高等代数第四版习题答案
线性代数第四版同济大学课后习题答案
第一章 行列式 1利用对角线法则计算下列三阶行列式(1)381141102---解 381141102---2(4)30(1)(1)118 0132(1)81(4)(1)2481644 (2)b a c ac b cb a 解 ba c a cb cb aacb bac cba bbb aaa ccc3abc a 3b 3c 3(3)222111c b a cb a解 222111c b a c b abc 2ca 2ab 2ac 2ba 2cb 2 (a b )(b c )(c a )(4)yx y x xy x y yx y x +++解 yx y x x y x y yx y x +++x (x y )y yx (x y )(x y )yx y 3(x y )3x 3 3xy (x y )y 33x 2 y x 3y 3x 3 2(x 3y 3)2按自然数从小到大为标准次序求下列各排列的逆序数(1)1 2 3 4 解 逆序数为0 (2)4 1 3 2 解 逆序数为4 41 43 4232(3)3 4 2 1解 逆序数为5 3 23 14 24 1, 2 1(4)2 4 1 3 解 逆序数为3 2 1 4 1 4 3 (5)1 3(2n1) 2 4(2n )解 逆序数为2)1(-n n3 2 (1个) 5 2 5 4(2个) 7 2 74 7 6(3个)(2n 1)2 (2n1)4(2n1)6(2n1)(2n2)(n 1个)(6)1 3 (2n 1) (2n ) (2n 2)2解 逆序数为n (n1)3 2(1个) 5 2 54 (2个)(2n 1)2 (2n 1)4 (2n 1)6 (2n 1)(2n 2)(n1个)4 2(1个) 6 2 6 4(2个)(2n )2 (2n )4(2n )6(2n )(2n 2) (n1个)3写出四阶行列式中含有因子a 11a 23的项解 含因子a 11a 23的项的一般形式为 (1)t a 11a 23a 3r a 4s其中rs 是2和4构成的排列 这种排列共有两个即24和42所以含因子a 11a 23的项分别是 (1)t a 11a 23a 32a 44(1)1a 11a 23a 32a 44a 11a 23a 32a 44 (1)t a 11a 23a 34a 42(1)2a 11a 23a 34a 42a 11a 23a 34a 424计算下列各行列式(1)71100251020214214解 71100251020214214010014231020211021473234-----======c c c c 34)1(143102211014+-⨯---= 143102211014--=01417172001099323211=-++======c c c c(2)2605232112131412-解 2605232112131412-260503212213041224--=====c c 041203212213041224--=====r r0000003212213041214=--=====r r (3)efcf bf decd bd aeac ab ---解 ef cf bf de cd bd ae ac ab ---e c b e c b ec b adf ---=abcdefadfbce 4111111111=---=(4)dc b a100110011001---解 d c b a100110011001---dc b aab ar r 10011001101021---++===== dc a ab 101101)1)(1(12--+--=+01011123-+-++=====cd c ada ab dc ccdad ab +-+--=+111)1)(1(23abcd ab cd ad 15 证明:(1)1112222bb a a b ab a +(a b )3;证明1112222b b a a b ab a +00122222221213a b a b a a b a ab a c c c c ------=====ab a b a b a ab 22)1(22213-----=+21))((a b a a b a b +--=(a b )3(2)yx z x z y zy x b a bz ay by ax bx az by ax bx az bz ay bx az bz ay by ax )(33+=+++++++++;证明bzay by ax bx az by ax bx az bz ay bx az bz ay by ax +++++++++bz ay by ax x by ax bx az z bx az bz ay y b bz ay by ax z by ax bx az y bx az bz ay x a +++++++++++++=bz ay y x by ax x z bx az z y b y by ax z x bx az y z bz ay x a +++++++=22z y x y x z x z y b y x z x z y z y x a 33+=yx z x z y z y x b y x z x z y z y x a 33+=yx z xz y zy x b a )(33+=(3)0)3()2()1()3()2()1()3()2()1()3()2()1(2222222222222222=++++++++++++d d d d c c c c b b b b a a a a ;证明2222222222222222)3()2()1()3()2()1()3()2()1()3()2()1(++++++++++++d d d d c c c c b b b b a a a a (c 4c 3 c 3c 2 c 2c 1得) 5232125232125232125232122222++++++++++++=d d d d c c c c b b b b a a a a (c 4c 3c 3c 2得)022122212*********222=++++=d d c c b b a a(4)444422221111d c b a d c b a d c b a (a b )(a c )(a d )(b c )(b d )(c d )(a b c d );证明444422221111d c b a d c b a d c b a )()()(0)()()(001111222222222a d d a c c a b b a d d a c c a b b ad a c a b ---------=)()()(111))()((222a d d a c c a b b d c b a d a c a b +++---= ))(())((00111))()((a b d b d d a b c b c c b d b c a d a c a b ++-++------=)()(11))()()()((a b d d a b c c b d b c a d a c a b ++++-----==(ab )(ac )(ad )(b c )(b d )(c d )(a b c d )(5)1221 1 000 00 1000 01a x a a a a x x xn n n+⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅---Λx n a 1x n 1a n 1x a n证明 用数学归纳法证明当n 2时 2121221a x a x a x a x D ++=+-=命题成立假设对于(n 1)阶行列式命题成立即 D n1x n 1a 1 x n 2a n 2x a n1则D n 按第一列展开 有11100 100 01)1(11-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅--+=+-xx a xD D n n n n xD n 1a n x n a 1x n1a n 1x a n因此 对于n 阶行列式命题成立6设n 阶行列式Ddet(a ij ), 把D 上下翻转、或逆时针旋转90、或依副对角线翻转 依次得nnnn a a a a D 11111 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= 11112 n nn n a a a a D ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= 11113 a a a a D n nnn ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=证明DD D n n 2)1(21)1(--== D 3D证明 因为Ddet(a ij ) 所以nnn n n n nnnn a a a a a a a a a a D 2211111111111 )1( ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=- ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅--=-- )1()1(331122111121nnn n nn n n a a a a a a a a DD n n n n 2)1()1()2( 21)1()1(--+-+⋅⋅⋅++-=-=同理可证 nnn n n n a a a a D ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-=- )1(11112)1(2D D n n T n n 2)1(2)1()1()1(---=-= DD D D D n n n n n n n n =-=--=-=----)1(2)1(2)1(22)1(3)1()1()1()1(7计算下列各行列式(D k 为k 阶行列式)(1)a aD n 11⋅⋅⋅=, 其中对角线上元素都是a未写出的元素都是0解aa a a a D n 010 000 00 0000 0010 00⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=(按第n 行展开))1()1(10 000 00 000 0010 000)1(-⨯-+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-=n n n aa a )1()1(2 )1(-⨯-⋅⋅⋅⋅-+n n n a a an n n nn a a a+⋅⋅⋅-⋅-=--+)2)(2(1)1()1(a n a n2a n 2(a 21)(2)xa a a x a a a xD n ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= ; 解 将第一行乘(1)分别加到其余各行得ax x a ax x a a x x a aa a x D n --⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅--⋅⋅⋅--⋅⋅⋅=000 0 00 0再将各列都加到第一列上得ax ax a x aaa a n x D n -⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-+=0000 0 000 00 )1([x (n 1)a ](x a )n1(3)111 1 )( )1()( )1(1111⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅--⋅⋅⋅-=---+n a a a n a a a n a a a D n n n n n n n ; 解 根据第6题结果有nnn n n n n n n n a a a n a a a n a a aD )( )1()( )1( 11 11)1(1112)1(1-⋅⋅⋅--⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-=---++ 此行列式为范德蒙德行列式∏≥>≥++++--+--=112)1(1)]1()1[()1(j i n n n n j a i a D∏≥>≥++---=112)1()]([)1(j i n n n j i∏≥>≥++⋅⋅⋅+-++-⋅-⋅-=1121)1(2)1()()1()1(j i n n n n n j i∏≥>≥+-=11)(j i n j i(4)n nnnn d c d c b a b a D ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=11112;解nn nnn d c d c b a b a D ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=11112(按第1行展开)nn n n n nd d c d c b a b a a 00011111111----⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=Λ0)1(1111111112c d c d c b a b a b nn n n n nn ----+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-+再按最后一行展开得递推公式 D 2na n d n D 2n2b nc n D 2n2即D 2n(a n d n b n c n )D 2n2于是 ∏=-=ni ii ii n Dc bd a D 222)(而 111111112c b d a d c b a D -==所以 ∏=-=ni ii ii n c b d a D 12)( (5) D det(a ij ) 其中a ij |ij |;解 a ij|ij |4321 4 01233 10122 21011 3210)det(⋅⋅⋅----⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅==n n n n n n n n a D ij n0 4321 1 11111 11111 11111 1111 2132⋅⋅⋅----⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅----⋅⋅⋅---⋅⋅⋅--⋅⋅⋅--⋅⋅⋅-=====n n n n r r r r 152423210 22210 02210 00210 0001 1213-⋅⋅⋅----⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅----⋅⋅⋅---⋅⋅⋅--⋅⋅⋅-+⋅⋅⋅+=====n n n n n c c c c (1)n 1(n1)2n2(6)nn a a a D +⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+=1 11 1 1111121, 其中a 1a 2 a n解nn a a a D +⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+=1 11 1 1111121nn n n a a a a a a a a a c c c c +-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-=====--10 0001 000 100 0100 0100 0011332212132 1111312112111011 000 00 11000 01100 001 ------+-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅=nn n a a a a a a a a∑=------+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=n i i n n a a a a a a a a 1111131******** 00010 000 00 10000 01000 001)11)((121∑=+=ni in a a a a Λ8用克莱姆法则解下列方程组(1)⎪⎩⎪⎨⎧=+++-=----=+-+=+++01123253224254321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解 因为14211213513241211111-=----=D142112105132412211151-=------=D 284112035122412111512-=-----=D426110135232422115113-=----=D 14202132132212151114=-----=D所以 111==DD x 222==DD x 333==DD x 144-==DD x(2)⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=++=++=++=+150650650651655454343232121x x x x x x x x x x x x x解 因为665510006510006510065100065==D 150751001651000651000650000611==D 114551010651000650000601000152-==D 70351100650000601000051001653==D 395510601000051000651010654-==D 2121105100065100651100655==D 所以66515071=x 66511452-=x 6657033=x 6653954-=x 6652124=x9问取何值时 齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++0200321321321x x x x x x x x x μμλ有非零解解 系数行列式为μλμμμλ-==1211111D令D 0 得 0或1于是 当0或1时该齐次线性方程组有非零解10 问取何值时齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-++=+-+=+--0)1(0)3(2042)1(321321321x x x x x x x x x λλλ有非零解解 系数行列式为λλλλλλλ--+--=----=101112431111132421D (1)3(3)4(1)2(1)(3)(1)32(1)23 令D 0 得 0 2或3 于是 当2或3时该齐次线性方程组有非零解第三章 矩阵的初等变换与线性方程组1把下列矩阵化为行最简形矩阵(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛--340313021201解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--340313021201(下一步r 2(2)r 1 r 3(3)r 1 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛---020*********(下一步 r 2(1) r 3(2))~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--010*********(下一步 r 3r 2)~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--300031001201(下一步 r 33 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--100031001201(下一步 r 23r 3)~⎪⎪⎭⎫⎝⎛-100001001201(下一步 r 1(2)r 2r 1r 3)~⎪⎪⎭⎫⎝⎛100001000001(2)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----174034301320解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛----174034301320(下一步 r 22(3)r 1r 3(2)r 1 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛---310031001320(下一步 r 3r 2r 13r 2)~⎪⎪⎭⎫⎝⎛0000310010020(下一步 r 12 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛000031005010(3)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---------12433023221453334311解 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---------12433023221453334311(下一步 r 23r 1r32r 1 r 43r 1 )~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--------1010500663008840034311(下一步 r2(4) r 3(3)r 4(5) )~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----22100221002210034311(下一步 r 13r 2r 3r 2r 4r2)~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---00000000002210032011(4)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------34732038234202173132解 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------34732038234202173132(下一步 r 12r 2r 33r 2r42r 2 )~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----1187701298804202111110(下一步 r 22r 1r 38r 1r 47r 1)~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--41000410002020111110(下一步 r 1r 2r 2(1) r 4r 3)~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----00000410001111020201(下一步 r 2r 3) ~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--00000410003011020201 2 设⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛987654321100010101100001010A 求A解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛100001010是初等矩阵E (1 2) 其逆矩阵就是其本身⎪⎪⎭⎫⎝⎛100010101是初等矩阵E (1 2(1)) 其逆矩阵是E (1 2(1)) ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=100010101⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=100010101987654321100001010A⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2872212541000101019873216543试利用矩阵的初等变换求下列方阵的逆矩阵(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛323513123解 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛100010001323513123~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---101011001200410123~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----1012002110102/102/3023~⎪⎪⎭⎫⎝⎛----2/102/11002110102/922/7003~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----2/102/11002110102/33/26/7001故逆矩阵为⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----21021211233267(2)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----1210232112201023解 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----10000100001000011210232112201023~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----00100301100001001220594012102321~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--------20104301100001001200110012102321~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------106124301100001001000110012102321 ~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----------10612631110`1022111000010000100021 ~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------106126311101042111000010000100001 故逆矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------106126311101042114(1)设⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=113122214A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=132231B 求X 使AX B解 因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=132231 113122214) ,(B A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--412315210 100010001 ~r所以 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--==-4123152101B A X(2)设⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=433312120A ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=132321B 求X 使XA B解 考虑A T X TB T 因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=134313*********) ,(T T B A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---411007101042001 ~r所以 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---==-417142)(1T T T B A X从而 ⎪⎭⎫ ⎝⎛---==-4741121BA X5设⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=101110011A AX 2X A 求X解 原方程化为(A 2E )XA 因为⎪⎪⎭⎫⎝⎛---------=-101101110110011011) ,2(A E A⎪⎪⎭⎫⎝⎛---011100101010110001~所以 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-=-011101110)2(1A E A X6在秩是r 的矩阵中,有没有等于0的r1阶子式 有没有等于0的r 阶子式解 在秩是r 的矩阵中可能存在等于0的r1阶子式也可能存在等于0的r 阶子式例如⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=010*********A R (A )3000是等于0的2阶子式10001000是等于0的3阶子式7 从矩阵A 中划去一行得到矩阵B 问AB 的秩的关系怎样 解 R (A )R (B )这是因为B 的非零子式必是A 的非零子式故A 的秩不会小于B 的秩8求作一个秩是4的方阵它的两个行向量是 (110)(11 00)解 用已知向量容易构成一个有4个非零行的5阶下三角矩阵⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-0000001000001010001100001此矩阵的秩为4 其第2行和第3行是已知向量9求下列矩阵的秩并求一个最高阶非零子式(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛---443112112013;解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---443112112013(下一步r 1r 2 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛---443120131211(下一步r 23r 1 r 3r 1 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛----564056401211(下一步r 3r 2 )~⎪⎭⎫ ⎝⎛---000056401211 矩阵的2秩为41113-=-是一个最高阶非零子式(2)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------815073*********解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------815073*********(下一步 r 1r2r 22r 1 r 37r 1 )~⎪⎭⎫ ⎝⎛------15273321059117014431(下一步 r 33r 2 )~⎪⎭⎫ ⎝⎛----0000059117014431矩阵的秩是2 71223-=-是一个最高阶非零子式(3)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---02301085235703273812解 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---02301085235703273812(下一步r 12r 4 r 22r 4 r 33r 4 )~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------02301024205363071210(下一步 r 23r 1r 32r 1)~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-0230114000016000071210(下一步 r 216r 4r 316r 2)~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-02301000001000071210~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-00000100007121002301矩阵的秩为3 070023085570≠=-是一个最高阶非零子式10 设A 、B 都是m n 矩阵 证明A ~B 的充分必要条件是R (A )R (B ) 证明 根据定理3 必要性是成立的充分性 设R (A )R (B ) 则A 与B 的标准形是相同的 设A 与B 的标准形为D 则有A ~D D ~B由等价关系的传递性 有A ~B11设⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=32321321k k k A 问k 为何值 可使 (1)R (A )1(2)R (A )2(3)R (A )3解 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=32321321k k k A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-----)2)(1(0011011 ~k k k k k r(1)当k 1时 R (A )1 (2)当k 2且k1时 R (A )2 (3)当k 1且k2时R (A )312 求解下列齐次线性方程组:(1)⎪⎩⎪⎨⎧=+++=-++=-++02220202432143214321x x x x x x x x x x x x解 对系数矩阵A 进行初等行变换有A ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--212211121211~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---3/410013100101于是 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==-==4443424134334x x x x x x x x故方程组的解为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1343344321k x x x x (k 为任意常数) (2)⎪⎩⎪⎨⎧=-++=--+=-++05105036302432143214321x x x x x x x x x x x x解 对系数矩阵A 进行初等行变换有A ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----5110531631121~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-000001001021于是 ⎪⎩⎪⎨⎧===+-=4432242102x x x x x x x x故方程组的解为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛10010012214321k k x x x x (k 1 k 2为任意常数) (3)⎪⎩⎪⎨⎧=-+-=+-+=-++=+-+07420634072305324321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解 对系数矩阵A 进行初等行变换有A ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----7421631472135132~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1000010000100001于是 ⎪⎩⎪⎨⎧====00004321x x x x故方程组的解为⎪⎩⎪⎨⎧====0004321x x x x(4)⎪⎩⎪⎨⎧=++-=+-+=-+-=+-+03270161311402332075434321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解 对系数矩阵A 进行初等行变换有A ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----3127161311423327543~⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--000000001720171910171317301于是 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==-=-=4433432431172017191713173x x x x x x x xx x故方程组的解为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1017201713011719173214321k k x x x x (k 1 k 2为任意常数)13 求解下列非齐次线性方程组:(1)⎪⎩⎪⎨⎧=+=+-=-+83111021322421321321x x x x x x x x解 对增广矩阵B 进行初等行变换有B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--80311102132124~⎪⎭⎫ ⎝⎛----600034111008331于是R (A )2而R (B )3故方程组无解(2)⎪⎩⎪⎨⎧-=+-=-+-=+-=++69413283542432z y x z y x z y x z y x解 对增广矩阵B 进行初等行变换 有B ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----69141328354214132~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--0000000021101201于是 ⎪⎩⎪⎨⎧=+=--=zz z y z x 212即 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛021112k z y x (k 为任意常数)(3)⎪⎩⎪⎨⎧=--+=+-+=+-+12222412w z y x w z y x w z y x解 对增广矩阵B 进行初等行变换有B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----111122122411112~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-00000010002/102/12/11于是 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===++-=0212121w z z y y z y x即 ⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00021010210012121k k w z y x (k1k 2为任意常数)(4)⎪⎩⎪⎨⎧-=+-+=-+-=+-+2534432312w z y x w z y x w z y x解 对增广矩阵B 进行初等行变换 有B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----253414312311112~⎪⎭⎫ ⎝⎛----000007/57/97/5107/67/17/101于是 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==--=++=w w z z w z y w z x 757975767171即 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00757610797101757121k k w z y x (k 1 k 2为任意常数)14 写出一个以⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1042013221c c x为通解的齐次线性方程组解 根据已知可得⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛10420132214321c c x x x x 与此等价地可以写成⎪⎩⎪⎨⎧==+-=-=2413212211432c x c x c c x c c x或 ⎩⎨⎧+-=-=432431432x x x x x x或 ⎩⎨⎧=-+=+-04302432431x x x x x x这就是一个满足题目要求的齐次线性方程组15取何值时非齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++23213213211λλλλλx x x x x x x x x(1)有唯一解(2)无解(3)有无穷多个解解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=21111111λλλλλB⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+----22)1)(1()2)(1(00)1(11011 ~λλλλλλλλλλr(1)要使方程组有唯一解 必须R (A )3 因此当1且2时方程组有唯一解. (2)要使方程组无解 必须R (A )R (B ) 故 (1)(2)0 (1)(1)2因此2时方程组无解(3)要使方程组有有无穷多个解必须R (A )R (B )3 故 (1)(2)0(1)(1)2因此当1时 方程组有无穷多个解.16 非齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-+=+--=++-23213213212222λλx x x x x x x x x当取何值时有解并求出它的解解⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=22111212112λλB ~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-----)2)(1(000)1(32110121λλλλ要使方程组有解 必须(1)(2)0 即12当1时⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=121111212112B ~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--000001101101方程组解为⎩⎨⎧=+=32311x x x x 或⎪⎩⎪⎨⎧==+=3332311x x x x x x 即 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛001111321k x x x (k 为任意常数)当2时⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----=421121212112B ~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--000021102101方程组解为⎩⎨⎧+=+=223231x x x x 或⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=33323122x x x x x x即 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛022111321k x x x (k 为任意常数)17 设⎪⎩⎪⎨⎧--=-+--=--+=-+-1)5(4224)5(2122)2(321321321λλλλx x x x x x x x x问为何值时 此方程组有唯一解、无解或有无穷多解 并在有无穷多解时求解解 B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---------154224521222λλλλ~⎪⎪⎭⎫⎝⎛---------)4)(1()10)(1(0011102452λλλλλλλλ要使方程组有唯一解 必须R (A )R (B )3 即必须(1)(10)所以当1且10时 方程组有唯一解.要使方程组无解 必须R (A )R (B ) 即必须(1)(10)0且(1)(4)0所以当10时方程组无解.要使方程组有无穷多解必须R (A )R (B )3 即必须(1)(10)0且(1)(4)0所以当1时 方程组有无穷多解此时，增广矩阵为B ~⎪⎪⎭⎫⎝⎛-000000001221方程组的解为⎪⎩⎪⎨⎧==++-=3322321 1x x x x x x x或 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00110201221321k k x x x (k 1 k 2为任意常数)18 证明R (A )1的充分必要条件是存在非零列向量a 及非零行向量b T使Aab T证明 必要性由R (A )1知A 的标准形为)0 , ,0 ,1(001000000001⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅即存在可逆矩阵P 和Q使)0 , ,0 ,1(001⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=PAQ 或11)0 , ,0 ,1(001--⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=Q P A令⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=-0011P a b T (1 00)Q1则a 是非零列向量 b T是非零行向量 且A ab T充分性因为a 与b T 是都是非零向量所以A 是非零矩阵从而R (A )1 因为 1R (A )R (ab T )min{R (a ) R (b T )}min{1 1}1 所以R (A )119 设A 为m n 矩阵 证明 (1)方程AX E m 有解的充分必要条件是R (A )m证明 由定理7 方程AXE m 有解的充分必要条件是R (A )R (A E m )而| E m |是矩阵(A E m )的最高阶非零子式故R (A )R (A E m )m 因此方程AX E m 有解的充分必要条件是R (A )m(2)方程YA E n 有解的充分必要条件是R (A )n证明 注意 方程YAE n 有解的充分必要条件是A T Y T E n 有解 由(1)A T Y T E n 有解的充分必要条件是R (A T )n 因此，方程YA E n 有解的充分必要条件是R (A )R (A T )n20 设A 为m n 矩阵 证明 若AX AY 且R (A )n 则X Y 证明 由AXAY 得A (X Y )O 因为R (A )n 由定理9 方程A (X Y )O 只有零解 即X Y O 也就是X Y第四章 向量组的线性相关性 1 设v 1(1 1 0)T v 2(0 11)T v 3(3 40)T 求v 1v 2及3v 12v 2v 3解 v 1v 2(1 1 0)T (0 1 1)T(10 11 01)T(10 1)T3v 12v 2v 33(11 0)T 2(0 1 1)T (3 4 0)T (31203 3121430210)T(012)T2 设3(a 1a )2(a 2a )5(a 3a ) 求a 其中a 1(2 5 13)Ta 2(10 1 5 10)T a 3(4 1 1 1)T 解 由3(a 1a )2(a 2a )5(a 3a )整理得)523(61321a a a a -+=])1 ,1 ,1 ,4(5)10 ,5 ,1 ,10(2)3 ,1 ,5 ,2(3[61T T T --+= (12 3 4)T 3 已知向量组A a 1(012 3)Ta 2(312)Ta 3(2 3 01)TBb 1(2112)Tb 2(0 211)T b 3(4 413)T证明B 组能由A 组线性表示 但A 组不能由B 组线性表示证明 由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=312123111012421301402230) ,(B A ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------971820751610402230421301~r ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------531400251552000751610421301 ~r ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----000000531400751610421301~r 知R (A )R (A B )3所以B 组能由A 组线性表示由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=000000110201110110220201312111421402~~r r B 知R (B )2 因为R (B )R (B A ) 所以A 组不能由B 组线性表示4已知向量组A a 1(0 1 1)Ta 2(11 0)TBb 1(1 0 1)Tb 2(1 21)Tb 3(3 2 1)T证明A 组与B 组等价证明 由⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=000001122010311112201122010311011111122010311) ,(~~r r A B 知R (B )R (BA )2 显然在A 中有二阶非零子式故R (A )2 又R (A )R (B A )2 所以R (A )2 从而R (A )R (B )R (A B ) 因此A 组与B 组等价 5已知R (a 1a 2a 3)2 R (a 2 a3 a 4)3 证明(1) a 1能由a 2a 3线性表示(2) a 4不能由a 1 a 2 a 3线性表示证明 (1)由R (a 2a 3a 4)3知a 2 a 3a 4线性无关故a 2 a 3也线性无关 又由R (a 1 a 2 a 3)2知a 1 a 2 a 3线性相关 故a 1能由a 2 a 3线性表示(2)假如a 4能由a 1 a 2 a 3线性表示 则因为a 1能由a 2a 3线性表示故a 4能由a 2 a 3线性表示 从而a 2 a 3 a 4线性相关 矛盾 因此a 4不能由a 1 a 2 a 3线性表示6判定下列向量组是线性相关还是线性无关(1) (1 3 1)T (2 1 0)T (1 4 1)T (2) (230)T(140)T(02)T解 (1)以所给向量为列向量的矩阵记为A 因为⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=000110121220770121101413121~~r r A所以R (A )2小于向量的个数从而所给向量组线性相关(2)以所给向量为列向量的矩阵记为B因为22200043012||≠=-=B所以R (B )3等于向量的个数从而所给向量组线性相无关7问a 取什么值时下列向量组线性相关a 1(a1 1)Ta 2(1a1)T a 3(1 1 a )T解 以所给向量为列向量的矩阵记为A由)1)(1(111111||+-=--=a a a aa a A知当a1、0、1时R (A )3此时向量组线性相关8设a 1 a 2线性无关 a 1b a 2b 线性相关 求向量b 用a 1 a 2线性表示的表示式解 因为a 1b a 2b 线性相关 故存在不全为零的数12使1(a 1b )2(a 2b )0由此得 2211121122121211)1(a a a a b λλλλλλλλλλλλ+--+-=+-+-=设211λλλ+-=c 则b c a 1(1c )a 2 c R9设a 1a 2线性相关b 1 b 2也线性相关 问a 1b 1 a 2b 2是否一定线性相关试举例说明之解 不一定 例如 当a 1(12)T , a 2(24)T , b 1(11)T , b 2(0 0)T时 有 a 1b 1(1 2)T b 1(0 1)T , a 2b 2(2 4)T (0 0)T (24)T而a 1b 1 a 2b 2的对应分量不成比例 是线性无关的10 举例说明下列各命题是错误的(1)若向量组a 1a 2 a m 是线性相关的则a 1可由a 2a m 线性表示解 设a 1e 1(1 0 0 0)a 2a 3 a m 0 则a 1 a 2a m 线性相关但a 1不能由a 2a m 线性表示(2)若有不全为0的数12m使1a 1 m a m1b 1m b m0 成立 则a 1 a 2a m 线性相关,b 1b 2b m 亦线性相关解 有不全为零的数12m使1a 1m a m1b 1m b m原式可化为1(a 1b 1)m(a mb m )0取a1e1b1a2e2b2a m e m b m其中e1e2 em为单位坐标向量则上式成立而a1a2a m 和b1b2b m均线性无关(3)若只有当12m全为0时等式1a1mam1b1mbm才能成立则a1a2a m线性无关, b1b2b m 亦线性无关解由于只有当12m全为0时等式由1a1mam1b1mbm成立所以只有当12m全为0时等式1(a1b1)2(a2b2)m(a m b m)0成立因此a1b1a2b2a m b m线性无关取a1a2a m0取b1b m为线性无关组则它们满足以上条件但a1a2a m线性相关(4)若a1a2a m线性相关, b1b2b m亦线性相关则有不全为0的数12m使1a1mam1b1mbm同时成立解a1(1 0)T a2(2 0)T b1(0 3)T b2(0 4)T1a12a21221b12b21(3/4)2120与题设矛盾11设b1a1a2b2a2a3 b3a3a4 b4a4a1证明向量组b1b2b3b4线性相关证明由已知条件得a1b1a2a2b2a3a3b3a4a4b4a1于是a1 b1b2a3b1b2b3a4b 1b 2b 3b 4a 1 从而 b 1b 2b 3b 40这说明向量组b 1b 2 b 3b 4线性相关12 设b 1a 1 b 2a 1a 2 b ra 1a 2 a r且向量组a 1a 2a r 线性无关证明向量组b 1b 2b r 线性无关证明 已知的r 个等式可以写成⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅100110111) , , ,() , , ,(2121r r a a a b b b上式记为B AK 因为|K |10 K 可逆 所以R (B )R (A )r 从而向量组b 1 b 2b r 线性无关13 求下列向量组的秩, 并求一个最大无关组 (1)a 1(1 214)Ta 2(9 100 10 4)Ta 3(2 42 8)T解 由⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=000000010291032001900820291844210141002291) , ,(~~321r r a a a知R (a 1 a 2 a 3)2 因为向量a 1与a 2的分量不成比例 故a 1 a 2线性无关 所以a 1a 2是一个最大无关组 (2)a 1T (1 213)a 2T(4 156)a 3T (1 347)解 由⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=00000059014110180590590141763451312141) , ,(~~321r r a a a知R (a 1T a 2T a 3T )R (a 1 a 2 a 3)2 因为向量a 1T 与a 2T 的分量不成比例故a 1T a 2T 线性无关所以a 1Ta 2T 是一个最大无关组14 利用初等行变换求下列矩阵的列向量组的一个最大无关组(1)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛4820322513454947513253947543173125解 因为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛482032251345494751325394754317312513121433~r r r r r r ---⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛531053103210431731253423~rr r r --⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00003100321043173125所以第1、2、3列构成一个最大无关组.(2)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---14011313021512012211解 因为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---1401131302151201221113142~rr r r --⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------222001512015120122112343~rr r r +↔⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---00000222001512012211所以第1、2、3列构成一个最大无关组15 设向量组(a31)T(2b3)T(1 2 1)T (2 3 1)T的秩为2 求a b 解 设a 1(a3 1)Ta 2(2b3)Ta 3(1 2 1)T a 4(231)T 因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=52001110311161101110311131********) , , ,(~~2143b a a b a b a r r a a a a而R (a 1 a 2a 3 a 4)2 所以a 2b 516 设a 1 a 2a n 是一组n 维向量已知n 维单位坐标向量e 1e 2e n 能由它们线性表示证明a 1a 2a n线性无关 证法一 记A(a 1 a 2a n )E(e 1e 2e n )由已知条件知 存在矩阵K 使E AK两边取行列式 得|E ||A ||K |可见|A |0 所以R (A )n 从而a 1 a 2a n 线性无关 证法二 因为e 1e 2 e n 能由a 1a 2a n 线性表示所以R (e 1 e 2e n )R (a 1 a 2a n ) 而R (e 1 e 2e n )n R (a 1 a 2a n )n所以R (a 1 a 2 a n )n 从而a 1 a 2a n 线性无关17 设a 1a 2 a n 是一组n 维向量, 证明它们线性无关的充分必要条件是 任一n 维向量都可由它们线性表示 证明 必要性 设a 为任一n 维向量因为a 1a 2a n 线性无关 而a 1 a 2a na 是n1个n 维向量是线性相关的所以a 能由a 1a 2a n 线性表示 且表示式是唯一的充分性已知任一n维向量都可由a1a2a n线性表示故单位坐标向量组e1e2e n能由a1a2a n线性表示于是有n R(e1e2en)R(a1a2a n)n即R(a1a2a n)n所以a1a2a n线性无关18设向量组a1a2a m线性相关且a10证明存在某个向量a k (2k m)使a k能由a1a2a k1线性表示证明因为a1a2a m线性相关所以存在不全为零的数12m使1a12a2mam而且23m不全为零这是因为如若不然则1a10由a10知10矛盾因此存在k(2k m)使k0k1k2m于是1a12a2kaka k (1/k)(1a12a2k1ak1)即a k能由a1a2a k1线性表示19设向量组B b1b r能由向量组A a1a s 线性表示为(b1b r)(a1a s)K其中K为s r矩阵且A 组线性无关证明B组线性无关的充分必要条件是矩阵K的秩R(K)r 证明令B(b1b r)A(a1a s)则有B AK必要性设向量组B线性无关由向量组B线性无关及矩阵秩的性质有r R(B)R(AK)min{R(A)R(K)}R(K)及 R (K )min{r s }r因此R (K )r充分性 因为R (K )r 所以存在可逆矩阵C 使⎪⎭⎫⎝⎛=O E KC r 为K 的标准形于是(b 1b r )C ( a 1 a s )KC (a 1a r ) 因为C 可逆 所以R (b 1b r )R (a 1 a r )r从而b 1b r 线性无关20 设⎪⎩⎪⎨⎧+⋅⋅⋅+++=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅++=+⋅⋅⋅++=-1321312321n n nn ααααβαααβαααβ 证明向量组12n与向量组12n等价证明 将已知关系写成⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅0111101111011110) , , ,() , , ,(2121n n αααβββ将上式记为BAK 因为0)1()1(0111101111011110||1≠--=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=-n K n所以K 可逆 故有A BK1由B AK 和A BK 1可知向量组12n与向量组12n可相互线性表示 因此向量。
《线性代数》同济大学第四版课后答案
《线性代数》同济⼤学第四版课后答案线性代数同济⼤学第四版课后答案习题⼀习题⼀1-5 SslO(3)1 1 1 ab c a2 b2 c2^c^+cc^+ab^-ac^-bc^-cb2 -(a-b)(b-c)(c-a).(4)X v X+ V解v x+ V X■:v+v * V⼆MvH") i+i:论+i ')+(.r+v) VX-1'34-C T+I)3-.T32解逆序数为4: 4h 43, 42. 32，3解逆序数为5: 3 2.3 L 42. 4 1,2 L4L利⽤对⾓线法则计算下列三阶⾏列式:2 0 1-18 3(1) 1(1)1+■XVX1cV-+VT1⽅沪=3.n (.Y+>)-i^3- 3.T2=-2(.?+V^⼯按⾃然数从⼩到⼤为标准次序.求下列各排列的逆序数：(1)1 23 4(2)4 13 2(3)34 2 1(4)24 1 3(5)1 3 …(2沪1) 2 4 …O);(6)1 3 ?… (⼒—1) (2?z) (2n-2)…* ⼯（1）解逆序数为0解逆序数为3: 2 1.4 1.4 3-(5)解逆序数为观驴：32(1 个)5 2,5 4(2 个)7 2, 7 4. 7 6(3 个)(”1)2, 011)4, (”1)6,…为(”1)(”2) (n-1 个)(6)解逆序数为乃(『Li):32(1 个)5 2,5 4(2 ^t) (2n-1)2, (2n-l)4, (”1)6,…、(2/L1)(2/L2)(n-l个)42(1 个)6 2,6 4(2 个)(5)2, (2M)4, (2n)6,…,(2n)(2n-2) (n-1个)3.写出四阶⾏列式中含有因⼦GU723的项.解含因⼦①畑的项的⼀般形式为(-])%的冰X町其中帀是2和4构成的排列,这种排列共有两个,即24和42.所以含因⼦a^a23的项分别是(-1 )衍1似23他刃44⼆(⼀1 )^11^32^44=-^!凶曲的轴(⼀1 )%1攸曲琢也⼫(T )%1⼝滋34偽⼫&1也刃曲42?4. 计算下列各⾏列式:4 12 4(iho 5 2 0; 0 1172 14 1 (2) ? ￥ ? i ；⼀ ab ac ae(3) bd ⼀ cd de cf -ef *94 -1 109 9 10— 1 2 -20 0 —2 =0-[0 3 14 勺+扭3 P 17 143+ 4O 42021Ci0 00 —1 0 0 -i1 c o -1 d-1230411100上q42 07 202112 5 141100解\170200-1-2102 02 4 9-36172023 15119-9-O--00-0 0 4 23 011-12 0「-310—12 3 O 4 1210■1-12 O解\1-ab ac ae-bee 解bd -cd de =acif b -c eif 灯-叮b c -ehl 1 1 / =adfbce 1-11 = Aabcdef |1 1 -1 (4)l+c/b a 00+此2〔1+甸 a0)(—严才打⼀冷55.证明:cP ab b 1(1) 2a c/+b 2b 1 1 1=(?-/>)3, 证明a obb \c 2-c A ⼔2 ab —R ⼣—⼚F2r/ a+b 勿 2z? b-a 2b-2a 1 1 1 | GT 11 0 0 cix+bv av+bz ciz+bx v v zc/y+bz az+bx ax+by-(q 3+b 3)y ⼆ x az+bx ay+bv av+bz z A VA --!A-oo 1<7 o1 c - 1Ty ⼀o d -l oo0 1+ab cioo 1〃15 B-loTooad \+cd 0n 计呼豐严⽫cdTLab-ci 1 b-a l^-a 2 2b-2a⼆@-a)(b-氓件 J(⼚Tp证明ax+bv av+bz az+bx civ+bz az+bx cix+bv■6C +bx ay+by ay+ bzx ciy+bz ciz+bx y ciy+bz az+bx=a v1az+bx ca+bv / ■<+b z az+bx ca+bv⼆ax+by ay+bz x ax+by ay+bz .x ay+bz z v⼆ciz+bx y az+bx x■JV g+by⼆crx+bv v V v av+ bzilr-'x y z y z x=a3y⼆x+b3⼆Y yz x y\x v zX V⼆,v V z-d y ⼆Y +⼣V S Xar ⼆X V ■■<⼆H ⼆x\z x va2(“+1)2 (c+2)2 (n+3￥⑶b2 (〃+l『0+2)2(b+3Y=0；c2 (c+1)2 (c+2)3 (c+3)2 d2 (H+l￥ (d+2)2 (〃+3⼙—1—iu CM⼨*-+scP-￡cl J1+冷￡r +Krl E + w S +U ;+-+gI+吕C(E+P)令+⼷)N+m"(E ) c (cl+9) 泾⼗ q)+0 N+q)(R ￡1bz)2i47/2(5)10 0 b(b-ci)0 b 2(b 2-a 2) c 2(c 1 d-a d(d - a) )d 2(d 2-a 2) 1 1 =(b - a)(c - a)(d-a) b _ c b-a1 c-a c(c ⼀ a)2-a 7-(b ⼀ ci)(c ⼀ ci)(ci ⼀ ct)5b 2(b^ra)c 2(c-\-ci)d 2{d-Va\ R 1 1 6 c-b d-b 0 c(c-b)(c+b^d) d(d-b)(d+b+a)-(b - a)(c ⼀ c)(" - a)(c — Z?)(rf- b)1 1 咚+b+a) d(d+b+ci)oo ⼆X“~h(7 [T 丫+ * … ⼗亿科证明⽤数学归纳法证明.当⼼2时"2⼆诊⼗g+%命题成⽴?假设对于（7L1）阶⾏列式命题成⽴.即⼑刑_1=* ?+⼗岛_2⼯+馮_”则及按第⼀列展开更有—1 0 ■…0 2-1 OO2⼆也门乜（-1严上卫⼆1 1 …⼆xQ 起⼀1+。
高等代数-第4章习题及解答
第四章 多项式4.1习题,()(),..(-)-(-)()()-(-)()--(-)(-)Z a c ad bc q Z s t ad bc q a c a c b d ab cd ad bc a c b d ab cd a c q a c b d q ab cd ∈-+∴∃∈+==++=++=+1. 设a,b,c,d 已知(a-c)(ad+bc),求证(a-c)(ab+cd)证明：又由 （） 得 （）（） 即 ,,-()()b d q Zb d q Z ac ab cd ∈∴+∈-+即有 121212,65(-3)13,65(-2)5,65-,65(-3)13(-2)571865-(6528)65(-65)-2828m m m m r c c m c m c c c m m r ⨯⨯∃⨯+⨯==-+∴=2. 一个整数被5除余3，被13除余2，求它被65除的余数解：设所求数为由题知 即 有 令 ，， 则有 故有 1723582957,581-143,-143202,0231414a b a b a b a b b a b a b a ==-=-==-=-=-=-=+=⋅+=⋅+3. 对于下列的整数，分别求出以除所得的商和余数： （1）, （2）, （3）, （4）解：）由带余除法，可表示为 故商为，余数为；）同理得 故商为，余数为； ）由 知商为，余数为； 49595b a =+ ）由 知商为，余数为。
.()001a b a b b aq q Z b q b a q q a b≠≤=∈≠∴≠∴=≥∴≤4. 证明：若a b,b 0,则证明：由 可得 又 又1,) 1.b ∈=1 1 1115. 设a,b 是不全为零的整数，且a=da ,b=db ,d,a ,b Z.证明d 是a 与b 的一个最大公因数的充分必要条件是(a1111111111[] 4.1.3,,..01(,)1[](,)1''1''1,''u v Z s t ua vb d uda vdb d d ua vb a b a b u a v b a bu v u a v b d d d⇒∃∈+=+=≠∴+=∴=⇐=+=+=+=证明：根据定理得 即 又故有 即 则有 综上所述，结论得证6.(,)1,(,) 1.,(1),,..()()(1),,1,1a b a b ab a b ab d d Z d u v Z s t u a b vab d ua u va b d u v a Z u va Za b =+=+=∈≠∴∃∈++=∴++=∈∴+∈= 证明：若则 证明：反证 假设（） 且 故 （）与 （） 矛盾 ,17.1..,()(),,.a b ab a b p ab p a p b p p mn a b k k Z p abp b b k p a p b p k m b m k m k n b n k n k p ∴+===+∈∴+ （） 设是一个大于的整数且具有以下性质：对于任意整数，，若，则或 证明是一个素数 证明：令 又当 不整除，有，不整除 又有，不整除或； 不整除或 若为合数，那,m k n k p p k p b p 么由可知必为素数，否则 同理可证当不整除时，也必为素数4.2习题224324321.,,(21)(1)251\2(2)(21)()12521-2,1,31k h m x hx x kx x x mx x x k h x hk x h k x h k hk m k h m h k +--+=++--=--+--++--=⎧⎪--====⎨⎪+=-⎩求使 解：对于左边 即有 解之得432322.()242,()25 4.()(),()(),()().f x x x x xg x x x x f x g x f x g x f x g x =+---=--++- 设 计算432443270765432()()4292()()6()0254()()()23913131868kki k i k i f x g x x x x x f x g x x x g x x x x x f x g x a b x x x x x x x x -==+=+--+-=+-=⋅+--+∴==+--++--∑∑解：由题得 令323122223.()59-73,()(53),()().-15-50[()()]3691()()04.()0().()0()()()f x x x xg x x x f x g x f x g x x f x g x s f x f x f x f x f x f x ︒=-++=++⨯=±∂===≠≠=⋅∴ 设求乘积 的次数及其系数和解：根据 得 令 则有 的系数和 证明：当时，是偶次多项式证明：又有 根据定理2 4.2.12()()()()(),()()2f x f x f x f x f x n n N f x n ︒︒︒︒︒∂⋅=∂+∂∂=∈∴∂=的（）知 （）（）（） 再令 （） 结论得证2225.(),(),()..()()(),()()()0.(),(),()1221222132212f x g x h x f x xg x xh x f x g x h x g x g f x f h x hg h f g g h f h g h f g f ︒︒︒︒︒︒=+===∂=∂=∂=>=+<=+==+= 设是实数域上的多项式证明如下 若是 则 证明：令 （） （） （） 当 时，有 当 时，有 当 时，有 或 2222214()(),(),()(),(),()()()()06.(),(),()()0(),()1()0(),()h f x f x g x h x f x g x h x f x g x h x f x g x h x f x g x i h x f x xg x x xh x x +========-= 又由题可知 是偶次多项式，又由于是实数域上的多项式 故 的次数不存在 即 求一组满足上题结论的不全为零的复系数多项式解：令 ， 即 ， 222()()0()()0(),()1xg x xh x f x f x g x i h x ∴+===== 满足条件即 ，4.3 习题3221.()321,()321,()()()().f x x x xg x x x g x f x q x r x =-+-=-+设求用除所得的商式和余数232322217393213212133751337147399299172(),()3999()()()()x x x x x x x x x x x x x x x q x x r x f x g x q x r x --+-+--+-+--+--=-=-=+解： 故 即[]2432322412*********.,,(1)()?012,1(1)()3.()(()()),()(()()),:()(()()()()),(),()m p q x mx x px q p m m m r q m p m m q m x mx x px q g x f x f x g x f x f x g x u x f x u x f x u x u x F x ++++⎧+=-=⎨=-⎩=-=-+++++-+在适合什么条件时，解：由题知当余式时有 即当 时 有 设证明其中为中任意两个12121212121211()(()()),()(()())()(()()()())()(()()()())()(),()()3()()(i g x f x f x g x f x f x g x f x f x f x f x g x f x f x f x f x g x f x g x f x u x F x i +-∴++-+-+∃∀∈=多项式 证明：即 根据多项式整除性质）可知 1122112221,2)..()()(),()()()2()()(1,2)..()(()()()())4.(1)(),(1)(),(1)().11(1)(),(1)(i o s t g x u x f x g x u x f x u x F x i s t g x u x f x u x f x x f x x f x x f x x x f x x f ∃∀∈=+-+-≠±-+ 再根据性质）得 若则证明：1212)(),()[]()()(1)(1)()()(1)(2)x u x u x F x f x u x x f x u x x ∴∃∈=+⎧⎨=-⎩221()()(1)(-1)-(2)(1)()(-1)()2u x u x x x f x x -⨯⨯+= 得212()()()[]2(-1)()21-1()0o u x u x u x F x x f x x x f x -∃=∈=== 故 即 或时，可得出 同样结论成立1212121221212125.(1)()(()()),()()()()(2)()()(),()()()()1(),()1,()1()(()())()()()g x f x f x g x f x g x f x g x f x f x g x f x g x f x g x x f x x f x x g x f x f x g x f x f x +==+=-+ 若则且对吗？ 若则或对吗？解：（）不对 如 ：令 可见 而 不整除 和 （21212122()-1,()1,()1()()()()()()g x x f x x f x x g x f x f x g x f x f x ==+=-）不对如 ：令 可见 而 不整除 和(1)(2)6.(1)(1),.,1()1(1)(1),(1)(1).(1)(1)(0),1(1)1,(1)(1)(1)(d n n d q d q d q d d n d n n qd r d q r r d n d x x d n d n d n n qd x x x x x x x x x n qd r r d x x x x x x x x --+--⇐=-=-=-+++--⇒--=+≤<-==-+---- 证明：的充分必要条件是（这里是正整数）证明 设 ，即 则 即 设，令则且212121)(1)(1)0,0.7.()110220()32.(),()[]..(1)()10()(1)(2)()2d q d r x x x r d r d n f x x x f x x x u x u x F x s t x u x f x x u x -∴--≤<=++++∃∈++=++ ,又 故 ，即 设被除的余式为，被除的余式为， 求被 除的余式解：设 ， 23120()(2)()[]..()32(3)(1)(2)-(2)(1)()32--10(1)434-10(1)f x u x F x s t f x x x u r x x f x x x u u x r x =∃∈=+++⨯+⨯+=+++=+ 又 ， （） 有 （）（） （） 由（），（）可得习题4.4432424322432312(1)43243221(-1)1.1)()242,()322;2)()441,() 1.()24221)()()2222f x x x x x g x x x x x f x x x x x g x x x f x x x x x x x A x g x x x x x x x x x +-+=+---=+---=--++=--⎛⎫⎛⎫+----⎛⎫==−−−→ ⎪ ⎪ ⎪+---+---⎝⎭⎝⎭⎝⎭−计算以下各式多项式的最大公因式：解：由 11333221()1()21()42222222200x x xx x x x x x x x x x -++-⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫----−−→−−−→−−−→−−−→ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪---⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭224324312(4)222212(-)2(1)12()221(1)()2()44132)()()112333212x x d x x f x x x x x x x A x g x x x x x x x x x x x x +++-++∴=-⎛⎫⎛⎫--++--⎛⎫==−−−→ ⎪ ⎪ ⎪----⎝⎭⎝⎭⎝⎭-⎛⎫⎛⎫--⎛⎫−−−−→−−−→−−−→ ⎪ ⎪ ⎪-+---+⎝⎭⎝⎭⎝⎭−−−→ 由 2311110()1x x x d x -⎛⎫⎛⎫⎛⎫→→ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭∴=2.(),()(),,0,(()(),()())((),()).((),())()()(),()()()()()),()()())(),()(f x g x F x a b c d F ad bc af x bg x cf x dg x f x g x f x g x d x d x f x d x g x d x af x bg x d x cf x dg x h x h x af ∈∈-≠++==∴++∃∀另而，，，并且证明证明：令 即有 （ （ 又设 （)()),()()())-0()()())-()())---()()())()())--()(),()(),()x bg x h x cf x dg x ad bc d bf x af x bg x cf x dg x ad bc ad bc c ag x af x bg x cf x dg x ad bc ad bch x f x h x g x h x d ++≠∴=++=+++∴ （有 （（ （（ 从而有 ()()()()())()(()(),()())((),())x af x bg x cf x dg x d x af x bg x cf x dg x f x g x ++=++= 即 （， 即 :3.()0,()((),())(()()(),()).()0(),..()()()()()()-()()1((),())(()())((),())(()()(g x h x f x g x f x h x g x g x g x h x s t f x g x h x r x r x f x g x h x f x g x g x r x f x g x f x h x g x ≠=-≠∃=+===-设为任意多项式，证明： 证明： 故 即 由引理可知 ， 即 ),())g x1122121212124.1)(,)2)(,)(,)(,,,),,,().1(,),,,,(,),[],..f g hf gh f g f g f f f g g f g g f g h F x f g d d f d g dh fh dh gh dh hf hg f g d u v F x s t uf vg d ===∃∈+=∴证明：是与的最大公因式；此处都是的多项式证明：）设 即 从而有 即 是与的公因式又由 得 112211211212211211221214.4.42)(,),(,),(,[]),;,,,,(,),(,),,,ufh vgh dhdh fh gh f g m f g n m n F x m f m g m f m g mn f f mn f g mn f g mn g g f g m f g n k k l +===∈==∃ 由定理知 是与的最大公因式 设 即 从而有 又由 知 211112222121211221221121212122112112212122112[],..,(,,,)(,)(,)(,,,)l F x s t k f l g m k f l g nk k f f k f l g l k f g l l g g mn mn f f f g f g g g f g f g f f f g f g g g ∈+=+=+++=== 即有 由此可知 从而有4323243232324323235.(),()()()()()((),()):1)()343,()310232)()421659,()25453431033113333102301310u x v x u x f x v x g x f x g x f x x x x x g x x x x f x x x x x g x x x x x x x x x x x x x x x x +==+---=++-=--++=--+⎛⎫+--------→ ⎪++-⎝⎭+2求使解：）（A(x),I ）=222322222232230159935993913310230156553296331393555591393132563555555x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x ⎛⎫⎪⎪ ⎪+-⎝⎭⎛⎫----⎛⎫---- ⎪→→ ⎪- ⎪++---- ⎪⎝⎭⎝⎭⎛-+⎛⎫-+------ ⎪ ⎪→→--+ ⎪------+- ⎪⎝⎭⎝33-x -x 22243232323231550**321,()55122342165910332540125401x x x x x x x v x x x x x x x x x x x x x x ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎭⎛⎫-+- ⎪→ ⎪ ⎪⎝⎭-∴-=⎛⎫⎛⎫--+---++ ⎪→ ⎪ ⎪--+ ⎪⎝⎭--+⎝⎭2 u(x)= 2)（A(x),I ）=22222222121223231333332222412(2)1333312231330**1223(),()33x xx x x x x x x x xx x x x x x x x x x x u x v x ⎛⎫-++⎛⎫--+--- ⎪⎪ ⎪⎪→→ ⎪ ⎪--++--+-+- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫--+- ⎪→ ⎪ ⎪⎝⎭--+∴==4322432436.()1,()(1),,,()().(),()2,()()()()(,,)()(2)(2)(2)1of x Ax Bxg x x A B f x g x f x g x g x f x g x ax bx c a b c F f x ax b a x c b a x b c x c Ax Bx a A =++=-∂==++∈∴=+-+-++-+=++=设试决定使与 的最大公因式为二次多项式解：由于（） 即 为最大公因式故不妨设 即有 -23,2,13,-4202013,-4b a B a bc A B c b a b c c A B ⎧⎪=⎪⎪=====-+=⎨⎪-=⎪=⎪⎩∴== 解得 即7.(),()((),())()()()(),((),())1((),())()()()()*()()()()()()()()()()*(),()[].f x g x f x g x u x f x v x g x u x v x f x g x u x f x v x g x u x f x v x g x f x u x f x v x g x g x m x n x F x s =+==+++∃∈设 不全为零，且证明：证明：（）有 ， 再由 （） .()()[()()()()]()()[()()()()]1-()()()()()()11-()())()()()()221()t f x m x u x f x v x g x g x n x u x f x v x g x m x u x f x m x v x g x n x v x g x n x u x f x f x =+=+== 即（） （） （ （） 将（）代入（），消去得1-()()1-()()()()()()()()(),(),()01-()()()()()()()()()()()()1()()()()4.4.5((),())1m x u x n x v x g x m x v x g x n x u x f x g x g x n x v x m x u x m x n x u x v x m x n x u x v x m x n x u x v x u x v x =≠∴-+=∴==（）（）不全为零 即令 由定理 得8.((),()) 1.((),()) 1.,,((),()) 1.1()()()[]()()()()()()((),())1n m n o n n n f x g x n f x g x m n f x g x g x g x k x F x g x k x g x g x g x k x f x g x ===∃∈=∴==设令是任意正整数，证明：由此进一步证明： 对于任意正整数都有证明： 易见 , 即 s.t. (1)又 ()()1()()1()((),())1()(),()[]()()()()()()nn m m m f x g x f x g x k x f x g x x f x l x F x f x l x f x f x f x l x ∴∃∈+=+==∃∈=∴=o u(x),v(x)F[x] s.t. u(x)v(x) (2)v(x) 将（1）代入（2）得 u(x) 由定理4.4.5 知 2易见 f 即 s.t. ((),())1'''()()'()()11'()()'()()1()((),())1n n mn m n f x g x u x f x v x g x u x f x v x g x l x f x g x =∴∃∈+=+== (3)又u (x),v (x)F[x] s.t. (4) 将（3）代入（4）得 由定理4.4.5知 [][]1111119.((),()) 1.((),()())((),()())(()(),()()) 1.((),()())()()(),()()()()[()()]()()()]f x g x f x f x g x g x f x g x f x g x f x g x f x f x g x d x d x F x u x v x F x u x f x v x f x g x d x u x v x =+=+=+=+=∈∴∃∈++=+设 证明： 证明：令 ()s.t. 即 [1()()()()((),())1()1((),()())1((),()())1(()(),()())1f x v xg x d x f x g x d x f x f x g x g x f x g x f x g x f x g x +===+=+=+=故 即 同理可证得 再根据互素性质可知10.()0,()0,:1(),()()()()(),((),())12(),()(),()()()()(),((),())11((),())()1,()()f x g x h x f x g x h x f x h x f x g x h x f x h x g x h x f x g x h x f x g x f x g x d x f x d x m ≠≠===≠=设证明 ）若对于任意多项式由可得到则必有 ）若对于任意多项式由可得到则必有 证明：） 假设 则有(),()()()()()()()()()()()()()()x g x d x n x m x f x f x g x h x h x f x g x m x f x m x ︒︒=∂<∂∴ 其中 （） （）又 （为任意多项式）即有()()((),())12((),())()1()()()()()()()()(),()()()()()()()1((f x m x f x g x f x g x d x f x d x m x h x m x g x f x g x m x g x g x m x f x g x g x m x f x ==≠==∴ 但 不整除，从而矛盾， 故 ）假设 ，且 令 即有 （） 又),())()()()()()()()1((),())1g x d x f x m x f x g x g x m x f x g x ︒︒︒︒=∴∂>∂∂>∂∴= （） （）故 （） （） 与（）矛盾1212111212112211.(),(),,()().1)((),(),,())(((),,()),((),,())),112(),(),,()(),(),,()()()()()()()n n k k n n n n f x f x f x F x f x f x f x f x f x f x f x k n f x f x f x u x u x u x F x u x f x u x f x u x +∈=≤≤-∈+++设证明： ）互素的充分且必要条件是存在多项式 ，使得1211121()11((),(),,())(),((),,()(),((),,()()()(),1,2,,()(),1,2,,;()(),1,2,,()(),n n k k n i s t f x f x f x f x d x f x f x d x f x f x d x d x f x i nd x f x s k d x f x t k k nd x d x +=====∴==++∴证明：）设21212()()()(),1,2()(),1,2,,;()(),1,2,,()(),1,2,,()(),2((),(),,())1i s t i n d x d x c x d x i d x f x s k d x f x t k k nc x f x i nc xd x f x f x f x ===++∴=∴= 设结论得证。
线性代数习题详解(同济大学第四版第四章)
⎜⎛ 25
⎜0
⎜ ⎜⎜⎝
0 0
31 1 1 1
17 2 3 3
43 ⎟⎞
3⎟
5 5
⎟ ⎟⎟⎠
~ r − r 43
⎜⎛ 25 ⎜0
r3
−
r2
⎜ ⎜⎜⎝
0 0
31 1 0 0
17 2 1 0
43 ⎟⎞
3⎟
3 0
⎟ ⎟⎟⎠
所以第 1、2、3 列构成一个最大无关组.
3
⎜⎛ 1
(2)
⎜0
⎜ ⎜⎜⎝
2 1
1 2 0 1
(2)
⎧ x1
若
a1
,
a2
,
a3
,
a4
线性无关,则
⎪⎪ ⎨ ⎪
x1 x2
⎪⎩ x3
+ + + +
x4 x2 x3 x4
= 0 ⎜⎛ 1
= = =
0 0 0
⇒
⎜ ⎜ ⎜⎜⎝
1 0 0
0 1 1 0
0 0 1 1
1⎟⎞⎜⎛ x1 ⎟⎞
0⎟⎜ 10 ⎟⎟⎟⎠⎜⎜⎜⎝
x2 x3 x4
⎟ ⎟ ⎟⎟⎠
=
0
1001
第四章 向量组的线性相关性
1．设 v1 = (1, 1, 0)T , v2 = (0, 1, 1)T , v3 = (3, 4, 0)T , 求 v1 − v2 及 3v1 + 2v2 − v3 . 解 v1 − v2 = (1, 1, 0)T − (0, 1, 1)T
= (1 − 0, 1 − 1, 0 − 1)T = (1, 0, − 1)T
因向量组 a1 ,a2 , ,ar 线性无关,故
线性代数同济大学第四版习题答案04
线性代数同济大学第四版习题答案04第四章向量组的线性相关性1. 设v 1=(1, 1, 0)T , v 2=(0, 1, 1)T , v 3=(3, 4, 0)T , 求v 1-v 2及3v1+2v 2-v 3. 解 v 1-v 2=(1, 1, 0)T -(0, 1, 1)TT=(1-0, 1-1, 0-1)T=(1, 0, -1) .3v 1+2v 2-v 3=3(1, 1, 0)T +2(0, 1, 1)T -(3, 4, 0)T =(3⨯1+2⨯0-3,3⨯1+2⨯1-4, 3⨯0+2⨯1-0) T =(0, 1, 2).2. 设3(a 1-a ) +2(a 2+a ) =5(a 3+a ) , 求a , 其中a 1=(2, 5, 1, 3)T , a2=(10, 1, 5, 10), a 3=(4, 1, -1, 1). 解由3(a 1-a ) +2(a 2+a ) =5(a 3+a ) 整理得 a =TT T1(3a 1+2a 2-5a 3) 613(2, 5, 1, 3) T +2(10, 1, 5, 10) T -5(4, 1, -1, 1) T ] 6==(1, 2, 3, 4)T . 3. 已知向量组A : a 1=(0, 1, 2, 3)T , a 2=(3, 0, 1, 2)T , a3=(2, 3, 0, 1)T ;B : b 1=(2, 1, 1, 2)T , b 2=(0, -2, 1, 1)T , b3=(4, 4, 1, 3)T , 证明B 组能由A 组线性表示, 但A 组不能由B 组线性表示. 证明由⎛0 1(A , B ) =2 3⎛⎛1r 0~0 0⎛由30122301204⎛1-24⎛111⎛213⎛⎛⎛10~ 0 0⎛r 031-24⎛32204⎛1-6-15-7⎛2-8-17-9⎛⎛031-24⎛1-6-15-7⎛041-35⎛00000⎛⎛031-24⎛1-6-15-7⎛0205-1525⎛041-35⎛⎛⎛1r ~ 00 0⎛知R (A ) =R (A , B ) =3, 所以B 组能由A 组线性表示.⎛204⎛⎛102⎛⎛1 1-24⎛r 0-22⎛r 0B = ~~111⎛ 01-1⎛ 0213⎛ 01-1⎛ 0⎛⎛⎛⎛⎛4. 已知向量组A : a 1=(0, 1, 1), a 2=(1, 1, 0);TT02⎛1-1⎛00⎛00⎛⎛知R (B ) =2. 因为R (B ) ≠R (B , A ) , 所以A 组不能由B 组线性表示.B : b 1=(-1, 0, 1), b 2=(1, 2, 1), b3=(3, 2, -1) , 证明A 组与B 组等价. 证明由T T T⎛-11301⎛r ⎛-11301⎛r ⎛-11301⎛(B , A ) = 02211⎛~ 02211⎛~ 02211⎛,11-110⎛ 02211⎛ 00000⎛⎛⎛⎛⎛⎛⎛知R (B ) =R (B , A ) =2. 显然在A 中有二阶非零子式, 故R (A ) ≥2, 又R (A ) ≤R (B , A ) =2, 所以R (A ) =2, 从而R (A ) =R (B ) =R (A , B ) . 因此A 组与B 组等价.5. 已知R (a 1, a 2, a 3) =2, R (a 2, a 3, a 4) =3, 证明 (1) a1能由a 2, a3线性表示; (2) a4不能由a 1, a 2, a 3线性表示.证明 (1)由R (a 2, a 3, a 4) =3知a 2, a 3, a 4线性无关, 故a 2, a 3也线性无关. 又由R (a 1, a 2, a 3) =2知a 1, a 2, a 3线性相关, 故a 1能由a 2, a 3线性表示.(2)假如a 4能由a 1, a 2, a 3线性表示, 则因为a 1能由a 2, a 3线性表示, 故a 4能由a 2, a 3线性表示, 从而a 2, a 3, a 4线性相关, 矛盾. 因此a 4不能由a 1, a 2, a 3线性表示.6. 判定下列向量组是线性相关还是线性无关: (1) (-1, 3, 1)T , (2, 1, 0)T , (1, 4, 1)T ; (2) (2, 3, 0)T , (-1, 4, 0)T , (0, 0, 2)T .解 (1)以所给向量为列向量的矩阵记为A . 因为⎛-121⎛r ⎛-121⎛r ⎛-121⎛A = 314⎛~ 077⎛~ 011⎛,101⎛ 022⎛ 000⎛⎛⎛⎛⎛⎛⎛所以R (A ) =2小于向量的个数, 从而所给向量组线性相关. (2)以所给向量为列向量的矩阵记为B . 因为2-10|B |=340=22≠0,002所以R (B ) =3等于向量的个数, 从而所给向量组线性相无关.7. 问a 取什么值时下列向量组线性相关？ a 1=(a , 1, 1)T , a 2=(1, a , -1) T , a3=(1, -1, a ) T . 解以所给向量为列向量的矩阵记为A . 由a 11|A |=1a -1=a (a -1)(a +1)1-1a知, 当a =-1、0、1时, R (A )8. 设a 1, a 2线性无关, a 1+b , a 2+b 线性相关, 求向量b 用a 1, a 2线性表示的表示式. 解因为a 1+b , a 2+b 线性相关, 故存在不全为零的数λ1, λ2使λ1(a 1+b ) +λ2(a 2+b ) =0, 由此得 b =-λλλλa 1-a 2=-a 1-(1-a 2,λ1+λ2λ1+λ2λ1+λ2λ1+λ2, 则设c =-λ1λ1+λ2b =c a 1-(1+c ) a 2, c ∈R .9. 设a 1, a 2线性相关, b 1, b 2也线性相关, 问a 1+b 1, a 2+b 2是否一定线性相关？试举例说明之.解不一定.例如, 当a 1=(1, 2)T , a 2=(2, 4)T , b 1=(-1, -1) T , b 2=(0, 0)T 时, 有 a1+b 1=(1, 2)T +b 1=(0, 1)T , a 2+b 2=(2, 4)T +(0, 0)T =(2, 4)T , 而a 1+b 1, a2+b 2的对应分量不成比例, 是线性无关的.10. 举例说明下列各命题是错误的:(1)若向量组a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 是线性相关的, 则a 1可由a 2, ⋅⋅⋅, a m线性表示.解设a 1=e 1=(1, 0, 0, ⋅⋅⋅, 0), a 2=a 3= ⋅⋅⋅ =a m =0, 则a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 线性相关, 但a 1不能由a 2, ⋅⋅⋅, a m 线性表示.(2)若有不全为0的数λ1, λ2, ⋅⋅⋅, λm 使λ1a 1+ ⋅⋅⋅ +λm a m +λ1b 1+ ⋅⋅⋅ +λm b m =0成立, 则a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 线性相关, b 1, b 2, ⋅⋅⋅, b m 亦线性相关. 解有不全为零的数λ1, λ2, ⋅⋅⋅, λm 使λ1a 1+ ⋅⋅⋅ +λm a m +λ1b 1+ ⋅⋅⋅ +λm b m =0,原式可化为λ1(a 1+b 1) + ⋅⋅⋅ +λm (a m +b m ) =0.取a 1=e 1=-b 1, a 2=e 2=-b 2, ⋅⋅⋅, a m =e m =-b m , 其中e 1, e 2, ⋅⋅⋅, e m 为单位坐标向量, 则上式成立, 而a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 和b 1, b 2, ⋅⋅⋅, b m 均线性无关.(3)若只有当λ1, λ2, ⋅⋅⋅, λm 全为0时, 等式λ1a 1+ ⋅⋅⋅ +λm a m +λ1b 1+ ⋅⋅⋅ +λm b m =0才能成立, 则a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 线性无关, b 1, b 2, ⋅⋅⋅, b m 亦线性无关. 解由于只有当λ1, λ2, ⋅⋅⋅, λm 全为0时, 等式由λ1a 1+ ⋅⋅⋅ +λm a m +λ1b 1+ ⋅⋅⋅ +λm b m =0成立, 所以只有当λ1, λ2, ⋅⋅⋅, λm 全为0时, 等式λ1(a 1+b 1) +λ2(a 2+b 2) + ⋅⋅⋅ +λm (a m +b m ) =0成立. 因此a 1+b 1, a 2+b 2, ⋅⋅⋅, a m +b m 线性无关.取a 1=a 2= ⋅⋅⋅ =a m =0, 取b 1, ⋅⋅⋅, b m 为线性无关组, 则它们满足以上条件, 但a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 线性相关.(4)若a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 线性相关, b 1, b 2, ⋅⋅⋅, b m 亦线性相关, 则有不全为0的数, λ1, λ2, ⋅⋅⋅,λm 使λ1a 1+ ⋅⋅⋅ +λm a m =0, λ1b 1+ ⋅⋅⋅ +λm b m =0同时成立.解 a 1=(1, 0), a 2=(2, 0), b 1=(0, 3), b 2=(0, 4),TTTTλ1a 1+λ2a 2 =0⇒λ1=-2λ2, λ1b 1+λ2b 2 =0⇒λ1=-(3/4)λ2,⇒λ1=λ2=0, 与题设矛盾.11. 设b 1=a 1+a 2, b 2=a 2+a 3, b3=a 3+a 4, b4=a 4+a 1, 证明向量组b 1, b 2, b 3, b 4线性相关. 证明由已知条件得a 1=b 1-a 2, a 2=b 2-a 3, a3=b 3-a 4, a4=b 4-a 1, 于是 a 1 =b 1-b 2+a 3=b 1-b 2+b 3-a 4=b 1-b 2+b 3-b 4+a 1, 从而 b 1-b 2+b 3-b 4=0,这说明向量组b 1, b 2, b 3, b 4线性相关.12. 设b 1=a 1, b 2=a 1+a 2, ⋅⋅⋅, b r =a 1+a 2+ ⋅⋅⋅ +a r , 且向量组a 1,a 2, ⋅⋅⋅ , a r 线性无关, 证明向量组b 1, b 2, ⋅⋅⋅ , b r 线性无关. 证明已知的r 个等式可以写成⎛1 0(b 1, b 2, ⋅⋅⋅ , b r ) =(a 1, a 2, ⋅⋅⋅ , a r )⋅⋅⋅ 0⎛关.13. 求下列向量组的秩, 并求一个最大无关组:11⋅⋅⋅0⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅1⎛1⎛, ⋅⋅⋅⎛1⎛⎛上式记为B =AK . 因为|K |=1≠0, K 可逆, 所以R (B ) =R (A ) =r , 从而向量组b 1, b 2, ⋅⋅⋅ , b r 线性无(1)a 1=(1, 2, -1, 4)T , a 2=(9, 100, 10, 4)T , a3=(-2, -4, 2, -8) T ; 解由9-2⎛⎛19-2⎛⎛1⎛1r 2100-4⎛ 0820⎛r 0(a 1, a 2, a 3) = ~~-1102⎛ 0190⎛ 04⎛ 0-320⎛ 04-8⎛⎛⎛⎛⎛最大无关组.(2)a 1T =(1, 2, 1, 3), a 2T =(4, -1, -5, -6) , a3T =(1, -3, -4, -7) . 解由9-2⎛10⎛,00⎛00⎛⎛知R (a 1, a 2, a3) =2. 因为向量a 1与a 2的分量不成比例, 故a 1, a 2线性无关, 所以a 1, a 2是一个41⎛⎛141⎛⎛141⎛⎛12-1-3⎛r 0-9-5⎛r 0-9-5⎛, (a 1, a 2, a 3) = ~~1-5-4⎛ 0-9-5⎛ 000⎛3-6-7⎛ 0-18-10⎛ 000⎛⎛⎛⎛⎛⎛⎛知R (a 1T , a 2T , a3T ) =R (a 1, a 2, a3) =2. 因为向量a 1T 与a 2T 的分量不成比例, 故a 1T , a 2T 线性无关, 所以a 1, a 2是一个最大无关组.14. 利用初等行变换求下列矩阵的列向量组的一个最大无关组:TT⎛2575 (1)[***********]13213448⎛⎛⎛; ⎛⎛解因为⎛25 75 75 25⎛⎛1 0 (2)2 1⎛⎛1 0 2 1⎛[***********]13213448⎛⎛⎛⎛⎛r 2-3r 1r 3-3r 1r 4-r 1~⎛25 0 0 0⎛311111743⎛23⎛35⎛35⎛⎛r 4-r 3r 3-r 2~⎛250 0 0⎛311001743⎛23⎛,13⎛00⎛⎛所以第1、2、3列构成一个最大无关组. 1201913025-14. 3⎛-1⎛⎛⎛10 0 0⎛12-2021-1-225-521⎛-1⎛1⎛-2⎛⎛⎛10 0 0⎛120021-2025201⎛-1⎛, -2⎛0⎛⎛解因为1201913025-141⎛-1⎛3⎛-1⎛⎛r 3-2r 1r 4-r 1~r 3+r 2r 3r 4~所以第1、2、3列构成一个最大无关组.15. 设向量组(a , 3, 1)T , (2, b , 3)T , (1, 2, 1)T , (2, 3, 1)T的秩为2, 求a , b .解设a 1=(a , 3, 1), a 2=(2, b , 3), a3=(1, 2, 1), a 4=(2, 3, 1). 因为TTTT13⎛r ⎛1113⎛⎛12a 2⎛r ⎛11(a 3, a 4, a 1, a 2) = 233b ⎛~ 01a -1-1⎛~ 01a -1-1⎛,1113⎛ 01⎛ 002-a b -5⎛1b -6⎛⎛⎛⎛⎛⎛而R (a 1, a 2, a 3, a 4) =2, 所以a =2, b =5.16. 设a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 是一组n 维向量, 已知n 维单位坐标向量e 1, e 2,⋅⋅⋅, e n 能由它们线性表示, 证明a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性无关.证法一记A =(a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n ) , E =(e 1, e 2,⋅⋅⋅, e n ) . 由已知条件知, 存在矩阵K , 使E =AK .两边取行列式, 得|E |=|A ||K |.可见|A |≠0, 所以R (A ) =n , 从而a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性无关.证法二因为e 1, e 2,⋅⋅⋅, e n 能由a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性表示, 所以R (e 1, e 2,⋅⋅⋅, e n ) ≤R (a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n ) ,而R (e 1, e 2,⋅⋅⋅, e n ) =n , R (a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n ) ≤n , 所以R (a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n ) =n , 从而a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性无关.17. 设a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 是一组n 维向量, 证明它们线性无关的充分必要条件是: 任一n 维向量都可由它们线性表示.证明必要性: 设a 为任一n 维向量. 因为a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性无关, 而a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n , a 是n +1个n 维向量, 是线性相关的, 所以a 能由a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性表示, 且表示式是唯一的.充分性: 已知任一n 维向量都可由a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性表示, 故单位坐标向量组e 1, e 2, ⋅⋅⋅, e n 能由a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性表示, 于是有n =R (e 1, e 2, ⋅⋅⋅, e n ) ≤R (a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n ) ≤n ,即R (a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n ) =n , 所以a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n 线性无关.18. 设向量组a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 线性相关, 且a 1≠0, 证明存在某个向量a k (2≤k ≤m ) , 使a k 能由a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a k -1线性表示.证明因为a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a m 线性相关, 所以存在不全为零的数λ1, λ2, ⋅⋅⋅, λm , 使λ1a 1+λ2a 2+ ⋅⋅⋅ +λm a m =0,而且λ2, λ3,⋅⋅⋅, λm 不全为零. 这是因为, 如若不然, 则λ1a 1=0, 由a1≠0知λ1=0, 矛盾. 因此存在k (2≤k ≤m ) , 使λk ≠0, λk +1=λk +2= ⋅⋅⋅ =λm =0,于是λ1a 1+λ2a 2+ ⋅⋅⋅ +λk a k =0,a k =-(1/λk )(λ1a 1+λ2a 2+ ⋅⋅⋅ +λk -1a k -1) ,即a k 能由a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a k -1线性表示.19. 设向量组B : b 1, ⋅⋅⋅, b r 能由向量组A : a 1, ⋅⋅⋅, a s 线性表示为(b 1, ⋅⋅⋅, b r ) =(a 1, ⋅⋅⋅, a s ) K , 其中K 为s ⨯r 矩阵, 且A 组线性无关. 证明B 组线性无关的充分必要条件是矩阵K 的秩R (K ) =r .证明令B =(b 1, ⋅⋅⋅, b r ) , A =(a 1, ⋅⋅⋅, a s ) , 则有B =AK . 必要性: 设向量组B 线性无关.由向量组B 线性无关及矩阵秩的性质, 有r =R (B ) =R (AK ) ≤min{R (A ) , R (K )}≤R (K ) , 及R (K ) ≤min{r , s }≤r . 因此R (K ) =r .充分性: 因为R (K ) =r , 所以存在可逆矩阵C , 使KC (b 1, ⋅⋅⋅, b r ) C=( a1, ⋅⋅⋅, a s ) KC =(a 1, ⋅⋅⋅, a r ) .因为C 可逆, 所以R (b 1, ⋅⋅⋅, b r ) =R (a 1, ⋅⋅⋅, a r ) =r , 从而b 1, ⋅⋅⋅, b r 线性无关.20. 设⎛E ⎛= r ⎛为K 的标准形. 于是⎛O ⎛⎛β1= α2+α3+ ⋅⋅⋅ +αn ⎛β2=α1 +α3+ ⋅⋅⋅ +αn⎛ ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ , ⎛⎛βn =α1+α2+α3+ ⋅⋅⋅ +αn -1证明向量组α1, α2, ⋅⋅⋅, αn 与向量组β1, β2, ⋅⋅⋅, βn 等价. 证明将已知关系写成⎛0 1(β1, β2, ⋅⋅⋅ , βn ) =(α1, α2, ⋅⋅⋅ , αn ) 1⋅⋅⋅ ⎛1将上式记为B =AK . 因为101⋅⋅⋅1110⋅⋅⋅1⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅1⎛1⎛1⎛, ⋅⋅⋅⎛⎛0⎛01|K |=1⋅⋅⋅1101⋅⋅⋅1110⋅⋅⋅1⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅111=(-1) n -1(n -1) ≠0, ⋅⋅⋅0所以K 可逆, 故有A =BK -1. 由B =AK 和A =BK -1可知向量组α1, α2, ⋅⋅⋅, αn 与向量组β1, β2, ⋅⋅⋅, βn 可相互线性表示. 因此向量组α1, α2, ⋅⋅⋅, αn 与向量组β1, β2, ⋅⋅⋅, βn 等价.21. 已知3阶矩阵A 与3维列向量x 满足A 3x =3A x -A 2x , 且向量组x , A x ,A 2x 线性无关.(1)记P =(x , A x , A 2x ) , 求3阶矩阵B , 使AP =PB ; 解因为AP =A (x , A x , A 2x ) =(A x , A 2x , A 3x ) =(A x , A 2x , 3A x -A 2x )⎛000⎛=(x , A x , A x ) 103⎛,01-1⎛⎛⎛⎛000⎛所以B = 103⎛.01-1⎛⎛⎛(2)求|A |.解由A 3x =3A x -A 2x , 得A (3x -A x -A 2x ) =0. 因为x , A x , A 2x 线性无关, 故3x -A x -A 2x ≠0, 即方程A x =0有非零解, 所以R (A )x -8x 2+10x 3+2x 4=0⎛⎛1(1)⎛2x 1+4x 2+5x 3-x 4=0;⎛⎛3x 1+8x 2+6x 3-2x 4=0解对系数矩阵进行初等行变换, 有40⎛⎛1-8102⎛r ⎛10A = 245-1⎛ ~ 01-3/4-1/4⎛,386-2⎛ 00⎛00⎛⎛⎛⎛于是得⎛x 1=-4x 3⎛x =(3/4) x +(1/4) x . ⎛234TTTT取(x 3, x 4) =(4, 0), 得(x 1, x 2) =(-16, 3); 取(x 3, x 4) T =(0, 4)T , 得(x 1, x 2) T =(0, 1)T . 因此方程组的基础解系为ξ1=(-16, 3, 4, 0), ξ2=(0, 1, 0, 4).T2x -3x 2-2x 3+x 4=0⎛⎛1(2)⎛3x 1+5x 2+4x 3-2x 4=0.⎛⎛8x 1+7x 2+6x 3-3x 4=0解对系数矩阵进行初等行变换, 有⎛2-3-21⎛r ⎛102/19-1/19⎛4-2⎛ ~ 0114/19-7/19⎛, A = 35876-3⎛ 0000⎛⎛⎛⎛⎛于是得⎛x 1=-(2/19) x 3+(1/19) x 4⎛x =-(14/19) x +(7/19) x . ⎛234取(x 3, x 4) T =(19, 0)T , 得(x 1, x 2) T =(-2, 14)T ; 取(x 3, x 4) T =(0, 19)T , 得(x 1, x 2) T =(1, 7)T . 因此方程组的基础解系为ξ1=(-2, 14, 19, 0)T , ξ2=(1, 7, 0, 19)T .(3)nx 1 +(n -1) x 2+ ⋅⋅⋅ +2x n -1+x n =0. 解原方程组即为x n =-nx 1-(n -1) x 2- ⋅⋅⋅ -2x n -1.取x 1=1, x 2=x 3= ⋅⋅⋅ =x n -1=0, 得x n =-n ;取x 2=1, x 1=x 3=x 4= ⋅⋅⋅ =x n -1=0, 得x n =-(n -1) =-n +1; ⋅⋅⋅ ;取x n -1=1, x 1=x 2= ⋅⋅⋅ =x n -2=0, 得x n =-2. 因此方程组的基础解系为ξ1=(1, 0, 0, ⋅⋅⋅, 0, -n ) T , ξ2=(0, 1, 0, ⋅⋅⋅, 0, -n +1) T , ⋅⋅⋅,ξn -1=(0, 0, 0, ⋅⋅⋅, 1, -2) T .23. 设A = R (B ) =2.解显然B 的两个列向量应是方程组AB =0的两个线性无关的解. 因为 A =r⎛2-213⎛, 求一个4⨯2矩阵B , 使AB =0, 且9-528⎛⎛1/8⎛⎛2-213⎛ ~ ⎛10-1/8⎛ 01-5/8-11/8⎛,9-528⎛⎛⎛⎛所以与方程组AB =0同解方程组为⎛x 1=(1/8) x 3-(1/8) x 4⎛x =(5/8) x +(11/8) x . ⎛234取(x 3, x 4) T =(8, 0)T , 得(x 1, x 2) T =(1, 5)T ; 取(x 3, x 4) T =(0, 8)T , 得(x 1, x 2) T =(-1, 11)T . 方程组AB =0的基础解系为ξ1=(1, 5, 8, 0)T , ξ2=(-1, 11, 0, 8)T .⎛15因此所求矩阵为B =8 0⎛-1⎛11⎛. 0⎛8⎛⎛24. 求一个齐次线性方程组, 使它的基础解系为ξ1=(0, 1, 2, 3)T , ξ2=(3, 2, 1, 0)T .解显然原方程组的通解为⎛x 1⎛⎛x 1=3k 2⎛0⎛⎛3⎛ x ⎛ 1⎛ 2⎛⎛x 2=k 1+2k 22, 即=k +k ⎛1 ⎛2 ⎛⎛x =2k +k , (k 1, k 2∈R ) ,21x 312⎛⎛3 3⎛ 0⎛⎛⎛⎛⎛⎛x 4=3k 1⎛x 4⎛消去k 1, k 2得⎛2x 1-3x 2+x 4=0⎛x -3x +2x =0, ⎛134此即所求的齐次线性方程组.25. 设四元齐次线性方程组 I :⎛x 1+x 2=0⎛x -x =0 , II: ⎛24⎛x 1-x 2+x 3=0⎛x -x +x =0. ⎛234求: (1)方程I 与II 的基础解系; (2) I与II 的公共解. 解 (1)由方程I 得⎛⎛x 1=-x 4.x =x ⎛24取(x 3, x 4) T =(1, 0)T , 得(x 1, x 2) T =(0, 0)T ; 取(x 3, x 4) T =(0, 1)T , 得(x 1, x 2) T =(-1, 1)T . 因此方程I 的基础解系为ξ1=(0, 0, 1, 0)T , ξ2=(-1, 1, 0, 1)T . 由方程II 得⎛⎛x 1=-x 4.x =x -x ⎛234TTT取(x 3, x 4) T =(1, 0)T , 得(x 1, x 2) T =(0, 1)T ; 取(x 3, x 4) =(0, 1), 得(x 1, x 2) =(-1, -1) . 因此方程II 的基础解系为ξ1=(0, 1, 1, 0)T , ξ2=(-1, -1, 0, 1)T . (2) I与II 的公共解就是方程T⎛x 1+x 2=0⎛x -x 4=0III : ⎛2x 1-x 2+x 3=0⎛⎛x 2-x 3+x 4=0的解. 因为方程组III 的系数矩阵⎛1100⎛⎛1 010-1⎛r 0A = ~1-110⎛ 0 01-11⎛ 0⎛⎛⎛所以与方程组III 同解的方程组为10001⎛0-1⎛,1-2⎛00⎛⎛x =-x 4⎛⎛1⎛x 2=x 4.⎛⎛x 3=2x 4取x 4=1, 得(x 1, x 2, x 3) =(-1, 1, 2), 方程组III 的基础解系为ξ=(-1, 1, 2, 1)T .因此I 与II 的公共解为x =c (-1, 1, 2, 1)T , c ∈R .26. 设n 阶矩阵A 满足A =A , E 为n 阶单位矩阵, 证明R (A ) +R (A -E ) =n .证明因为A (A -E ) =A 2-A =A -A =0, 所以R (A ) +R (A -E ) ≤n . 又R (A -E ) =R (E -A ) , 可知R (A ) +R (A -E ) =R (A ) +R (E -A ) ≥R (A +E -A ) =R (E ) =n ,由此R (A ) +R (A -E ) =n .27. 设A 为n 阶矩阵(n ≥2) , A *为A 的伴随阵, 证明2TT⎛n 当R (A ) =n⎛R (A *)=⎛1 当R (A ) =n -1.⎛⎛0 当R (A ) ≤n -2证明当R (A ) =n 时, |A |≠0, 故有|AA *|=||A |E |=|A |≠0, |A *|≠0, 所以R (A *)=n .当R (A ) =n -1时, |A |=0, 故有 AA *=|A |E =0,即A *的列向量都是方程组A x =0的解. 因为R (A ) =n -1, 所以方程组A x =0的基础解系中只含一个解向量, 即基础解系的秩为1. 因此R (A *)=1.当R (A ) ≤n -2时, A 中每个元素的代数余子式都为0, 故A *=O , 从而R (A *)=0. 28. 求下列非齐次方程组的一个解及对应的齐次线性方程组的基础解系:x +x 2=5⎛⎛1(1)⎛2x 1+x 2+x 3+2x 4=1;⎛⎛5x 1+3x 2+2x 3+2x 4=3解对增广矩阵进行初等行变换, 有⎛11005⎛r ⎛1010-8⎛B = 21121⎛ ~ 01-1013⎛.53223⎛ 00012⎛⎛⎛⎛⎛与所给方程组同解的方程为x =-x 3-8⎛⎛1⎛x 2= x 3+13. ⎛⎛x 4= 2当x 3=0时, 得所给方程组的一个解η=(-8, 13, 0, 2). 与对应的齐次方程组同解的方程为Tx =-x 3⎛⎛1⎛x 2= x 3. ⎛⎛x 4=0当x 3=1时, 得对应的齐次方程组的基础解系ξ=(-1, 1, 1, 0).Tx -5x 2+2x 3-3x 4=11⎛⎛1(2)⎛5x 1+3x 2+6x 3-x 4=-1.⎛⎛2x 1+4x 2+2x 3+x 4=-6解对增广矩阵进行初等行变换, 有⎛1-52-311⎛r ⎛109/7-1/21⎛ B = 536-1-1⎛ ~ 01-1/71/2-2⎛.2421-6⎛ 000⎛00⎛⎛⎛⎛与所给方程组同解的方程为⎛x 1=-(9/7) x 3+(1/2) x 4+1⎛x =(1/7)x -(1/2) x -2. ⎛234当x 3=x 4=0时, 得所给方程组的一个解η=(1, -2, 0, 0)T .与对应的齐次方程组同解的方程为⎛x 1=-(9/7) x 3+(1/2) x 4⎛x =(1/7)x -(1/2) x . ⎛234分别取(x 3, x 4) =(1, 0), (0, 1), 得对应的齐次方程组的基础解系TTTξ1=(-9, 1, 7, 0)T . ξ2=(1, -1, 0, 2)T .29. 设四元非齐次线性方程组的系数矩阵的秩为3, 已知η1, η2, η3是它的三个解向量. 且η1=(2, 3, 4, 5)T , η2+η3=(1, 2, 3, 4)T ,求该方程组的通解.解由于方程组中未知数的个数是4, 系数矩阵的秩为3, 所以对应的齐次线性方程组的基础解系含有一个向量, 且由于η1, η2, η3均为方程组的解, 由非齐次线性方程组解的结构性质得2η1-(η2+η3) =(η1-η2) +(η1-η3) = (3, 4, 5, 6)为其基础解系向量, 故此方程组的通解:x =k (3, 4, 5, 6)T +(2, 3, 4, 5)T , (k ∈R ) .30. 设有向量组A : a 1=(α, 2, 10), a 2=(-2, 1, 5), a3=(-1, 1, 4), 及b =(1, β, -1) , 问α, β为何值时(1)向量b 不能由向量组A 线性表示;(2)向量b 能由向量组A 线性表示, 且表示式唯一;(3)向量b 能由向量组A 线性表示, 且表示式不唯一, 并求一般表示式.TTTTT⎛-1-2α1⎛12β⎛ 解 (a 3, a 2, a 1, b ) = 14510-1⎛⎛⎛1⎛⎛-1-2α~ 0-11+αβ+1⎛. 004+α-3β⎛⎛⎛r(1)当α=-4, β≠0时, R (A ) ≠R (A , b ) , 此时向量b 不能由向量组A 线性表示.(2)当α≠-4时, R (A ) =R (A , b ) =3, 此时向量组a 1, a 2, a 3线性无关, 而向量组a 1, a 2, a 3, b 线性相关, 故向量b 能由向量组A 线性表示, 且表示式唯一.(3)当α=-4, β=0时, R (A ) =R (A , b ) =2, 此时向量b 能由向量组A 线性表示, 且表示式不唯一.当α=-4, β=0时,⎛-1-2-41⎛(a 3, a 2, a 1, b ) = 1120⎛4510-1⎛⎛⎛方程组(a 3, a 2, a 1) x =b 的解为⎛10-21⎛~ 013-1⎛, 0000⎛⎛⎛r⎛x 1⎛⎛2⎛⎛1⎛⎛2c +1⎛x 2⎛=c -3⎛+ -1⎛= -3c -1⎛, c ∈R .⎛ 1⎛ 0⎛ c ⎛⎛⎛⎛⎛⎛⎛x 3⎛⎛因此 b =(2c +1) a 3+(-3c -1) a 2+c a 1, 即 b = ca 1+(-3c -1) a 2+(2c +1) a 3, c∈R .31. 设a =(a 1, a 2, a 3) T , b =(b 1, b 2, b 3) T , c=(c 1, c 2, c 3) T , 证明三直线 l 1: a 1x +b 1y +c 1=0,l 2: a 2x +b 2y +c 2=0, (a i +b i ≠0, i =1, 2, 3) l 3: a 3x +b 3y +c 3=0,相交于一点的充分必要条件为: 向量组a , b 线性无关, 且向量组a , b , c 线性相关. 证明三直线相交于一点的充分必要条件为方程组22a x +b 1y +c 1=0a x +b 1y =-c 1⎛⎛⎛1⎛1⎛a 2x +b 2y +c 2=0, 即⎛a 2x +b 2y =-c 2 ⎛⎛⎛a 3x +b 3y +c 3=0⎛a 3x +b 3y =-c 3有唯一解. 上述方程组可写为x a +y b =-c . 因此三直线相交于一点的充分必要条件为c 能由a , b 唯一线性表示, 而c 能由a , b 唯一线性表示的充分必要条件为向量组a , b 线性无关, 且向量组a , b , c 线性相关.32. 设矩阵A =(a 1, a 2, a 3, a 4) , 其中a 2, a 3, a 4线性无关, a 1=2a 2-a 3. 向量b =a 1+a 2+a 3+a 4, 求方程A x =b 的通解.解由b =a 1+a 2+a 3+a 4知η=(1, 1, 1, 1)T 是方程A x =b 的一个解. 由a1=2a 2- a 3得a 1-2a 2+a 3=0, 知ξ=(1, -2, 1, 0)T 是A x =0的一个解.由a 2, a 3, a 4线性无关知R (A ) =3, 故方程A x =b 所对应的齐次方程A x =0的基础解系中含一个解向量. 因此ξ=(1, -2, 1, 0)T 是方程A x =0的基础解系. 方程A x =b 的通解为x =c (1, -2, 1, 0)T +(1, 1, 1, 1)T , c ∈R .33. 设η*是非齐次线性方程组A x =b 的一个解, ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r ,是对应的齐次线性方程组的一个基础解系, 证明:(1)η*, ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性无关; (2)η*, η*+ξ1, η*+ξ2, ⋅⋅⋅, η*+ξn -r 线性无关.证明 (1)反证法, 假设η*, ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性相关. 因为ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性无关, 而η*, ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性相关, 所以η*可由ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性表示, 且表示式是唯一的, 这说明η*也是齐次线性方程组的解, 矛盾.(2)显然向量组η*, η*+ξ1, η*+ξ2, ⋅⋅⋅, η*+ξn -r 与向量组η*, ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 可以相互表示, 故这两个向量组等价, 而由(1)知向量组η*, ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性无关, 所以向量组η*, η*+ξ1,η*+ξ2, ⋅⋅⋅, η*+ξn -r 也线性无关.34. 设η1, η2, ⋅⋅⋅, ηs 是非齐次线性方程组A x =b 的s 个解, k 1, k 2, ⋅⋅⋅, k s 为实数, 满足k 1+k 2+ ⋅⋅⋅ +k s =1. 证明x =k 1η1+k 2η2+ ⋅⋅⋅ +k s ηs也是它的解.证明因为η1, η2, ⋅⋅⋅, ηs 都是方程组A x =b 的解, 所以A ηi =b (i =1, 2, ⋅⋅⋅, s ) ,从而A (k 1η1+k 2η2+ ⋅⋅⋅ +k s ηs ) =k 1A η1+k 2A η2+ ⋅⋅⋅ +k s Aηs =(k 1+k 2+ ⋅⋅⋅ +k s ) b =b . 因此x =k 1η1+k 2η2+ ⋅⋅⋅ +k s ηs 也是方程的解.35. 设非齐次线性方程组A x =b 的系数矩阵的秩为r , η1, η2, ⋅⋅⋅, ηn -r +1是它的n -r +1个线性无关的解. 试证它的任一解可表示为x =k 1η1+k 2η2+ ⋅⋅⋅ +k n -r +1ηn -r +1, (其中k 1+k 2+ ⋅⋅⋅ +k n -r +1=1).证明因为η1, η2, ⋅⋅⋅, ηn -r +1均为A x =b 的解, 所以ξ1=η2-η1,ξ2=η3-η1, ⋅⋅⋅, ξn -r =ηn -r +1-1均为ηA x =b 的解.用反证法证: ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性无关.设它们线性相关, 则存在不全为零的数λ1, λ2, ⋅⋅⋅, λn -r , 使得λ1ξ1+ λ2ξ2+ ⋅⋅⋅ + λ n-r ξ n-r =0,即λ1(η2-η1) + λ2(η3-η1) + ⋅⋅⋅ + λ n-r (ηn -r +1-η1) =0, 亦即 -(λ1+λ2+ ⋅⋅⋅ +λn -r ) η1+λ1η2+λ2η3+ ⋅⋅⋅ +λ n-r ηn -r +1=0, 由η1, η2, ⋅⋅⋅, ηn -r +1线性无关知-(λ1+λ2+ ⋅⋅⋅ +λn -r ) =λ1=λ2= ⋅⋅⋅ =λn -r =0,矛盾. 因此ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性无关. ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 为A x =b 的一个基础解系.设x 为A x =b 的任意解, 则x -η1为A x =0的解, 故x -η1可由ξ1, ξ2, ⋅⋅⋅, ξn -r 线性表出, 设 x -η1=k 2ξ1+k 3ξ2+ ⋅⋅⋅ +k n -r +1ξn -r=k 2(η2-η1) +k 3(η3-η1) + ⋅⋅⋅ +k n -r +1(ηn -r +1-η1) , x =η1(1-k 2-k 3 ⋅⋅⋅ -k n -r +1) +k 2η2+k 3η3+ ⋅⋅⋅ +k n-r +1ηn -r +1. 令k 1=1-k 2-k 3 ⋅⋅⋅ -k n -r +1, 则k 1+k 2+k 3 ⋅⋅⋅ -k n -r +1=1, 于是x =k 1η1+k 2η2+ ⋅⋅⋅ +k n -r +1ηn -r +1.36. 设V 1={x =(x 1, x 2, ⋅⋅⋅, x n ) T | x 1, ⋅⋅⋅, x n ∈R 满足x 1+x 2+ ⋅⋅⋅+x n =0}, V 2={x =(x 1, x 2, ⋅⋅⋅, x n ) | x 1, ⋅⋅⋅, x n ∈R 满足x 1+x 2+ ⋅⋅⋅ +x n =1},问V 1, V 2是不是向量空间？为什么？解 V 1是向量空间, 因为任取α=(a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n ) T ∈V 1, β=(b 1, b 2, ⋅⋅⋅, b n ) T ∈V 1,λ∈∈R , 有 a 1+a 2+ ⋅⋅⋅ +a n =0, b 1+b 2+ ⋅⋅⋅ +b n =0,从而 (a 1+b 1) +(a 2+b 2) + ⋅⋅⋅ +(a n +b n ) =(a 1+a 2+ ⋅⋅⋅ +a n ) +(b 1+b 2+ ⋅⋅⋅ +b n ) =0, λa 1+λa 2+ ⋅⋅⋅ +λa n =λ(a 1+a 2+ ⋅⋅⋅ +a n ) =0, 所以α+β=(a 1+b 1, a 2+b 2, ⋅⋅⋅, a n +b n ) T ∈V 1, λα=(λa 1, λa 2, ⋅⋅⋅, λa n ) T ∈V 1. V 2不是向量空间, 因为任取α=(a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n ) T ∈V 1, β=(b 1, b 2, ⋅⋅⋅, b n ) T ∈V 1, 有a 1+a 2+ ⋅⋅⋅ +a n =1,b 1+b 2+ ⋅⋅⋅ +b n =1,从而 (a 1+b 1) +(a 2+b 2) + ⋅⋅⋅ +(a n +b n ) =(a 1+a 2+ ⋅⋅⋅ +a n ) +(b 1+b 2+ ⋅⋅⋅ +b n ) =2,T所以α+β=(a 1+b 1, a 2+b 2, ⋅⋅⋅, a n +b n ) T ∉V 1.37. 试证: 由a 1=(0, 1, 1), a 2=(1, 0, 1), a3=(1, 1, 0)所生成的向量空间就是R . 证明设A =(a 1, a2, a 3) , 由TTT3011|A |=101=-2≠0,知R (A ) =3, 故a 1, a2, a 3线性无关, 所以a 1, a2, a 3是三维空间R 3的一组基, 因此由a 1, a2, a 3所生成的向量空间就是R .38. 由a 1=(1, 1, 0, 0) T , a 2=(1, 0, 1, 1) T 所生成的向量空间记作V 1, 由b 1=(2, -1, 3, 3) T , b 2=(0, 1, -1, -1) 所生成的向量空间记作V 2, 试证V 1=V 2. 证明设A =(a 1, a2) , B =(b 1, b2) . 显然R (A ) =R (B ) =2, 又由T3⎛1 1(A , B ) =0 0⎛10112-1330⎛⎛11⎛r 0 ~ -1⎛ 00-1⎛⎛⎛1-1002-3000⎛1⎛, 0⎛0⎛⎛知R (A , B ) =2, 所以R (A ) =R (B ) =R (A , B ) , 从而向量组a 1, a2与向量组b 1, b2等价. 因为向量组a 1, a2与向量组b 1, b2等价, 所以这两个向量组所生成的向量空间相同, 即V 1=V 2.39. 验证a 1=(1, -1, 0) T , a 2=(2, 1, 3) T , a 3=(3, 1, 2) T 为R 3的一个基, 并把v 1=(5, 0, 7) T , v 2=(-9, -8, -13) T 用这个基线性表示. 解设A =(a 1, a2, a3) . 由123|(a 1, a 2, a 3) |=-111=-6≠0,032知R (A ) =3, 故a 1, a2, a3线性无关, 所以a 1, a2, a3为R 的一个基. 设x 1a 1+x 2a 2+x 3a 3=v 1, 则x +2x 2+3x 3=5⎛⎛1⎛-x 1+x 2+x 3=0, ⎛⎛3x 2+2x 3=7解之得x 1=2, x 2=3, x 3=-1, 故线性表示为v 1=2a 1+3a 2-a 3. 设x 1a 1+x 2a 2+x 3a 3=v 2, 则x +2x 2+3x 3=-9⎛⎛1⎛-x 1+x 2+x 3=-8, ⎛⎛3x 2+2x 3=-13解之得x 1=3, x 2=-3, x 3=-2, 故线性表示为v 2=3a 1-3a 2-2a 3.40. 已知R 的两个基为a 1=(1, 1, 1), a 2=(1, 0, -1) , a 3=(1, 0, 1),b 1=(1, 2, 1)T , b 2=(2, 3,4)T , b 3=(3, 4, 3)T . 求由基a 1, a 2, a 3到基b 1, b 2, b 3的过渡矩阵P . 解设e 1, e 2, e 3是三维单位坐标向量组, 则TTT3⎛111⎛(a 1, a 2, a 3) =(e 1, e 2, e 3) 100⎛,1-11⎛⎛⎛⎛111⎛(e 1, e 2, e 3) =(a 1, a 2, a 3) 100⎛,1-11⎛⎛⎛⎛123⎛于是 (b 1, b 2, b 3) =(e 1, e 2, e 3) 234⎛143⎛⎛⎛-1⎛111⎛⎛123⎛=(a 1, a 2, a 3) 100⎛ 234⎛,1-11⎛ 143⎛⎛⎛⎛⎛由基a 1, a 2, a 3到基b 1, b 2, b 3的过渡矩阵为-1⎛111⎛⎛123⎛⎛234⎛P = 100⎛ 234⎛= 0-10⎛. 1-11⎛ 143⎛ -10-1⎛⎛⎛⎛⎛⎛⎛ -1。
高等代数-第5章习题及解答
习题 5.1解答A ⊆B A B =A A B =B 1. 设，证明：，.ααααααα∀∈A ⊆B ∈B ∴∈A B⊆A BAB ⊆AB =A∀∈A B ∈∈B A ⊆B ∈BA B ⊆B B ⊆A BAB =B证 A ，由，得 即得证A 又A 故 ，则A 或 但，因此无论那一种情形都有 此即，但 所以(B C C 2. :1)A =A B A 证明 ）（）（）；(((((((x x x x x x x x x x x x x x ∀∈∈∈∈∈∈∈⊆∈∈∈∈∈∈∈证 A （B C ），则A 且（B C ）在后一情形,B 或C, 于是AB 或AC 所以AB)AC ）由此得A （B C ）A B)AC ）反之,若A B)A C ）,则AB 或AC在前一情形,A,B,因此B C 故A B C ）在后一情(((((((x x x x ∈∈∈∈⊆形,A,C, 因此BC也得A BC ） 故A B)AC ）AB C ） 于是AB C ）=AB)AC ）C C 2A B =A B A .）（）（）（）x x x x x x x x x x x ∈∈∈∈∈∈∈∈∈∈∈∴⊆⊆ 证 若A （B C ），则A 或者BC在前一情形AB 且A C因而（A B ）（AC ）在后一情形B ，C ，因而AB 且AC即（A B ）（A C ） A （B C ）（A B ）（A C ）同理可证（A B ）（AC ）A （BC ）故A （BC ）=（AB ）（AC ）3:|,:|a b a b b f a bc d c d a ⨯⎛⎫⎛⎫→→+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭22 、问：法则g 是否为Q 到Q 的映射？单射还是双射？22(((a f f Q g g g ⨯⎛⎫⎛⎫∀∈∈⇒ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫≠ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭∴解 当取0时在中没有象,所以不是映射；a 0a 0 a Q,有)=a,但000012121212)=3=)，而00420042g 是满射不是单射.2()(),:()|()[]f x f x f x f x Q x φϕ'→→4. 问：满足：|是否为的变换？单射还是双射？φφφ'∈∴∀∈Φ解 (f(x))=f (x)Q[x] 是变换;又f(x)Q[x],有((x))=f(x),而22(())()(())(())()()f x f x f x f x f x f x φφφϕϕϕϕϕΦ∈'≠∴∀∈=∈∴∀∈=-=-≠∴⎰x(x)=f(x)dx Q[x],又 (f(x))=(f(x)+1)=f (x),而f(x)f(x)+1是满射不是单射.又f(x)Q[x],Q[x]是变换,又f(x)Q[x],但f(x)并且-f(x)没有原象,既不是单射又不是满射.{}|01y y y A B ≤<5. 设是一切非负实数构成的集合,又=是实数且:|1x f x x→A B + 证明： 是到的一个双射.()(),1,,1,111a ba b f a f b a ba b f yy y yyy fy y y f f ∀∈=+∴=∴∀∈≤≤∴≥-⎛⎫∴∈= ⎪--⎝⎭∴ 证 A,==1+ 是A 到B 的一个单射. B 00,A,且使得 是A 到B 的满射.综上所述得，是A 到B 的一个双射.{},:11,21,32,42;1223,4,1f g A →→→→→→→→6. 设=1,2,3,4规定 :,34.,f g fg gf fg gf A 1) 说明都是的变换;2) 求和,问和是否相等?(),():11,22,32,41:12,22,33,43.f x Ag x Af g fg gf g gf ∀∈∈∈∴→→→→→→→→≠证明 (1)x A,与都是由A 到A 的映射, 从而都是A 的变换. (2)所以f,,:::A B C f A B g B C gf A C g →→→7.证明是三个非空集合,是满射，，但是单射，证明是单射.1212121212,(),()()()()()f a a f a f a f a f a f a a f a f a ∈∴∃∈==⇒=⇒==∴12121212证明：设b ,b B,且g(b )=g(b )因是满射,A,使得b b 即有g()=g()g 是单射 即b b g 是单射习题 5.2解答1. 检验以下集合对所规定的代数运算是否作成数域上F 的线性空间.{}{}{}{}()|,()|,()|0,()|0n n n ij n ij i j a i j a 1) S=A M F A =A T=A M F A =-A U=A M F 时 L=A M F 时'∈'∈∈>=∈<=∴解S ，T ，U ，L 分别对称矩阵、反对称矩阵、上三角矩阵和下三角矩阵，所以S 、T 、U 、L 都非空，又根据其相应性质知，S 、T 、U 、L 中的元素关于矩阵的加法与F 中的数与矩阵的乘法都封闭，S 、T 、U 、L 都作成数域F 上的线性空间。
线性代数第四版答案
第一章行列式1利用对角线法则计算下列三阶行列式(1)解2(4)30(1)(1)1180132(1)81(4)(1)2481644(2)解acb bac cba bbb aaa ccc3abc a3b3c3(3)解bc2ca2ab2ac2ba2cb2(a b)(b c)(c a)(4)解x(x y)y yx(x y)(x y)yx y3(x y)3x33xy(x y)y33x2y x3y3x32(x3y3)2按自然数从小到大为标准次序求下列各排列的逆序数(1)1 2 3 4解逆序数为0(2)4 1 3 2解逆序数为441 43 42 32(3)3 4 2 1解逆序数为5 3 2 3 1 4 2 4 1, 2 1(4)2 4 1 3解逆序数为3 2 1 4 1 4 3(5)1 3 (2n1) 2 4 (2n)解逆序数为3 2 (1个)5 2 5 4(2个)7 2 7 4 7 6(3个)(2n1)2(2n1)4(2n1)6(2n1)(2n2) (n1个)(6)1 3 (2n1) (2n) (2n2) 2解逆序数为n(n1)3 2(1个)5 2 5 4 (2个)(2n1)2(2n1)4(2n1)6(2n1)(2n2) (n1个)4 2(1个)6 2 6 4(2个)(2n)2 (2n)4 (2n)6 (2n)(2n2) (n1个) 3写出四阶行列式中含有因子a11a23的项解含因子a11a23的项的一般形式为(1)t a11a23a3r a4s其中rs是2和4构成的排列这种排列共有两个即24和42所以含因子a11a23的项分别是(1)t a11a23a32a44(1)1a11a23a32a44a11a23a32a44(1)t a11a23a34a42(1)2a11a23a34a42a11a23a34a424计算下列各行列式(1)解(2)解(3)解(4)解abcd ab cd ad1 5证明:(1)(a b)3;证明(a b)3(2);证明(3);证明(c4c3c3c2c2c1得)(c4c3c3c2得)(4)(a b)(a c)(a d)(b c)(b d)(c d)(a b c d);证明=(a b)(a c)(a d)(b c)(b d)(c d)(a b c d)(5)x n a1x n1a n1x a n证明用数学归纳法证明当n2时命题成立假设对于(n1)阶行列式命题成立即D n1x n1a1x n2a n2x a n1则D n按第一列展开有xD n1a n x n a1x n1a n1x a n因此对于n阶行列式命题成立6设n阶行列式D det(a ij), 把D上下翻转、或逆时针旋转90、或依副对角线翻转依次得证明D3D证明因为D det(a ij)所以同理可证7计算下列各行列式(D k为k阶行列式)(1), 其中对角线上元素都是a未写出的元素都是0解(按第n行展开)a n a n2a n2(a21)(2);解将第一行乘(1)分别加到其余各行得再将各列都加到第一列上得[x(n1)a](x a)n1(3);解根据第6题结果有此行列式为范德蒙德行列式(4);解(按第1行展开)再按最后一行展开得递推公式D2n a n d n D2n2b nc n D2n2即D2n(a n d n b n c n)D2n2于是而所以(5) D det(a ij)其中a ij|i j|;解a ij|i j|(1)n1(n1)2n2(6), 其中a1a2a n0解8用克莱姆法则解下列方程组(1)解因为所以(2)解因为所以9问取何值时齐次线性方程组有非零解？解系数行列式为令D0得0或1于是当0或1时该齐次线性方程组有非零解10问取何值时齐次线性方程组有非零解？解系数行列式为(1)3(3)4(1)2(1)(3)(1)32(1)23令D0得02或3于是当02或3时该齐次线性方程组有非零解第二章矩阵及其运算1已知线性变换求从变量x1x2x3到变量y1y2y3的线性变换解由已知故2已知两个线性变换求从z1z2z3到x1x2x3的线性变换解由已知所以有3设求3AB2A 及A T B解4计算下列乘积(1)解(2)解(132231)(10) (3)解(4)解(5)解(a 11x 1a 12x 2a 13x 3a 12x 1a 22x 2a 23x 3a 13x 1a 23x 2a 33x 3)5 设 问(1)AB BA 吗? 解 ABBA因为 所以AB BA(2)(A B )2A 22AB B 2吗? 解 (AB )2A 22AB B 2因为但所以(A B)2A22AB B2(3)(A B)(A B)A2B2吗?解(A B)(A B)A2B2因为而故(A B)(A B)A2B26举反列说明下列命题是错误的(1)若A20则A0解取则A20但A0(2)若A2A则A0或A E解取则A2A但A0且A E(3)若AX AY且A0则X Y解取则AX AY且A0但X Y7设求A2A3A k解8设求A k解首先观察用数学归纳法证明当k2时显然成立假设k时成立，则k1时，由数学归纳法原理知9设A B为n阶矩阵，且A为对称矩阵，证明B T AB也是对称矩阵证明因为A T A所以(B T AB)T B T(B T A)T B T A T B B T AB从而B T AB是对称矩阵10设A B都是n阶对称矩阵，证明AB是对称矩阵的充分必要条件是AB BA证明充分性因为A T A B T B且AB BA所以(AB)T(BA)T A T B T AB即AB是对称矩阵必要性因为A T A B T B且(AB)T AB所以AB(AB)T B T A T BA11求下列矩阵的逆矩阵(1)解 |A|1故A1存在因为故(2)解|A|10故A1存在因为所以(3)解 |A|20故A1存在因为所以(4)(a1a2a n0)解由对角矩阵的性质知12解下列矩阵方程(1)解(2)解(3)解(4)解13利用逆矩阵解下列线性方程组(1)解方程组可表示为故从而有(2)解方程组可表示为故故有14设A k O(k为正整数)证明(E A)1E A A2A k1证明因为A k O所以E A k E又因为E A k(E A)(E A A2A k1)所以(E A)(E A A2A k1)E由定理2推论知(E A)可逆且(E A)1E A A2A k1证明一方面有E(E A)1(E A)另一方面由A k O有E(E A)(A A2)A2A k1(A k1A k)(E A A2A k1)(E A)故(E A)1(E A)(E A A2A k1)(E A)两端同时右乘(E A)1就有(E A)1(E A)E A A2A k115设方阵A满足A2A2E O证明A及A2E都可逆并求A1及(A2E)1证明由A2A2E O得A2A2E即A(A E)2E或由定理2推论知A可逆且由A2A2E O得A2A6E4E即(A2E)(A3E)4E或由定理2推论知(A2E)可逆且证明由A2A2E O得A2A2E两端同时取行列式得|A2A|2即|A||A E|2故|A|0所以A可逆而A2E A2 |A2E||A2||A|20故A2E也可逆由A2A2E O A(A E)2EA1A(A E)2A1E又由A2A2E O(A2E)A3(A2E)4E(A2E)(A3E) 4 E所以(A2E)1(A2E)(A3E)4(A 2 E)116设A为3阶矩阵求|(2A)15A*|解因为所以|2A1|(2)3|A1|8|A|1821617设矩阵A可逆证明其伴随阵A*也可逆且(A*)1(A1)*证明由得A*|A|A1所以当A可逆时有|A*||A|n|A1||A|n10从而A*也可逆因为A*|A|A1所以(A*)1|A|1A又所以(A*)1|A|1A|A|1|A|(A1)*(A1)*18设n阶矩阵A的伴随矩阵为A*证明(1)若|A|0则|A*|0(2)|A*||A|n1证明(1)用反证法证明假设|A*|0则有A*(A*)1E由此得A A A*(A*)1|A|E(A*)1O所以A*O这与|A*|0矛盾，故当|A|0时有|A*|0(2)由于则AA*|A|E取行列式得到|A||A*||A|n若|A|0则|A*||A|n1若|A|0由(1)知|A*|0此时命题也成立因此|A*||A|n119设AB A2B求B解由AB A2E可得(A2E)B A故20设且AB E A2B求B解由AB E A2B得(A E)B A2E即(A E)B(A E)(A E)因为所以(A E)可逆从而21设A diag(12 1)A*BA2BA8E求B 解由A*BA2BA8E得(A*2E)BA8EB8(A*2E)1A18[A(A*2E)]18(AA*2A)18(|A|E2A)18(2E2A)14(E A)14[diag(21 2)]12diag(12 1)22已知矩阵A的伴随阵且ABA1BA13E求B解由|A*||A|38得|A|2由ABA1BA13E得AB B3AB3(A E)1A3[A(E A1)]1A23设P1AP其中求A11解由P1AP得A P P1所以A11 A=P11P1.|P|3而故24设AP P其中求(A)A8(5E6A A2)解()8(5E62)diag(1158)[diag(555)diag(6630)diag(1125 )]diag(1158)diag(1200)12diag(100)(A)P()P125设矩阵A、B及A B都可逆证明A1B1也可逆并求其逆阵证明因为A1(A B)B1B1A1A1B1而A1(A B)B1是三个可逆矩阵的乘积所以A1(A B)B1可逆即A1B1可逆(A1B1)1[A1(A B)B1]1B(A B)1A 26计算解设则而所以即27取验证解而故28设求|A8|及A4解令则故29设n阶矩阵A及s阶矩阵B都可逆求(1)解设则由此得所以(2)解设则由此得所以30求下列矩阵的逆阵(1)解设则于是(2)解设则第三章矩阵的初等变换与线性方程组1把下列矩阵化为行最简形矩阵(1)解(下一步r2(2)r1r3(3)r1 ) ~(下一步r2(1)r3(2) )~(下一步r3r2 )~(下一步r33 )~(下一步r23r3 )~(下一步r1(2)r2r1r3 )~(2)解(下一步r22(3)r1r3(2)r1 )~(下一步r3r2r13r2 )~(下一步r12 )~(3)解(下一步r23r1r32r1r43r1 )~(下一步r2(4)r3(3) r4(5) )~(下一步r13r2r3r2r4r2 )~(4)解(下一步r12r2r33r2r42r2 ) ~(下一步r22r1r38r1r47r1 ) ~(下一步r1r2r2(1)r4r3 )~(下一步r2r3 )~2设求A解是初等矩阵E(12)其逆矩阵就是其本身是初等矩阵E(1 2(1))其逆矩阵是E(1 2(1))3试利用矩阵的初等变换求下列方阵的逆矩阵(1)解~~~~故逆矩阵为(2)解~~~~~故逆矩阵为4(1)设求X使AX B解因为所以(2)设求X使XA B解考虑A T X T B T因为所以从而5设AX2X A求X解原方程化为(A2E)X A因为所以6在秩是r的矩阵中,有没有等于0的r1阶子式? 有没有等于0的r阶子式?解在秩是r的矩阵中可能存在等于0的r1阶子式也可能存在等于0的r阶子式例如R(A)3是等于0的2阶子式是等于0的3阶子式7从矩阵A中划去一行得到矩阵B问A B的秩的关系怎样?解R(A)R(B)这是因为B的非零子式必是A的非零子式故A的秩不会小于B的秩8求作一个秩是4的方阵它的两个行向量是(1 0 1 0 0) (11 0 0 0)解用已知向量容易构成一个有4个非零行的5阶下三角矩阵此矩阵的秩为4其第2行和第3行是已知向量。
高等代数第四章及其习题答案
α b11
A1 0
= B1 0
β a11b11 a11β + α B1
A1 B1
，
为上三角形矩阵， 由归纳法假设知 A1 B1 为上三角形矩阵，故 AB 为上三 角形矩阵。 角形矩阵。
2）设 A = ( aij ) 为一可逆的上三角形矩阵，则 ） 为一可逆的上三角形矩阵， nn
= ε iT A j L 0 L L L 0 L a jn i 行 . L 0 L L L 0
0 M 0 a1i AEij = ( B1 , L , Bn ) ε j = Bi ε j = M ( 0, L , 0,1, 0, L , 0 ) a 0 ni M 0 0 0 = L 0 L L L 0 0 0 a1i a2 i L ani 0 L L 0 . L L L 0 L 0 0 L
T
y1 n T T 2 ( Ax) Ax = y y = ( y1 ,L, yn ) M = ∑ yi = 0, y i =1 n
从而 yi = 0, i = 1, L, n , 即 y = Ax = 0 ，由
x 的任意性知 Aε j = 0, j = 1,L , n ，其中
为数量矩阵. 为数量矩阵 级矩阵可交换， 注：因 A 与所有 n 级矩阵可交换，故 A 一定与 可交换， E i j ( i , j = 1, L , n ) 可交换，于是 AEij = Eij A.
10、已知 A为实对称矩阵 且 A2 = 0 , 不妨设 A = aij 、 为实对称矩阵, 阶矩阵， 为 n 阶矩阵， = x
T
( )
nn
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高等代数第四版习题答案
高等代数是数学中的一门重要课程，它涉及到许多抽象的概念和复杂的运算。
对于学习者来说，理解和掌握高等代数的知识是非常重要的。
而《高等代数第
四版》是一本经典的教材，它为学生提供了大量的习题，帮助他们巩固所学的
知识。
在本文中，我们将探讨《高等代数第四版》中一些习题的答案，以帮助
读者更好地理解和应用高等代数的概念。
第一章：线性方程组
在高等代数中，线性方程组是一个重要的概念。
它涉及到向量、矩阵和线性变
换等内容。
在《高等代数第四版》的第一章中，我们可以找到一些关于线性方
程组的习题。
这些习题涉及到方程组的解的存在性、唯一性和可解性等问题。
通过解答这些习题，我们可以更好地理解线性方程组的性质和解的特点。
第二章：向量空间
向量空间是高等代数中的另一个重要概念。
它涉及到向量的线性组合、子空间
和基等内容。
在《高等代数第四版》的第二章中，我们可以找到一些关于向量
空间的习题。
这些习题涉及到向量的线性相关性、线性无关性和基的选择等问题。
通过解答这些习题，我们可以更好地理解向量空间的性质和基的选择方法。
第三章：线性变换
线性变换是高等代数中的一个重要概念。
它涉及到线性变换的定义、矩阵表示
和特征值等内容。
在《高等代数第四版》的第三章中，我们可以找到一些关于
线性变换的习题。
这些习题涉及到线性变换的性质、矩阵表示的计算和特征值
的求解等问题。
通过解答这些习题，我们可以更好地理解线性变换的性质和计
算方法。
第四章：特征值和特征向量
特征值和特征向量是高等代数中的一个重要概念。
它涉及到矩阵的特征方程、特征值的计算和特征向量的求解等内容。
在《高等代数第四版》的第四章中，我们可以找到一些关于特征值和特征向量的习题。
这些习题涉及到特征值的计算、特征向量的求解和特征空间的性质等问题。
通过解答这些习题，我们可以更好地理解特征值和特征向量的概念和性质。
通过解答《高等代数第四版》中的习题，我们可以更好地理解和应用高等代数的概念。
这些习题涉及到线性方程组、向量空间、线性变换和特征值等内容。
通过解答这些习题，我们可以加深对高等代数知识的理解，并提高解决实际问题的能力。
因此，对于正在学习高等代数的读者来说，《高等代数第四版》中的习题答案是非常有价值的参考资料。
总之，高等代数是一门重要的数学课程，理解和掌握高等代数的知识对于学生来说是非常重要的。
通过解答《高等代数第四版》中的习题，我们可以更好地理解和应用高等代数的概念和方法。
希望本文对读者在学习高等代数时有所帮助。