3387 字
17 分钟
学习笔记3

其实是作业。第一次这样干,把作业写完然后用 LaTeX 打一遍,力竭了,以后这事谁爱干谁干,我是不会再这样写作业了。

高等线性代数 作业 4#

4.1#

对系数矩阵进行初等行变换:

(121−10245−3−1−1−1−3342)⟶(121−10003−1−101−2242)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & -1 & 0 \\ 2 & 4 & 5 & -3 & -1 \\ -1 & -1 & -3 & 3 & 42 \end{pmatrix} \longrightarrow \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 3 & -1 & -1 \\ 0 & 1 & -2 & 2 & 42 \end{pmatrix}⟶(121−1001−2242003−1−1)⟶(100−103−2473010431243001−13−13)\longrightarrow \begin{pmatrix} 1 & 2 & 1 & -1 & 0 \\ 0 & 1 & -2 & 2 & 42 \\ 0 & 0 & 3 & -1 & -1 \end{pmatrix} \longrightarrow \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & -\frac{10}{3} & -\frac{247}{3} \\ 0 & 1 & 0 & \frac{4}{3} & \frac{124}{3} \\ 0 & 0 & 1 & -\frac{1}{3} & -\frac{1}{3} \end{pmatrix}

由此可得同解方程组:

{x1=103x4+2473x5x2=−43x4−1243x5x3=13x4+13x5\begin{cases} x_1 &= \frac{10}{3}x_4 + \frac{247}{3}x_5 \\ x_2 &= -\frac{4}{3}x_4 - \frac{124}{3}x_5 \\ x_3 &= \frac{1}{3}x_4 + \frac{1}{3}x_5 \end{cases}

分别令自由未知量 (x4,x5)=(1,0)(x_4, x_5) = (1, 0) 和 (x4,x5)=(0,1)(x_4, x_5) = (0, 1),得到基础解系:

η1=(103−431310),η2=(2473−12431301)\eta_1 = \begin{pmatrix} \frac{10}{3} \\ -\frac{4}{3} \\ \frac{1}{3} \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \qquad \eta_2 = \begin{pmatrix} \frac{247}{3} \\ -\frac{124}{3} \\ \frac{1}{3} \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}

4.2#

证明:

对于线性空间 W⊆FnW \subseteq \mathbb{F}^n,任取其一组基 α1,α2,…,αr∈Fn\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_r \in \mathbb{F}^n,其中 r=dim⁡(W)r = \dim(W)。构造矩阵:

A=(α1α2⋮αr)=(a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮ar1ar2⋯arn)A = \begin{pmatrix} \alpha_1 \\ \alpha_2 \\ \vdots \\ \alpha_r \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{r1} & a_{r2} & \cdots & a_{rn} \end{pmatrix}

因为 α1,α2,…,αr\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_r 线性无关,所以 rank⁡(A)=r\operatorname{rank}(A) = r。

对于一个解空间 W∗W^*,由于 ∀η1,η2∈W∗\forall \eta_1, \eta_2 \in W^*,有 η1+η2∈W∗\eta_1 + \eta_2 \in W^* 且 ∀k∈F, kη1∈W∗\forall k \in \mathbb{F},\ k\eta_1 \in W^*。故对 AA 进行初等行变换得到的矩阵 A′A',其每一行向量组成的行空间不变。

不妨设经过初等行变换(及必要的列交换)后,简化阶梯形矩阵为:

A⟶A′=(10⋯0b1,r+1⋯b1n01⋯0b2,r+1⋯b2n⋮⋮⋱⋮⋮⋱⋮00⋯1br,r+1⋯brn)=(α1′α2′⋮αr′)A \longrightarrow A' = \begin{pmatrix} 1 & 0 & \cdots & 0 & b_{1,r+1} & \cdots & b_{1n} \\ 0 & 1 & \cdots & 0 & b_{2,r+1} & \cdots & b_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 & b_{r,r+1} & \cdots & b_{rn} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \alpha'_1 \\ \alpha'_2 \\ \vdots \\ \alpha'_r \end{pmatrix}

构造方程组 (∗)(*) 如下:

(∗){xr+1=b1,r+1x1+b2,r+1x2+⋯+br,r+1xrxr+2=b1,r+2x1+b2,r+2x2+⋯+br,r+2xr⋮xn=b1nx1+b2nx2+⋯+brnxr(*) \quad \begin{cases} x_{r+1} &= b_{1,r+1}x_1 + b_{2,r+1}x_2 + \cdots + b_{r,r+1}x_r \\ x_{r+2} &= b_{1,r+2}x_1 + b_{2,r+2}x_2 + \cdots + b_{r,r+2}x_r \\ &\quad \vdots \\ x_n &= b_{1n}x_1 + b_{2n}x_2 + \cdots + b_{rn}x_r \end{cases}

易验证 α1′,α2′,…,αr′\alpha'_1, \alpha'_2, \dots, \alpha'_r 满足方程组 (∗)(*),且是其一组基础解系。由于矩阵初等行变换可逆,α1,…,αr\alpha_1, \dots, \alpha_r 与 α1′,…,αr′\alpha'_1, \dots, \alpha'_r 可以互相线性表示,故 α1,…,αr\alpha_1, \dots, \alpha_r 也是 (∗)(*) 的基础解系,即 WW 是该齐次线性方程组的解空间。

4.3#

对增广矩阵进行初等行变换:

(13−12−1−4−312−5−4−12−3−1−114−41613−9−21)⟶(100−27−222010−4−4−1001−41−333000000)\left(\begin{array}{ccccc|c} 1 & 3 & -1 & 2 & -1 & -4 \\ -3 & 1 & 2 & -5 & -4 & -1 \\ 2 & -3 & -1 & -1 & 1 & 4 \\ -4 & 16 & 1 & 3 & -9 & -21 \end{array}\right) \longrightarrow \left(\begin{array}{ccccc|c} 1 & 0 & 0 & -27 & -22 & 2 \\ 0 & 1 & 0 & -4 & -4 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & -41 & -33 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right)

则对应的导出组(齐次线性方程组)与原非齐次线性方程组分别为:

{x1−27x4−22x5=0x2−4x4−4x5=0x3−41x4−33x5=0与{x1−27x4−22x5=2x2−4x4−4x5=−1x3−41x4−33x5=3\begin{cases} x_1 - 27x_4 - 22x_5 &= 0 \\ x_2 - 4x_4 - 4x_5 &= 0 \\ x_3 - 41x_4 - 33x_5 &= 0 \end{cases} \qquad \text{与} \qquad \begin{cases} x_1 - 27x_4 - 22x_5 &= 2 \\ x_2 - 4x_4 - 4x_5 &= -1 \\ x_3 - 41x_4 - 33x_5 &= 3 \end{cases}

取自由变量 x4=x5=0x_4 = x_5 = 0,得非齐次线性方程组的一个特解:

γ0=(2−1300)\gamma_0 = \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ 3 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}

对导出组,分别取 (x4,x5)=(1,0)(x_4, x_5) = (1, 0) 和 (0,1)(0, 1),得基础解系:

η1=(2744110),η2=(2243301)\eta_1 = \begin{pmatrix} 27 \\ 4 \\ 41 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}, \qquad \eta_2 = \begin{pmatrix} 22 \\ 4 \\ 33 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}

故原方程组的通解为:

x=γ0+k1η1+k2η2(k1,k2∈F)x = \gamma_0 + k_1\eta_1 + k_2\eta_2 \quad (k_1, k_2 \in \mathbb{F})

4.4#

证明:

不妨设 γ0,ηi∈Fn\gamma_0, \eta_i \in \mathbb{F}^n,将线性方程组表示为向量形式:

α1x1+α2x2+⋯+αnxn=β\alpha_1 x_1 + \alpha_2 x_2 + \cdots + \alpha_n x_n = \beta

其导出组为:

α1x1+α2x2+⋯+αnxn=0\alpha_1 x_1 + \alpha_2 x_2 + \cdots + \alpha_n x_n = 0

设特解 γ0=(a01,a02,…,a0n)T\gamma_0 = (a_{01}, a_{02}, \dots, a_{0n})^T,基础解系 ηi=(bi1,bi2,…,bin)T (i=1,2,…,s)\eta_i = (b_{i1}, b_{i2}, \dots, b_{in})^T \ (i = 1, 2, \dots, s)。由定义知:

∑k=1na0kαk=β,∑k=1nbikαk=0(i=1,2,…,s)\sum_{k=1}^n a_{0k}\alpha_k = \beta, \qquad \sum_{k=1}^n b_{ik}\alpha_k = 0 \quad (i = 1, 2, \dots, s)

考察向量:

ξ=γ0+k1η1+k2η2+⋯+ksηs=(a01+∑i=1skibi1, a02+∑i=1skibi2, …, a0n+∑i=1skibin)T\begin{aligned} \xi &= \gamma_0 + k_1\eta_1 + k_2\eta_2 + \cdots + k_s\eta_s \\ &= \left( a_{01} + \sum_{i=1}^s k_i b_{i1}, \ a_{02} + \sum_{i=1}^s k_i b_{i2}, \ \dots, \ a_{0n} + \sum_{i=1}^s k_i b_{in} \right)^T \end{aligned}

将 ξ\xi 的每一维代入原线性方程组左边,得:

左边=∑j=1n(a0j+∑i=1skibij)αj=∑j=1na0jαj+∑i=1ski(∑j=1nbijαj)=β+∑i=1ski⋅0=β=右边\begin{aligned} \text{左边} &= \sum_{j=1}^n \left( a_{0j} + \sum_{i=1}^s k_i b_{ij} \right) \alpha_j \\ &= \sum_{j=1}^n a_{0j}\alpha_j + \sum_{i=1}^s k_i \left( \sum_{j=1}^n b_{ij}\alpha_j \right) \\ &= \beta + \sum_{i=1}^s k_i \cdot 0 \\ &= \beta = \text{右边} \end{aligned}

故 ξ=γ0+∑i=1skiηi\xi = \gamma_0 + \sum_{i=1}^s k_i\eta_i 是原方程组的解。证毕。□\Box

4.5#

证明:

记第一个线性方程组为 (∗)(*),第二个线性方程组为 (∗∗)(\ast\ast)。设 AA 是 (∗)(*) 的系数矩阵,A~\tilde{A} 是 (∗)(*) 的增广矩阵;设 BB 是 (∗∗)(\ast\ast) 的系数矩阵,B~\tilde{B} 是 (∗∗)(\ast\ast) 的增广矩阵:

A=(a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮am1am2⋯amn)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} \end{pmatrix}A~=(a11a12⋯a1nb1a21a22⋯a2nb2⋮⋮⋱⋮⋮am1am2⋯amnbm)\tilde{A} = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} & b_1 \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} & b_2 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} & b_m \end{pmatrix}B=(a11a21⋯am1a12a22⋯am2⋮⋮⋱⋮a1na2n⋯amnb1b2⋯bm)B = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{21} & \cdots & a_{m1} \\ a_{12} & a_{22} & \cdots & a_{m2} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{1n} & a_{2n} & \cdots & a_{mn} \\ b_1 & b_2 & \cdots & b_m \end{pmatrix}B~=(a11a21⋯am10a12a22⋯am20⋮⋮⋱⋮⋮a1na2n⋯amn0b1b2⋯bm1)\tilde{B} = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{21} & \cdots & a_{m1} & 0 \\ a_{12} & a_{22} & \cdots & a_{m2} & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a_{1n} & a_{2n} & \cdots & a_{mn} & 0 \\ b_1 & b_2 & \cdots & b_m & 1 \end{pmatrix}

不妨将 BB 与 B~\tilde{B} 进行转置得 CC 与 C~\tilde{C},转置后矩阵的秩不变:

C=(a11a12⋯a1nb1a21a22⋯a2nb2⋮⋮⋱⋮⋮am1am2⋯amnbm)C = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} & b_1 \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} & b_2 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} & b_m \end{pmatrix}C~=(a11a12⋯a1nb1a21a22⋯a2nb2⋮⋮⋱⋮⋮am1am2⋯amnbm00⋯01)\tilde{C} = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} & b_1 \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} & b_2 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} & b_m \\ 0 & 0 & \cdots & 0 & 1 \end{pmatrix}

由线性方程组有解的充要条件知:

  • (∗)(*) 有解 ⟺rank⁡(A)=rank⁡(A~)\Longleftrightarrow \operatorname{rank}(A) = \operatorname{rank}(\tilde{A});
  • (∗∗)(\ast\ast) 有解 ⟺rank⁡(B)=rank⁡(B~)⟺rank⁡(C)=rank⁡(C~)\Longleftrightarrow \operatorname{rank}(B) = \operatorname{rank}(\tilde{B}) \Longleftrightarrow \operatorname{rank}(C) = \operatorname{rank}(\tilde{C})。

发现 C=A~C = \tilde{A},故 rank⁡(C)=rank⁡(A~)\operatorname{rank}(C) = \operatorname{rank}(\tilde{A})。因此只需证明:

rank⁡(A)=rank⁡(A~)⟺rank⁡(A~)≠rank⁡(C~)\operatorname{rank}(A) = \operatorname{rank}(\tilde{A}) \Longleftrightarrow \operatorname{rank}(\tilde{A}) \neq \operatorname{rank}(\tilde{C})

考虑 AA 可以进行初等行变换与不涉及最后一列的初等列变换,化为简化阶梯形 A′A'(其中有 rr 个 11),同步作用于 CC(即 A~\tilde{A})和 C~\tilde{C}:

A⟶A′=(10⋯001⋯0⋮⋮⋱⋮00⋯0)A \longrightarrow A' = \begin{pmatrix} 1 & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 0 \end{pmatrix}C⟶C′=(A′c1⋮cm)C \longrightarrow C' = \begin{pmatrix} A' & \begin{matrix} c_1 \\ \vdots \\ c_m \end{matrix} \end{pmatrix}C~⟶C~′=(A′c1⋮cm0    ⋯    01)\tilde{C} \longrightarrow \tilde{C}' = \begin{pmatrix} A' & \begin{matrix} c_1 \\ \vdots \\ c_m \end{matrix} \\ 0 \;\;\cdots\;\; 0 & 1 \end{pmatrix}

记 r1=rank⁡(A′)r_1 = \operatorname{rank}(A'),r2=rank⁡(C′)r_2 = \operatorname{rank}(C'),r3=rank⁡(C~′)r_3 = \operatorname{rank}(\tilde{C}')。只需考虑最后一列向量 (c1,…,cm)T(c_1, \dots, c_m)^T 的情况:由于 C~′\tilde{C}' 最后一列含非零常数 11,故必有 r3=r1+1r_3 = r_1 + 1。

  1. 若 c1=⋯=cm=0c_1 = \cdots = c_m = 0,则 r2=r1r_2 = r_1,此时 r2≠r3r_2 \neq r_3(即 (∗)(*) 有解时 (∗∗)(\ast\ast) 无解);

  2. 若 c1,…,cmc_1, \dots, c_m 中含有 11 个非零元(其余为 00),此时 r2=r1+1=r3r_2 = r_1 + 1 = r_3;

  3. 若 c1,…,cmc_1, \dots, c_m 不是上述两种情况(即含多个非零元),可通过矩阵初等行变换消元化为情况 2,仍有 r2=r1+1=r3r_2 = r_1 + 1 = r_3(即 (∗)(*) 无解时 (∗∗)(\ast\ast) 有解)。

综上可得 r2=r1⟺r2≠r3r_2 = r_1 \Longleftrightarrow r_2 \neq r_3,故原命题得证。□\Box

4.6#

证明:

设 A=(α1,α2,…,αn)A = (\alpha_1, \alpha_2, \dots, \alpha_n),其中 αk\alpha_k 为 AA 的第 kk 列向量。令 C=ABC = AB,其中:

B=(b11b12⋯b1sb21b22⋯b2s⋮⋮⋱⋮bn1bn2⋯bns)n×sB = \begin{pmatrix} b_{11} & b_{12} & \cdots & b_{1s} \\ b_{21} & b_{22} & \cdots & b_{2s} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ b_{n1} & b_{n2} & \cdots & b_{ns} \end{pmatrix}_{n \times s}

由矩阵乘法定义,CC 的第 (i,j)(i, j) 元为:

cij=∑k=1naikbkjc_{ij} = \sum_{k=1}^n a_{ik} b_{kj}

考察 C=ABC = AB 的第 jj 列向量 γj\gamma_j:

γj=(c1jc2j⋮cmj)=(∑k=1na1kbkj∑k=1na2kbkj⋮∑k=1namkbkj)=∑k=1nbkj(a1ka2k⋮amk)=b1jα1+b2jα2+⋯+bnjαn\begin{aligned} \gamma_j &= \begin{pmatrix} c_{1j} \\ c_{2j} \\ \vdots \\ c_{mj} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \sum_{k=1}^n a_{1k} b_{kj} \\ \sum_{k=1}^n a_{2k} b_{kj} \\ \vdots \\ \sum_{k=1}^n a_{mk} b_{kj} \end{pmatrix} \\ &= \sum_{k=1}^n b_{kj} \begin{pmatrix} a_{1k} \\ a_{2k} \\ \vdots \\ a_{mk} \end{pmatrix} \\ &= b_{1j}\alpha_1 + b_{2j}\alpha_2 + \cdots + b_{nj}\alpha_n \end{aligned}

故 ABAB 的第 jj 列向量确为 b1jα1+b2jα2+⋯+bnjαnb_{1j}\alpha_1 + b_{2j}\alpha_2 + \cdots + b_{nj}\alpha_n。□\Box

4.7#

(1)#

考察基础矩阵 EijE_{ij} 与 EklE_{kl} 的乘积:EijE_{ij} 中仅有第 (i,j)(i, j) 元为 11,其余全为 00;在矩阵乘法中,该元素仅与 EklE_{kl} 中的第 jj 行元素产生非零相乘行为。

  1. 若 j=kj = k,则在乘积矩阵的第 (i,l)(i, l) 处有 1×1=11 \times 1 = 1,其余为 00,即:

    Eij⋅Ekl=EilE_{ij} \cdot E_{kl} = E_{il}
  2. 若 j≠kj \neq k,则对应相乘元素均为 00,即:

    Eij⋅Ekl=OE_{ij} \cdot E_{kl} = O

综上所述:

EijEkl={Eil,j=k,O,j≠k.E_{ij} E_{kl} = \begin{cases} E_{il}, & j = k, \\ O, & j \neq k. \end{cases}

(2)#

  1. 若 i=ji = j,则 AA 任取。

  2. 若 i≠ji \neq j,设 A=(auv)n×nA = (a_{uv})_{n \times n} 与所有 EijE_{ij} 可交换,即 EijA=AEijE_{ij}A = AE_{ij}。

    • EijAE_{ij}A 表示将 AA 的第 jj 行移到第 ii 行,其余行全为 00,即

      EijA=(00⋯0⋮⋮⋱⋮aj1aj2⋯ajn⋮⋮⋱⋮00⋯0)E_{ij}A = \begin{pmatrix} 0 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{j1} & a_{j2} & \cdots & a_{jn} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 0 \end{pmatrix}

      (其中 aj1,aj2,…,ajna_{j1}, a_{j2}, \dots, a_{jn} 位于第 ii 行);

    • AEijAE_{ij} 表示将 AA 的第 ii 列移到第 jj 列,其余列全为 00,即

      AEij=(0⋯0a1i0⋯00⋯0a2i0⋯0⋮⋱⋮⋮⋮⋱⋮0⋯0ani0⋯0)AE_{ij} = \begin{pmatrix} 0 & \cdots & 0 & a_{1i} & 0 & \cdots & 0 \\ 0 & \cdots & 0 & a_{2i} & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots & 0 & a_{ni} & 0 & \cdots & 0 \end{pmatrix}

      (其中 a1i,a2i,…,ania_{1i}, a_{2i}, \dots, a_{ni} 位于第 jj 列)。

    对比两矩阵的元素可得:如果 AEij=EijAAE_{ij} = E_{ij}A,则应该满足

    ajj=aii,aj1=aj2=⋯=aj,j−1=aj,j+1=⋯=ajn=0,a1i=a2i=⋯=ai−1,i=ai+1,i=⋯=ani=0.\begin{aligned} & a_{jj} = a_{ii}, \\ & a_{j1} = a_{j2} = \cdots = a_{j,j-1} = a_{j,j+1} = \cdots = a_{jn} = 0, \\ & a_{1i} = a_{2i} = \cdots = a_{i-1,i} = a_{i+1,i} = \cdots = a_{ni} = 0. \end{aligned}

4.8#

证明:

设 AA 为 m×nm \times n 矩阵,且 rank⁡(A)≤1\operatorname{rank}(A) \le 1。

  1. 若 rank⁡(A)=0\operatorname{rank}(A) = 0,则 A=OA = O。此时令 ai=bj=0 (1≤i≤m, 1≤j≤n)a_i = b_j = 0 \ (1 \le i \le m, \ 1 \le j \le n),显然满足条件。

  2. 若 rank⁡(A)=1\operatorname{rank}(A) = 1,由于行秩等于矩阵的秩,即 rank⁡row(A)=rank⁡(A)=1\operatorname{rank}_{\text{row}}(A) = \operatorname{rank}(A) = 1,故 AA 中必存在非零行(不妨设第 ii 行不全为 00),且其余每一行均可表示为第 ii 行的倍数。

    设第 ii 行元素表示为 aib1,aib2,…,aibna_i b_1, a_i b_2, \dots, a_i b_n(其中 ai≠0a_i \neq 0),则对于任意第 kk 行,均存在比例系数 aka_k,使得第 kk 行元素由第 ii 行乘 akai\frac{a_k}{a_i} 得到,由此获得了第 kk 行的表示。

    由此得到了 a1,…,ama_1, \dots, a_m 与 b1,…,bnb_1, \dots, b_n:

    A=(a1b1a1b2⋯a1bna2b1a2b2⋯a2bn⋮⋮⋱⋮amb1amb2⋯ambn)A = \begin{pmatrix} a_1 b_1 & a_1 b_2 & \cdots & a_1 b_n \\ a_2 b_1 & a_2 b_2 & \cdots & a_2 b_n \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_m b_1 & a_m b_2 & \cdots & a_m b_n \end{pmatrix}

    反之,若 AA 可写成上述形式,其所有行均为 (b1,…,bn)(b_1, \dots, b_n) 的倍数,故 rank⁡(A)≤1\operatorname{rank}(A) \le 1。证毕。□\Box

4.9#

设线性映射 ϕA:Fn→Fm, α↦Aα\phi_A: \mathbb{F}^n \to \mathbb{F}^m, \ \alpha \mapsto A\alpha。

(1) 证明:ϕA\phi_A 是单射 ⟺rank⁡(A)=n\Longleftrightarrow \operatorname{rank}(A) = n(此时必有 n≤mn \le m)#

对任意 β=(c1,c2,…,cm)∈Fm\beta = (c_1, c_2, \dots, c_m) \in \mathbb{F}^m,有:

ϕA 是单射⟺∀α1≠α2∈Fn, ϕA(α1)≠ϕA(α2)⟺∀α1≠α2∈Fn, Aα1≠Aα2⟺线性方程组 Ax=β 若有解则必有唯一解⟺rank⁡(A)=n\begin{aligned} \phi_A \text{ 是单射} &\Longleftrightarrow \forall \alpha_1 \neq \alpha_2 \in \mathbb{F}^n, \ \phi_A(\alpha_1) \neq \phi_A(\alpha_2) \\ &\Longleftrightarrow \forall \alpha_1 \neq \alpha_2 \in \mathbb{F}^n,\ A\alpha_1 \neq A\alpha_2 \\ &\Longleftrightarrow \text{线性方程组 } Ax = \beta \text{ 若有解则必有唯一解} \\ &\Longleftrightarrow \operatorname{rank}(A) = n \end{aligned}

(2) 证明:ϕA\phi_A 是满射 ⟺rank⁡(A)=m\Longleftrightarrow \operatorname{rank}(A) = m(此时必有 m≤nm \le n)#

设 A=(γ1,γ2,…,γn)A = (\gamma_1, \gamma_2, \dots, \gamma_n),对于 α=(b1,b2,…,bn)T∈Fn\alpha = (b_1, b_2, \dots, b_n)^T \in \mathbb{F}^n,有:

ϕA(α)=Aα=b1γ1+b2γ2+⋯+bnγn\phi_A(\alpha) = A\alpha = b_1\gamma_1 + b_2\gamma_2 + \cdots + b_n\gamma_nϕA 是满射⟺∀β∈Fm, ∃α∈Fn 使得 ϕA(α)=β⟺∀β∈Fm, β 可由 γ1,γ2,…,γn 线性表出⟺span⁡{γ1,γ2,…,γn}=Fm⟺dim⁡span⁡{γ1,γ2,…,γn}=m⟺rank⁡(A)=m\begin{aligned} \phi_A \text{ 是满射} &\Longleftrightarrow \forall \beta \in \mathbb{F}^m, \ \exists \alpha \in \mathbb{F}^n \text{ 使得 } \phi_A(\alpha) = \beta \\ &\Longleftrightarrow \forall \beta \in \mathbb{F}^m, \ \beta \text{ 可由 } \gamma_1, \gamma_2, \dots, \gamma_n \text{ 线性表出} \\ &\Longleftrightarrow \operatorname{span}\{\gamma_1, \gamma_2, \dots, \gamma_n\} = \mathbb{F}^m \\ &\Longleftrightarrow \dim \operatorname{span}\{\gamma_1, \gamma_2, \dots, \gamma_n\} = m \\ &\Longleftrightarrow \operatorname{rank}(A) = m \end{aligned}

证毕 □\Box

4.10#

(1) 证明 KK 关于矩阵加法和乘法构成一个域#

设

K={(a−bba) | a,b∈R}K = \left\{ \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix} \ \middle\vert\ a, b \in \mathbb{R} \right\}

任取

K1=(a−bba),K2=(c−ddc)∈KK_1 = \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix}, \qquad K_2 = \begin{pmatrix} c & -d \\ d & c \end{pmatrix} \in K

易验证加法和乘法在 KK 上封闭。

  1. 加法交换律: K1+K2=K2+K1K_1 + K_2 = K_2 + K_1,显然成立。

  2. 加法结合律: (K1+K2)+K3=K1+(K2+K3)(K_1 + K_2) + K_3 = K_1 + (K_2 + K_3),由矩阵加法性质显然成立。

  3. 加法零元: 定义 O=(0000)∈KO = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \in K,则 O+K1=K1+O=K1O + K_1 = K_1 + O = K_1。

  4. 加法逆元(负元): ∀K1=(a−bba)∈K\forall K_1 = \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix} \in K,存在 −K1=(−ab−b−a)∈K-K_1 = \begin{pmatrix} -a & b \\ -b & -a \end{pmatrix} \in K,使得 K1+(−K1)=OK_1 + (-K_1) = O。

  5. 乘法交换律:

    K1K2=(a−bba)(c−ddc)=(ac−bd−(ad+bc)bc+adac−bd)K_1 K_2 = \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix} \begin{pmatrix} c & -d \\ d & c \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} ac - bd & -(ad + bc) \\ bc + ad & ac - bd \end{pmatrix} K2K1=(c−ddc)(a−bba)=(ca−db−(cb+da)da+cbca−db)=K1K2K_2 K_1 = \begin{pmatrix} c & -d \\ d & c \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} ca - db & -(cb + da) \\ da + cb & ca - db \end{pmatrix} = K_1 K_2
  6. 乘法结合律: 由矩阵乘法结合律知成立。

  7. 乘法单位元: 1=(1001)∈K1 = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \in K,满足 K11=1K1=K1K_1 1 = 1 K_1 = K_1。

  8. 乘法逆元: 对任意 K1=(a−bba)≠OK_1 = \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix} \neq O(即 a,ba, b 不全为 00,故 a2+b2≠0a^2 + b^2 \neq 0),存在:

    K1−1=(aa2+b2ba2+b2−ba2+b2aa2+b2)∈KK_1^{-1} = \begin{pmatrix} \frac{a}{a^2 + b^2} & \frac{b}{a^2 + b^2} \\ -\frac{b}{a^2 + b^2} & \frac{a}{a^2 + b^2} \end{pmatrix} \in K

    使得 K1K1−1=K1−1K1=1K_1 K_1^{-1} = K_1^{-1} K_1 = 1。

  9. 分配律: 由矩阵乘法对加法的分配律知成立。

综上所述,KK 是一个域。

(2) 证明 KK 与复数域 C\mathbb{C} 同构#

定义映射 Φ:K→C\Phi: K \to \mathbb{C}:

Φ((a−bba))=a+bi\Phi\left( \begin{pmatrix} a & -b \\ b & a \end{pmatrix} \right) = a + bi

显然 Φ\Phi 是双射。

  • 保持加法:

    Φ(z+w)=Φ((a+c−(b+d)b+da+c))=(a+c)+(b+d)i\Phi(z + w) = \Phi\left( \begin{pmatrix} a + c & -(b + d) \\ b + d & a + c \end{pmatrix} \right) = (a + c) + (b + d)i Φ(z)+Φ(w)=(a+bi)+(c+di)=(a+c)+(b+d)i\Phi(z) + \Phi(w) = (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i   ⟹  Φ(z+w)=Φ(z)+Φ(w)\implies \Phi(z + w) = \Phi(z) + \Phi(w)
  • 保持乘法:

    Φ(zw)=Φ((ac−bd−(ad+bc)bc+adac−bd))=(ac−bd)+(ad+bc)i\Phi(zw) = \Phi\left( \begin{pmatrix} ac - bd & -(ad + bc) \\ bc + ad & ac - bd \end{pmatrix} \right) = (ac - bd) + (ad + bc)i Φ(z)Φ(w)=(a+bi)(c+di)=(ac−bd)+(ad+bc)i\Phi(z)\Phi(w) = (a + bi)(c + di) = (ac - bd) + (ad + bc)i   ⟹  Φ(zw)=Φ(z)Φ(w)\implies \Phi(zw) = \Phi(z)\Phi(w)

得证 □\Box

学习笔记3
https://minstring.vercel.app/posts/notes/notes3/
作者
MinString
发布于
2026-10-15
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

评论