线性代数 下

发布于:2025-07-27 ⋅ 阅读:(287) ⋅ 点赞:(0)

十一、方程组解的结构和性质
1、齐次线性方程组

方程组

{ a 11 x 1 + a 12 x 2 + ⋯ + a 1 n x n = 0 , a 21 x 1 + a 22 x 2 + ⋯ + a 2 n x n = 0 , ⋯ ⋯ a m 1 x 1 + a m 2 x 2 + ⋯ + a m n x n = 0 \begin{cases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 + \cdots + a_{1n}x_n = 0, \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 + \cdots + a_{2n}x_n = 0, \\ \quad \quad \quad \quad \cdots \cdots \\ a_{m1}x_1 + a_{m2}x_2 + \cdots + a_{mn}x_n = 0 \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧​a11​x1​+a12​x2​+⋯+a1n​xn​=0,a21​x1​+a22​x2​+⋯+a2n​xn​=0,⋯⋯am1​x1​+am2​x2​+⋯+amn​xn​=0​ (Ⅰ)

称为m个方程,n个未知量的齐次线性方程组

(1)有解的条件

①当r(A) = n( α 1 , α 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , α n α_1,α_2,···,α_n α1​,α2​,⋅⋅⋅,αn​线性无关)时,方程组(Ⅰ)有唯一零解

②当r(A) = r < n( α 1 , α 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , α n α_1,α_2,···,α_n α1​,α2​,⋅⋅⋅,αn​线性相关)时,方程组(Ⅰ)有非零解(无穷多解),且有n-r个线性无关解

(2)求解方法

①将系数矩阵A作初等行变换化为行阶梯形矩阵B,求出r(A)

②按列找出一个秩为r的子矩阵,剩余列位置的未知数设为自由变量 n - r(A)个自由变量

③ 按基础解系定义求出 ξ 1 , ξ 2 , … , ξ n − r \boldsymbol{\xi}_1, \boldsymbol{\xi}_2, \dots, \boldsymbol{\xi}_{n-r} ξ1​,ξ2​,…,ξn−r​ ,并写出通解。

2、非齐次线性方程组

{ a 11 x 1 + a 12 x 2 + ⋯ + a 1 n x n = b 1 , a 21 x 1 + a 22 x 2 + ⋯ + a 2 n x n = b 2 , ⋯ ⋯ a m 1 x 1 + a m 2 x 2 + ⋯ + a m n x n = b m \begin{cases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 + \cdots + a_{1n}x_n = b_1, \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 + \cdots + a_{2n}x_n = b_2, \\ \quad \quad \quad \quad \cdots \cdots \\ a_{m1}x_1 + a_{m2}x_2 + \cdots + a_{mn}x_n = b_m \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧​a11​x1​+a12​x2​+⋯+a1n​xn​=b1​,a21​x1​+a22​x2​+⋯+a2n​xn​=b2​,⋯⋯am1​x1​+am2​x2​+⋯+amn​xn​=bm​​ (Ⅱ)

称为m个方程,n个未知量的非齐次线性方程组

(1)有解的条件

①若r(A)≠r([A,b])(b不能由 α 1 , α 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , α n α_1,α_2,···,α_n α1​,α2​,⋅⋅⋅,αn​线性表示),则方程组(Ⅱ)无解

②若r(A)=r([A,b]) = n(即 α 1 , α 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , α n α_1,α_2,···,α_n α1​,α2​,⋅⋅⋅,αn​线性无关, α 1 , α 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , α n , b α_1,α_2,···,α_n,b α1​,α2​,⋅⋅⋅,αn​,b线性相关),则方程组(Ⅱ)有唯一解

③若r(A)=r([A,b]) < n,则方程组(Ⅱ)有无穷多解

(2)求解方法

① 写出 A x = b A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{b} Ax=b 的导出方程组 A x = 0 A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Ax=0 ,并求 A x = 0 A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Ax=0 的通解:

x = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + ⋯ + k n − r ξ n − r \boldsymbol{x} = k_1\boldsymbol{\xi}_1 + k_2\boldsymbol{\xi}_2 + \dots + k_{n-r}\boldsymbol{\xi}_{n-r} x=k1​ξ1​+k2​ξ2​+⋯+kn−r​ξn−r​

② 求 A x = b A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{b} Ax=b 的一个特解 η \boldsymbol{\eta} η

③非齐次线性方程组 A x = b A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{b} Ax=b 的通解为:
x = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + ⋯ + k n − r ξ n − r + η \boldsymbol{x} = k_1\boldsymbol{\xi}_1 + k_2\boldsymbol{\xi}_2 + \dots + k_{n-r}\boldsymbol{\xi}_{n-r} + \boldsymbol{\eta} x=k1​ξ1​+k2​ξ2​+⋯+kn−r​ξn−r​+η

其中 k 1 , k 2 , … , k n − r k_1, k_2, \dots, k_{n-r} k1​,k2​,…,kn−r​为任意常数

十二、Ax=0的基础解系

设 ξ 1 , ξ 2 , … , ξ n − r \boldsymbol{\xi}_1, \boldsymbol{\xi}_2, \dots, \boldsymbol{\xi}_{n-r} ξ1​,ξ2​,…,ξn−r​ 满足以下充要条件,则称 ξ 1 , ξ 2 , … , ξ n − r \boldsymbol{\xi}_1, \boldsymbol{\xi}_2, \dots, \boldsymbol{\xi}_{n-r} ξ1​,ξ2​,…,ξn−r​ 为齐次线性方程组 A x = 0 A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Ax=0 的基础解系:

  1. 是方程组的解:

    ξ 1 , ξ 2 , … , ξ n − r \boldsymbol{\xi}_1, \boldsymbol{\xi}_2, \dots, \boldsymbol{\xi}_{n-r} ξ1​,ξ2​,…,ξn−r​ 均满足 A x = 0 A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Ax=0(即属于解空间);

  2. 线性无关:

    ξ 1 , ξ 2 , … , ξ n − r \boldsymbol{\xi}_1, \boldsymbol{\xi}_2, \dots, \boldsymbol{\xi}_{n-r} ξ1​,ξ2​,…,ξn−r​ 作为向量组线性无关(是解空间的一组“基”的候选);

  3. 能表示所有解:

    方程组 A x = 0 A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Ax=0的任一解都可由 ξ 1 , ξ 2 , … , ξ n − r \boldsymbol{\xi}_1, \boldsymbol{\xi}_2, \dots, \boldsymbol{\xi}_{n-r} ξ1​,ξ2​,…,ξn−r​ 线性表示(即它们构成解空间的一组基)。

十三、两个方程组的公共解

已知线性方程组:
{ (I) { x 1 + x 2 = 0 , x 2 − x 4 = 0 (II) { x 1 − x 2 + x 3 = 0 , x 2 − x 3 + x 4 = 0 \begin{cases} \text{(I)} & \begin{cases} x_1 + x_2 = 0, \\ x_2 - x_4 = 0 \end{cases} \\[1em] \text{(II)} & \begin{cases} x_1 - x_2 + x_3 = 0, \\ x_2 - x_3 + x_4 = 0 \end{cases} \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧​(I)(II)​{x1​+x2​=0,x2​−x4​=0​{x1​−x2​+x3​=0,x2​−x3​+x4​=0​​

(1) 求方程组 (I)、(II) 的基础解系

(2) 求方程组 (I)、(II) 的公共解

【解】

(1)

方程组 (I)的基础解析为
ξ 1 = ( 0 0 1 0 ) , ξ 2 = ( − 1 1 0 1 ) \boldsymbol{\xi}_1 = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \boldsymbol{\xi}_2 = \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} ξ1​= ​0010​ ​,ξ2​= ​−1101​ ​

方程组(II)的基础解析为

η 1 = ( 0 1 1 0 ) , η 2 = ( − 1 − 1 0 1 ) \boldsymbol{\eta}_1 = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \boldsymbol{\eta}_2 = \begin{pmatrix} -1 \\ -1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} η1​= ​0110​ ​,η2​= ​−1−101​ ​

(2)

方法一:联立方程

联立后的系数矩阵为:

[ A B ] = [ 1 1 0 0 0 1 0 − 1 1 − 1 1 0 0 1 − 1 1 ] \begin{bmatrix} \boldsymbol{A} \\ \boldsymbol{B} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & -1 \\ 1 & -1 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & -1 & 1 \end{bmatrix} [AB​]= ​1010​11−11​001−1​0−101​ ​

对矩阵作初等行变换

[ 1 0 0 1 0 1 0 − 1 0 0 1 − 2 0 0 0 0 ] \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & -2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} ​1000​0100​0010​1−1−20​ ​

因此方程组 (I)、(II)的公共解为

x = k [ − 1 1 2 1 ] , k ∈ R \boldsymbol{x} = k \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ 2 \\ 1 \end{bmatrix}, \quad k \in \mathbb{R} x=k ​−1121​ ​,k∈R

方法二:通解代入

在方程组 (I) 的通解中,筛选出同时满足方程组 (II) 的解,即为 (I)、(II) 的公共解(也可在 (II) 的通解中筛选满足 (I) 的解 )

已知方程组 (I) 的基础解系为 ξ 1 , ξ 2 \boldsymbol{\xi}_1, \boldsymbol{\xi}_2 ξ1​,ξ2​ ,因此其通解为:

x = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 = k 1 [ 0 0 1 0 ] + k 2 [ − 1 1 0 1 ] = [ − k 2 k 2 k 1 k 2 ] \boldsymbol{x} = k_1\boldsymbol{\xi}_1 + k_2\boldsymbol{\xi}_2 = k_1 \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} + k_2 \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -k_2 \\ k_2 \\ k_1 \\ k_2 \end{bmatrix} x=k1​ξ1​+k2​ξ2​=k1​ ​0010​ ​+k2​ ​−1101​ ​= ​−k2​k2​k1​k2​​ ​

(其中 k 1 , k 2 ∈ R k_1, k_2 \in \mathbb{R} k1​,k2​∈R 为任意常数 )

将通解 x = [ − k 2 k 2 k 1 k 2 ] 代入方程组 ( I I ) \boldsymbol{x} = \begin{bmatrix} -k_2 \\ k_2 \\ k_1 \\ k_2 \end{bmatrix} 代入方程组 (II) x= ​−k2​k2​k1​k2​​ ​代入方程组(II):

{ x 1 − x 2 + x 3 = 0 , x 2 − x 3 + x 4 = 0 \begin{cases}x_1 - x_2 + x_3 = 0, \\ x_2 - x_3 + x_4 = 0 \end{cases} {x1​−x2​+x3​=0,x2​−x3​+x4​=0​

代入第1个方程:

( − k 2 ) − k 2 + k 1 = 0    ⟹    k 1 − 2 k 2 = 0    ⟹    k 1 = 2 k 2 (-k_2) - k_2 + k_1 = 0 \implies k_1 - 2k_2 = 0 \implies k_1 = 2k_2 (−k2​)−k2​+k1​=0⟹k1​−2k2​=0⟹k1​=2k2​

代入第2个方程:

k 2 − k 1 + k 2 = 0    ⟹    2 k 2 − k 1 = 0 k_2 - k_1 + k_2 = 0 \implies 2k_2 - k_1 = 0 k2​−k1​+k2​=0⟹2k2​−k1​=0

结合 $k_1 = 2k_2 $,得方程组(I)、(II) 的公共解为

x = k 2 [ − 1 1 2 1 ] , k 2 ∈ R \boldsymbol{x} = k_2 \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ 2 \\ 1 \end{bmatrix}, \quad k_2 \in \mathbb{R} x=k2​ ​−1121​ ​,k2​∈R

方法三:通解相等

( I ) 的通解: k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 = k 1 [ 0 0 1 0 ] + k 2 [ − 1 1 0 1 ] = [ − k 2 k 2 k 1 k 2 ] (I) 的通解:k_1\boldsymbol{\xi}_1 + k_2\boldsymbol{\xi}_2 = k_1 \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} + k_2 \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -k_2 \\ k_2 \\ k_1 \\ k_2 \end{bmatrix} (I)的通解:k1​ξ1​+k2​ξ2​=k1​ ​0010​ ​+k2​ ​−1101​ ​= ​−k2​k2​k1​k2​​ ​

( I I ) 的通解: l 1 η 1 + l 2 η 2 = l 1 [ 0 1 1 0 ] + l 2 [ − 1 − 1 0 1 ] = [ − l 2 l 1 − l 2 l 1 l 2 ] (II) 的通解:l_1\boldsymbol{\eta}_1 + l_2\boldsymbol{\eta}_2 = l_1 \begin{bmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} + l_2 \begin{bmatrix} -1 \\ -1 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -l_2 \\ l_1 - l_2 \\ l_1 \\ l_2 \end{bmatrix} (II)的通解:l1​η1​+l2​η2​=l1​ ​0110​ ​+l2​ ​−1−101​ ​= ​−l2​l1​−l2​l1​l2​​ ​

由上式可得 k 2 = l 2 , k 2 = l 1 − l 2 , k 1 = l 1 k_2 = l_2, k_2 = l_1 - l_2, k_1 = l_1 k2​=l2​,k2​=l1​−l2​,k1​=l1​

故

k 1 = 2 k 2 k_1 = 2k_2 k1​=2k2​ 或 l 1 = 2 l 2 l_1 = 2l_2 l1​=2l2​

因此公共解为

x = k 2 [ − 1 1 2 1 ] , k 2 ∈ R \boldsymbol{x} = k_2 \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ 2 \\ 1 \end{bmatrix}, \quad k_2 \in \mathbb{R} x=k2​ ​−1121​ ​,k2​∈R

或

x = l 2 [ − 1 1 2 1 ] , l 2 ∈ R \boldsymbol{x} = l_2 \begin{bmatrix} -1 \\ 1 \\ 2 \\ 1 \end{bmatrix}, \quad l_2 \in \mathbb{R} x=l2​ ​−1121​ ​,l2​∈R

十四、同解方程

A x = 0 A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Ax=0 与 B x = 0 B\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Bx=0 同解

<=> 基础解系为等价向量组

<=> A 、 B A、B A、B行向量组为等价向量组

<=> A x = 0 A\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Ax=0的解均为 B x = 0 B\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} Bx=0的解且 r ( A ) = r ( B ) r(\boldsymbol{A}) = r(\boldsymbol{B}) r(A)=r(B)

<=> r ( A ) = r ( B ) = r ( A B ) r(\boldsymbol{A}) = r(\boldsymbol{B}) = r\begin{pmatrix} \boldsymbol{A} \\ \boldsymbol{B} \end{pmatrix} r(A)=r(B)=r(AB​)

十五、求特征值、特征向量

方法一:|λE-A|=0,求λ,回代 ( λ i E − A ) x = 0 (λ_iE-A)x=0 (λi​E−A)x=0求α

方法二:常用结论

  1. 行列式与迹(对 n 阶矩阵 A , λ 1 , λ 2 , … , λ n \boldsymbol{A} , \lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_n A,λ1​,λ2​,…,λn​为特征值 )

    • ∣ A ∣ = λ 1 λ 2 ⋯ λ n |\boldsymbol{A}| = \lambda_1 \lambda_2 \cdots \lambda_n ∣A∣=λ1​λ2​⋯λn​(行列式等于特征值之积 )
    • tr ( A ) = λ 1 + λ 2 + ⋯ + λ n \text{tr}(\boldsymbol{A}) = \lambda_1 + \lambda_2 + \cdots + \lambda_n tr(A)=λ1​+λ2​+⋯+λn​(迹等于特征值之和 )
  2. 多项式矩阵的特征值(若 A α = λ α \boldsymbol{A}\boldsymbol{\alpha} = \lambda\boldsymbol{\alpha} Aα=λα,则 )

    对多项式 f ( x ) f(x) f(x),有:

    f ( A ) α = f ( λ ) α f(\boldsymbol{A})\boldsymbol{\alpha} = f(\lambda)\boldsymbol{\alpha} f(A)α=f(λ)α

    具体应用:

    • A k α = λ k α \boldsymbol{A}^k\boldsymbol{\alpha} = \lambda^k\boldsymbol{\alpha} Akα=λkα( k k k 次幂 )
    • ( A + k E ) α = ( λ + k ) α (\boldsymbol{A} + k\boldsymbol{E})\boldsymbol{\alpha} = (\lambda + k)\boldsymbol{\alpha} (A+kE)α=(λ+k)α(加数量矩阵 )
    • 若 A \boldsymbol{A} A 可逆,则 A − 1 α = 1 λ α \boldsymbol{A}^{-1}\boldsymbol{\alpha} = \frac{1}{\lambda}\boldsymbol{\alpha} A−1α=λ1​α, A ∗ α = ∣ A ∣ λ α \boldsymbol{A}^*\boldsymbol{\alpha} = \frac{|\boldsymbol{A}|}{\lambda}\boldsymbol{\alpha} A∗α=λ∣A∣​α(伴随矩阵 )
    • 相似变换: P − 1 A P α = λ α \boldsymbol{P}^{-1}\boldsymbol{A}\boldsymbol{P}\boldsymbol{\alpha} = \lambda\boldsymbol{\alpha} P−1APα=λα(相似矩阵特征值相同,特征向量变换为 P − 1 α \boldsymbol{P}^{-1}\boldsymbol{\alpha} P−1α )
  3. 特殊特征值

    • 若 A \boldsymbol{A} A 为对合矩阵( A 2 = E \boldsymbol{A}^2 = \boldsymbol{E} A2=E ),则 λ = ± 1 \lambda = \pm 1 λ=±1
    • 若 A \boldsymbol{A} A 行和为 $ a $,则 λ = a \lambda = a λ=a 是一个特征值,对应特征向量 α = ( 1 1 ⋮ 1 ) \boldsymbol{\alpha} = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ \vdots \\ 1 \end{pmatrix} α= ​11⋮1​ ​(所有分量为1 )
  4. 特征值的重数

    若 A B = λ B \boldsymbol{A}\boldsymbol{B} = \lambda\boldsymbol{B} AB=λB 且 B ≠ 0 \boldsymbol{B} \neq \boldsymbol{0} B=0,则 λ \lambda λ 是 A \boldsymbol{A} A 的特征值,且 B \boldsymbol{B} B 的非零列是对应特征向量;若 B \boldsymbol{B} B 有 n n n 个线性无关列满足,则 λ \lambda λ 至少是 n n n 重特征值

  5. 二次型与特征值

    • 二次型 f = x T A x f = \boldsymbol{x}^\text{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{x} f=xTAx 经正交变换 x = Q y \boldsymbol{x} = \boldsymbol{Q}\boldsymbol{y} x=Qy 化为标准型 λ 1 y 1 2 + λ 2 y 2 2 + ⋯ + λ n y n 2 \lambda_1 y_1^2 + \lambda_2 y_2^2 + \cdots + \lambda_n y_n^2 λ1​y12​+λ2​y22​+⋯+λn​yn2​,其中 λ i \lambda_i λi​ 是 A \boldsymbol{A} A 的特征值
  6. 相似矩阵的特征值

    若 A ∼ B \boldsymbol{A} \sim \boldsymbol{B} A∼B(相似 ),则 A \boldsymbol{A} A 与 B \boldsymbol{B} B 特征值完全相同(包括重数 ),但特征向量不同(满足 A α = λ α    ⟺    B ( P − 1 α ) = λ ( P − 1 α ) \boldsymbol{A}\boldsymbol{\alpha} = \lambda\boldsymbol{\alpha} \iff \boldsymbol{B}(\boldsymbol{P}^{-1}\boldsymbol{\alpha}) = \lambda(\boldsymbol{P}^{-1}\boldsymbol{\alpha}) Aα=λα⟺B(P−1α)=λ(P−1α), P \boldsymbol{P} P 为相似变换矩阵 )

十六、判断A能否相似对角化

方法一:基于特征值和特征向量的个数判断(适用于一般矩阵)

  • 判断条件:n阶矩阵 A \boldsymbol{A} A可相似对角化的充分必要条件是 A \boldsymbol{A} A有n个线性无关的特征向量。
  • 具体步骤
    1. 计算特征值:根据特征方程 ∣ λ E − A ∣ = 0 \vert\lambda\boldsymbol{E} - \boldsymbol{A}\vert = 0 ∣λE−A∣=0 ,求出矩阵 A \boldsymbol{A} A的所有特征值 λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ s \lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_s λ1​,λ2​,⋯,λs​,以及它们对应的代数重数 n 1 , n 2 , ⋯   , n s n_1,n_2,\cdots,n_s n1​,n2​,⋯,ns​(特征值 λ i \lambda_i λi​的代数重数是指它在特征方程的根中出现的重数,且 n 1 + n 2 + ⋯ + n s = n n_1 + n_2+\cdots + n_s = n n1​+n2​+⋯+ns​=n)。
    2. 计算特征向量并判断线性无关性:对于每个特征值 λ i \lambda_i λi​,求解齐次线性方程组 ( λ i E − A ) x = 0 (\lambda_i\boldsymbol{E} - \boldsymbol{A})\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} (λi​E−A)x=0,得到其基础解系,基础解系中的向量就是属于 λ i \lambda_i λi​的线性无关的特征向量,设其个数为 m i m_i mi​, m i m_i mi​也被称为特征值 λ i \lambda_i λi​的几何重数, 即属于 λ i \lambda_i λi​的线性无关特征向量的个数)。若对于每一个特征值 λ i \lambda_i λi​,都有其代数重数 n i n_i ni​等于几何重数 m i m_i mi​,即 n i = m i n_i = m_i ni​=mi​, i = 1 , 2 , ⋯   , s i = 1,2,\cdots,s i=1,2,⋯,s,则矩阵 A \boldsymbol{A} A有n个线性无关的特征向量, A \boldsymbol{A} A可以相似对角化;若存在某个特征值,其代数重数不等于几何重数,则 A \boldsymbol{A} A不能相似对角化。

方法二:判断矩阵是否为实对称矩阵(适用于实矩阵)

  • 判断条件:实对称矩阵一定可以相似对角化,并且可以正交相似对角化(即存在正交矩阵 Q \boldsymbol{Q} Q,使得 Q − 1 A Q = Q T A Q \boldsymbol{Q}^{-1}\boldsymbol{A}\boldsymbol{Q}=\boldsymbol{Q}^T\boldsymbol{A}\boldsymbol{Q} Q−1AQ=QTAQ为对角矩阵)。
  • 具体步骤:只需判断矩阵 A \boldsymbol{A} A是否满足 A T = A \boldsymbol{A}^T = \boldsymbol{A} AT=A,若满足,则 A \boldsymbol{A} A可相似对角化。
十七、若A可以相似对角化,求P(Q)

若矩阵 A \boldsymbol{A} A 可相似对角化,求可逆矩阵 P \boldsymbol{P} P(或正交矩阵 Q \boldsymbol{Q} Q)的步骤

一、求可逆矩阵 P \boldsymbol{P} P 使 P − 1 A P = Λ \boldsymbol{P}^{-1}\boldsymbol{A}\boldsymbol{P} = \boldsymbol{\Lambda} P−1AP=Λ( Λ \boldsymbol{\Lambda} Λ 为对角矩阵)

  1. 求特征值 解特征方程 ∣ λ E − A ∣ = 0 |\lambda\boldsymbol{E} - \boldsymbol{A}| = 0 ∣λE−A∣=0,得所有特征值 λ 1 , λ 2 , … , λ n \lambda_1, \lambda_2, \dots, \lambda_n λ1​,λ2​,…,λn​(含重数)。
  2. 求特征向量 对每个特征值 λ i \lambda_i λi​,解齐次方程组 ( λ i E − A ) x = 0 (\lambda_i\boldsymbol{E} - \boldsymbol{A})\boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} (λi​E−A)x=0,得基础解系 ξ i 1 , ξ i 2 , … , ξ i k i \boldsymbol{\xi}_{i1}, \boldsymbol{\xi}_{i2}, \dots, \boldsymbol{\xi}_{ik_i} ξi1​,ξi2​,…,ξiki​​( k i k_i ki​ 为几何重数,且 ∑ k i = n \sum k_i = n ∑ki​=n)。
  3. 构造矩阵 P \boldsymbol{P} P 与对角矩阵 Λ \boldsymbol{\Lambda} Λ
  • 将所有线性无关的特征向量按列排列,组成可逆矩阵: P = ( ξ 11 , ξ 12 , … , ξ 1 k 1 , ξ 21 , … , ξ n k n ) \boldsymbol{P} = (\boldsymbol{\xi}_{11}, \boldsymbol{\xi}_{12}, \dots, \boldsymbol{\xi}_{1k_1}, \boldsymbol{\xi}_{21}, \dots, \boldsymbol{\xi}_{nk_n}) P=(ξ11​,ξ12​,…,ξ1k1​​,ξ21​,…,ξnkn​​)

  • 对角矩阵 Λ \boldsymbol{\Lambda} Λ 的对角线元素为对应特征值,顺序与 P \boldsymbol{P} P 的列向量一致: Λ = ( λ 1 λ 2 ⋱ λ n ) \boldsymbol{\Lambda} = \begin{pmatrix} \lambda_1 & & & \\ & \lambda_2 & & \\ & & \ddots & \\ & & & \lambda_n \end{pmatrix} Λ= ​λ1​​λ2​​⋱​λn​​ ​

二、求正交矩阵 Q \boldsymbol{Q} Q 使 Q − 1 A Q = Q T A Q = Λ \boldsymbol{Q}^{-1}\boldsymbol{A}\boldsymbol{Q} = \boldsymbol{Q}^\text{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{Q} = \boldsymbol{\Lambda} Q−1AQ=QTAQ=Λ(适用于实对称矩阵)

  1. 完成“求可逆矩阵 P \boldsymbol{P} P”的步骤1-2 得特征值 λ 1 , … , λ n \lambda_1, \dots, \lambda_n λ1​,…,λn​ 和对应特征向量 ξ i 1 , … , ξ i k i \boldsymbol{\xi}_{i1}, \dots, \boldsymbol{\xi}_{ik_i} ξi1​,…,ξiki​​。
  2. 正交化 对同一特征值 λ i \lambda_i λi​ 的线性无关特征向量 ξ i 1 , … , ξ i k i \boldsymbol{\xi}_{i1}, \dots, \boldsymbol{\xi}_{ik_i} ξi1​,…,ξiki​​,用施密特正交化法化为正交向量组: β i 1 = ξ i 1 , β i j = ξ i j − ∑ m = 1 j − 1 ( ξ i j , β i m ) ( β i m , β i m ) β i m ( j = 2 , … , k i ) \boldsymbol{\beta}_{i1} = \boldsymbol{\xi}_{i1}, \quad \boldsymbol{\beta}_{ij} = \boldsymbol{\xi}_{ij} - \sum_{m=1}^{j-1} \frac{(\boldsymbol{\xi}_{ij}, \boldsymbol{\beta}_{im})}{(\boldsymbol{\beta}_{im}, \boldsymbol{\beta}_{im})}\boldsymbol{\beta}_{im} \quad (j=2, \dots, k_i) βi1​=ξi1​,βij​=ξij​−m=1∑j−1​(βim​,βim​)(ξij​,βim​)​βim​(j=2,…,ki​)
  3. 单位化 将正交向量组 β i 1 , … , β i k i \boldsymbol{\beta}_{i1}, \dots, \boldsymbol{\beta}_{ik_i} βi1​,…,βiki​​ 单位化: γ i j = β i j ∥ β i j ∥ ( ∥ β ∥ = ( β , β )  为向量模长 ) \boldsymbol{\gamma}_{ij} = \frac{\boldsymbol{\beta}_{ij}}{\|\boldsymbol{\beta}_{ij}\|} \quad (\|\boldsymbol{\beta}\| = \sqrt{(\boldsymbol{\beta}, \boldsymbol{\beta})} \text{ 为向量模长}) γij​=∥βij​∥βij​​(∥β∥=(β,β) ​ 为向量模长)
  4. 构造正交矩阵 Q \boldsymbol{Q} Q 将所有单位正交特征向量按列排列,组成正交矩阵: Q = ( γ 11 , … , γ 1 k 1 , γ 21 , … , γ n k n ) \boldsymbol{Q} = (\boldsymbol{\gamma}_{11}, \dots, \boldsymbol{\gamma}_{1k_1}, \boldsymbol{\gamma}_{21}, \dots, \boldsymbol{\gamma}_{nk_n}) Q=(γ11​,…,γ1k1​​,γ21​,…,γnkn​​)

【例】

求实对称矩阵 A = ( 1 2 2 2 1 2 2 2 1 ) \boldsymbol{A} = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 2 \\ 2 & 1 & 2 \\ 2 & 2 & 1 \end{pmatrix} A= ​122​212​221​ ​ 的正交矩阵 Q \boldsymbol{Q} Q

  1. 特征值: λ 1 = 5 \lambda_1 = 5 λ1​=5, λ 2 = λ 3 = − 1 \lambda_2 = \lambda_3 = -1 λ2​=λ3​=−1(代数重数均等于几何重数)。

  2. 特征向量:

    • λ 1 = 5 \lambda_1 = 5 λ1​=5 对应 ξ 1 = ( 1 1 1 ) \boldsymbol{\xi}_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} ξ1​= ​111​ ​

    • λ 2 = − 1 \lambda_2 = -1 λ2​=−1 对应 ξ 2 = ( − 1 1 0 ) , ξ 3 = ( − 1 0 1 ) \boldsymbol{\xi}_2 = \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \boldsymbol{\xi}_3 = \begin{pmatrix} -1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} ξ2​= ​−110​ ​,ξ3​= ​−101​ ​

  3. 正交化:

    • β 1 = ξ 1 = ( 1 1 1 ) \boldsymbol{\beta}_1 = \boldsymbol{\xi}_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} β1​=ξ1​= ​111​ ​
    • β 2 = ξ 2 = ( − 1 1 0 ) \boldsymbol{\beta}_2 = \boldsymbol{\xi}_2 = \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} β2​=ξ2​= ​−110​ ​
    • β 3 = ξ 3 − ( ξ 3 , β 2 ) ( β 2 , β 2 ) β 2 = ( − 1 / 2 − 1 / 2 1 ) \boldsymbol{\beta}_3 = \boldsymbol{\xi}_3 - \frac{(\boldsymbol{\xi}_3, \boldsymbol{\beta}_2)}{(\boldsymbol{\beta}_2, \boldsymbol{\beta}_2)}\boldsymbol{\beta}_2 = \begin{pmatrix} -1/2 \\ -1/2 \\ 1 \end{pmatrix} β3​=ξ3​−(β2​,β2​)(ξ3​,β2​)​β2​= ​−1/2−1/21​ ​
  4. 单位化: γ 1 = 1 3 ( 1 1 1 ) , γ 2 = 1 2 ( − 1 1 0 ) , γ 3 = 1 6 ( − 1 − 1 2 ) \boldsymbol{\gamma}_1 = \frac{1}{\sqrt{3}}\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix}, \quad \boldsymbol{\gamma}_2 = \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \quad \boldsymbol{\gamma}_3 = \frac{1}{\sqrt{6}}\begin{pmatrix} -1 \\ -1 \\ 2 \end{pmatrix} γ1​=3 ​1​ ​111​ ​,γ2​=2 ​1​ ​−110​ ​,γ3​=6 ​1​ ​−1−12​ ​

  5. 正交矩阵: Q = ( 1 / 3 − 1 / 2 − 1 / 6 1 / 3 1 / 2 − 1 / 6 1 / 3 0 2 / 6 ) \boldsymbol{Q} = \begin{pmatrix} 1/\sqrt{3} & -1/\sqrt{2} & -1/\sqrt{6} \\ 1/\sqrt{3} & 1/\sqrt{2} & -1/\sqrt{6} \\ 1/\sqrt{3} & 0 & 2/\sqrt{6} \end{pmatrix} Q= ​1/3 ​1/3 ​1/3 ​​−1/2 ​1/2 ​0​−1/6 ​−1/6 ​2/6 ​​ ​ 满足 Q T A Q = ( 5 0 0 0 − 1 0 0 0 − 1 ) \boldsymbol{Q}^\text{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{Q} = \begin{pmatrix} 5 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & -1 \end{pmatrix} QTAQ= ​500​0−10​00−1​ ​。

  • P \boldsymbol{P} P 是可逆矩阵,由线性无关特征向量组成,适用于所有可对角化矩阵;
  • Q \boldsymbol{Q} Q 是正交矩阵( Q − 1 = Q T \boldsymbol{Q}^{-1} = \boldsymbol{Q}^\text{T} Q−1=QT),由单位正交特征向量组成,仅适用于实对称矩阵(必可对角化且可正交对角化)。
十八、二次型化标准型
1、拉格朗日配方法

通过代数配方将二次型 f = x T A x f = \boldsymbol{x}^\text{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{x} f=xTAx 转化为只含平方项的标准形 f = d 1 y 1 2 + d 2 y 2 2 + ⋯ + d n y n 2 f = d_1y_1^2 + d_2y_2^2 + \cdots + d_ny_n^2 f=d1​y12​+d2​y22​+⋯+dn​yn2​,对应可逆线性变换 x = C y \boldsymbol{x} = \boldsymbol{C}\boldsymbol{y} x=Cy( C \boldsymbol{C} C 为可逆矩阵)

  1. 含平方项的变量优先配方:

若二次型含某个变量(如 x 1 x_1 x1​)的平方项,将所有含 x 1 x_1 x1​ 的项集中,配成完全平方形式,剩余项中重复此操作。

  1. 不含平方项时构造平方项:

    若二次型仅含交叉项(如 x 1 x 2 x_1x_2 x1​x2​),令 x 1 = y 1 + y 2 x_1 = y_1 + y_2 x1​=y1​+y2​, x 2 = y 1 − y 2 x_2 = y_1 - y_2 x2​=y1​−y2​, x i = y i   ( i ≥ 3 ) x_i = y_i \ (i \geq 3) xi​=yi​ (i≥3),引入平方项后再配方。

  2. 写出标准形和变换矩阵:

    配方后得到标准形,根据变量替换关系写出可逆矩阵 C \boldsymbol{C} C,满足 f = y T ( C T A C ) y f = \boldsymbol{y}^\text{T}(\boldsymbol{C}^\text{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{C})\boldsymbol{y} f=yT(CTAC)y 为标准形。

示例:

化二次型 f = x 1 2 + 2 x 1 x 2 + 2 x 2 2 + 4 x 2 x 3 + 4 x 3 2 f = x_1^2 + 2x_1x_2 + 2x_2^2 + 4x_2x_3 + 4x_3^2 f=x12​+2x1​x2​+2x22​+4x2​x3​+4x32​ 为标准形。

  • 配方过程:
    f = ( x 1 2 + 2 x 1 x 2 + x 2 2 ) + ( x 2 2 + 4 x 2 x 3 + 4 x 3 2 ) = ( x 1 + x 2 ) 2 + ( x 2 + 2 x 3 ) 2 \begin{align*} f &= (x_1^2 + 2x_1x_2 + x_2^2) + (x_2^2 + 4x_2x_3 + 4x_3^2) \\ &= (x_1 + x_2)^2 + (x_2 + 2x_3)^2 \end{align*} f​=(x12​+2x1​x2​+x22​)+(x22​+4x2​x3​+4x32​)=(x1​+x2​)2+(x2​+2x3​)2​

  • 变量替换:
    令 y 1 = x 1 + x 2 y_1 = x_1 + x_2 y1​=x1​+x2​, y 2 = x 2 + 2 x 3 y_2 = x_2 + 2x_3 y2​=x2​+2x3​, y 3 = x 3 y_3 = x_3 y3​=x3​,则 x = ( 1 − 1 2 0 1 − 2 0 0 1 ) y \boldsymbol{x} = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 \\ 0 & 1 & -2 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\boldsymbol{y} x= ​100​−110​2−21​ ​y。

  • 标准形: f = y 1 2 + y 2 2 f = y_1^2 + y_2^2 f=y12​+y22​,变换矩阵 C = ( 1 − 1 2 0 1 − 2 0 0 1 ) \boldsymbol{C} = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 \\ 0 & 1 & -2 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} C= ​100​−110​2−21​ ​(可逆)。

2、正交化法

通过正交变换 x = Q y \boldsymbol{x} = \boldsymbol{Q}\boldsymbol{y} x=Qy( Q \boldsymbol{Q} Q 为正交矩阵)将二次型化为标准形,标准形的系数为矩阵 A \boldsymbol{A} A 的特征值,即 f = λ 1 y 1 2 + λ 2 y 2 2 + ⋯ + λ n y n 2 f = \lambda_1y_1^2 + \lambda_2y_2^2 + \cdots + \lambda_ny_n^2 f=λ1​y12​+λ2​y22​+⋯+λn​yn2​。

  1. 写出二次型矩阵 A \boldsymbol{A} A:

二次型 f = x T A x f = \boldsymbol{x}^\text{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{x} f=xTAx 中, A \boldsymbol{A} A 为实对称矩阵( a i i a_{ii} aii​ 是 x i 2 x_i^2 xi2​ 的系数, a i j = a j i a_{ij} = a_{ji} aij​=aji​ 是 x i x j x_ix_j xi​xj​ 系数的一半)。

  1. 求 A \boldsymbol{A} A 的特征值和特征向量:
    解特征方程 ∣ λ E − A ∣ = 0 |\lambda\boldsymbol{E} - \boldsymbol{A}| = 0 ∣λE−A∣=0 得特征值 λ 1 , … , λ n \lambda_1, \dots, \lambda_n λ1​,…,λn​,对应特征向量 ξ 1 , … , ξ n \boldsymbol{\xi}_1, \dots, \boldsymbol{\xi}_n ξ1​,…,ξn​。

  2. 特征向量正交化与单位化:

    对同一特征值的线性无关特征向量用施密特正交化,再将所有特征向量单位化,得单位正交向量组 γ 1 , … , γ n \boldsymbol{\gamma}_1, \dots, \boldsymbol{\gamma}_n γ1​,…,γn​。

  3. 构造正交矩阵 Q \boldsymbol{Q} Q 和标准形:

    Q = ( γ 1 , … , γ n ) \boldsymbol{Q} = (\boldsymbol{\gamma}_1, \dots, \boldsymbol{\gamma}_n) Q=(γ1​,…,γn​),则正交变换 x = Q y \boldsymbol{x} = \boldsymbol{Q}\boldsymbol{y} x=Qy 化二次型为标准形:
    f = λ 1 y 1 2 + λ 2 y 2 2 + ⋯ + λ n y n 2 f = \lambda_1y_1^2 + \lambda_2y_2^2 + \cdots + \lambda_ny_n^2 f=λ1​y12​+λ2​y22​+⋯+λn​yn2​

示例:

用正交化法化 f = 2 x 1 2 + 2 x 2 2 + 2 x 3 2 + 2 x 1 x 2 + 2 x 1 x 3 + 2 x 2 x 3 f = 2x_1^2 + 2x_2^2 + 2x_3^2 + 2x_1x_2 + 2x_1x_3 + 2x_2x_3 f=2x12​+2x22​+2x32​+2x1​x2​+2x1​x3​+2x2​x3​ 为标准形。

  • 二次型矩阵: A = ( 2 1 1 1 2 1 1 1 2 ) \boldsymbol{A} = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 \end{pmatrix} A= ​211​121​112​ ​。

  • 特征值: λ 1 = 4 \lambda_1 = 4 λ1​=4, λ 2 = λ 3 = 1 \lambda_2 = \lambda_3 = 1 λ2​=λ3​=1。

  • 单位正交特征向量:

γ 1 = 1 3 ( 1 , 1 , 1 ) T \boldsymbol{\gamma}_1 = \frac{1}{\sqrt{3}}(1, 1, 1)^\text{T} γ1​=3 ​1​(1,1,1)T, γ 2 = 1 2 ( − 1 , 1 , 0 ) T \boldsymbol{\gamma}_2 = \frac{1}{\sqrt{2}}(-1, 1, 0)^\text{T} γ2​=2 ​1​(−1,1,0)T, γ 3 = 1 6 ( − 1 , − 1 , 2 ) T \boldsymbol{\gamma}_3 = \frac{1}{\sqrt{6}}(-1, -1, 2)^\text{T} γ3​=6 ​1​(−1,−1,2)T。

  • 标准形: f = 4 y 1 2 + y 2 2 + y 3 2 f = 4y_1^2 + y_2^2 + y_3^2 f=4y12​+y22​+y32​,正交矩阵 Q = ( γ 1 , γ 2 , γ 3 ) \boldsymbol{Q} = (\boldsymbol{\gamma}_1, \boldsymbol{\gamma}_2, \boldsymbol{\gamma}_3) Q=(γ1​,γ2​,γ3​)。
十九、二次型正定

若n元二次型 f = x T A x f=x^TAx f=xTAx正定 <=> 对任意x≠0,有 f = x T A x f=x^TAx f=xTAx>0

<=> f的正惯性指数p = n

<=> 存在可逆矩阵D,使 A = D T ^T TD

<=>A合同与E

<=>A的特征值 λ i > 0 ( i = 1 , 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , n ) λ_i >0 (i = 1, 2,···,n) λi​>0(i=1,2,⋅⋅⋅,n)

<=>A的全部顺序主子式均大于0

二十、等价、相似、合同
关系 等价(矩阵 A \boldsymbol{A} A与 B \boldsymbol{B} B等价) 相似(矩阵 A \boldsymbol{A} A与 B \boldsymbol{B} B相似) 合同(矩阵 A \boldsymbol{A} A与 B \boldsymbol{B} B合同)
定义 存在可逆矩阵 P , Q \boldsymbol{P},\boldsymbol{Q} P,Q,使 B = P A Q \boldsymbol{B}=\boldsymbol{P}\boldsymbol{A}\boldsymbol{Q} B=PAQ 存在可逆矩阵 P \boldsymbol{P} P,使 B = P − 1 A P \boldsymbol{B}=\boldsymbol{P}^{-1}\boldsymbol{A}\boldsymbol{P} B=P−1AP 存在可逆矩阵 C \boldsymbol{C} C,使 B = C T A C \boldsymbol{B}=\boldsymbol{C}^\text{T}\boldsymbol{A}\boldsymbol{C} B=CTAC
核心本质 矩阵经初等变换可互化(体现秩的一致性) 线性变换在不同基下的矩阵表示(保持特征值等核心属性) 二次型经可逆线性变换的等价性(保持正定性等惯性性质)
充要条件 同型且秩相等: r ( A ) = r ( B ) r(\boldsymbol{A})=r(\boldsymbol{B}) r(A)=r(B) ① 特征值完全相同(含重数);
② 存在可逆矩阵 P , Q \boldsymbol{P},\boldsymbol{Q} P,Q使 A = P B Q \boldsymbol{A}=\boldsymbol{P}\boldsymbol{B}\boldsymbol{Q} A=PBQ且 P − 1 = Q \boldsymbol{P}^{-1}=\boldsymbol{Q} P−1=Q(特殊等价)
① 均为实对称矩阵且惯性指数相同(正、负惯性指数分别相等);
② 存在可逆矩阵 P , Q \boldsymbol{P},\boldsymbol{Q} P,Q使 A = P B Q \boldsymbol{A}=\boldsymbol{P}\boldsymbol{B}\boldsymbol{Q} A=PBQ且 P T = Q \boldsymbol{P}^\text{T}=\boldsymbol{Q} PT=Q(特殊等价)
包含关系 等价是最宽泛的关系:
相似 ⊂ \subset ⊂等价,合同 ⊂ \subset ⊂等价(实对称矩阵中相似 ⊂ \subset ⊂合同)
相似矩阵必等价,但等价矩阵不一定相似;
实对称矩阵相似必合同,但合同不一定相似
合同矩阵必等价,但等价矩阵不一定合同;
实对称矩阵合同 ⇏ \nRightarrow ⇏相似(特征值可不同)
不变量 矩阵的秩 r ( A ) r(\boldsymbol{A}) r(A) 特征值、行列式、迹、秩、可逆性 惯性指数(正惯性指数 p p p、负惯性指数 q q q)、秩、对称性(若原矩阵对称)
适用场景 矩阵秩的比较、方程组同解性等 特征值与特征向量、矩阵对角化、线性变换等 二次型化简、正定性判定、曲面分类等
示例 ( 1 0 0 0 ) \begin{pmatrix}1&0\\0&0\end{pmatrix} (10​00​)与 ( 0 1 0 0 ) \begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix} (00​10​)等价(秩均为1) ( 1 1 0 1 ) \begin{pmatrix}1&1\\0&1\end{pmatrix} (10​11​)与 ( 1 0 1 1 ) \begin{pmatrix}1&0\\1&1\end{pmatrix} (11​01​)相似(特征值均为1) ( 1 0 0 − 1 ) \begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix} (10​0−1​)与 ( 2 0 0 − 3 ) \begin{pmatrix}2&0\\0&-3\end{pmatrix} (20​0−3​)合同(惯性指数均为 p = 1 , q = 1 p=1,q=1 p=1,q=1)

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