线性代数复习-第二章
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第二部分矩阵本章概述矩阵是线性代数的重要内容,也是研究线性方程组和其它各章的主要工具。
主要讨论矩阵的各种运算的概念和性质。
在自学考试中,所占比例是各章之最。
按考试大纲的规定,第二章占26分左右。
而由于第三,四,五,六各章的讨论中都必须以矩阵作为主要工具,故加上试题中必须应用矩阵运算解决的题目的比例就要占到50分以上了。
以改版后的三次考试为例,看下表按考试大纲所占分数07.4 07.7 07.10 直接考矩阵这一章的26分左右31分34分38分加上其它章中必须用矩阵运算的所占分数51分53分67分由此矩阵这一章的重要性可见一般。
2.1 线性方程组和矩阵的定义2.1.1 线性方程组n元线性方程组的一般形式为特别若,称这样的方程组为齐次方程组。
称数表为该线性方程组的系数矩阵;称数表为该线性方程组的增广矩阵。
事实上,给定了线性方程组,就惟一地确定了它的增广矩阵;反过来,只要给定一个m×(n+1)阶矩阵,就能惟一地确定一个以它为增广矩阵的n个未知数,m个方程的线性方程组。
例1 写出下面线性方程组的系数矩阵和增广矩阵【答疑编号12020101】例2 写出以下面矩阵为增广矩阵的线性方程组【答疑编号12020102】2.1.2 矩阵的概念一、矩阵的定义定义2.1.1 我们称由mn个数排成的m行n列的数表为m×n阶矩阵,也可记为为矩阵A第i行,第j列的元素。
注意:矩阵和行列式的区别。
二、几类特殊的矩阵1.所有元素都为零的矩阵称为零矩阵,记为O。
例如都是零矩阵。
2.若A的行数m=1,则称为行矩阵,也称为n维行向量。
若A的列数n=1,则称为列矩阵,也称为m维列向量。
3.若矩阵A的行数=列数=n,则称矩阵A为n阶方阵,或简称A为n阶阵。
如n个未知数,n个方程的线性方程组的系数矩阵。
4.称n阶方阵为n阶对角阵。
特别若上述对角阵中,,称矩阵为数量矩阵,如果其中λ=1,上述数量阵为,称为n阶单位阵。
5.上(下)三角阵称形如的矩阵为上(下)三角矩阵。
第2章对阶梯形矩阵进行考察,发现阶梯形矩阵的行秩等于列秩,并且都等于阶梯形的非零行的数目,并且主元所在的列构成列向量组的一个极大线性无关组。
矩阵的初等行变换不会改变矩阵的行秩,也不会改变矩阵的列秩。
任取一个矩阵A,通过初等行变换将其化成阶梯形J,则有:A的行秩=J的行秩=J的列秩=A的列秩,即对任意一个矩阵来说,其行秩和列秩相等,我们统称为矩阵的秩。
通过初等行变换化矩阵为阶梯形,即是一种求矩阵列向量组的极大线性无关组的方法。
考虑到A的行秩和A的转置的列秩的等同性,则初等列变换也不会改变矩阵的秩。
总而言之,初等变换不会改变矩阵的秩。
因此如果只需要求矩阵A的秩,而不需要求A的列向量组的极大无关组时,可以对A既作初等行变换,又作初等列变换,这会给计算带来方便。
矩阵的秩,同时又可定义为不为零的子式的最高阶数。
满秩矩阵的行列式不等于零。
非满秩矩阵的行列式必为零。
既然矩阵的秩和矩阵的列秩相同,则可以把线性方程组有解的充分必要条件更加简单的表达如下:系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩。
另外,有唯一解和有无穷多解的条件也可从秩的角度给出回答:系数矩阵的秩r等于未知量数目n,有唯一解,r<n,有无穷多解。
齐次线性方程组的解的结构问题,可以用基础解系来表示。
当齐次线性方程组有非零解时,基础解系所含向量个数等于n-r,用基础解系表示的方程组的解的集合称为通解。
通过对具体实例进行分析,可以看到求基础解系的方法还是在于用初等行变换化阶梯形。
非齐次线性方程组的解的结构,是由对应的齐次通解加上一个特解。
在之前研究线性方程组的解的过程当中,注意到矩阵及其秩有着重要的地位和应用,故还有必要对矩阵及其运算进行专门探讨。
矩阵的加法和数乘,与向量的运算类同。
矩阵的另外一个重要应用:线性变换(最典型例子是旋转变换)。
即可以把一个矩阵看作是一种线性变换在数学上的表述。
矩阵的乘法,反映的是线性变换的叠加。
如矩阵A对应的是旋转一个角度a,矩阵B对应的是旋转一个角度b,则矩阵AB对应的是旋转一个角度a+b。
线性代数知识点总结第二章 矩阵及其运算第一节 矩阵 定义由m n ⨯个数()1,2,,;1,2,,ija i m j n ==L L 排成的m 行n 列的数表111212122212nn m m mna a a a a a a a a LL M M M L称为m 行n 列矩阵。
简称m n ⨯矩阵,记作111212122211n n m m mn a a a a a a A a a a ⎛⎫ ⎪⎪= ⎪⎪⎝⎭L L L L L L L,简记为()()m n ij ij m nA A a a ⨯⨯===,,m n A ⨯这个数称为的元素简称为元。
说明 元素是实数的矩阵称为实矩阵,元素是复数的矩阵称为复矩阵。
扩展几种特殊的矩阵:方阵 :行数与列数都等于n 的矩阵A 。
记作:A n 。
行(列)矩阵:只有一行(列)的矩阵。
也称行(列)向量。
同型矩阵:两矩阵的行数相等,列数也相等。
相等矩阵:AB 同型,且对应元素相等。
记作:A =B 零矩阵:元素都是零的矩阵(不同型的零矩阵不同) 对角阵:不在主对角线上的元素都是零。
单位阵:主对角线上元素都是1,其它元素都是0,记作:E n (不引起混淆时,也可表示为E )(课本P29—P31)注意 矩阵与行列式有本质的区别,行列式是一个算式,一个数字行列式经过计算可求得其值,而矩阵仅仅是一个数表,它的行数和列数可以不同。
第二节 矩阵的运算矩阵的加法 设有两个m n ⨯矩阵()()ij ij A a B b ==和,那么矩阵A 与B 的和记作A B +,规定为111112121121212222221122n n n n m m m m mn mn a b a b a b a b a b a b A B a b a b a b +++⎛⎫⎪+++ ⎪+=⎪⎪+++⎝⎭L L L L L LL说明 只有当两个矩阵是同型矩阵时,才能进行加法运算。
(课本P33) 矩阵加法的运算规律()1A B B A +=+;()()()2A B C A B C ++=++()()1112121222113,()n n ij ij m nm n m m mn a a a a a a A a A a a a a ⨯⨯---⎛⎫⎪--- ⎪=-=-= ⎪⎪---⎝⎭L L L L L L L设矩阵记,A -称为矩阵A 的负矩阵()()()40,A A A B A B +-=-=+-。
第二章 矩阵及其运算矩阵是线性代数主要研究对象,是求解线性方程组的一个有力工具,它在自然科学、工程技术及经济问题等各个领域中都有广泛的应用。
本章的教学基本要求:理解矩阵概念并掌握矩阵的线性运算、乘法、转置及其运算规律;理解逆矩阵的概念,掌握逆矩阵存在的条件,了解求逆矩阵的伴随矩阵法;熟练掌握利用逆矩阵求解矩阵方程的方法;了解单位矩阵、对角矩阵、对称矩阵及其性质;了解分块矩阵及其运算。
本章的重点及难点:矩阵的各种运算及其运算规律,尤其矩阵的乘法;逆矩阵存在的条件,利用伴随矩阵法会求逆矩阵,主要是二阶和特殊的三阶矩阵的逆矩阵;用逆矩阵求解矩阵方程。
§ 1 矩阵的概念一、内容提要1.矩阵定义 由n m ⨯个数排成的m 行n 列的矩形数表⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛mn m m n n a a a a a a a a a 212222111211称为一个m ×n 矩阵,其中ij a 表示位于数表中第i 行第j 列的数(m i ,,2,1 =;n j ,2,1=)。
ij a 又称为矩阵的元素。
规定,1×1矩阵 a a =)(。
矩阵也可表示为)(ij a 或n m ij a ⨯)( 。
如果不需要表示出矩阵的元素,通常用大写英文字母表示矩阵,如:A ,B ,...,或n m A ⨯,n m B ⨯,...。
元素都是实数的矩阵称为实矩阵;有复数元素的矩阵称为复矩阵。
若两个矩阵的行数、列数分别相等,则称它们是同型矩阵。
矩阵A =()n m ij a ⨯,B =()n m ij b ⨯是同型矩阵。
若它们的对应元素相等,即ij ij b a = ()n j m i 2,1;2,1== 那么称矩阵A 与矩阵B 相等,记作:A = B 。
2.特殊矩阵零矩阵 所有元素都为零的矩阵称为零矩阵。
如一个n m ⨯的零矩阵为nm ⨯⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛000000000记为0n m ⨯。
在不会引起混淆的情形下,也可记为0。