2-3 矩阵的秩
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第五专题矩阵的数值特征(行列式、迹、秩、相对特征根、范数、条件数)一、行列式已知A p×q, B q×p, 则|I p+AB|=|I q+BA|证明一:参照课本194页,例4.3.证明二:利用AB和BA有相同的非零特征值的性质;从而I p+AB,I q+BA中不等于1的特征值的数目相同,大小相同;其余特征值都等于1。
行列式是特征值的乘积,因此|I p+AB|和|I q+BA|等于特征值(不等于1)的乘积,所以二者相等。
二、矩阵的迹矩阵的迹相对其它数值特征简单些,然而,它在许多领域,如数值计算,逼近论,以及统计估计等都有相当多的应用,许多量的计算都会归结为矩阵的迹的运算。
下面讨论有关迹的一些性质和不等式。
定义:n nii ii1i1tr(A)a====λ∑∑,etrA=exp(trA)性质:1. tr(A B)tr(A)tr(B)λ+μ=λ+μ,线性性质;2. Ttr(A )tr(A)=;3. tr(AB)tr(BA)=;4. 1tr(P AP)tr(A)-=;5. H Htr(x Ax)tr(Axx ),x =为向量;6. nnk ki i i 1i 1tr(A),tr(A )===λ=λ∑∑;从Schur 定理(或Jordan 标准形)和(4)证明; 7. A 0≥,则tr(A)0≥,且等号成立的充要条件是A=0;8. A B(A B 0)≥-≥即,则tr(A)tr(B)≥,且等号成立的充要条件是A=B (i i A B (A)(B)≥⇒λ≥λ);9. 对于n 阶方阵A ,若存在正整数k,使得A k =0,则tr(A)=0(从Schur 定理或Jordan 标准形证明)。
若干基本不等式对于两个m ×n 复矩阵A 和B ,tr(A H B)是m ×n 维酉空间上的内积,也就是将它们按列依次排成的两个mn 维列向量的内积,利用Cauchy-schwarz 不等式[x,y]2≤[x,x]﹒[y,y]得定理:对任意两个m ×n 复矩阵A 和B |tr(A H B)|2≤tr(A H A)﹒tr(B H B)这里等号成立的充要条件是A=cB,c为一常数。
第三章 行列式习题3.13-1-6.用定义计算行列式(1)()2,1,0,,,0000000222211114=≠=i d c b a d c b a d c b a D ii i i解:设444⨯=ija D 则4D 中第1行的非0元为113111,b a a a ==,故11,3j =同法可求:2342,4;1,3;2,4j j j ===∵4321,,,j j j j 可组成四个4元排列 1 2 3 4,1 4 3 2,3 2 1 4,3 4 1 2, 故4D 中相应的非0项有4项,分别为2211d b c a ,,2211c b d a -2211d a c b -,2211c a d b 其代数和即为4D 的值,整理后得 ()()122112214d c d c b a b a D --=(2)010...0002 0000...000 0n D n =M M MM解:由行列式的定义121212()12(1)n n nj j j n j j nj j j j D a a a τ=-∑L L L仅当12,,,n j j j L 分别取2,3,…,n-1,n,1 时,对应项不为零,其余各项都为零12121()(231)1212231(1)(1)(1)(1)(1)12(1)!n n n j j j n n j j nj n n n n D a a a a a a a n n ττ---=-=-=-⋅=-⋅L L L L L习题3.23.2-2.证明(1)0sin cos 2cos sin cos 2cos sin cos 2cos 222222=γγγβββααα证明:22222222222222132222222cos sin cos sin cos cos sin cos sin cos sin cos cos sin cos sin cos sin cos cos sin c c αααααααβββββββγγγγγγγ-=-+-左0= (2) 322)(11122b a b b a a b ab a -=+证明:23222212()()2()11001c c a ab ab b b a a b b a b a b c c a ba b b a b a b a b --------==---左右=-=3)(b a(3) 121211221100001000001n n n n n nn n x x x a x a x a x a x a a a a a x-------=+++++-+L L M MM O M M L L L证明: 按最后一行展开,得1211000000010001000(1)(1)00010000100101n n n n x x a a x x x ++----=-+-----L L L L O M M M M M O M M L L LL左321220000100000000100(1)(1)0001000000001001n n n x x x x a a x x +----+-++----LL L L L M M M O M M M M M O M M L L LL21100100()(1)000100nx x x a x x--++--LL M M M O M M L L222222121221(1)(1)(1)(1)()(1)n n n n n n n n n n a a x a x a x x a x ----=-+-+-++-++-L 2211221n n n n n n a a x a x a x a x x ----=++++++=L 右3=2-3.计算下列行列式 (1)11111100((1))((1))x a a a x a ax a x a x n a x n a a a xa a xx a-=+-=+--LL L LLLM M O M M M OM MM O M LLL])1([)(1a n x a x n -+-=-(2)()()()()()()111(1)211111111()1(1)(1)111111nnnn n n n n n n n n nnna a a n a a a n a a a n D a a a n a a a n a a a n ---++---------==-------L L L LM MOMMM O ML L LL(最后一行(n+1)行依次与第n,n-1,…,2,1行交换,经过n 次交换;再将新的行列式的最后一行(即原来的n 行)依次换到第二行,经过n-1次交换;。