高等代数

第一章 行列式

1.1 二阶行列式

定义
A=abcd=adbc |A|=\begin{vmatrix}a&b\\c&d\\\end{vmatrix}=ad-bc

几何意义:二阶行列式的一半为三角形面积

1.2 三阶行列式

A=a11a12a13a21a22a23a31a32a33=(递归定义)a11a22a23a32a33+a21a12a13a32a33+a31a12a13a22a23=(组合定义)a11a22a33+a21a32a13+a31a12a23a11a32a23a21a12a33a31a22a13|A|= \begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&a_{13}\\ a_{21}&a_{22}&a_{23}\\ a_{31}&a_{32}&a_{33}\\ \end{vmatrix}\\ =(递归定义)a_{11} \begin{vmatrix} a_{22}&a_{23}\\ a_{32}&a_{33}\\ \end{vmatrix} +a_{21} \begin{vmatrix} a_{12}&a_{13}\\ a_{32}&a_{33}\\ \end{vmatrix} +a_{31} \begin{vmatrix} a_{12}&a_{13}\\ a_{22}&a_{23}\\ \end{vmatrix}\\ =(组合定义)a_{11}a_{22}a_{33}+a_{21}a_{32}a_{13}+a_{31}a_{12}a_{23} -a_{11}a_{32}a_{23}-a_{21}a_{12}a_{33}-a_{31}a_{22}a_{13}

几何意义:三阶行列式绝对值的六分之一为体积

1.3 n阶行列式

A=a11a12a1na21a22a2nan1an2ann=det(A) |A|= \begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&···&a_{1n}\\ a_{21}&a_{22}&···&a_{2n}\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ a_{n1}&a_{n2}&···&a_{nn}\\ \end{vmatrix}\\ =det(A)

ai,ja_{i,j}的余子式

ai,ja_{i,j}的代数余子式->递归定义det(A)det(A)

上三角行列式

下三角行列式

性质1 上(下)三角行列式的值等于其对角线元素之积

性质2 行列式某行或某列全为零,则行列式值等于零

性质3 用常数c乘以行列式的某一行或某一列,得到的行列式的值等于原行列式的c倍

性质4 交换行列式不同的两行(列),行列式的值改变符号

性质5 若行列式两行或两列成比例,则行列式的值等于零.特别,若行列式两行或两列相同,则行列式的值等于零

性质6 若行列式中某行(列)元素均为两项之和,则行列式可表示为两个行列式之和(行列式的拆分)

性质7 行列式的某一行(列)乘以某个数加到另一行(列)上,行列式的值不变

1.4 行列式的展开和转置

KroneckerKronecker符号
δij={1i=j0ij\delta_{ij}= \begin{cases} 1&i=j\\ 0&i \neq j\\ \end{cases}

定理 A|A|nn阶行列式,1r,sn1 \leq r,s \leq n,则i=1nairAis=δrsA\sum_{i=1}^{n} a_{ir}A_{is}=\delta_{rs} |A|
对偶形式:按某行展开

转置:AijT=AjiA^{T}_{ij}=A_{ji}

性质8 AT=A|A^{T}|=|A|

定理(CramerCramer法则) 若A0|A| \neq 0,则n元线性方程组有唯一解,xi=AiAx_{i}=\frac{A_{i}}{A},Ai|A_{i}|为把第i列换成b

1.5 行列式的计算

降阶法、递推法、求和法、提取因子法、拆分法
Vander Monde行列式
Vn=1x1x12x1n2x1n11x2x22x2n2x2n11xnxn2xnn2xnn1V_{n}= \begin{vmatrix} 1&x_1&x_1^2&···&x_1^{n-2}&x_1^{n-1}\\ 1&x_2&x_2^2&···&x_2^{n-2}&x_2^{n-1}\\ ·&·&·& &·&·\\ ·&·&·& &·&·\\ ·&·&·& &·&·\\ 1&x_n&x_n^2&···&x_n^{n-2}&x_n^{n-1}\\ \end{vmatrix}

1.6行列式的等价定义

常序排列、逆序排列
逆序对、逆序数N(p)N(p)
偶排列、奇排列

引理 对换排列pp中任意两个元素ki,kjk_i,k_j,排列pp的奇偶改变
引理 若n2n \geq 2,全排列集合SnS_n中,奇偶排列数量各占一半
命题 排列pp经过逆序数N§后得到常序排列

定理 A=k1,k2,,knSn(1)N(k1,k2,,kn)ak11ak22aknn|A|=\sum_{k_1,k_2,···,k_n \in S_n}(-1)^{N(k_1,k_2,···,k_n)}a_{k_11}a_{k_22}···a_{k_nn}

引理 设(i1,i2,,in),(j1,j2,,jn)Sn,ai1j1ai2j2ainjn(i_1,i_2,···,i_n),(j_1,j_2,···,j_n) \in S_n,a_{i_1j_1}a_{i_2j_2}···a_{i_nj_n} 在|A|中的符号为(1)N(i1,i2,,in)+N(j1,j2,,jn)(-1)^{N(i_1,i_2,···,i_n)+N(j_1,j_2,···,j_n)}

推论 按某列展开形成形如上述定理的行列式组合定义

1.7 Laplace定理

kk阶子式
kk阶子式的代数余子式

LaplaceLaplace定理 A|A|nn阶行列式,任取kk行(列),那么含于这kk行的全部kk阶子式与它们所对应的代数余子式的乘积之和等于A|A|.

引理 任一kk阶子式与其代数余子式之积的展开式的每一项都属于A|A|的展开式

第二章 矩阵

2.1 矩阵的概念

A=[a11a12a1na21a22a2nam1am2amn]A= \begin{bmatrix} a_{11}&a_{12}&···&a_{1n}\\ a_{21}&a_{22}&···&a_{2n}\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ a_{m1}&a_{m2}&···&a_{mn}\\ \end{bmatrix}

aijR(C)a_{ij} \in \mathbb{R(C)} 实(复)矩阵

aij,aij=0\forall a_{ij},a_{ij}=0,零矩阵,记为0m×n0_{m \times n}

m=nm=n,AA为方阵

主对角线

对角阵记为diag{a11,a22,ann}diag\{a_{11},a_{22}···,a_{nn}\}

单位阵,In=[100010001]I_n= \begin{bmatrix} 1&0&···&0\\ 0&1&···&0\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ 0&0&···&1\\ \end{bmatrix}

上三角阵 下三角阵

矩阵A=BA=B

行向量 (ai1,ai2,ai3ain)(a_{i1},a_{i2},a_{i3}···a_{in})

列向量 (a1ia2iani)\begin{pmatrix} a_{1i}\\ a_{2i}\\ ·\\ ·\\ ·\\ a_{ni} \end{pmatrix}

Mn(R)M_n(\mathbb R)nn阶实方阵构成的集合

映射:det:Mn(R)R,AA=det(A)det:M_n(\mathbb{R}) \rightarrow \mathbb{R},A \rightarrow |A|=det(A)

2.2 矩阵的运算

矩阵加法:交换律 结合律 零矩阵 负矩阵

矩阵数乘:数分配律 矩阵的分配律 数乘结合律 数乘单位元 数乘零元

矩阵乘法:Am×k,Bk×n,Cm×n,cij=r=1kairbrjA_{m \times k},B_{k \times n},C_{m \times n},c_{ij}=\sum_{r=1}^k a_{ir}b_{rj}

矩阵乘法不满足交换律,满足结合律 分配律 与数乘的相容性 单位元

矩阵的乘方:ArAs=Ar+s,(Ar)s=ArsA^rA^s=A^{r+s},(A^r)^s=A^{rs}

矩阵乘法一般不满足消去律、整性(两个不等于零的整数相乘不等于零)

矩阵的转置ATA^T:ATT=A,(A+B)T=AT+BT,(cAT)=cAT,(AB)T=BTATA^{TT}=A,(A+B)^T=A^T+B^T,(cA^T)=cA^ T,(AB)^T=B^TA^T

复矩阵的共轭A=(aij)m×n\overline{A}=(\overline{a_{ij}})_{m \times n}:A=A,A+B=A+B,cA=cA,AB=AB,AT=AT\overline{\overline{A}}=A,\overline{A+B}=\overline{A}+\overline{B},\overline{cA}=\overline{c}\overline{A},\overline{AB}=\overline{A}·\overline{B},\overline{A}^T=\overline{A^T}

2.3 方阵的逆阵

AB=BA=InAB=BA=I_nBBAA的逆阵,记为A1A^{-1}

非异阵(可逆阵) 奇异阵

只有对方阵才有逆阵的定义

非零方阵不一定有逆阵

一般而言,A1BBA1A^{-1}B \neq BA^{-1}

逆阵性质:

若A可逆,则逆阵唯一

A,BA,B,则ABAB也可逆,(AB)1=B1A1(AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}

推广:设A1,A2,,AmA_1,A_2,……,A_m均可逆,(A1A2Am)1=Am1A21A11(A_1A_2……A_m)^{-1}=A_m^{-1}……A_2^{-1}A_1^{-1}

AA可逆,c0c \neq 0,则cAcA仍可逆,(cA)1=c1A1(cA)^{-1}=c^{-1}A^{-1}

(AT)1=(A1)T(A^T)^{-1}=(A^{-1})^T

(A1)1=A(A^{-1})^{-1}=A

对可逆阵而言,乘法消去律成立

整性对可逆阵成立

伴随阵A=[A11A12A1mA21A22A2mAn1An2Anm]A^*= \begin{bmatrix} A_{11}&A_{12}&···&A_{1m}\\ A_{21}&A_{22}&···&A_{2m}\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ A_{n1}&A_{n2}&···&A_{nm}\\ \end{bmatrix}

引理 设AAnn阶方阵,AA=AA=AInAA^*=A^*A=|A|I_n

定理 设AAnn阶方阵,A0|A| \neq 0,则AA可逆,A1=1AAA^{-1}=\frac{1}{|A|}A^*

Cramer法则Cramer法则

定理 设A,BA,Bnn阶方阵,AB=AB|AB|=|A||B|

定理 AA可逆等价于A0|A| \neq 0AA奇异等价于A=0|A|=0

推论 若干矩阵相乘,其中一个不可逆,则相乘结果不可逆

A1=A1|A^{-1}|=|A|^{-1}

A,BA,Bnn阶方阵,若AB=InAB=I_n,或BA=InBA=I_n,则B=A1B=A^{-1}

n2n \geq 2,则A=An1|A^*|=|A|^{n-1}

2.4 矩阵的初等变换与初等矩阵

高斯消元

系数矩阵、增广矩阵

矩阵的初等变换

1.对换矩阵的两行(列)

2.矩阵某一行(列)乘上非零常数

3.矩阵某一行(列)乘上常数加到零一行(列)

若矩阵AA通过若干次初等变换变成矩阵BB,则称AA相抵于BB,记为ABA \sim B

A=(aij)m×nA=(a_{ij})_{m \times n},则AA必相抵于[Ir000]\begin{bmatrix}I_r&0\\0&0\\\end{bmatrix},0rmin(m,n)0 \leq r \leq min(m,n)

阶梯形矩阵 阶梯点

仅通过初等行变换可变为阶梯形矩阵

对单位阵实施初等变换得到三类初等阵

定理 初等变换等价于左乘(行变换)(右乘(列变换))对应初等阵

引理 初等阵都是可逆阵,且可逆阵为同类初等阵

非异阵经过初等变换仍是非异阵

奇异阵经过初等变换仍是奇异阵

2.5 矩阵乘积的行列式与初等变换法求逆阵

给定子集RAR \in A,A×A={(a,b)a,bA}A\times A=\{(a,b)|a,b \in A\}.
(a,b)R(a,b) \in R,则称aRba \stackrel{R}\sim b,aabb有等价关系RR.

等价关系 自反性 对称性 传递性

定理 矩阵的相抵关系是等价关系

定理 设AAnn阶方阵,则以下结论等价:

(1)AA为非异阵

(2)AA的相抵标准型为InI_n

(3)AA只通过初等行变换或初等列变换就能变成InI_n

(4)AA是若干个初等阵的乘积

推论 设A=(aij)m×nA=(a_{ij})_{m\times n},存在mm阶非异阵PPnn阶非异阵QQPAQ=[Ir000]PAQ=\begin{bmatrix}I_r&0\\0&0\\\end{bmatrix}

2.6 分块矩阵

A=[A11A12A1sA21A22A2sAr1Ar2Ars]=(Aij)r×sA=\begin{bmatrix} A_{11}&A_{12}&···&A_{1s}\\ A_{21}&A_{22}&···&A_{2s}\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ ·&·& &·\\ A_{r1}&A_{r2}&···&A_{rs}\\ \end{bmatrix}=(A_{ij})_{r \times s}

分块矩阵相等定义

分块矩阵加法,数乘,矩阵乘法(Ar×s×Bs×k=Cr×kA_{r\times s}\times B_{s\times k}=C_{r\times k})

分块矩阵共轭

推论 两个分块对角阵相乘,对角块相乘

非异分块对角阵的逆为每一块取逆

分块矩阵的初等变换:交换、非异阵乘某一分块行(列),非异阵乘某一分块行(列)加到另一分块行

分块初等阵是非异阵

分块初等变换等价于左乘(右乘)分块初等阵

第三类分块初等变换不改变行列式的值

定理 设M=[AmBCDn]M=\begin{bmatrix}A^m&B\\C&D^n\end{bmatrix}

(1)若AA可逆,则M=ADCA1B|M|=|A||D-CA^{-1}B|

(2)若DD可逆,则M=DABD1C|M|=|D||A-BD^{-1}C|

(3)ADCA1B=DABD1C|A||D-CA^{-1}B|=|D||A-BD^{-1}C|

2.7 Cauchy-Binet公式

A=(aij)m×n,B=(bij)n×mA=(a_{ij})_{m\times n},B=(b_{ij})_{n\times m}

(1)若m>nm>n,则AB=0|AB|=0

(2)若mnm \leq n,则AB=1j1j2jmnA(12mj1j2jm)B(j1j2jm12m)|AB|=\sum_{1 \leq j_1 \leq j_2 \leq ……\leq j_m \leq n}A\begin{pmatrix}1&2&···&m\\j_1&j_2&···&j_m\end{pmatrix}B\begin{pmatrix}j_1&j_2&···&j_m\\1&2&···&m\end{pmatrix}

第三章 线性空间

3.1 数域

ZQRC\mathbb{Z}\leq \mathbb{Q}\leq \mathbb{R}\leq \mathbb{C}

数域:KKC\mathbb{C}的子集且至少包含两个元素,任意两个元素的加减乘除仍然属于KKQ,R,C\mathbb{Q,R,C}

数环:满足加减乘,不满足除。Z\mathbb{Z}

Q(2n)={a0+a12n++an12n1n}Q(\sqrt[n]{2})=\{a_0+a_1\sqrt[n]{2}+···+a_{n-1}\sqrt[n]{2^{n-1}}\}是数域

pp为素数,Q(p)={a+bpa,bQ}Q(\sqrt{p})=\{a+b\sqrt{p}|a,b \in \mathbb{Q}\}是数域

超越数

定理 任一数域KK必包含有理数域Q\mathbb{Q},即Q\mathbb{Q}是最小的数域

3.2 行向量和列向量

数域KK上的nn维行(列)向量

KK上的nn维行(列)向量空间

行(列)向量的加法、数乘

加法:交换律、结合律、零向量、负向量

数乘:单位元、分配律(数)、分配律(向量)、结合律

3.3 线性空间

KK为数域,VV为非空集合,VV上有一个加法运算:+:V×VV+:V \times V \rightarrow VKK关于VV有一个数乘运算:K×VVK \times V \rightarrow V,且满足加法和数乘的八条性质,则称VVKK上的线性(向量)空间.VV中元素称为向量. 零向量、负向量

VKV_K是线性空间,零向量唯一,负向量唯一,加法消去律,0α=00·\alpha=0k0=0k·\vec0=\vec0α=(1)α-\alpha=(-1)·\alpha,若kα=0k\alpha=\vec0,则k=0k=0α=0\alpha=\vec0

3.4 向量的线性关系

线性组合(线性表示)

线性相关、线性无关(线性独立)

线性相关和线性无关依赖于基域KK的选取

向量组

包含零向量的向量组必线性相关

定理 设1mn1\leq m \leq n

(1)若{α1,α2αm}\{\alpha_1,\alpha_2……,\alpha_m\}线性相关,则{α1,α2αn}\{\alpha_1,\alpha_2……,\alpha_n\}线性无关

(2)若{α1,α2αn}\{\alpha_1,\alpha_2……,\alpha_n\}线性无关,则{α1,α2αm}\{\alpha_1,\alpha_2……,\alpha_m\}也线性无关

若一组向量线性相关,则其中至少有一个向量是其余向量的线性组合

像一组线性无关的向量组中加入向量β\beta,要么仍然线性无关,要么β\beta是其他向量的线性组合.

β=k1α1+k2α2++knαn\beta=k_1\alpha_1+k_2\alpha_2+……+k_n\alpha_n,线性表示唯一当且仅当a1,a2,ana_1,a_2……,a_n线性无关.

线性组合的传递性

3.5 向量组的秩

向量族、向量组

极大无关组

包含非零向量的向量组必定存在极大无关组

AA中向量都是BB中向量的线性组合,且AA中向量线性无关,则AA中向量个数小于都等于BB

若多的向量组可用少的向量组线性表示,则多的向量组必线性相关

A,BA,B都线性无关,且AA中向量都是BB中向量的线性组合,BB中向量都是AA中向量的线性组合,则A,BA,B个数相等

A,BA,B都是向量族SS的极大无关组,则A,BA,B个数相等

向量族的秩rank(S)rank(S)r(S)r(S)

可相互线性表示:等价向量组(有相等的秩)

线性空间的基,维数,nn维线性空间(有限维/无限维)

nn维线性空间VV中超过nn个向量的向量组必线性相关

若下列条件之一成立,则这nn个向量为nn维线性空间VV的基

(1)这组向量线性无关

(2)VV中任一向量都是这组向量的线性组合

m(n)m(\leq n)个线性无关的向量加上nmn-m个向量(属于基)得到一组基

基扩张定理:任一线性无关的向量组可扩张成一组基;子空间的基可扩张成全空间的基

3.6 矩阵的秩

行秩、列秩在初等变换下不变

初等行变换保持矩阵列向量极大无关组的列指标

矩阵的行秩等于列秩等于矩阵的秩,rank(A),r(A)rank(A),r(A)

r(A)=r(AT)r(A)=r(A^T)

r(PAQ)=r(A)r(PAQ)=r(A)P,QP,Q均为非异阵

通过初等变化得到相抵标准型,IrI_rrr就是矩阵的秩

A,BA,B相抵当且仅当r(A)=r(B)r(A)=r(B)

AMm×n(K)A \in M_{m\times n}(K),若r(A)=mr(A)=m当且仅当mm个行向量线性无关,行满秩

AMm×n(K)A \in M_{m\times n}(K),若r(A)=nr(A)=n当且仅当nn个列向量线性无关,列满秩

AMn(K)A \in M_n(K),若r(A)=nr(A)=n当且仅当nn个行向量线性无关,nn个列向量线性无关,满秩阵

AMn(K)A \in M_n(K),AA非异当且仅当AA满秩

阶梯型矩阵,阶梯点处的列向量为极大无关组

行列向量组的秩的计算以及线性关系的判定

r(A)=rr(A)=r,rr阶子式不等于零,所有的r+1r+1阶子式全为零

3.7 坐标向量

VKV_Knn维线性空间,{e1,e2,,en}\{e_1,e_2,……,e_n\}是一组基

用这组基表示α\alpha唯一

映射ϕ:VKn\phi:V\rightarrow K^n 双射

V,UV,UKK上的线性空间,ϕ:VU\phi:V\rightarrow U 双射,若α,βV,kK\forall \alpha,\beta \in V,k \in K满足:

(1)ϕ(α+β)=ϕ(α)+ϕ(β)\phi(\alpha+\beta)=\phi(\alpha)+\phi(\beta)

(2)ϕ(kα)=kϕ(α)\phi(k\alpha)=k\phi(\alpha)

则称ϕVU\phi:V\rightarrow U为线性同构,简称VV同构于UU,记为VUV\cong U

ϕ:VKn\phi:V\rightarrow K^n是线性同构,则ϕ\phi将向量的线性组合映射为对应向量的线性组合,将线性相关向量映射为线性相关的向量,将线性无关向量映射为线性无关的向量.

向量组映射之后的秩与原来相同且极大无关组指标相同

3.8 基变换与过渡矩阵

过渡矩阵

形式行向量

3.9 子空间

3.10 线性方程组的解

  • Copyright: Copyright is owned by the author. For commercial reprints, please contact the author for authorization. For non-commercial reprints, please indicate the source.

扫一扫,分享到微信

微信分享二维码
  • Copyrights © 2023-2025 Shiki
  • Visitors: | Views: