0,1}$,则称为规范型.

- $(a+b+c)^2=a^2+b^2+c^2+2ab+2ac+2ab$.

### 惯性定理
Expand All @@ -1056,17 +1108,17 @@ $$
- 任何实对称矩阵$A$,必存在可逆矩阵$C$,使得$C^TAC=\Lambda$,其中$\Lambda$是对角矩阵.

- 用正交变换将二次型变为标准型,求所用的正交变换以及对应的正交矩阵,解法:

- 将二次型矩阵$A$求出;

- 使用$|\lambda E -A|=0$求出对应的特征值$\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3$;

- 求出对应特征值对应的特征矩阵$\xi_1,\xi_2,\xi_3$;

- 将特征矩阵正交化单位化(施密特正交化),得到$\eta_1,\eta_2,\eta_3$;

- 令正交矩阵$Q=[\eta_1,\eta_2,\eta_3]$;

- 则$x=Qy$是所求的正交变换,有
$$
f=x^TAx\xrightarrow{x=Qy}y^T\begin{bmatrix}
Expand Down Expand Up @@ -1094,6 +1146,7 @@ $$
- 正定的必要条件

- $A$正定则$a_ii>0(i=1,2,\cdots,n)$.

- $A$正定则$|A|>0$.

- 令$f=0$,可以获得平方项的联立方程,求出方程系数行列式,若行列式值不等于$0$,则仅有零解,因此当$x\not=0$,必有$f>0$,$f$是正定二次型.

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