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矩阵分析
教材:矩阵分析 史荣昌等编
参考书 矩阵分析引论 矩阵论
罗家洪编 程云鹏编
矩阵理论是一门最有实用价值的数学 理论。 在现代工程技术中有广泛的应用。算法处理, 系统工程,优化方法,现代控制理论,自动化 技术,稳定性理论等,都与矩阵理论有着密切 的联系。矩阵理论在内容上也在不断的更新和 发展。
本课程只介绍矩阵理论中最经典的一部分。 它是线性代数课程的继续和深化。为了学好这门 课程,希望同学们好好复习一下线性代数,特 别向量、矩阵、二次型的相关内容。
(1, 0, 0), (1,1, 0), (1,1,1)
与向量组
(0,1,1), (1, 0,1), (1,1, 0) 都是R3 的基。R3 是3维线性空间。
要验证:1.向量组 无关.2.任一向量 可以由它们表示.
例 2 实数域 R 上的线性空间R22 中的向量组
0 1 1 0 1 1 1 1 1 1, 1 1, 0 1, 1 0
(8) k( ) k k
V中的元素称 为向量
称这样的 V 为数域 F 上的线性空间。
例 1 全体实函数集合 RR 构成实数域 R上的
线性空间。 按函数的加法和数乘函数
例的集2合复C数m域n m为Cm上C的上全的体线性m空间n。型矩阵构成
按矩阵的加法和数乘矩阵
例 3 实数域 R上全体次数小于或等于 n 的多项
am an
例7 在 R中满足Hilbert条件的无限序列组成的
子集合不构成 R 上的线性空间。Hilbert条件是:
级数 an 2 收敛
例8
n 1
在R
中有界的无限序列组成的子集也构成
R 上的线性空间。一个无限序列 [a1, a2, a3,L ]
称为有界的,如果存在一个实数 r , 使得
ai r,i 1,2,L
, yn
T
,那么我们有:
x1
(1,2 ,L
,
n
)
x2
M
xn
y1
y1
(1, 2 ,L
,
n
)
y2
M
(1,2,L
,
n
)
P
y2
M
yn
yn
x1 y1
x2
P
y2
M M
xn
yn
称上式为坐标变换公式。
例 1 在4维线性空间 R22 中,向量组
第一章 线性空间和线性映射
第一节 线性空间 一: 线性空间的定义与例子
实数域R 复数域C
定义 设 V 是一个非空的集合, F 是一个数域, 在集和 V 中定义两种代数运算, 一种是加法运算,
用 来表示; 另一种是数乘运算, 用 g来表示, 并且
这两种运算满足下列八条运算律:
运算的结果是 V中的元素
x2
4 3
,
x3
1, 3
x4
2 3
同样可解出在第二组基下的坐标为
y1 1, y2 1, y3 1, y4 4
由此可以看出:一个向量在不同基底下的坐标是不相 同的。
基变换与坐标变换
设 1,2 , ,n(旧的)与 1, 2, , n(新的) 是 n维线性空间 V 的两组基底,它们之间的关系为
注意: 通过上面的例子可以看出线性空间的基底并不 唯一,但是维数是唯一确定的。利用维数的定义线性 空间可以分为有限维线性空间和无限维线性空间。目 前,我们主要讨论有限维的线性空间。
例 4 在4维线性空间 R22中,向量组
0 1
1 1
,
1 1
0 1
,
1 0
1 1
,
1 1
1 0
与向量组
1 0
0 0
,
1 0
的充分必要条件是 1 ,2 , ,m中至少有一个向
量可由其余 m 1个向量线性表示.
定理 4:设向量组A :1,2 , ,m线性无关,而向量 组B :1, ,m ,b 线性相关,则向量 b必能由向量组
A线性表示,且表示式是唯一的.
最大(线性)无关向量组
定义3 设有向量组A,如果在A中能选出r个向量
定理1:线性空间有唯一的零元素,任一元素有唯一的 负元素.
证 : 设01,02是两个零元素,则有 01 01 02 02
设元素x有两个负元素x1, x2
x x1 0, x x2 0 x1 x1 0 x1 (x x2 )
(x1 x) x2 0 x2 x2
二: 线性空间的基本概念及其性质
P
a21
a22
L
a2n
L L L L
an1 an2 L
ann
是由旧的基底到新的基底的过渡矩阵,那么上式可 以写成
1, 2,L , n 1,2 ,n P
定理:过渡矩阵 P 是可逆的。
提示PX=0 只有零解
任取 V ,设 在两组基下的坐标分别为
x1, x2,L
, xn
T
与
y1, y2,L
123
1 3
1
0 0
1 13
3 3 3
1
2
0
1
3 3
3
1 3
2 3
1
1 3
向量 A第一组基下的坐标为
x1
7 3
,
x2
4 3
,
x3
1, 3
x4
2 3
利用坐标变换公式可以求得 A 在第二组基下的坐标为
y1 y2 y3 y4
123
3
1
3
1 3
1 3 2 3
0 0 0
1 1
4
)
2 1
1 1
2 1
1 0
0
1
1
1
2 0 2 1
(1, 2 , 3
, 4)
1 0
1 2
1 1
3 1
1 2 2 2
(1, 2 , 3 , 4 ) (1,2,3,4 )P
2 0 2 1 1 1 1 1
式集合 R[ x]n 构成实数域 R上的线性空间
例 4 全体正的实数 R 在下面的加法与数乘的
定义下也构成线性空间:
a b : ab, a, b R
k e a : ak , a, k R
例 5 R 表示实数域 R 上的全体无限序列组成的
的集合。即
R
[a1,
a2, a3,]ຫໍສະໝຸດ ai F, i 1,2,3,
1 (2,1, 0,1)T
2 (1, 1,1,1)T
2 (0,1, 2, 2)T
3 (1, 2,1,1)T
3 (2,1,1, 2)T
4 (1, 1, 0,1)T
4 (1,3,1, 2)T
并求=(x1,x2 ,x3 ,x4)在基
1, 2, 3, 4的坐标。
1 1 1 1
(1,
2
,
3
,
i a1i1 a2i2 L anin
a1i
1,2,L
,
n
a2i
M
,
ani
i 1, 2,L , n
将上式矩阵化可以得到下面的关系式:
a11 a12 L a1n
1, 2,L
,
n
1
,2
,n
a21 L
a22 L
L L
a2
n
L
an1
a2 L
ann
称 n 阶方阵
记为P
a11 a12 L a1n
在 R 中定义加法与数乘:
[a1, a2, a3,] [b1, b2, b3,] [a1 b1, a2 b2, a3 b3, ] k[a1, a2, a3,] [ka1, ka2, ka3,] 则 R 为实数域 R上的一个线性空间。
例 6 在R中满足Cauchy条件的无限序列组成的
子集合也构成 R 上的线性空间。Cauchy条件是: 0,N 0, 使得对于 m,n N 都有
那么向量组(I)的秩 向量组(II)的秩;
(6)等价的向量组秩相同。
例 1 实数域 R 上的线性空间 RR 中,函数组
e1x , e2x , , enx
是一组线性无关的函数,其中 1, 2, , n 为一
组互不相同的实数。
例 2 实数域 R 上的线性空间 RR 中,函数组
x1 , x2 , , xn
则向量b是向量组A的线性组合,这时称向量 b 能 由向量组 A 线性表示.
定义2 给定向量组A :1,2 , ,m ,如果存在不
全为零的数k1, k2 , , km使
k11 k2 2 km m 0
则称向量组 A是线性相关的,否则称它线性无关.
定理3 向量组 1,2 , ,(m当 m 时2 )线性相关
与向量组
1 0 1 1 1 1 1 1 0 0, 0 0 , 1 0 , 1 1
都是 R22的基。 R22 是4维线性空间。
例 3 实数域 R 上的线性空间 R[ x]n 中的向量组 1, x, x2,, xn
与向量组
1, x 2,(x 2)2,,( x 2)n
都是 R[ x]n 的基底。R[ x]n 的维数为 n 1.
定义1
给定向量组A :1,2 ,
,
,对于任何一
m
组实数k1,k2, , km,向量
k11 k2 2 km m
称为向量组的一个线性组合,k1,k2, , km称为这
个线性组合的系数.
给定向量组A : 1 , 2 , , m和向量b,如果存在
一组数1,2, ,m,使
b 11 2 2 m m
函数组
sin x,cos x,sin2 x,cos2 x,,
sinn x,cosn x , n 4.
是线性相关的函数组。