矩阵论华中科技大学课后习题答案.docx
习题一
1.判断下列集合对指定的运算是否构成 R 上的线性空间
(1)
V 1
n
{ A (a ij ) n n |
a
ii
0} ,对矩阵加法和数乘运算;
i 1
(2) V 2 { A | A R n n , A T
A} ,对矩阵加法和数乘运算;
(3) V 3 R 3 ;对 R 3 中向量加法和如下定义的数乘向量: R 3 , k R, k0 ;
(4)
V 4
{ f ( x) | f ( x)
0} ,通常的函数加法与数乘运算。
解:
(1)、( 2)为 R 上线性空间 (3)不是,由线性空间定义,对 0 有 1 = ,而题( 3)中 1
(4)不是,若 k<0,则 kf (x)
0 ,数乘不满足封闭性。
2.求线性空间 V { A R n n | A T
A} 的维数和一组基。
解: 一组基
1
0 1 0
1
1
1
1 0
1
.
.
. .
.
.
.
.
.
. . . .
. . .
.
.
1
1
0 dimW=n(n+1)/2
3.如果 U 1 和 U 2 都是线性空间 V 的子空间,若
dimU 1=dimU 2 ,而且 U 1
U 2 ,证明: U 1=U 2。
证明 :因为 dimU 1=dimU 2 ,故设
1 ,
2 ,
, r 为空间 U 1 的一组基,
1 , 2
,,
r
为空间 U 2 的一组基
U 2 ,有
1
2
r
X
而
1
2
r
12
r
C , C 为过渡矩阵,且可逆
于是
1 2 r
X
1 2
r C
1
X
12
r
YU
1
由此,得
U 2U 1
又由题设U1U 2,证得U1 =U2。
111
4.设A213,讨论向量(2,3,4) T是否在R(A)中。
315
111|2111|2
解:构造增广矩阵 A |213|3011|1
315|4000|0
矩阵 A 与其增广矩阵秩相同,向量可由矩阵 A 的 3 个列向量线性表示,在列空间 R(A)中。
5.讨论线性空间P4[x] 中向量32,32,
P x x x 1P22x x 3x
1
P34x3x25x 2 的线性相关性。
102
解: P1 P2 P3(1 x x2 x3 )135 111 124
而
102102
135011 11100,该矩阵秩为 2
124000
所以向量组 P1,P2,P3线性相关。
6.设A R m n,证明dimR(A)+dimN(A)=n。
证明: R( A)L{ A1 , A2 ,, A n } , N ( A){ X | AX0, X R n}
假定 dimR(A)=r,且设A1, A2,, A r为 R(A)的一组基
则存在 k1i , k2i , , k ri(i r1,,n),其中 k1i , k2i , , k ri不全为零
使 k1i A1k
2i
A
2
k
ri
A
r A i0 (i r 1, , n)
显然
k
1 r,
1k
r 1 ,
2
k n 1 ,
k
2 r,
1k
r2 ,
2
k
n 2 ,
k
r , r
1k
r r ,
2
k
r n ,N ( A)
100 01
0 001
上述 n-r 个向量线性无关,而k1 , k2 ,, k s 1 ,1,0,
T
0 ,s A1 , A2 ,, A r线性无关矛盾,故 dimN(A)=n-r 所以 dimR(A)+dim N(A)=n 1130 7.设A2121,求矩阵 A 的列空间 R(A)和零空间 N(A)。 1152 解:通过矩阵的行初等变换将矩阵 A 化为行阶梯形 11301130 A21210141 11520000 矩阵 A 的秩为 2,从 A 中选取 1、 2 列(线性无关)作为R(A)的基,于是 R( A ) L 12T T 1 , 1 11 由 AX0 ,X( x1 , x2 , x3 , x4 )T,rank(A)=2,有 x1x2 3 x3 x2 4 x3 x4 分别取 x31, x40 和 x30, x4 1 ,求得齐次方程AX 0 解空间的一组基 141 T , 110 1 T 0 所以 A 的零空间为 T T N ( A ) L 1 4 1 0 , 1 1 01 8.在R2 2中,已知两组基 10010000 E1 0, E2, E3 10 , E4 1 0000 01101111 G1 1, G2, G3 01 , G4 1111 求基 {E i}到基 {G i }的过渡矩阵,并求矩阵 0 1 2 3 在基 {G i}下的坐标X。 解: G1G2G3G4E1 E2E3 E4C1C2C3 C4 , C i R4由此,得过渡矩阵 0111 C 1011 1101 1110 再由 010******* 2 3x 1 1 1 x 2 1 1 x 3 0 1 x 4 1 0 解得 X012T 3 9.判别下列集合是否构成子空间。 (1)W1{( x, y, z) | x2y 2z21, x, y, z R} ;(2)W2{ A | A2I , A R n n } ; (3)R3中,W3 t 2 {( x1 , x2, x3 ) | ( x1x2x3 } d0} ; m n (4) W4{ A (a ij )m n | a ij0} 。 i 1j1 解:( 1)不是R3子空间,对加法及数乘运算不封闭。如取k=2,(1 0 0)T, k T ,而 x 2 y 2 z 2 4 1 , k W1 。( 2 0 0 ) (2)不是子空间,因为 W2中没有零元。(3)、( 4)为子空间。 10. 设 (1,2,1,0)T , ( T , 1 (2, 1,0,1)T , 2 (1, 1,3,7)T , 1 2 1,1,1,1) W 1 span{ 1 , 2} , W 2 span{ 1 , 2} ,求 W 1 W 2 和 W 1 W 2 。 解: 设 W 1 W 2 ,则 x 1 1 x 2 且 x 3 1 x 4 2 2 于是,有 x 1 1 x 2 2 x 3 1x 4 2 1 1 2 1 x 1 0 2 1 1 1 x 2 即 1 0 3 x 3 1 1 1 7 x 4 而 1 1 2 1 1 1 2 1 A 2 1 1 1 0 1 1 7 1 1 0 3 0 0 1 3 1 1 7 取 x 4 1,得 x 1 1 , x 2 4 ,x 3 3 x,4 1 所以 W 1 W 2 L 1 1 4 2 L 3 12 由于 rank(A)=3 则W 1 W 2 L ,1 , 21 11.在矩阵空间 R 2 2 中,子空间 V 1 { A x 1 x 2 | x 1 x 2 x 3 x 4 0} , V 2 L{ B 1 , B 2 } ,其中 B 1 1 0 x 3 x 4 2 , 3 B 2 0 2 ,求 1 (1) V 1 的基和维数; (2) V 1 V 2 和 V 1 V 2 的维数。 解:( 1) V 1 中, A x 1 x 2 x 2 x 3 x 4 x 2 x 2 1 1 x 3 1 0 x 4 1 0 x 3 x 4 x 3 x 4 0 0 1 0 0 1 令 A 1 1 1 , A 2 1 0 , A 3 1 0 ,可验证 A 1 , A 2,A 3 线性无关,它们构成空间 0 0 1 0 0 1 V 1 的一组基,空间 V1 的维数 dimV 1=3。 (2) V 2 L{ B 1 , B 2} 中, B 1 与 B 2 线性无关,它们是 V 2 的一组基,故 dimV 2=2,而 V 1 +V 2 = L{A 1,A 2 ,A 3} + L{B 1,B 2 } = L{ A 1,A 2,A 3,B 1,B 2 } 在 R 2 2 的标准基 E 11, E 12, E 21,E 22 下, A 1,A 2 ,A 3,B 1,B 2 对应的坐标 X 1,X 2,X 3,X 4,X 5 排成矩阵 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 1 0 0 0 2 0 1 1 1 2 0 1 0 2 0 0 0 1 3 2 1 3 1 1 于是 dim(V 1+V 2 )=4,由维数定理 d i mV( V ) d iVm dVi m dVi m V( ) 3 2 4 1 1 2 1 2 1 2 12.设 W 1 和 W 2 为 V n ( x 1 , x 2 , , x n )T | n 的子空间, W 1 { x i 0} , i 1 W 2 {( x 1 , x 2 , , x n )T | x 1 x 2 x n } ,证明 V n W 1 W 2 。 证明: 对 W 1 ,由 x 1 x 2 x n 0 ,解得 T T T X 1 k 1 1 1 0 0 0 k 2 1 0 1 0 0 n k 1 1 0 0 0 1 显然 W 1 的维数 dimW 1=n-1,而向量组 1 1 0 0 T T 0 n , 1 T 1 1 0 ,2 1 0 1 0 1 0 0 0 为 W 1 的一组基。 对 W 2,由 x 1 x 2 x n ,解得 X 2 k 1 1 1 1 T 1 W 2 的基为 1 1 1 1 T 1 , dimW 2=1 于是 W 1 W 2 L 1 , 2 ,, n 1 L L 1 , 2 , , n 1 , 这里 1 1 1 1 1 0 0 1 d e t (1 ,2 , n , 1 , 0) 1 0 1 0 1 1 所 以 1 , 2 , , n 1 , 为 W 1 2 的 基 , 则 dim (W 1 2 )=n , 由 维 数 定 理 可 知 +W +W dim( W 1 W 2 ) 0 ,故有 V n W 1 W 2 13. R n 中, ( 1 , 2 , , n )T , ( 1 , 2 , , n )T ,判别下面定义的实数 ( , ) 是否 为内积。 (1) ( n , ) i i ; i 1 n (2) ( , ) i i i ; i 1 (3) ( , ) T A ,其中 A 为正定矩阵。 解:( 1)不是 R n a 1 a 2 a n T a 1 a 2 T 上的内积。设 1 , 2 a n b 1 b 2 b n T 于是 n n n n 1 2, (a i a i )b i a i b i a i b i a i b i ab ii ( 1 , 2, ) i 1 i 1 i 1 i 1 内积的线性性不满足。 (2)与( 3)是 R n 上的内积。可验证对称性、线性性及正定性都满足。 13. 设 { 1, 2 , , 5 } 是 V 5 的 标 准 正 交 基 , 又 1 1 5 , 213 4 , 3 2 1 2 3 ,求 W L{ 1 , 2 , 3 } 的标准正交基。 解: W 的标准正交基 1 T 1 T 1 T 1 2 1 0 0 0 1 , 1 02 2 1 , 1 1 1 0 1 0 2 14.在欧氏空间 R4中,求子空间W L{(1,1,1,1)T ,(1, 1, 1,1)T } 的正交补子空间W⊥。 解:设 Xx1x2x3 T W x4 令1(1 1 1 1)T , 2(1 1 1 1)T 由 X1, X2 得 x1x2x3x40 x1x2x3x40解得 11 X 0 , 0 10 01 所以 T T W L 1 0 1 0 , 1 0 01 15.判断下列变换哪些是线性变换 (1) R2中,T (x1, x2)T( x11, x22 )T; (2) R3中,T (x1, x2, x3)T( x1x2 , x1x2 ,2 x3 )T; (3)R n n中, A 为给定 n 阶方阵,X R n n,T ( X )AX A ; (4)R22中, T ( A) A ,A为A的伴随矩阵。 解:( 1)不是,该变换为非线性变换 设 T T 1 x1 x2,2y1 y2 则 T( T 2 T 2T2T 1 2) T(x1 y1 x 2 y2)x1 y1 1 (x2 y2)x1 1 x2y1 1 y2T( 1) T( 2) (2)是线性变换(3)不是,因有T 00(4)是线性变换 A a 1 a 2 , B b 1 b 2 R 2 2 a 3 a 4 b 3 b 4 而 a b 1 a 2 b 2 a 4 b 4 a b 2 a a 2 b b 2 1 2 4 4 B * T ( A) T (B ) T ( A B ) T b 3 a 4 b 4 a 3 b 3 a 1 b 1 a 3 a 1 b 3 b 1 A * a 3 T (kA ) T ka 1 ka 2 ka 4 ka 2 k a 4 a 2 kA * kT ( A) ka 3 ka 4 ka 3 ka 1 a 3 a 1 16.设 R 3 中,线性变换 T 为: T i i , i=1,2,3 ,其中 1 (1,0, 1)T , 2 (2,1,1)T , T , 1 T , ( 1,1,0)T , 3 T ,求 3 (1,1,1) (0,1,1) 2 (1,2,1) ( 1) T 在基 { 1 , 2 , 3 } 下的矩阵; ( 2) T 在标准正交基下的矩阵。 解:( 1)由 T 1 2 3 1 2 3 A 及 T 1 2 3 1 23 得 1 2 3 A 1 2 3 于是 1 2 1 1 1 1 0 1 1 0 A 1 1 1 1 1 2 1 3 2 1 2 3 1 2 3 1 1 1 1 0 1 2 4 4 (2) 3 e 1 T ,e 0 1 0 T 0 T 中标准基正交基 0 0 ,e 0 1 R 1 2 3 由 T e 1 e 2 e 3 e 1 e 2 e 3 A T i i , i 1,2,3 得 T 1 T e 1 e 2 e 3 1 0 1 T e 1 e 2 e 3 A 1 1 T 2 T e 1 e 2 e 3 T e 1 e 2 e 3 A 2 2 1 1 2 T 3 T e 1 e 2 e 3 T e 1 e 2 e 3 A 3 1 1 1 3 因为 e 1 e 2 e 3 I 3 故有 A 1 2 3 1 2 3 于是 A 1 1 2 3 1 2 3 17.设线性变换 R 4 R 3 ,有 0 1 1 1 2 1 2 5 2 1 1 1 2 0 1 1 1 5 2 1 0 1 1 1 1 1 4 2 T ( x 1 , x 2 , x 3 , x 4 )T ( x 1 x 2 x 3 x 4 , x 1 2 x 2 x 4 , x 1 x 2 3x 3 x 4 )T ,求 N(T)和 R(T)。 解:由 N T { X | T ( X ) 0, X (x 1 , x 2 , x 3 , x 4 )T } ,得下述齐次方程组 x 1 x 2 x 3 x 4 0 x 1 2x 2 x 4 x 1 x 2 3x 3 x 4 解得 X k 2 3 1 T 4 所以 N T { T X = k 2 3 1 4 } 由 R T {Y | Y T ( X ), X ( x 1 , x 2 , x 3 , x 4 )T } ,得 x 1 x 2 x 3 x 4 1 1 1 1 Y x 2 x x x 1 x 2 x 0 x 1 1 2 4 1 2 3 4 x 1 x 2 3 x 3 x 4 1 1 3 1 1 1 1 1 故有 R(T ) k 1 1 k 2 2 k 3 0 k 4 1 1 1 3 1 1 1 1 或 R(T ) k 1 1 k 2 2 k 3 0 1 1 3 18.在欧氏空间 R n 中,设有两组基 1 , 2 , , n 与 1 , 2 , , n ,满足关系式 ( 1 , 2 , , n ) ( 1, 2 , , n )P , P R n n 证明:( 1)若 1 , 2 , , n 与 1 , 2 , , n 都是标准正交基,则 P 是正交阵; ( 2)若 1 , 2 , , n 是标准正交组, P 是正交阵,则 1, 2 , , n 是标准正交组。 证明:( 1)将矩阵 P 按列分块,有 ( 1 , 2 , ,n ) (1 ,2 , n , p )1p 2, p,n , 其中 i1 2 n p i , i 1,2, , n 于是 i , j T T T p j T p j 1, i j ij p i 1 n 1 n p i 0, i j 故矩阵 P 为正交矩阵。 (2)与( 1)证明过程类似,可证明 1, 2 , , n 是标准正交基。 习题二 1.设 A 、B 为 n 阶方阵, 1 , 2 , , n 是 A 的特征值,证明 ( 1) tr( AB)=tr( BA); (2) tr ( A k ) n i k ; i 1 (3)若 P 1 AP B ,则 tr ( A) n tr ( B) i 。 i 1 证明:( 1)设 A a ij n , B b ij n ,则 n n n n n n tr AB a ij b ji b ji a ij tr (BA) i 1j 1 j 1 i 1 (2)因为 AX i 2 A AX i 2 X i , ?? k k X i i X i , A X i i AX ii , A X i i 故 1k , 2k , , n k 为 A k 的特征值,于是 k n k ) tr ( A i i 1 ( 3)由结论( 1),得 t r( B) t (r 1P A)P t r 1 P A P t r 1 A P P( ) t r A n 1,i=1,2,? ,n ,证明 A 的每一个特征值 2.设 n 阶方阵 A (a ij ) n n ,且 a ij 的绝对值 1 。 j 1 证明: 设有 AX X , X x 1 x 2 T x 2 x n x n ,并设 x k max x 1 对 AX X 中第 k 个方程 n x k j 1 a k j x j 于是 n n x k a kj x j a kj x j j 1 j 1 即有 n x j n j 1 a kj x k j 1 a kj 1 3.设三阶方阵 1 1 1 A x 4 y 3 3 5 的二重特征值 2 对应有两个线性无关特征向量, (1)求 x 与 y ; (2)求 P ,使 P 1 AP 。 解:( 1)因齐次方程 2I A X 0 的解空间维数为 2,则矩阵 2I A 的秩为 1 而 1 1 1 1 1 1 2I A x 2 y 0 x 2 x y 3 3 3 因 rank 2I A 1 故有 x 2, y 2 。 1 1 1 (2) A 2 4 2 3 3 5 2 A 的特征多项式 I A 2 6 特征值 1 2 2 , 3 6 2I A X 0 1 1 0 T 1 0 T 由 ,求得特征向量 1 , 2 1 由 6I A X 0 ,求得特征向量 1 2 3 T 3 于是 1 1 1 P 1 0 2 0 1 3 且有 2 0 0 P 1 AP 0 2 0 0 6 4.设 a 1 与 a 2 是 A n n 的两个不同特征值,且有 r (a 1 I A) r (a 2 I A) n 证明矩阵 A 可对角化。 证明: 设 rank (a 1I A) r , rank ( a 2 I A) n r 对于 (a 1 I A) X 0 有 n - r 个线性无关特征向量 对于 (a 2 I A) X 0 有 r 个线性无关特征向量 于是矩阵 A 有 n 个线性无关特征向量,所以矩阵 A 可对角化。 5.设 R 3 中, (x 1, x 2 , x 3 )T R 3 ,线性变换 T T ( x 1 , x 2 , x 3 )T (x 1 2x 2 2x 3 ,2 x 1 x 2 2x 3 ,2 x 1 2x 2 x 3 )T 求一组基,使 T 在此基下的矩阵为对角阵,并求出此对角阵。 解: 取 R 3 中的一组标准基 1 , 2 , 3 ,则有 x 1 x 1 x 1 2x 2 2x 3 1 2 2 x 1 T ( ) T 1 2 3 x 2 1 2 3 A x 2 2x 1 x 2 2x 3 2 1 2 x 2 x 3 x 3 2x 1 2x 2 x 3 2 2 1 x 3 得线性变换 T 在基 1 , 2 , 3 下的矩阵 1 2 2 A 2 1 2 2 2 1 A 的特征多项式 I A 12 5 特征值 1 2 1, 3 5 I A X 1 1 0 T T 由 ,解得特征向量 1 , 2 1 0 1 由 5I A X 1 1 T ,解得特征向量 3 1 于是 1 1 1 1 P 1 2 3 1 0 1, P 1 AP 1 1 1 5 矩阵 P 为从基 1, 2 , 3 到所求基 1 , 2 , 3 的过渡矩阵,于是 1 1 1 1 2 3 1 2 3 P 1 0 1 0 1 1 1 线性变换 T 在基 1 , 2 , 3 下的矩阵为 1 。 5 6.求可逆矩阵 P 及 J ,使 P 1 AP J ,其中 2 1 1 A 2 1 2 1 1 2 解: A 的特征多项式 I A ( 1)3 特征值为 1 2 3 1 1 1 1 x 1 0 再由 I A X 2 2 2 x 2 1 1 1 x 3 解得特征子空间 V 1 1 0 T 0 1 T 1 的一组基 1 , 2 1 特征向量k 1 1k2k1k1k2k2 T 2 k2 由 I A k1k2 k3 111k1111k2 得增广矩阵222k1k2000k2k1 1 1 1k20 0 0k1k2 若方程组 I A有解(相容,rank ( I A)rank I A | ),则有k1=k2。 取 k1 = k2 = 1,得 T 1 2 1 由 I A12 1 T 解得广义特征向量10 0 T 111 取 P1120 010 则有 1 P 1 AP11J 1 7.设W L{e x , xe x , x2 e x , e2 x } 为函数向量e x, xe x, x2e x,e2x生成的 4 维空间,T 为导数变换,(1)求 T 在基e x, xe x, x2e x, e2 x下的矩阵; (2)找一组基,使T 在此基下为 Jordan 标准形。 解:( 1)T d ,于是 dx 1100 T e x xe x x2e x e2x e x e x xe x2xe x x2 e x2e2 x e x xe x x2 e x e2x 0120 0010 0002 1100 T 在基e x, xe x, x2e x, e2 x下的矩阵 0120 A 010 0002 11001000 0100 ( 2)P1AP0 1 1 0 ,P 001 00102 00020001 1234 e x xe x x x e x e2x P e x xe x1 x2e x e2 x 2 1100 线性变换 T 在基1,2,3 0110 , 4下的矩阵为 010 0002 8.在多项式空间P n[ x]中, T 为是P n[ x]的一个导数变换,证明 T 在任一基下的矩阵不可对角化。 证明: T d ,于是 dx 01 0 02 T 1 x x2x n 1 d 1 x x2x n 10 1 2x(n 1)x n 2 1 x x2x n 10 dx 0n1 00 01 002 A0 0n 1 00 矩阵 A 的特征值为12n 而 rank ( A) n1,故A仅有一个特征向量,所以 A 不可对角化。 211 9.设A212,求 A100。 112 解:由题( 6),有 1111012 P 1 AP 1 1 , P 1 20 , P 10 01 1010111于是 11100 A P1 1 P 1,A100P11100 P 1 11 取 g100 1 100 1 1g(1)g (1)1100 1g 11g(1)1 于是 101100100 A100200199200 100100101 10.设 A 为 n 阶方阵,证明: (1)若A2 A I0,则 A 可对角化; (2)若A k I ,k为大于1的整整数,则A可对角化。 证明:( 1)因为A2A I0 ,则A的化零多项式()2221 无重根, A 的最小化零多项式可整除任意 A 的化零多项式,故 A 的最小多项式无重根,于是A可对角化。 (2)因为A k I ,得A的化零多项式( )k1 即 ( )k 1 (1)( k 1k 21) 而( ) 0无重根,于是 A 的最小多项式无重根,所以矩阵 A 可对角化。 习题三 212 1.设A446 67 8 (1)求 A 的 LDV 分解; (2)设b(102)T,用LDV分解求解方程组AX=b。 解:( 1) 212100212100212100 A | I4 46010022 2 10022 2 10 678001042301002121 100212 令, P210,则 PA022 121002 这里矩阵 P 为行初等变换矩阵12 P ,12 A PA PP I PP 21210 1 100 0 令 U PA 022,L P 1 2 10210 002121321 于是 1 1 10021210021 2 A LU 2100222102011LDV 3210023212001 (2)由AX b 得L D V X b 令 D V X Z,则有 L Z b 令VX Y ,则有 D Y Z 由 LZ b 100z11 即 210z20 321z32 解得 T T z1z2z3123 由DY Z 200y11 即 020y22 002y33 解得 T y1y2y3再由 VX Y T 1 3 1 22 11 1 x1 1 22 即011x21 001x33 2 解得 T T x1x2x3713 422 2.求下列矩阵的满秩分解 0011230 (1)211, i1( 2 )0211 2i i01021解:( 1) 0010010012111 1 2 211211********* 2i i 000i000000000矩阵第 1 列和第 3 列线性无关,于是满秩分解为 00101 11 211212 2i i02i0001 (2) 1230123012301021 11 02110211021101 22 102102110000 0000于是满秩分解为 1230121021 021102 0111 10211022 3.设A C m n X Y C r r, rank ( A)rank ( X ) r ,, A 的分块为A,其中X Z W W ZX 1Y ,证明 A 有如下形式的满秩分解 A X X 1Y ) , A I r ( X Y) ( I r ZX 1 Z 证明:因为 rank ( A)rank ( X )r ,矩阵A的前r个列X 是 A 的极大无关列, A 的后Z n - r 个列 Y X 可由线性表示,即W Z Y X Y XH H, W Z W ZH 故有 A X Y X Y X Y X X1Y Z W Z Z H 1I r | Z Z X Y Z A X I r| X 1Y I r 1 X I r| X 1Y I r1X | Y Z ZX ZX 133 4.阵A353的谱分解。 664 解:矩阵 A 的特征多项式 f ( ) (2)2 (4) 2012矩阵论复习题 1. 设+=R V 是正实数集,对于任意的V y x ∈,,定义x 与y 的和为 y x y x ?=⊕ 对于任意的数R k ∈,定义k 与x 的数乘为 k x x k =? 问:对于上述定义加法和数乘运算的集合V ,是否构成线性空间,并说明理由. 2.对任意的2,R y x ∈,),(21x x x =,),(21y y y =定义x 与y 的和为 ),(112211y x y x y x y x +++=⊕ 对于任意的数R k ∈,定义k 与x 的数乘为 )2 )1(,(2121x k k kx kx x k -+=? 问:对于上述定义加法和数乘运算的集合2R ,是否构成线性空间,并说明理由. 3.设},022|),,{(321321R x x x x x x x S i ∈=++=,试证明S 是3R 的子空间,并求S 的一组基和S dim . 4.设)(R P n 表示次数不超过n 的全体多项式构成的线性空间, )}()(,0)0(|)({R P x f f x f S n ∈='= 证明S 是)(R P n 的子空间,并写出S 的一组基和计算S dim . 5. 设T 是2R 上的线性变换,对于基向量i 和j 有 j i i T +=)( j i j T -=2)( 1)确定T 在基},{j i 下的矩阵; 2)若j i e -=1 j i e +=32,确定T 在基},{21e e 下的矩阵. 6. 设T 是3R 上的线性变换,对于基},,{k j i 有 k j k j i T -=++)( i k j T =+)( k j i k T 532)(++= 习题二 1.化下列矩阵为Smith 标准型: (1)222211λλλλ λλλλλ?? -?? -????+-?? ; (2)2222 00 000 00(1)00000λλλλλλ ?? ?? -? ? ??-?? -?? ; (3)2222 232321234353234421λλλλλλλλλλλλλλ?? +--+-??+--+-????+---?? ; (4)23014360220620101003312200λλλλλλλλλλλλλλ????++??????--????---?? . 解:(1)对矩阵作初等变换 23221311(1)100 10 000000(1)00(1)c c c c c c r λλλλλλλλλ+--?-???????????→-???→? ??? ????-++???? , 则该矩阵为Smith 标准型为 ???? ? ?????+)1(1λλλ; (2)矩阵的各阶行列式因子为 44224321()(1),()(1),()(1),()1D D D D λλλλλλλλλλ=-=-=-=, 从而不变因子为 22 2341234123()()() ()1,()(1),()(1),()(1)()()() D D D d d d d D D D λλλλλλλλλλλλλλλλ== =-==-==-故该矩阵的Smith 标准型为 2210000(1)0000(1)00 00(1)λλλλλλ?? ??-????-?? -??; (3)对矩阵作初等变换 故该矩阵的Smith 标准型为 ?? ?? ??????+--)1()1(112 λλλ; (4)对矩阵作初等变换 在最后的形式中,可求得行列式因子 3254321()(1),()(1),()()()1D D D D D λλλλλλλλλ=-=-===, 于是不变因子为 2541234534()() ()()()1,()(1),()(1)()() D D d d d d d D D λλλλλλλλλλλλλ==== =-==-故该矩阵的Smith 标准形为 2 1 0000 010 0000100000(1)00 00 0(1)λλλλ?????????? -?? ??-?? . 2.求下列λ-矩阵的不变因子: (1) 21 0021002λλλ--????--????-??; (2)100 1000 λαββλα λαββ λα+????-+? ???+??-+?? ; 习题三 1.证明下列问题: (1)若矩阵序列{}m A 收敛于A ,则{}T m A 收敛于T A ,{} m A 收敛于A ; (2)若方阵级数∑∞ =0m m m A c 收敛,则∑∑∞ =∞==?? ? ??00)(m m T m T m m m A c A c . 证明:(1)设矩阵 ,,2,1,)() ( ==?m a A n n m ij m 则 ,)()(n n m ji T m a A ?=,)()(n n m ij m a A ?=,,2,1 =m 设 ,)(n n ij a A ?= 则 n n ji T a A ?=)(,,)(n n ij a A ?= 若矩阵序列{}m A 收敛于A ,即对任意的n j i ,,2,1, =,有 ij m ij m a a =∞ →) (lim , 则 ji m ji m a a =∞ →)(lim ,ij m ij m a a =∞ →)(lim ,n j i ,,2,1, =, 故{} T m A 收敛于T A ,{} m A 收敛于A . (2)设方阵级数 ∑∞ =0 m m m A c 的部分和序列为 ,,,,21m S S S , 其中m m m A c A c c S +++= 10. 若 ∑∞ =0 m m m A c 收敛,设其和为S ,即 S A c m m m =∑∞ =0 ,或S S m m =∞ →lim , 则 T T m m S S =∞ →lim . 而级数∑∞ =0 )(m m T m A c 的部分和即为T m S ,故级数∑∞ =0 )(m m T m A c 收敛,且其和为T S , 即 ∑∑∞ =∞==?? ? ??00)(m m T m T m m m A c A c . 2.已知方阵序列{}m A 收敛于A ,且{} 1-m A ,1 -A 都存在,证明: (1)A A m m =∞ →lim ;(2){}1 1 lim --∞ →=A A m m . 证明:设矩阵 ,,2,1,)() ( ==?m a A n n m ij m ,)(n n ij a A ?= 若矩阵序列{}m A 收敛于A ,即对任意的n j i ,,2,1, =,有 ij m ij m a a =∞ →) (lim . (1) 由于对任意的n j j j ,,,21 ,有 ,lim ) (k k kj m kj m a a =∞ → n k ,,2,1 =, 故 ∑-∞ →n n n j j j m nj m j m j j j j m a a a 2121)()(2)(1) ()1(lim τ = ∑-n n n j j j nj j j j j j a a a 21212121) ()1(τ , 而 ∑-= n n n j j j m nj m j m j j j j m a a a A 2121) ()(2)(1)()1(τ, 习题一 1.判断下列集合对指定的运算是否构成R 上的线性空间 (1)11 {()| 0}n ij n n ii i V A a a ?====∑,对矩阵加法和数乘运算; (2)2{|,}n n T V A A R A A ?=∈=-,对矩阵加法和数乘运算; (3)33V R =;对3R 中向量加法和如下定义的数乘向量:3 ,,0R k R k αα?∈∈=; (4)4{()|()0}V f x f x =≥,通常的函数加法与数乘运算。 解: (1)、(2)为R 上线性空间 (3)不是,由线性空间定义,对0α?≠有1α=α,而题(3)中10α= (4)不是,若k<0,则()0kf x ≤,数乘不满足封闭性。 2.求线性空间{|}n n T V A R A A ?=∈=的维数和一组基。 解:一组基 100 010 10 101010000000100............ ......0010010?? ???? ?????? ???? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ?? ? ? ?? ?? ? ? ? ?????? dim W =n ( n +1)/2 3.如果U 1和U 2都是线性空间V 的子空间,若dim U 1=dim U 2,而且12U U ?,证明:U 1=U 2。 证明:因为dim U 1=dim U 2,故设 {}12,,,r ααα为空间U 1的一组基,{}12,,,r βββ为空间U 2的一组基 2U γ?∈,有 ()12 r X γγβββ= 而 ()()12 12r r C αααβββ=,C 为过渡矩阵,且可逆 于是 ()()()112 12121r r r X C X Y U γγγγβββαααααα-===∈ 由此,得 21 U U ? 习 题 1.1 1. 解: 除了由一个零向量构成的集合{}θ可以构成线性空间外,没有两个和有限(m )个向量构成的线性空间,因为数乘不封闭(k α有无限多个,k ∈p 数域). 2. 解:⑴是;⑵不是,因为没有负向量;⑶不是,因为存在两向量的和向量处在第二或第四象限,即加法不封闭;⑷是;⑸不是,因为存在二个不平行某向量的和却平行于某向量,即加法不封闭. 3. 解:⑴ 不是,因为 当k ∈Q 或R 时,数乘k α不封闭;⑵ 有 理域上是;实数域上不是,因为当k ∈R 时,数乘k α不封闭.⑶ 是;⑷ 是;⑸ 是;⑹ 不是,因为加法与数乘均不封闭. 4. 解:是,因为全部解即为通解集合,它由基础解系列向量乘以相应常数组成,显然对解的加法与数乘运算满足二个封闭性和八条公理. 5. 解:(1)是线性空间;(2)不是线性空间(加法不封闭;或因无零向量). 6. 解:(1)设A 的实系数多项式()A f 的全体为 (){} 正整数m R a A a A a I a A f i m m , 1 ∈++= 显然,它满足两个封闭性和八条公理,故是线性空间. (2)与(3)也都是线性空间. 7. 解:是线性空间.不难验证t sin ,t 2sin ,…,nt sin 是线性无关的,且任一个形如题中的三角多项式都可由它们惟一地线性表示,所以它们是V 中的一个组基.由高等数学中傅里叶(Fourier )系数知 ? = π π 20 sin 1 itdt t c i . 8. 解:⑴ 不是,因为公理2)'不成立:设r=1, s=2, α=(3, 4), 则 (r+s) (3, 4)= (9, 4), 而 r (3, 4) ⊕ s (3, 4)=(3,4) ⊕(6, 4)= (9, 8), 所以 (r+s) α≠r α⊕s α. ⑵ 不是,因为公理1)不成立:设α= (1,2) , β= (3,4) , 则α⊕β=(1,2) ⊕ (3,4) = (1,2), β⊕α= (3,4) ⊕ (1,2) = (3,4) , 所以 α⊕β≠β⊕α. ⑶ 不是,因为公理2)'不成立:设 r=1, s=2, α=(3,4) , 则 (r+s) α=3 (3, 4)= (27, 36) 而 r α⊕s α=1 (3,4)⊕2 (3,4)=(3, 4)⊕(12, 16)= (15, 20), 于是 (r+s) α≠ r α⊕s α. ⑷ 是. 9. 证 若∈βα,V ,则 ()()()()()()()β βααββααββααβαβαβα+++=+++=+++=+++=+=+) 11(1111112222012矩阵论复习题
研究生矩阵论课后习题答案(全)习题二
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矩阵论课后习题 1.1