矩阵论华中科技大学课后习题答案.docx

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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

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

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

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

1 0

3

x 3

1

1

1

7

x 4

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

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

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

T T

1

x1 x2,2y1 y2

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

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

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

T e 1 e 2 e 3

e 1 e 2 e 3 A

T

i

i

, i

1,2,3

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

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

( )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

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)(++=

研究生矩阵论课后习题答案(全)习题二

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+????-+? ???+??-+?? ;

研究生矩阵论课后习题答案全习题三

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,

矩阵论华中科技大学课后习题答案

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 ?

矩阵论课后习题 1.1

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(111111222

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