第五章 二次型一、二次型与矩阵1. 基本概念二次型;二次型的矩阵和秩;非退化线性替换;矩阵的合同.2. 基本结论(1) 非退化线性替换把二次型变为二次型.(2) 二次型AX X x x x f n ′=),,,(21 可经非退化的线性替换CY X =化为二次型AY Y y y y f n ′=′),,,(21 ⇔AC C B ′=.(3) 矩阵的合同关系满足反身性、对称性和传递性.二、标准形1. 基本概念二次型的标准形;配方法;初等行列变换法 ;正交变换法2. 基本定理(1) 数域P 上任意一个二次型),,,(21n x x x f 都可经过非退化的线性替换CY X =化为标准形式2222211n n y d y d y d +++ . (2) 在数域P 上，任意一个对称矩阵都合同于一对角矩阵.三、唯一性1. 基本概念复二次型的规范形;实二次型的规范形,正惯性指数、负惯性指数、符号差.2. 基本定理(1) 任一复二次型),,,(21n x x x f 都可经过非退化的线性替换CY X =化为唯一的规范形式f r z z z r =+++,22221 的秩.因而有:两个复对称矩阵合同⇔它们的秩相等.(2) 惯性定律:任一实二次型),,,(21n x x x f 都可经过非退化线性替换CY X =化为唯一的规范形式f r z z z z r p p =−−−+++,221221 的秩,p 为),,,(21n x x x f 的惯性指数.因而两个n 元实二次型可经过非退化线性替换互化⇔它们分别有相同的秩和惯性指数.(4) 实二次型的标准形式中系数为正的平方项的个数是唯一确定的,它等于正惯性指数，而系数为负的平方项的个数就等于负惯性指数.四、正定二次型1. 基本概念正定二次型，正定矩阵;顺序主子式，负定二次型，半正定二次型，半负定二次型，不定二次型.2. 基本结论(1) 非退化线性替换保持实二次型的正定性不变.(2) 实二次型AX X x x x f n ′=),,,(21 正定⇔① A 与单位矩阵合同,即存在可逆矩阵P ,使得P P A ′=;② A 的顺序主子式都大于零.③ ),,,(21n x x x f 的正惯性指数等于n .④ A 的所有特征值都大于零.⑤ A 半正定且0A >.第六章 线性空间线性空间是线性代数的中心内容，是几何空间的抽象和推广，线性空间的概念具体展示了代数理论的抽象性和应用的广泛性.一、线性空间1. 线性空间的概念2. 线性间的性质(1) 线性空间的零元，每个元素的负元都是唯一的；(2) αα−=−)1(;0,00==⇔=ααor k k .二、基、维数和坐标1．基本概念：线性表示（组合）；向量组等价；线性相关（无关）；基、维数和坐标；过渡矩阵.2．基本结论(1)线性相关性的有关结论.(2)在n 维线性空间V 中，任意n 个线性无关的向量都作成V 的一个基； 任意)(n m m <个线性无关的向量都可扩充为V 的一个基；任意)(n s s >个向量都是线性相关的.(3)若在线性空间V 中有n 个线性无关的向量n ααα,,,21 ,且V 中任意向量都可由它线性表示，则V 是n 维的，而n ααα,,,21 就是V 的一个基.(4)设{n ααα,,,21 }和{n βββ,,,21 }是n 维线性空间V 的两个基，A 是由基{n ααα,,,21 }到基{n βββ,,,21 }的过渡矩阵，),,,(21n x x x 和),,,(21n y y y 分别是向量α在这两个基下的坐标，则A 是可逆的，且= n n y y y A x x x 2121 三、线性子空间及其形成1．基本概念：子空间；生成子空间；解空间；子空间的和与直和.2．基本结论：(1) 线性空间V 的非空子集合W 作成V 的子空间⇔W 对于V 的两种运算封闭.(2) 线性空间V 的两个子空间的交与和仍为子空间.(3)(维数公式) 若21,V V 是线性空间V 的两个有限维子空间，则)dim()dim()dim()dim(212121V V V V V V ++=+(4)),,,(),,,(dim 2121n n rank L αααααα =.),,,(),,,(2121n m L L βββααα = ⇔向量组{m ααα,,,21 }与{n βββ,,,21 }等价.(5) 设U 是线性空间V 的一个子空间，则存在一个子空间W ，使得W U V ⊕=，此时称W 为U 的一个余子空间.(6) 设s V V V ,,,21 是线性空间V 的子空间，下面这些条件等价：① ∑=i V W 是直和；② 零向量的表示法唯一；③ {});,,2,1(,0t i V V i j j i ==∑≠④ ∑=i V W dim dim .四、线性空间的同构1.同构的定义2. 同构映射的基本性质：(1) 线性空间的同构映射保持零元，负元，线性组合，线性相关性；(2) 同构映射把子空间映成子空间；(3) 线性空间的同构关系具有反身性，对称性和传递性；(4) 数域P 上两个有限维线性空间同构⇔它们有相同的维数，因而，每一个数域P 上的n 维线性空间都与n 元数组所成的线性空间n P 同构.第七章 线性变换线性变换是线性代数的中心内容之一,它对于研究线性空间的整体结构以及向量之间的内存联系起着重要作用.线性变换的概念是解析几何中的坐标变换、数学分析中的某些变换替换等的抽象和推广,它的理论和方法,(特别是与之相适应的矩阵理论和方法)在解析几何、微分方程等许多其它应用学科,都有极为广泛的应用.本章的中心问题是研究线性变换的矩阵表示,在方法上则充分利用了线性变换与矩阵对应和相互转换.一、线性变换及其运算1. 基本概念:线性变换,可逆线性变换与逆变换;线性变换的和与差,乘积和数量乘法,幂和多项式;线性变换的值域Im V = 与核1{}o Ker −= ，秩与零度.2. 基本结论(1) 线性变换保持零向量、线性组合与线性关系不变; 线性变换把负向量变为象的负向量、把线性相关的向量组变为线性相关的向量组(2) 线性变换的和、差、积、数乘和可逆线性变换的逆变换仍为线性变换.(3) 线性变换的基本运算规律(略).(4) 一个线性空间的全体线性变换关于线性变换的加法与数量乘法作成一个线性空间.(5) 线性空间V 的线性变换 的值域与核是V 的子空间. 且V 由V 的一组基的像生成.若dim V n =,则 的秩+A 的零度=n ,且 是双射⇔ 是单射⇔1{}{}o o −= ⇔ 是满射射⇔V V = .二、线性变换与矩阵1.基本概念:线性变换在基下的矩阵;相似矩阵.2.基本结论(1) 若n ααα,,,21 是线性空间V 的一个基, V n ∈∀βββ,,,21 ,则存在唯一 )(V L ∈,使得 n i i i ,,2,1,)( ==βα.(2) 在取定n 维线性空间V 的一个基之后,将V 的每一线性变换与它在这个基下的矩阵相对应,则这个对应使得线性变换的和、乘积、数量乘积的矩阵分别对应于矩阵的和、乘积、数量乘积；可逆线性变换与可逆矩阵对应，且逆变换对应逆矩阵。
(3) 同一线性变换关于不同基的矩阵是相似的;反之,若两个矩阵相似,则它们可看作是同一线性变换关于两个基的矩阵.(4) 若在线性空间V 的一个基n ααα,,,21 下,线性变换 对应的矩阵为A ,向量α的坐标为),,,(21n x x x ,则 的秩=秩(A ), α的坐标=n n x x x A y y y 2121. 三、特征值与特征向量1.基本概念:线性变换(或矩阵)的特征值与特征向量;特征多项式与最小多项式；特征子空间.2.基本结论:(1) 线性变换与相应矩阵的特征值、特征向量及特征子空间的关系(略)(2) 属于不同特征值的特征向量是线性无关的.(3) 相似矩阵有相同的特征多项式,反之不然.(4) Caylay Hamilton −定理:设线性变换 在某个基下的矩阵为A ,||)(A E f −=λλ,则0)(=A f ,f ( )=0.四、对角化问题1. 基本概念:不变子空间,Jordan 标准形.2. 基本结论:设 是数域P 上n 维向量空间V 的一个线性变换,则(1) 的矩阵可以在某一组基下为对角形矩阵⇔ 有n 个线性无关的特征向量. ⇔V 可以分解为n 个一维不变子空间的直和.⇔ 的所有不同的特征子空间的维数之和等于n .因而,当 有n 个不同特征值时, 必在某个基下的矩阵是对角形式.(2) 在某组基下的矩阵是为角形⇔V可以分解为 一子空间的直和；在某组基下的矩阵为对角形⇔ 的最小多项式（即 在任一基下矩阵的最小多项式）是P上互素的一次因式的乘积.(3) 设A为n阶矩阵，则A必与一个Jordan标准形矩阵相似，且在不计若当块的排列次序的意义下，这个Jordan标准形是唯一的；而A与对角矩阵相似⇔A的最小多项式无重根.于是，当A的特征多项式无重根时，A必与一个对角矩阵相似.矩阵的三大关系第八章 −λ矩阵一、基本概念−λ矩阵，可逆的−λ矩阵，秩；−λ矩阵的初等变换及标准形；行列式因子，不变因子，初等因子；若尔当标准形.二、主要结论1. 一个n n ×的−λ矩阵)(λA 是可逆的充要条件为行列式|)(|λA 是一个非零的数.2. 任意一个非零的n s ×的−λ矩阵)(λA 都等价于其唯一的标准形矩阵：00)()()(21 λλλr d d d , 其中),,2,1)((,1r i d r i =≥λ是首项系数为1的多项式，且)1,,2,1()(|)(1−=+r i d d i i λλ.4. 每个n 级的复数矩阵A 都与一个若尔当形矩阵相似，这个若尔当形矩阵除去其中若尔当块的排列次序外是被矩阵A 唯一决定的，它称为A 的若尔当标准形.5. 设 是复数域上n 维线性空间V 的线性变换，在V 中必定存在一组基，使 在这组基下的矩阵是若尔当形，并且这个若尔当形矩阵除去其中若尔当块的排列次序外是被 唯一决定的.6. 两个同级复数矩阵相似的充要条件是它们有相同的初等因子.7. 复数矩阵A 与对角矩阵相似的充要条件是A 的初等因子全为一次的(或A 的不变因子都没有重根).第九章 欧几里得空间一、欧氏空间1. 内积、欧氏空间的概念及其简单性质.2. 柯西—布涅可夫斯基不等式:2(,)(,)(,)αβααββ≤.3. 向量的长度:α=.4. 两个非零向量α与β的夹角:(,)arccosαβθαβ=.).0(πθ≤≤若(,)0αβ=,则α与β正交.二、标准正交基１. 标准正交基的概念.２. 标准正交基的求法—施密特正交化方法.３. 由标准正交基到标准正交基的过渡矩阵是正交矩阵.反过来，假如两个基之间的过渡矩阵是正交矩阵，而且其中一个基是标准正交基，那么另一个基也是标准正交基.三、正交补 内射影1. 向量与集合正交的概念.2. 欧氏空间的子空间1V 的正交补的概念.3. 设1V 是V 的子空间,则⊥⊕=11V V V ,且V ∈∀α可以唯一写成21ααα+=,其中⊥∈∈1211,V V αα,则称1α是α在1V 上的内射影.四、欧氏空间的线性变换1.正交变换(1) V 的线性变换 是正交变换⇔① 保持向量的内积不变(,)(,)αβαβ= .② 保持向量的长度不变αα= .③ 把标准正交基仍变为标准正交基.④ 关于标准正交基的矩阵是正交矩阵.(2) 正交矩阵的性质① 正交矩阵为可逆矩阵,其逆仍为正交矩阵.② 正交矩阵的行列式为1或-1.③ 正交矩阵的伴随矩阵是正交矩阵.2. 对称变换(1) 假如欧氏空间V 的线性变换 满足:((),)(,())αβαβ= ,V ∈∀βα,那么 叫做对称变换.(2) n 维欧氏空间V 的线性变换是对称变换⇔ 在V 的标准正交基下的矩阵是对称矩阵.(3) 设 是欧氏空间V 的对称变换,若W 是 的不变子空间,则⊥W 也是 的不变子空间.(4) 实对称矩阵的特征值都是实数,相应地有对称变换的特征值都是实数.(5) 设A 是实对称矩阵,则属于A 的不同特征值的特征向量是正交的.(6) 任一个n 阶实对称矩阵A 都可以正交对角化,即存在正交矩阵T ,使得1'T AT T AT −=是对角形式,相应地有对于欧氏空间V 的任一个对称变换 ,存在V 的标准正交基, 在这个标准正交基下的矩阵是对角形式.六、欧氏空间的同构1. 欧氏空间同构的概念.2. 两个有限维欧氏空间同构⇔它们的维数相同.3. 每个n 维欧氏空间都与n R 同构.。
