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

另一方面，

()()()()()

()()()β

αβαβαβαβαβαβαβα+++=+++=+++=++=+111112

因此 ()()βαβαββαα+++=+++， 从而有

()()()()()()ββαβααβββααα-+++++-=-+++++-

于是得 αββα+=+.

10. 解：先求齐次方程组的基础解系

ξ1=(3,3,2,0)T , ξ2=(-3,7,0,4)T ,

即为解空间V 的一组基. 所以， dim V =2.

11. 解：考察齐次式 0)1()()(32221=++-++x k x x k x x k 即 0)()(3321221=++-++k x k k k x k k , 得线性方程组

021=+k k 0321=+-k k k 03=k

由于系数行列式不等于零，那么只有 0321===k k k 时 , 上述齐次式 才对 ?x 成立，所以 x x +2, x x -2, 1+x 线性无关，且任二次多项式

c bx ax ++2都可惟一地用它们来表示(因为相应的非齐次方程组有惟一

解)，故为基.

令 33212212)()(372k x k k k x k k x x ++-++=++ 得 3,

1,

3321=-==k k k , 即坐标为 ( 3, -1, 3 ) .

12. 解： ⑴ 因为 (4321,,,ββββ)=(4321,,,αααα)C ,

故 C =(4321,,,αααα)1-(4321,,,ββββ)

= 1

000010000100001 1- 3

101

121163316502- = 3

101

1

21163316502- .

⑵ 显然，向量α在基4321,,,αααα下的坐标为 X =(1ξ,432,,ξξξ)T

, 设α在基4321,,,ββββ下的坐标为 Y =(T

),,,4321ηηηη, 则

Y =C 1- 4

32

1

ξξξξ =

3

101

12116

3316502- 1-4

321

ξξξξ

= 27

26319

1277320031

27

23319

4

271911

1

31

94---

---

- 4

32

1

ξξξξ = B X ⑶ 如果 X = Y , 则有 X= BX ,即得齐次方程组 ( I- B )X=0 , 求 其非零解为

X = k (－1, －1, －1, 1 )T

, k ∈R , 即为所求 .

13. 解： (1) 对n k ,,2,1 =；n k k l ,,1, +=令()n n ij kl a F ?=，其中

1=kl a ，其余的0=ij a ，则{}kl F 为上三角矩阵空间的一组基，维数为

()12

1

+n n . （2）R +中任意非零元素都可作R +的基，dim R +=1. （3）I ，A ，A 2为所述线性空间的一组基，其维数为3.

14. 解： （1）由已知关系式求得

???????+=+=+--=-++=3

2421342

12432112242284ααβααβαααβααααβ

于是，由基（I ）到基（II ）的过渡矩阵为

????

?

????

???---=0012200112480124C （2）α在基（II ）下的坐标为（2，-1，1，1）T ，再由坐标变换公式计算α在基（I ）下的坐标为

C （2，-1，1，1）T =（11，23，4，-5）T .

（3）不难计算得det （1·I —C ）=0，所以1是C 的特征值.不妨取过渡矩阵C 的对应于特征值1的一个特征向量为η，则有C η=1·η，那么α()4321,,,ββββ=η≠0，再由坐标变换公式知，α在基（I ）下的坐标为ξ=C η=η，即存在非零α4V ∈，使得α在基（I ）和基（II ）下有相同的坐标.

15. 解：不难看出，由简单基E 11，E 12，E 21，E 22改变为基（I ）和基（II ）的过渡矩阵分别为

??

???????

???-=22

21

11203111

1202

1C ， ?????

?

??????-----=11100111121211112C 则有（B 1，B 2，B 3，B 4）=（E 11，E 12，E 21，E 22）C 2

=（A 1，A 2，A 3，A 4）11-C C 2

故由基（I ）改变到基（II ）的过渡矩阵为

?????

????

???----==-1111100000111110211C C C .

16. 解：（1）由简单基1，32,,x x x 改变到基（I ）和基（II ）的过渡矩阵为

?????????

???=11111111111C ， ?????

??

?????=1011

01111110

110

1

2C 故由基（I ）改变为基（II ）的过渡矩阵为

??

???

??

??

???---==-101

111001*********

1C C C （2）设()[]3x p x f ∈在基（I ）和基（II ）下的坐标分别为

()T 4321,,,ξξξξα=，()T 4321,,,ηηηηβ=，则有βαC =且βα=，即有

()0=-βC I ，该齐次方程组的通解为()T

k 0,1,0,0=β,∈k .于是，在基

（I ）和基（II ）下有相同坐标的全体多项式为

()()()()()()()2

34321,,,kx

kx k x kg x g x g x g x g x f ++===β .

17. 解：⑴ 设

n

的子集合为L ，对任意∈αL ，有

),...,,(21n a a a =α,

∑==n

i i

a

1

0，

对任意L ∈βα,，),...,,(21n a a a =α , ),...,,(21n b b b =β 有

∑∑∑====+=+++=+n

i n i n

i i i i i

n n b a b a

b a b a 11

1

110)(),,...,(βα

又 ∑∑=====n

i n

i i i

n a k ka

ka ka k 1

1

10),,...,(α, 所以∈+βαL

∈

αk L

因此L 是V 的子空间.

⑵ 对任意∈βα,L ，),...,,(21n a a a =α, ),...,,(21n b b b =β , 有

∑==n

i i

a

1

1,

∑==n

i i

b

1

1

故 2)(),

,...,(1

1

1

11∑∑∑====+=+++=+n

i n

i n

i i i i i

n n b a b a

b a b a βα

于是可知 ?+βα L ，因此L 不是V 的子空间.

18. 解： ),,('3'2'1αααSpan 的基为'

3

'2'1,,ααα的一个最大无关组， '

3

'2'1,,ααα在基321,,ααα下的坐标依次为 (1, -2, 3)T , (2 , 3 , 2)T , (4, 13, 0 )T

该列向量组的一个最大无关组为 (1, -2, 3)T , (2 ,3 ,2)T .因此，'

3'2'1,,ααα的一个最大无关组为 '2'1,αα，即),,('3'2'1αααSpan 的一个基为'2

'1,αα .

19. 解：（1）因为10V n n ∈?，所以V 1非空.设A ，1V B ∈，则有AP=P A ，BP=PB .又因为（A+B ）P=AP+BP=P A+PB=P （A+B ），（kA ）P=k （AP ）=k （P A ）=P （kA ） （∈k ），所以1V B A ∈+，1V kA ∈，故V 1是n n R ?的子空间.

（2）取??????=0001A ， B ??

?

???=1000，则det A=det B =0，从而1V A ∈，1V B ∈，

但??

?

?

??=+1001B A ，()0det ≠+B A ，所以1V B A ∈+，故V 1不是子空间. 又A A =2，从而2V A ∈，??????=00022A ，()A A 2000422

≠??

????=，所以22V A ∈，故V 2也不是子空间.

20. 证：因为

（2，-1，3，3）=（-1）（1，1，0，0）+3（1，0，1，1）， （0，1，-1，-1）=（1，1，0，0）+（-1）（1，0，0，1）

即生成的子空间有相同的基，所以它们生成的子空间相同.

21. 解： (1) 设14321

V x x x x A ∈??

?

?

??=，则由AP=P A 可得齐次方程组 ???

?

???

==-=-+=-0

30033033342

13x x x x x x

求得基础解系为（1，-3，0，0）T ，（1，0，0，1）T ，从而V 1的基为

??????-=00311A ，??

?

???=10012A ， dimV 1 =2 .

(2) V 1的矩阵一般形式??

?

???-+=+=212

1

221103k k k k A k A k A ()R k k ∈21,.

22. 证：若V 1的维数为0，则V 1与V 2都是零空间，当然相等； 若V 1的维数是0≠m ，由于21V V ?，故V 1的任一组基m e e e ,,,21 都是

V 2的线性无关组.又因V 2与V 1的维数相同，故这个线性无关组也是V 2的一组基，即V 1与V 2有相同的基，因此V 1=V 2.

23. 解：设()W V a a a a ∈=4321,,,α，则有 0,

043214321=+++=-+-a a a a a a a a

由此相加或相减可得031=+a a ，042=+a a ，从而31a a -=，42a a -=，故得 ()()()1,0,1,00,1,0,1,,,212121-+-=--=a a a a a a α.

但（1，0，-1，0），（0，1，0，-1）线性无关，即为所求的基.

24. 解：（1）设()22?=ij a A ，()V b B ij ∈=?2

2，则02211=+a a ，

02211=+b b ,因为()22?+=+ij ij b a B A ，()()022221111=+++b a b a ，()22?=ij ka kA ，

()()02211=+ka ka ，所以V B A ∈+，V kA ∈，又V ∈?220，所以V 是

2

2?的

子空间.

（2）在V 中取??????-=10011A ，??

????=00102A ，???

???=01003A 它们线性无关.因为02211=+a a 即1122a a -=，于是321212111A a A a A a A ++=，因此，V 的一组基为A 1，A 2，A 3，从而dim V =3.

25. 解：（1）{}3,,,dim 2121=ββααSpan

, {}2,dim 21=ααSpan

, {}2,dim 21=ββSpan 故交的维数为2+2-3=1，交的一组基为（-5，2，3，4）T ，和的维数

为3，{

}121,,βαα为一组基. （2）{}4,,,,dim 21321=ββαααSpan ,

{}{}2,dim ,3,,dim 21321==ββαααSpan Span

故交的维数为1，基为1β；和的维数为4，{}2321,,,βααα为一组基.

26. 证：（1）设1,V ∈βα，且∑∑====n

i n

i i i i i x e x 1

1

εα, ∑∑====n

i i i i n

i i y e y 1

1

εβ

则 ()()∑∑==+=+=+n i n

i i i i i i i y x e y x 1

1

εβα

∑∑====n i n

i i i i i kx e kx k 1

1

εα （k 是数）

即βα+与αk 在两组基下的坐标也是相同的，所以1V ∈+βα，1V k ∈α ，故V 1是子空间.

（2）因V 中每个向量在两组基下的坐标相同，所以基向量

()n i e i ,,2,1 =在n e e e ,,21 下的坐标为（0，…，0，1，0，…，0）它也

应为i e 在n εεε,,,21 下的坐标，于是有

1=i e ()n i i i ,,2,1 ==εε.

27. 证：设

(){}R a a a a A V ij ji ij ij ∈===?,221,

(){}R

b b b b B V ij ji ij ij ∈-===?,222

容易验证V 1与V 2都是V 的子空间.对任意V C ∈有 ()()

T T C C C C C -++=2

1

21 且

()()

212

1

,21V C C V C C T T ∈-∈-，所以21V V V +=. 因为()212122V D V D V V d D ij ∈∈?∈=?且

ji ij ji ij d d d d -==?且

()2,1,0==?j i d ij

即0=D ，所以{}021=V V ，则21V V V ⊕=.

28. 证：由齐次线性方程组的理论可推知V 1是n-1维的，且有基=1α（-1，1，0，…，0），=2α（-1，0，1，0，…，0），…，=-1n α（-1，0，…，0，1）.又n x x x === 21，即

??????

?=-=-=--0

00

13

221n n x x x x x x 此方程组系数矩阵的秩为n -1，故解空间V 2的维数为1，令x n =1，便得V 2的一组基=β（1，1，…，1）；又以121,,,-n ααα ，β为行的n 阶行列式

()0,11

1111100010

010*******

≠-=---+n n

故121,,,-n ααα ，β为n

的一组基，且有

n

21V V ⊕=.

29. 证：设V 是n 维线性空间，n e e e ,,21 为基，则()i e L 都是一维子空间（i =1，2，…，n ），且有()()()()V e e e L e L e L e L n n ==+++,,,2121 .又因n e e e ,,,21 是基，零向量θ表示式惟一，故这个和是直和，即

()()()V e L e L e L n =⊕⊕⊕ 21.