线性代数II-chapter5(1-2)

合集下载

第一篇 线性代数 第五章

第一篇  线性代数  第五章

线性变换可用系数矩阵来表示。例如线性变换(5-2-1)可以写成
= x1

x2

c11 c12 L c21 c22 L
M L L L

xn
cn1 cn2 L
c1n y1
c2
n


y2

L M
cnn yn
第五章 二次型
5.1 二次型的概念及其矩阵表示
定义1 含有 n 个变量 x1, x2 , … ,xn 的二次齐次函数
f (x1, x2 ,L , xn ) a11x12 a22 x22 L ann xn2
2a12 x1x2 L 2a1n x1xn
2a23x2 x3 L 2a2n x2 xn
d1 y12

d
2
y
2 2


d
n
y
2 n
则称 g y1, y2,L , yn 为 f (x1, x2 ,L , xn ) 的一个标准形.
对于二次型,我们讨论的主要问题是:寻求可逆的线性变换
x1 c11 c12 L

x2

=
c21
c22
L
M L L L
xn
5.2 二次型的标准形 5.2.1二次型的标准形 在平面解析几何中,为了便于研究二次曲线
ax2 2bxy cy 2 1
的几何性质,往往采用通过坐标变换化成标准形
ax2 by2 1
的方法.根据标准形就可以作出曲线形状的判断,以及得到诸如 圆的半径,椭圆的长半轴、短半轴等数据.
要写成矩阵形式,需把 x1x2 ,6x2 x3 ,16 x1x3 这些项分别改写成

线性代数第五章知识要点

线性代数第五章知识要点
1) 对应于不同特征值的特征向量是线性无 关的. 关的
2) 对应于同一个特征值的特征向量的非零线 性组合仍是该特征值的特征向量. 性组合仍是该特征值的特征向量
3. 相似矩阵 (1) 定义 7 设 A、B 都是 n 阶方阵 若有可 阶方阵,若有可 、
逆方阵 P , 使 P-1AP = B , 相似矩阵, 或说矩阵 相似, 则称 B 是 A 的相似矩阵 或说矩阵 A 与 B 相似 记作 A ~ B.
准形(或法式) 准形(或法式).
(3) 化二次型为标准形 1) 任给可逆矩阵 令 B = CTAC,如果 A 为 任给可逆矩阵C, 如果
对称矩阵, 亦为对称矩阵, 对称矩阵 则 B 亦为对称矩阵 且 R(B) = R(A).
2) 任给实二次型 f =
i,j =1
∑a
n
ij
xi x j ( aij = a ji ),
2) 若
λ1 λ2 A~Λ = O λn
个特征值. 则 λ1 , λ2 , … , λn 是 A 的 n 个特征值
3) 若 A = PBP-1 , 则 Ak = PBkP-1 ;
ϕ(A) = Pϕ(B)P-1 .
特别地, 特别地 若有可逆矩阵 P , 使 P-1AP = Λ 为对 角矩阵, 角矩阵 则有 Ak = PΛkP-1 ; ϕ(A) = Pϕ(Λ)P-1 .
> 0.
二、基本要求与重点、难点 基本要求与重点、
这一章的重点是特征值与特征向量的概念 与求法, 与求法,矩阵与对角矩阵相似的条件及把矩阵 化为相似对角矩阵的方法;化二次型为标准形; 化为相似对角矩阵的方法;化二次型为标准形; 正定二次型的判定. 正定二次型的判定
难点是化矩阵为相似对角矩阵的方法;惯 是化矩阵为相似对角矩阵的方法;

线性代数课件(完整版)同济大学

线性代数课件(完整版)同济大学

a11 a12 a13
a21 a22 a23
引进记号
a31 a32 a33
原则:横行竖列
主对角线 a11 a12 a13
a21 a22 a23 a11a22a33 a12a23a31 a13a21a32
副对角线 a31 a32 a33
a13a22a31 a12a21a33 a11a23a32
p1 p2 L pn
4. 当 p1 p2 L是p偶n 排列时,对应的项取正号; 当 p1 p2 L是奇pn排列时,对应的项取负号.
思考题: 1 1成立吗? 答:符号 1可以有两种理解: ✓若理解成绝对值,则 1 ;1 ✓若理解成一阶行列式,则 1 . 1
注意:当n = 1时,一阶行列式|a| = a,注意不要与 绝对值的记号相混淆. 例如:一阶行列式 1 1 .
线性代数(第五版)
在以往的学习中,我们接触过二 元、三元等简单的线性方程组.
但是,从许多实践或理论问题里 导出的线性方程组常常含有相当 多的未知量,并且未知量的个数 与方程的个数也不一定相等.
我们先讨论未知量的个数与方程 的个数相等的特殊情形. 在讨论这一类线性方程组时,我 们引入行列式这个计算工具.
例:写出四阶行列式中含有因子a11a的23 项.
解:a11a23a32a44 和 a11a23a34a42 .
例:计算行列式
a11 0 0 0
0 D1 0
a22 0 0 a33
0 0
0 0 0 a44
0 0 0 a14
0 D2 0
0 a23 a32 0
0 0
a41 0 0 0
a11 a12 a13 a14
(a a a a )x a b b a

线代第五章

线代第五章
数,它就是二次型的特例. 对于二次型,其标准形式问题在许多理论
和实际问题中多会出现.
Def 5.1 含n个变量的二次齐次函数 f (x1, x2,, xn ) a11x12 2a12x1x2 2a13x1x3 2a1n x1xn a22x22 2a23x2 x3 2a2n x2 xn ann xn2
性函数.
当给定了二次型f时, 要求能准确写出其 对应的实对称矩阵A:A中对角线上的 元素a11, a22, …, ann依次为 x12 , x22 ,, xn2 的系数;对于i j, aij = aji为xixj的系数的 一半, i, j = 1, 2, …, n.
例5.1 设二次型 f 2x12 5x22 6x2 x3 x1x3
2(x1 x2 x3)2 2(x22 x32 2x2 x3) 5x22 5x32 8x2 x3
再对x2进行配方,得
f
2(x1 x2
x3 )2
3
x22
4 3
x2
x3
3x32

2( x1
x2
x3 )2
3
x2
2 3
x3
2
5 3
x32
y1 x1 x2 x3
2
y2
对于任意的二次型f = xTAx, 主要关心的 是二次型的标准化问题:找出一个可逆 的线性变换x = Py,将其化成只含有平 方项的标准二次型
f k1 y12 k2 y22 kn yn2
称式(5.7)为二次型f = xTAx的标准形.
二次型f = xTAx的规范形.
很容易将二次型的标准形进一步化成规 范形. 因此,我们主要考虑如何将二次 型的标准化的问题.
二次型的标准形.
例5.2 用配方法求二次型 f 2x12 5x22 5x32 4x1x2 4x1x3 8x2 x3

线性代数吴赣昌第五版1-2

线性代数吴赣昌第五版1-2
a11a22 ann .
对角行列式
1 2

12 n ;
n
1
n n1 2
2

1
12 n .
n
三、对换
定义5 在排列中,将任意两个元素对调,其余 元素不动,这种作出新排列的方法叫做 对换.
将相邻两个元素对调,叫做相邻对换. 例如
a1 al a b b b1 bm a1 al b ba a b1 bm
当 a b时,
经对换后 a 的逆序数增加1 ,
当 a b时,
b 的逆序数不变;
b 的逆序数减少1. 经对换后 a 的逆序数不变 ,
因此对换相邻两个元素,排列改变奇偶性. 设排列为 a1 al ab1 bm bc1 cn 现来对换 a 与 b .
a1 al a b1 bm b c1 cn
2 1 7 9 8 6 3 5 4
0 10 0 1 3 4 4 5
t 0 1 0 0 1 3 4 4 5
18
此排列为偶排列.
2 nn 1n 2321

n 1 n n 1 n 2 321 n 2
D 1 ai11ai2 2 ainn
N
N 记 D1 1 a1 j a2 j
1 2
anjn
t
1 2 n
对于D中任意一项
1 a1 p a2 p anp ,
s
总有且仅有 D1 中的某一项 1 aq1 1aq2 2 aqnn ,
与之对应并相等; 反之, 对于 D1 中任意一项
1的前面比1大的数有3个,故逆序数为3;
4的前面比4大的数有1个,故逆序数为1; 3 2 5 1 4 0 1 0 3 1 于是排列32514的逆序数为

线性代数 第五章二次型PPT课件

线性代数 第五章二次型PPT课件
an1
f xAx
a12
a1n x1
a22
a2n
x2
an1
ann xn
aij a ji
二次型 f
对称矩阵 A
对称矩阵 A 的秩定义为二次型 f 的秩
设 二 次 型 f 3 x 1 2 6 x 1 x 2 8 x 1 x 3 5 x 2 2 x 2 x 3 x 3 2 求 f的 矩 阵 A ,当 x 1 = 3 , x 2 = 1 , x 3 = - 2时 , 求 f的 值 。
1 2 1
得特征值
1 10
2 15
可求得的单位特征向量顺次为
0.6
e1
0.8
0 .8
e2
0 .6
P
0.6 0.8
0.8
0.6
经 正 交 变 换 xPy,
f 10y1 215y2 2
1 2 4
A
2
4
2
,
4 2 1
x1
x
x2
x3
试用正交变换化二次型
e2
2 2
( 1 ,0, 2
1 ) 2
e3
3 3
( 2,2 2, 2) 63 6
2
3
1 2
2
6
作正交变换
Pe1
e2
e3
1
3
2
3
0
2
2
(x 1 ,x 2 ,x 3 ) P (y 1 ,y 2 ,y 3 )
设B为n阶方阵, 求证f xBx的矩阵是A 1 (B B)
显然A是对称矩阵,xRn xAx1(xBx2xBx) 2
xBx(xBx) xBx xAx1(xBxxBx)xBx

线性代数(第五版)课件


二阶行列式的计算 ——对角线法则
主对角线 副对角线
a11 a21
a12 a22
a11a22
a12a21
即:主对角线上两元素之积-副对角线上两元素之积
二元线性方程组
aa1211
x1 x1
a12 a22
x2 x2
b1 b2
若令
D a11 a12 (方程组的系数行列式) a21 a22
D1
b1 b2
(a11a22 a a12 21 ) x2 a11b2 b1a21
当a a11 22 a12a时21,该0方程组有唯一解
ba a b
1 22
12 2
x 1
a a a a 11 22
12 21
a b ba
11 2
1 21
x 2
a a a a 11 22
12 21
二元线性方程组
a11 a21
对于n 个不同的元素,可规定各元素之间的标准次序. n 个不同的自然数,规定从小到大为标准次序.
定义 当某两个元素的先后次序与标准次序不同时, 就称这两个元素组成一个逆序.
例如 在排列32514中, 逆序
32514
逆序 逆序 思考题:还能找到其它逆序吗? 答:2和1,3和1也构成逆序.
定义 排列中所有逆序的总数称为此排列的逆序数.
a12 a22
D2
a11 a21
b1 b2
则上述二元线性方程组的解可表示为
x1
b1a22 a11a22
a12b2 a12a21
D1 D
x2
a11b2 a11a22
b1a21 a12a21
D2 D
例1
求解二元线性方程组

第5章_线性代数PPT课件

9/16
2、符号矩阵的其他运算 (1)转置运算:transpose >> B=sym('[a,b;c,d]'); >> B' [ conj(a), conj(c)] [ conj(b), conj(d)]
>> transpose(B) [ a, c] [ b, d]
10/16
(2)行列式运算:det(A) (3)求逆运算:inv(A)或A^(-1) (4)求秩运算:rank(A) (5)求特征值运算:[V,D]=eig(A) >> A=sym('[1,2;3,4]') >> eig(A)
(7)约当标准型运算:[B,C]=jordan(A)
12/16
3、符号代数线性方程(组)的求解 例:求解方程ax2 bx c 0。
>> f='a*x^2+b*x+c'; >> solve(f) ans = [ 1/2/a*(-b+(b^2-4*a*c)^(1/2))] [ 1/2/a*(-b-(b^2-4*a*c)^(1/2))]
8/16
四、符号矩阵运算
1、符号矩阵的四则运算 符号矩阵的四则运算与幂运算可直接用:
+、-、*、.*、/、./、\、.\、^、.^实现。
>> B=sym('[a,b;c,d]'); >> C=sym('[x,y;z,w]'); >> B*C ans = [ a*x+b*z, a*y+b*w] [ c*x+d*z, c*y+d*w]
7 10 A * A 15 22

线性代数(同济大学第五版)第五章


十、化二次型为标准形
定理1: 任给可逆矩阵C, 令B=CTAC(A与B为合同 矩阵), 如果A为对称矩阵, 则B也为对称矩阵. 说明1: 若A与B是合同矩阵,则: 1.正(负,零) 特征值的个数相同,2.具有相同的秩. 说明2: 二次型 f 经可逆变换 x=Cy 后, 其秩不变, 但 f 的矩阵由A变为B=CTAC; 用正交变换化二次型为标准形的具体步骤: 1. 将二次型表示成矩阵形式 f = xTAx, 求出A; 2. 求出A的所有特征值1, 2, ·, n ; · · 3. 求出对应特征值i 的正交单位化的特征向量组, 从而有正交规范向量组 1, 2, ·, n ; · · 4. 记P=(1, 2, ·, n ), 作正交变换x=Py, 则得 f 的 · · 标准形: f = 1y12+2y22+·+nyn2 . · ·
十二、正定二次型
如果对任意的 x 0, 都有 f(x)>0, 则称 f 为正定 二次型, 并称对称矩阵A为正定矩阵; 如果对任意的 x 0, 都有 f(x)<0, 则称 f 为负定 二次型, 并称对称矩阵A为负定矩阵. 概念:正惯性指数,负惯性指数 推论: 对称矩阵A为正定的充分必要条件是A的特 征值全为正. 定理3(霍尔维茨定理): (1)对称矩阵A为正定的充 分必要条件是A的各阶主子式为正, 即
七、相似矩阵
P-1AP = B 定理1: 若n阶矩阵A与B相似, 则A与B的特征多项 式相同, 从而A与B的特征值亦相同. 推论: 若n阶方阵A与对角阵=diag(1, 2,·, n ) · · 相似, 则1, 2,·, n 既是A的n个特征值. · · 相似矩阵的性质: 若A与B相似, 则Am与Bm相似(m为正整数). (A)与 (B) 相似 当矩阵A与对角阵=diag(1, 2,·, n )相似时, · · 则 (A)= P()P-1. 而

线性代数第5章课件资料

第五章
特征值与二次型
第五章主要内容
第一节 向量的内积 第二节 方阵的特征值与特征向量 第三节 相似矩阵 第四节 化二次型为标准型 第五节 正定二次型
第一节 向量的内积
定义1 设有n 维向量
x1
y1
x = x2 , y = y2
....
xn
yn
令 [x,y] = x1 y1+ x2 y2 +…+ xn yn, 则 [x,y] 称为向量x与 y 的 内积
(2) [x, y] = (-2) 3 1(-6) 0 8 3 4 = 0
若x, y, z为n维实向量, 为实数,内积的性质为:
(i) [ x, y] = [ y, x],
(ii) [ x, y] = [ x, y],
(iii) [ x y, z] = [x, z] [ y, z]. (iiii) [ x, x] 0,当且仅当x = 0时, [ x, x] = 0.
(1)式也可写成 (A- E) x = 0 (2)
a11 - a12
a1n
行列式 f ( ) = A - E = a21 a22 -
a2n
an1
an2
称为方阵 A 的特征多项式.
ann -
方程 f ( ) = A - E = 0是以为未知数的一元
n次方程,称为n 阶矩阵A的特征方程。
显然, A 的特征值就是特征方程的解.特征方程在复 数范围内恒有解,其个数为方程的次数(重根按重数计算), 因此,n 阶方阵有 n 个特征值.
1
1
正交,试求一个非零向量a3,使a1, a2 , a3两两正交。
解记
A=
α1' a2'
=
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

that is, f =
( 2 ) Find eigenvalues λ1 , λ2 , , λn of A; ( 3) Find corresponding eigenvectors β1 , β 2 , , βi of
r
i , j =1

n
aij xi x j = xT Ax, where AT = A
a11 a21 = ( x1 , x2 , , xn ) an1
where A = A is a symmetric matrix.
T
Example 1
Express the following quadratic form into a matrix form
2 2 f ( x1 , x2 , x3 ) = 3 x12 + x2 x3 + 2 x1 x2 x1 x3 + 4 x2 x3
Chapter 5 A quadratic form
§5.1-5.2 A quadratic form and its standard form §5.3 A positive definite quadratic form
New Words
A quadratic form 二次型 A standard form 标准型 Congruence 合同, 全等 合同,
λ 2
then λE A = 0 0
0 0 2 λ 3 1 = (λ 2)(λ 4) 1 λ 3
So the eigenvalues of A are λ1 = 2, λ2 = λ3 = 4.
To find an eigenvector corresponding to eigenvalue
2. The congruence of matrices
Definition 2 For given n × n matrices A and B, if there is an invertible
matrix P, such that PT AP = B then A is congruence to B, denoted by A B.
T
For λ2 = λ3 = 4, we solve the homogeneous linear system of equations that is
( 4 E A) x = 0,
0 0 0 x1 0 1 1 x2 = 0, 0 1 1 x 3
we obtain a set of vectors α 2 = (1, 0, 0 ) , α 3 = ( 0,1,1)
The proof of the above theorem is straightforward and is provided here for the interested students.
Procedures to change a quadratic form into the standard form by an orthogonal transformation (1) Rewrite the quadratic form into the matrix form;
Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱlution
Since 1 f ( x1 , x2 , x3 ) = 3 x + x1 x2 x1 x3 2 2 +x2 x1 + x2 + 2 x2 x3
2 1
1 2 x3 x1 + 2 x3 x2 x3 2
thus, 3 f ( x1 , x2 , x3 ) = ( x1 , x2 , x3 ) 1 1 2 1 1 2 x1 1 2 x2 x 2 1 3
2 2 f ( x1 , x2 , , xn ) = a11 x12 + a22 x2 + + ann xn
+ 2a12 x1 x2 + 2a13 x1 x3 + 2a1n x1 xn + 2a23 x2 x3 + + 2an 1,n xn 1 xn is called a quadratic form.
T
T
is a maximal set of linearly independent eigenvectors corresponding to eigenvalue λ2 = λ3 = 4, then we take nuit eignvectors α2 T p2 = = (1, 0, 0 ) , α2

n
aij xi x j = xT Ax,
there is an orthogonal transformation x = Py ( P is an orthogonal matrix) such that
2 2 2 f = xT Ax = y T PT AP y = λ1 y1 + λ2 y2 + + λn yn
α3 2 2 p3 = = 0, , , α3 2 2
thus, under the orthogonal transformation
T
0 x1 2 x2 = 2 x 3 2 2 we have
1 0 0
0 y1 2 y2 , 2 y3 2 2 f = 2y + 4y + 4y
( 4)
every eigenvalue λi ;
Orthogonalize eigenvectors β1 , β 2 , , βir using
the Gram-Schmidt Method;
( 5) Obtain a orthonormal eigenvectors ξ1 , ξ 2 , , ξ n
Notations
(1) If aij = a ji (i, j = 1,2,, n ), then 2 f (x1 , x2 , , xn ) = a11 x1 + a12 x1 x2 + + a1n x1 xn
2 + a21 x2 x1 + a22 x2 + + a2 n x2 xn
+
2 + an1 xn x1 + an 2 xn x2 + + ann xn n
where λ1 , λ2 , , λn are eignvalues of A,
(
)
if let
P = ( p1 , p2 , , pn ),
then p1 , p2 , , pn are eignvectors of A corresponding to λ1 , λ2 , , λn , respectively.
T
there is an invertible matrix C such that B = C T AC , that is A B
3. The standard form of a quadratic form
Definition 3
2 2 The quadratic form f = d1 y12 + d 2 y2 + + d n yn is
Example 2
Transform a quadratic form
2 2 f = 4 x12 + 3 x2 + 3 x3 + 2 x2 x3
into the standard form.
4 0 0 The matrix of f is A = 0 3 1 , 0 1 3
Solution
=
i , j =1
∑a x x
ij i
j
(2) We can write the quadratic form into a matrix form,
f (x1 , x2 , , xn ) = x1 (a11 x1 + a12 x2 + + a1n xn ) that is + x2 (a21 x1 + a22 x2 + + a2 n xn ) + + xn (an1 x1 + an 2 x2 + + ann xn ) a11 x1 + a12 x2 + + a1n xn a21 x1 + a22 x2 + + a2 n xn = (x1 , x2 , , xn ) a x + a x ++ a x n2 2 nn n n1 1
Notations
(1) Obviously, the following properties are satisfied
(I) A A; (II) If A B, then B A; (III) If A B, B C , then A C.
2 ) The quadratic form f = xT Ax can be changed into ( f = y By, under the linear transformation x = Cy
to get a solution α1 = k1 ( 0,1, 1) , which is all
T
eigenvectors corresponding to eigenvalue λ1 = 2, then we take an unit eigenvector, 2 2 α1 p1 = = 0, 2 , 2 , α1
called the standard form.
Notations
(1) To change the quadratic form
f = xT Ax into the satndard form
2 2 2 f = d1 y1 + d 2 y2 + + d n yn
相关文档
最新文档