《線性代數(shù)》同濟大學(xué)版課后習(xí)題的答案詳解

...wd......wd......wd...?線性代數(shù)?同濟大學(xué)版課后習(xí)題答案詳解第一章行列式1利用對角線法那么計算以下三階行列式(1)解2(4)30(1)(1)1180132(1)81(4)(1)2481644(2)解acbbaccbabbbaaaccc3abca3b3c3(3)解bc2ca2ab2ac2ba2(ab)(bc)(ca)(4)解x(xy)yyx(xy)(xy)yxy3(xy)3x33xy(xy)y33x2yx3y3x32(x3y3)2按自然數(shù)從小到大為標準次序求以下各排列的逆序數(shù)(1)1234解逆序數(shù)為0(2)4132解逆序數(shù)為441434232(3)3421解逆序數(shù)為532314241,21(4)2413解逆序數(shù)為3214143(5)13(2n1)24(2n)解逆序數(shù)為32(1個)5254(2個)727476(3個)(2n1)2(2n1)4(2n1)6(2n1)(2n2)(n1個)(6)13(2n1)(2n)(2n2)2解逆序數(shù)為n(n1)32(1個)5254(2個)(2n1)2(2n1)4(2n1)6(2n1)(2n2)(n1個)42(1個)6264(2個)(2n)2(2n)4(2n)6(2n)(2n2)(n1個)3寫出四階行列式中含有因子a11a23的項解含因子a11a23(1)ta11a23a3ra其中rs是2和4構(gòu)成的排列這種排列共有兩個即24和42所以含因子a11a23(1)ta11a23a32a44(1)1(1)ta11a23a34a42(1)4計算以下各行列式(1)解(2)解(3)解(4)解abcdabcdad15證明:(1)(ab)3;證明(ab)3(2);證明(3);證明(c4c3c3c2c(c4c3c3c(4)(ab)(ac)(ad)(bc)(bd)(cd)(abcd);證明=(ab)(ac)(ad)(bc)(bd)(cd)(abcd)(5)xna1xn1an1xan證明用數(shù)學(xué)歸納法證明當n2時命題成立假設(shè)對于(n1)階行列式命題成立即Dn1xn1a1xn2an2xan1那么Dn按第一列展開有xDn1anxna1xn1an1xan因此對于n階行列式命題成立6設(shè)n階行列式Ddet(aij),把D上下翻轉(zhuǎn)、或逆時針旋轉(zhuǎn)90、或依副對角線翻轉(zhuǎn)依次得證明D3D證明因為Ddet(aij)所以同理可證7計算以下各行列式(Dk為k階行列式)(1),其中對角線上元素都是a未寫出的元素都是0解(按第n行展開)anan2an2(a21)(2);解將第一行乘(1)分別加到其余各行得再將各列都加到第一列上得[x(n1)a](xa)n1(3);解根據(jù)第6題結(jié)果有此行列式為范德蒙德行列式(4);解(按第1行展開)再按最后一行展開得遞推公式D2nandnD2n2bncnD2n2即D2n(andnbncn)D2n2于是而所以(5)Ddet(aij)其中aij|ij|;解aij|ij|(1)n1(n1)2n2(6),其中a1a2an0解8用克萊姆法那么解以下方程組(1)解因為所以(2)解因為所以9問取何值時齊次線性方程組有非零解解系數(shù)行列式為令D0得0或1于是當0或1時該齊次線性方程組有非零解10問取何值時齊次線性方程組有非零解解系數(shù)行列式為(1)3(3)4(1)2(1)(3)(1)32(1)23令D0得02或3于是當02或3時該齊次線性方程組有非零解第二章矩陣及其運算1線性變換求從變量x1x2x3到變量y1y2y3的線性變換解由故2兩個線性變換求從z1z2z3到x1x2x3的線性變換解由所以有3設(shè)求3AB2A及ATB解4計算以下乘積(1)解(2)解(132231)(10)(3)解(4)解(5)解(a11x1a12x2a13x3a12x1a22x2a23x3a13x1a5設(shè)問(1)ABBA嗎?解ABBA因為所以ABBA(2)(AB)2A22ABB2解(AB)2A22ABB2因為但所以(AB)2A22ABB(3)(AB)(AB)A2B2嗎?解(AB)(AB)A2B2因為而故(AB)(AB)A2B26舉反列說明以下命題是錯誤的(1)假設(shè)A20那么A0解取那么A20但A0(2)假設(shè)A2A那么A0或AE解取那么A2A但A0且AE(3)假設(shè)AXAY且A0那么XY解取那么AXAY且A0但XY7設(shè)求A2A3Ak解8設(shè)求Ak解首先觀察用數(shù)學(xué)歸納法證明當k2時顯然成立假設(shè)k時成立，那么k1時，由數(shù)學(xué)歸納法原理知9設(shè)AB為n階矩陣，且A為對稱矩陣，證明BTAB也是對稱矩陣證明因為ATA所以(BTAB)TBT(BTA)TBTATBBTAB從而BTAB是對稱矩陣10設(shè)AB都是n階對稱矩陣，證明AB是對稱矩陣的充分必要條件是ABBA證明充分性因為ATABTB且ABBA所以(AB)T(BA)TATBTAB即AB是對稱矩陣必要性因為ATABTB且(AB)TAB所以AB(AB)TBTATBA11求以下矩陣的逆矩陣(1)解|A|1故A1存在因為故(2)解|A|10故A1存在因為所以(3)解|A|20故A1存在因為所以(4)(a1a2an0)解由對角矩陣的性質(zhì)知12解以下矩陣方程(1)解(2)解(3)解(4)解13利用逆矩陣解以下線性方程組(1)解方程組可表示為故從而有(2)解方程組可表示為故故有14設(shè)AkO(k為正整數(shù))證明(EA)1EAA2Ak1證明因為AkO所以EAkE又因為EAk(EA)(EAA2Ak1)所以(EA)(EAA2Ak1)E由定理2推論知(EA)可逆且(EA)1EAA2Ak1證明一方面有E(EA)1(EA)另一方面由AkO有E(EA)(AA2)A2Ak1(Ak1Ak)(EAA2Ak1)(EA)故(EA)1(EA)(EAA2Ak1)(EA)兩端同時右乘(EA)1就有(EA)1(EA)EAA2Ak115設(shè)方陣A滿足A2A2EO證明A及A2E都可逆并求A1及(A2E)1證明由A2A2EOA2A2E即A(AE)2E或由定理2推論知A可逆且由A2A2EOA2A6E4E即(A2E)(A3E)4E或由定理2推論知(A2E)可逆且證明由A2A2EO得A2A2E|A2A|2即|A||AE|2故|A|0所以A可逆而A2EA2|A2E||A2||A|20故A2E也可逆由A2A2EOA(AE)A1A(AE)2A1E又由A2A2EO(A2E)A3(A2E)(A2E)(A3E)4E所以(A2E)1(A2E)(A3E)4(A2E)116設(shè)A為3階矩陣求|(2A)15A*|解因為所以|2A1|(2)3|A1|8|A|1821617設(shè)矩陣A可逆證明其伴隨陣A*也可逆且(A*)1(A1)*證明由得A*|A|A1所以當A可逆時有|A*||A|n|A1||A|n10從而A*也可逆因為A*|A|A1所以(A*)1|A|1A又所以(A*)1|A|1A|A|1|A|(A1)*(A1)*18設(shè)n階矩陣A的伴隨矩陣為A*證明(1)假設(shè)|A|0那么|A*|0(2)|A*||A|n1證明(1)用反證法證明假設(shè)|A*|0那么有A*(A*)1E由此得AAA*(A*)1|A|E(A*)1O所以A*O這與|A*|0矛盾，故當|A|0時有|A*|0(2)由于那么AA*|A|E取行列式得到|A||A*||A|n假設(shè)|A|0那么|A*||A|n1假設(shè)|A|0由(1)知|A*|0此時命題也成立因此|A*||A|n119設(shè)ABA2B求B解由ABA2E可得(A2E)BA故20設(shè)且ABEA2B求B解由ABEA2B得(AE)BA2E即(AE)B(AE)(AE)因為所以(AE)可逆從而21設(shè)Adiag(121)A*BA2BA8E求B解由A*BA2BA8E得(A*2E)BA8EB8(A*2E)1A8[A(A*2E)]18(AA*2A)8(|A|E2A)8(2E2A)4(EA)14[diag(212)]12diag(121)22矩陣A的伴隨陣且ABA1BA13E求B解由|A*||A|38得|A|2由ABA1BA13E得ABB3AB3(AE)1A3[A(EA1)]23設(shè)P1AP其中求A11解由P1AP得APP1所以A11A=P11P|P|3而故24設(shè)APP其中求(A)A8(5E6AA2)解()8(5E62)diag(1158)[diag(555)diag(6630)diag(1125)]diag(1158)diag(1200)12diag(100)(A)P()P125設(shè)矩陣A、B及AB都可逆證明A1B1也可逆并求其逆陣證明因為A1(AB)B1B1A1A1B而A1(AB)B1是三個可逆矩陣的乘積所以A1(AB)B1可逆即A1B1可逆(A1B1)1[A1(AB)B1]1B(AB)1A26計算解設(shè)那么而所以即27取驗證解而故28設(shè)求|A8|及A4解令那么故29設(shè)n階矩陣A及s階矩陣B都可逆求(1)解設(shè)那么由此得所以(2)解設(shè)那么由此得所以30求以下矩陣的逆陣(1)解設(shè)那么于是(2)解設(shè)那么第三章矩陣的初等變換與線性方程組1把以下矩陣化為行最簡形矩陣(1)解(下一步r2(2)r1r3(3)r1)~(下一步r2(1)r3(2))~(下一步r3r2)~(下一步r33)~(下一步r23r3)~(下一步r1(2)r2r1r3)~(2)解(下一步r22(3)r1r3(2)r1)~(下一步r3r2r13r2)~(下一步r12)~(3)解(下一步r23r1r32r1r43r1)~(下一步r2(4)r3(3)r4(5))~(下一步r13r2r3r2r4r2)~(4)解(下一步r12r2r33r2r42r2)~(下一步r22r1r38r1r47r1)~(下一步r1r2r2(1)r4r3)~(下一步r2r3)~2設(shè)求A解是初等矩陣E(12)其逆矩陣就是其本身是初等矩陣E(12(1))其逆矩陣是E(12(1))3試利用矩陣的初等變換求以下方陣的逆矩陣(1)解~~~~故逆矩陣為(2)解~~~~~故逆矩陣為4(1)設(shè)求X使AXB解因為所以(2)設(shè)求X使XAB解考慮ATXTBT因為所以從而5設(shè)AX2XA求X解原方程化為(A2E)XA因為所以6在秩是r的矩陣中,有沒有等于0的r1階子式?有沒有等于0的r階子式?解在秩是r的矩陣中可能存在等于0的r1階子式也可能存在等于0的r階子式例如R(A)3是等于0的2階子式是等于0的3階子式7從矩陣A中劃去一行得到矩陣B問AB的秩的關(guān)系怎樣?解R(A)R(B)這是因為B的非零子式必是A的非零子式故A的秩不會小于B的秩8求作一個秩是4的方陣它的兩個行向量是(10100)(11000)解用向量容易構(gòu)成一個有4個非零行的5階下三角矩陣此矩陣的秩為4其第2行和第3行是向量9求以下矩陣的秩并求一個最高階非零子式(1);解(下一步r1r2)~(下一步r23r1r3r1)~(下一步r3r2)~矩陣的是一個最高階非零子式(2)解(下一步r1r2r22r1r37r1)~(下一步r33r2)~矩陣的秩是2是一個最高階非零子式(3)解(下一步r12r4r22r4r33r4)~(下一步r23r1r32r1)~(下一步r216r4r316r2)~~矩陣的秩為3是一個最高階非零子式10設(shè)A、B都是mn矩陣證明A~B的充分必要條件是R(A)R(B)證明根據(jù)定理3必要性是成立的充分性設(shè)R(A)R(B)那么A與B的標準形是一樣的設(shè)A與B的標準形為D那么有A~DD~B由等價關(guān)系的傳遞性有A~B11設(shè)問k為何值可使(1)R(A)1(2)R(A)2(3)R(A)3解(1)當k1時R(A)1(2)當k2且k1時R(A)2(3)當k1且k2時R(A)312求解以下齊次線性方程組:(1)解對系數(shù)矩陣A進展初等行變換有A~于是故方程組的解為(k為任意常數(shù))(2)解對系數(shù)矩陣A進展初等行變換有A~于是故方程組的解為(k1k2為任意常數(shù))(3)解對系數(shù)矩陣A進展初等行變換有A~于是故方程組的解為(4)解對系數(shù)矩陣A進展初等行變換有A~于是故方程組的解為(k1k2為任意常數(shù))13求解以下非齊次線性方程組:(1)解對增廣矩陣B進展初等行變換有B~于是R(A)2而R(B)3故方程組無解(2)解對增廣矩陣B進展初等行變換有B~于是即(k為任意常數(shù))(3)解對增廣矩陣B進展初等行變換有B~于是即(k1k2為任意常數(shù))(4)解對增廣矩陣B進展初等行變換有B~于是即(k1k2為任意常數(shù))14寫出一個以為通解的齊次線性方程組解根據(jù)可得與此等價地可以寫成或或這就是一個滿足題目要求的齊次線性方程組15取何值時非齊次線性方程組(1)有唯一解(2)無解(3)有無窮多個解?解(1)要使方程組有唯一解必須R(A)3因此當1且2時方程組有唯一解.(2)要使方程組無解必須R(A)R(B)故(1)(2)0(1)(1)20因此2時方程組無解(3)要使方程組有有無窮多個解必須R(A)R(B)3故(1)(2)0(1)(1)20因此當1時方程組有無窮多個解.16非齊次線性方程組當取何值時有解并求出它的解解~要使方程組有解必須(1)(2)0即12當1時~方程組解為或即(k為任意常數(shù))當2時~方程組解為或即(k為任意常數(shù))17設(shè)問為何值時此方程組有唯一解、無解或有無窮多解?并在有無窮多解時求解解B~要使方程組有唯一解必須R(A)R(B)3即必須(1)(10)0所以當1且10時方程組有唯一解.要使方程組無解必須R(A)R(B)即必須(1)(10)0且(1)(4)0所以當10時方程組無解.要使方程組有無窮多解必須R(A)R(B)3即必須(1)(10)0且(1)(4)0所以當1時方程組有無窮多解此時，增廣矩陣為B~方程組的解為或(k1k2為任意常數(shù))18證明R(A)1的充分必要條件是存在非零列向量a及非零行向量bT使AabT證明必要性由R(A)1知A的標準形為即存在可逆矩陣P和Q使或令bT(100)Q1那么a是非零列向量bT是非零行向量且AabT充分性因為a與bT是都是非零向量所以A是非零矩陣從而R(A)1因為1R(A)R(abT)min{R(a)R(bT)}min{11}1所以R(A)119設(shè)A為mn矩陣證明(1)方程AXEm有解的充分必要條件是R(A)m證明由定理7方程AXEm有解的充分必要條件是R(A)R(AEm)而|Em|是矩陣(AEm)的最高階非零子式故R(A)R(AEm)m因此方程AXEm有解的充分必要條件是R(A)m(2)方程YAEn有解的充分必要條件是R(A)n證明注意方程YAEn有解的充分必要條件是ATYTEn有解由(1)ATYTEn有解的充分必要條件是R(AT)n因此，方程YAEn有解的充分必要條件是R(A)R(AT)n20設(shè)A為mn矩陣證明假設(shè)AXAY且R(A)n那么XY證明由AXAY得A(XY)O因為R(A)n由定理9方程A(XY)O只有零解即XYO也就是XY第四章向量組的線性相關(guān)性1設(shè)v1(110)Tv2(011)Tv3(340)T求v1v2及3v12v2v3解v1v2(110)T(011)T(101101)T(101)T3v12v2v33(110)T2(011)T(340)T(312033121430210)T(012)T2設(shè)3(a1a)2(a2a)5(a3a)求a其中a1(251a2(101510)Ta3(4111)T解由3(a1a)2(a2a)5(a3(1234)T3向量組Aa1(0123)Ta2(3012)Ta3(2301)TBb1(2112)Tb2(0211)Tb3(4413)T證明B組能由A組線性表示但A組不能由B組線性表示證明由知R(A)R(AB)3所以B組能由A組線性表示由知R(B)2因為R(B)R(BA)所以A組不能由B組線性表示4向量組Aa1(011)Ta2(110)TBb1(101)Tb2(121)Tb3(321)T證明A組與B組等價證明由知R(B)R(BA)2顯然在A中有二階非零子式故R(A)2又R(A)R(BA)2所以R(A)2從而R(A)R(B)R(AB)因此A組與B組等價5R(a1a2a3)2R(a2a3(1)a1能由a2a3(2)a4不能由a1a2證明(1)由R(a2a3a4)3知a2a3a4線性無關(guān)故a2a3也線性無關(guān)又由R(a1a2a3)2知a1(2)假設(shè)a4能由a1a2a3線性表示那么因為a1能由a2a3線性表示故a4能由a2a3線性表示從而a2a3a4線性相關(guān)矛盾6判定以下向量組是線性相關(guān)還是線性無關(guān)(1)(131)T(210)T(141)T(2)(230)T(140)T(002)T解(1)以所給向量為列向量的矩陣記為A因為所以R(A)2小于向量的個數(shù)從而所給向量組線性相關(guān)(2)以所給向量為列向量的矩陣記為B因為所以R(B)3等于向量的個數(shù)從而所給向量組線性相無關(guān)7問a取什么值時以下向量組線性相關(guān)a1(a11)Ta2(1a1)Ta3(11解以所給向量為列向量的矩陣記為A由知當a1、0、1時R(A)3此時向量組線性相關(guān)8設(shè)a1a2線性無關(guān)a1ba2b線性相關(guān)求向量b用a1解因為a1ba2b線性相關(guān)故存在不全為零的數(shù)12使1(a1b)2(a2b)0由此得設(shè)那么bca1(1c)a2c9設(shè)a1a2線性相關(guān)b1b2也線性相關(guān)問a1b1a2解不一定例如當a1(12)T,a2(24)T,b1(11)T,b2(00)T時有a1b1(12)Tb1(01)T,a2b2(24)T(00)T(24)T而a1b1a2b2的對應(yīng)分量不成比例10舉例說明以下各命題是錯誤的(1)假設(shè)向量組a1a2am是線性相關(guān)的那么a1可由a2am解設(shè)a1e1(1000)a2a3am0那么a1a2am線性相關(guān)但a1不能由a2a(2)假設(shè)有不全為0的數(shù)12m1a1mam1b1mbm成立那么a1a2am線性相關(guān),b1b2b解有不全為零的數(shù)12m1a1mam1b1mbm0原式可化為1(a1b1)m(ambm)0取a1e1b1a2e2b2amembm其中e1e2em為單位坐標向量那么上式成立而a1a2am和b1b2(3)假設(shè)只有當12m全為0時1a1mam1b1mbm才能成立那么a1a2am線性無關(guān),b1b2b解由于只有當12m全為0時由1a1mam1b1mbm成立所以只有當121(a1b1)2(a2b2)m(ambm)0成立因此a1b1a2b2amb取a1a2am0取b1bm為線性無關(guān)組那么它們滿足以上條件但a1a2a(4)假設(shè)a1a2am線性相關(guān),b1b2bm亦線性相關(guān)那么有不全為0的數(shù)121a1mam01b1mbm同時成立解a1(10)Ta2(20)Tb1(03)Tb2(04)T1a12a20121b12b201(3/4)2120與題設(shè)矛盾11設(shè)b1a1a2b2a2a3b3a3a4b4a4a1證明向量組b1b2證明由條件得a1b1a2a2b2a3a3b3a4于是a1b1b2b1b2b3ab1b2b3b4a1從而b1b2b3b40這說明向量組b1b2b3b4線性相關(guān)12設(shè)b1a1b2a1a2bra1a2ar且向量組a1a2ar線性無關(guān)證明向量組b1b2證明的r個等式可以寫成上式記為BAK因為|K|10K可逆所以R(B)R(A)r從而向量組b1b2br線性無關(guān)13求以下向量組的秩,并求一個最大無關(guān)組(1)a1(1214)Ta2(9100104)Ta3(2428)T解由知R(a1a2a3)2因為向量a1與a2的分量不成比例故a1a(2)a1T(1213)a2T(4156)a3T(1347)解由知R(a1Ta2Ta3T)R(a1a2a3)2因為向量a1T與a2T的分量不成比例故a1Ta2T線性無關(guān)所以a1T14利用初等行變換求以下矩陣的列向量組的一個最大無關(guān)組(1)解因為所以第1、2、3列構(gòu)成一個最大無關(guān)組.(2)解因為所以第1、2、3列構(gòu)成一個最大無關(guān)組15設(shè)向量組(a31)T(2b3)T(121)T(231)T的秩為2求ab解設(shè)a1(a31)Ta2(2b3)Ta3(121)Ta4(231)T因為而R(a1a2a3a4)16設(shè)a1a2an是一組n維向量n維單位坐標向量e1e2en能由它們線性表示證明a1a2證法一記A(a1a2an)E(e1e2en)由條件知存在矩陣KEAK兩邊取行列式得|E||A||K|可見|A|0所以R(A)n從而a1a2a證法二因為e1e2en能由a1a2an線性表示R(e1e2en)R(a1a2an而R(e1e2en)nR(a1a2an)n所以R(a1a2an)n從而a1a217設(shè)a1a2an是一組n維向量,證明它們線性無關(guān)的充分必要條件是任一n證明必要性設(shè)a為任一n維向量因為a1a2an線性無關(guān)而a1a2ana是n1個n維向量是線性相關(guān)的所以a能由a1a2充分性任一n維向量都可由a1a2an線性表示故單位坐標向量組e1e2en能由a1a2anR(e1e2en)R(a1a2an)即R(a1a2an)n所以a1a218設(shè)向量組a1a2am線性相關(guān)且a10證明存在某個向量ak(2km)使ak能由a1a2ak證明因為a1a2am線性相關(guān)所以存在不全為零的數(shù)121a12a2mam而且23m不全為零這是因為如假設(shè)不然那么1a10由a10知10矛盾k0k1k2m0于是1a12a2kakak(1/k)(1a12a2k1ak1即ak能由a1a2ak19設(shè)向量組Bb1br能由向量組Aa1as線性表示為(b1br)(a1as)K其中K為sr矩陣且A組線性無關(guān)證明B組線性無關(guān)的充分必要條件是矩陣K的秩R(K)r證明令B(b1br)A(a1as)那么有BAK必要性設(shè)向量組B線性無關(guān)由向量組B線性無關(guān)及矩陣秩的性質(zhì)有rR(B)R(AK)min{R(A)R(K)}R(K)及R(K)min{rs}r因此R(K)r充分性因為R(K)r所以存在可逆矩陣C使為K的標準形于是(b1br)C(a1as)KC(a1ar)因為C可逆所以R(b1br)R(a1ar)r從而b1br線性無關(guān)20設(shè)證明向量組12n與向量組12n等價證明將關(guān)系寫成將上式記為BAK因為所以K可逆故有ABK1由BAK和ABK1可知向量組12n與向量組12n可相互線性表示因此向量組12n與向量組12n等價213階矩陣A與3維列向量x滿足A3x3AxA2x且向量組xAxA2x線性無關(guān)(1)記P(xAxA2x)求3階矩陣B使APPB解因為APA(xAxA2x)(AxA2xA3x)(AxA2x3AxA2x)所以(2)求|A|解由A3x3AxA2x得A(3xAxA2x)0因為xAxA2x線性無關(guān)故3xAxA2x0即方程Ax0有非零解所以R(A)3|A|022求以下齊次線性方程組的根基解系(1)解對系數(shù)矩陣進展初等行變換有于是得取(x3x4)T(40)T得(x1x2)T(163)T取(x3x4)T(04)T得(x1x2)T(01)T因此方程組的根基解系為1(16340)T2(0104)T(2)解對系數(shù)矩陣進展初等行變換有于是得取(x3x4)T(190)T得(x1x2)T(214)T取(x3x4)T(019)T得(x1x2)T(17)T因此方程組的根基解系為1(214190)T2(17019)T(3)nx1(n1)x22xn1xn0.解原方程組即為xnnx1(n1)x22xn1取x11x2x3xn10得xnn取x21x1x3x4xn10得xn(n1)n1取xn11x1x2xn20得xn2因此方程組的根基解系為1(1000n)T2(0100n1)Tn1(00012)T23設(shè),求一個42矩陣B,使AB0,且R(B)2.解顯然B的兩個列向量應(yīng)是方程組AB0的兩個線性無關(guān)的解因為所以與方程組AB0同解方程組為取(x3x4)T(80)T得(x1x2)T(15)T取(x3x4)T(08)T得(x1x2)T(111)T方程組AB0的根基解系為1(1580)T2(11108)T因此所求矩陣為24求一個齊次線性方程組,使它的根基解系為1(0123)T2(3210)T解顯然原方程組的通解為,即(k1k2R)消去k1k2得此即所求的齊次線性方程組.25設(shè)四元齊次線性方程組III求(1)方程I與II的根基解系(2)I與II的公共解解(1)由方程I得取(x3x4)T(10)T得(x1x2)T(00)T取(x3x4)T(01)T得(x1x2)T(11)T因此方程I的根基解系為1(0010)T2(1101)T由方程II得取(x3x4)T(10)T得(x1x2)T(01)T取(x3x4)T(01)T得(x1x2)T(11)T因此方程II的根基解系為1(0110)T2(1101)T(2)I與II的公共解就是方程III的解因為方程組III的系數(shù)矩陣所以與方程組III同解的方程組為取x41得(x1x2x3)T(112)T方程組III的根基解系為(1121)T因此I與II的公共解為xc(1121)TcR26設(shè)n階矩陣A滿足A2AE為n階單位矩陣,R(A)R(AE)n證明因為A(AE)A2AAA0所以R(A)R(AE)n又R(AE)R(EA)可知R(A)R(AE)R(A)R(EA)R(AEA)R(E)n由此R(A)R(AE)n27設(shè)A為n階矩陣(n2)A*為A的伴隨陣證明證明當R(A)n時|A|0故有|AA*|||A|E||A|0|A*|0所以R(A*)n當R(A)n1時|A|0故有AA*|A|E0即A*的列向量都是方程組Ax0的解因為R(A)n1所以方程組Ax0的根基解系中只含一個解向量即根基解系的秩為1因此R(A*)1當R(A)n2時A中每個元素的代數(shù)余子式都為0故A*O從而R(A*)028求以下非齊次方程組的一個解及對應(yīng)的齊次線性方程組的根基解系(1)解對增廣矩陣進展初等行變換有與所給方程組同解的方程為當x30時得所給方程組的一個解(81302)T與對應(yīng)的齊次方程組同解的方程為當x31時得對應(yīng)的齊次方程組的根基解系(1110)T(2)解對增廣矩陣進展初等行變換有與所給方程組同解的方程為當x3x40時得所給方程組的一個解(1200)T與對應(yīng)的齊次方程組同解的方程為分別取(x3x4)T(10)T(01)T得對應(yīng)的齊次方程組的根基解系1(9170)T2(1102)T29設(shè)四元非齊次線性方程組的系數(shù)矩陣的秩為3123是它的三個解向量且1(2345)T23(1234)T求該方程組的通解解由于方程組中未知數(shù)的個數(shù)是4系數(shù)矩陣的秩為3所以對應(yīng)的齊次線性方程組的根基解系含有一個向量且由于123均為方程組的解由非齊次線性方程組解的構(gòu)造性質(zhì)得21(23)(12)(13)(3456)T為其根基解系向量故此方程組的通解xk(3456)T(2345)T(kR)30設(shè)有向量組Aa1(210)Ta2(215)Ta3(114)T及b(11)T問為何值時(1)向量b不能由向量組A線性表示(2)向量b能由向量組A線性表示且表示式唯一(3)向量b能由向量組A線性表示且表示式不唯一并求一般表示式解(1)當40時R(A)R(Ab)此時向量b不能由向量組A線性表示(2)當4時R(A)R(Ab)3此時向量組a1a2a3線性無關(guān)而向量組a1a2a3b線性相關(guān)(3)當40時R(A)R(Ab)2此時向量b能由向量組A線性表示且表示式不唯一當40時方程組(a3a2cR因此b(2c1)a3(3c1)a2ca即bca1(3c1)a2(2c1)a331設(shè)a(a1a2a3)Tb(b1b2b3)Tc(c1c2l1a1xb1yc1l2a2xb2yc20(ai2bi20i12l3a3xb3yc3相交于一點的充分必要條件為向量組ab線性無關(guān)且向量組abc線性相關(guān)證明三直線相交于一點的充分必要條件為方程組即有唯一解上述方程組可寫為xaybc因此三直線相交于一點的充分必要條件為c能由ab唯一線性表示而c能由ab唯一線性表示的充分必要條件為向量組ab線性無關(guān)且向量組abc線性相關(guān)32設(shè)矩陣A(a1a2a3a4)其中a2a3a4線性無關(guān)a12a2a3向量ba1解由ba1a2a3a4知(1111)T是方程Ax由a12a2a3得a12a2a30知(1210)T由a2a3a4線性無關(guān)知R(A)3故方程Axb所對應(yīng)的齊次方程Ax0的根基解系中含一個解向量因此(1210)T是方程Ax方程Axb的通解為xc(1210)T(1111)TcR33設(shè)*是非齊次線性方程組Axb的一個解,12nr是對應(yīng)的齊次線性方程組的一個根基解系,證明(1)*12nr線性無關(guān)(2)**1*2*nr線性無關(guān)證明(1)反證法,假設(shè)*12nr線性相關(guān)因為12nr線性無關(guān)而*12nr線性相關(guān)所以*可由12nr線性表示且表示式是唯一的這說明*也是齊次線性方程組的解矛盾(2)顯然向量組**1*2*nr與向量組*12nr可以相互表示故這兩個向量組等價而由(1)知向量組*12nr線性無關(guān)所以向量組**1*2*nr也線性無關(guān)34設(shè)12s是非齊次線性方程組Axb的s個解k1k2ks為實數(shù)滿足k1k2ks1.證明xk11k22kss也是它的解.證明因為12s都是方程組Axb的解所以Aib(i12s)從而A(k11k22kss)k1A1k2A2ksA(k1k2ks)bb因此xk11k22kss也是方程的解35設(shè)非齊次線性方程組Axb的系數(shù)矩陣的秩為r12nr1是它的nr1個線性無關(guān)的解試證它的任一解可表示為xk11k22knr1nr1(其中k1k2knr11).證明因為12nr1均為Axb的解所以121231nrnr11均為Axb的解用反證法證12nr線性無關(guān)設(shè)它們線性相關(guān)那么存在不全為零的數(shù)12nr使得1122nrnr0即1(21)2(31)nr(nr11)0亦即(12nr)11223nrnr10由12nr1線性無關(guān)知(12nr)12nr0矛盾因此12nr線性無關(guān)12nr為Axb的一個根基解系設(shè)x為Axb的任意解那么x1為Ax0的解故x1可由12nr線性表出設(shè)x1k21k32knr1nrk2(21)k3(31)knr1(nr11)x1(1k2k3knr1)k22k33knr1nr1令k11k2k3knr1那么k1k2k3knr11于是xk11k22knr1nr136設(shè)V1{x(x1x2xn)T|x1xnR滿足x1x2xn0}V2{x(x1x2xn)T|x1xnR滿足x1x2xn1}問V1V2是不是向量空間為什么解V1是向量空間因為任取(a1a2an)TV1(b1b2bn)TV1有a1a2anb1b2bn0從而(a1b1)(a2b2)(anbn)(a1a2an)(b1b2bn)0a1a2an(a1a2an)所以(a1b1a2b2anbn)T(a1a2an)TV1V2不是向量空間因為任取(a1a2an)TV1(b1b2bn)TV有a1a2anb1b2bn1從而(a1b1)(a2b2)(anbn)(a1a2an)(b1b2bn)2所以(a1b1a2b2anbn)T37試證由a1(011)Ta2(101)Ta3(110)T所生成的向量空間就是R3.證明設(shè)A(a1a2知R(A)3故a1a2a3線性無關(guān)所以a1a2a3是三維空間38由a1(1100)Ta2(1011)T所生成的向量空間記作V1,由b1(2133)Tb2(0111)T所生成的向量空間記作V2,試證V1V2.證明設(shè)A(a1a2)B(b1b2)顯然R(A)R(B)2知R(AB)2所以R(A)R(B)R(AB)從而向量組a1a2與向量組b1b2等價因為向量組a1a2與向量組b1b2等價所以這兩個向量組所生成的向量空間一樣即V139驗證a1(110)Ta2(213)Ta3(312)T為R3的一個基,并把v1(507)Tv2(9813)T用這個基線性表示.解設(shè)A(a1a2a知R(A)3故a1a2a3線性無關(guān)所以a1設(shè)x1a1x2a2x3a3v解之得x12x23x31故線性表示為v12a13a設(shè)x1a1x2a2x3a3v解之得x13x23x32故線性表示為v23a13a2240R3的兩個基為a1(111)Ta2(101)Ta3(101)Tb1(121)Tb2(234)Tb3(343)T求由基a1a2a3到基b1b解設(shè)e1e2e3是三維單位坐標向量組那么于是由基a1a2a3到基b1第五章相似矩陣及二次型1試用施密特法把以下向量組正交化(1)解根據(jù)施密特正交化方法(2)解根據(jù)施密特正交化方法2以下矩陣是不是正交陣:(1);解此矩陣的第一個行向量非單位向量,故不是正交陣(2)解該方陣每一個行向量均是單位向量且兩兩正交故為正交陣3設(shè)x為n維列向量xTx1令HE2xxT證明H是對稱的正交陣證明因為HT(E2xxT)TE2(xxT)TE2(xxT)TE2(xT)TxTE2xxT所以H是對稱矩陣因為HTHHH(E2xxT)(E2xxT)E2xxT2xxT(2xxT)(2xxT)E4xxT4x(xTx)xTE4xxT4xxTE所以H是正交矩陣4設(shè)A與B都是n階正交陣證明AB也是正交陣證明因為AB是n階正交陣故A1ATB1BT(AB)T(AB)BTATABB1A1ABE故AB也是正交陣5求以下矩陣的特征值和特征向量:(1);解故A的特征值為1(三重)對于特征值1由得方程(AE)x0的根基解系p1(111)T向量p1就是對應(yīng)于特征值1的特征值向量.(2);解故A的特征值為102139對于特征值10由得方程Ax0的根基解系p1(111)T向量p1是對應(yīng)于特征值10的特征值向量.對于特征值21,由得方程(AE)x0的根基解系p2(110)T向量p2就是對應(yīng)于特征值21的特征值向量對于特征值39由得方程(A9E)x0的根基解系p3(1/21/21)T向量p3就是對應(yīng)于特征值39的特征值向量(3).解故A的特征值為121341對于特征值121由得方程(AE)x0的根基解系p1(1001)Tp2(0110)T向量p1和p2是對應(yīng)于特征值121的線性無關(guān)特征值向量對于特征值341由得方程(AE)x0的根基解系p3(1001)Tp4(0110)T向量p3和p4是對應(yīng)于特征值341的線性無關(guān)特征值向量6設(shè)A為n階矩陣證明AT與A的特征值一樣證明因為|ATE||(AE)T||AE|T|AE|所以AT與A的特征多項式一樣從而AT與A的特征值一樣7設(shè)n階矩陣A、B滿足R(A)R(B)n證明A與B有公共的特征值有公共的特征向量證明設(shè)R(A)rR(B)t那么rtn假設(shè)a1a2anr是齊次方程組Ax0的根基解系顯然它們是A的對應(yīng)于特征值0類似地設(shè)b1b2bnt是齊次方程組Bx0的根基解系那么它們是B的對應(yīng)于特征值0的線性無關(guān)的特征向量由于(nr)(nt)n(nrt)n故a1a2anrb1b2bnt必線性相關(guān)于是有不全為0的數(shù)k1k2knrl1l2lnk1a1k2a2knranrl1b1l2b2lnrbnr記k1a1k2a2knranr(l1b1l2b2lnrbn那么k1k2knr不全為0否那么l1l2lntl1b1l2b2lnrbnr0與b1b2bnt線性無關(guān)相矛盾因此0是A的也是B的關(guān)于0的特征向量所以A與B有公共的特征值有公共的特征向量8設(shè)A23A2EO證明A的特征值只能取1或2證明設(shè)是A的任意一個特征值x是A的對應(yīng)于的特征向量那么(A23A2E)x2x3x2x(232)x0因為x0所以2320即是方程2320的根也就是說1或29設(shè)A為正交陣且|A|1證明1是A的特征值證明因為A為正交矩陣所以A的特征值為1或1因為|A|等于所有特征值之積又|A|1所以必有奇數(shù)個特征值為1即1是A的特征值10設(shè)0是m階矩陣AmnBnm的特征值證明也是n階矩陣BA的特征值證明設(shè)x是AB的對應(yīng)于0的特征向量那么有(AB)xx于是B(AB)xB(x)或BA(Bx)(Bx)從而是BA的特征值且Bx是BA的對應(yīng)于的特征向量113階矩陣A的特征值為123求|A35A27A解令()3527那么(1)3(2)2(3)3是(A)的特征值故|A35A27A||(A)|(1)(2)(3)323123階矩陣A的特征值為123求|A*3A2E|解因為|A|12(3)60所以A可逆故A*|A|A16A1A*3A2E6A13A令()61322那么(1)1(2)5(3)5是(A)的特征值故|A*3A2E||6A13A2E||(1)(2)(3)15(5)2513設(shè)A、B都是n階矩陣且A可逆證明AB與BA相似證明取PA那么P1ABPA1ABABA即AB與BA相似14設(shè)矩陣可相似對角化求x解由得A的特征值為16231因為A可相似對角化所以對于231齊次線性方程組(AE)x0有兩個線性無關(guān)的解因此R(AE)1由知當x3時R(AE)1即x3為所求15p(111)T是矩陣的一個特征向量(1)求參數(shù)ab及特征向量p所對應(yīng)的特征值解設(shè)是特征向量p所對應(yīng)的特征值那么(AE)p0即解之得1a3b(2)問A能不能相似對角化并說明理由解由得A的特征值為1231由知R(AE)2所以齊次線性方程組(AE)x0的根基解系只有一個解向量因此A不能相似對角化16試求一個正交的相似變換矩陣,將以下對稱陣化為對角陣:(1);解將所給矩陣記為A由(1)(4)(2)得矩陣A的特征值為122134對于12解方程(A2E)x0即得特征向量(122)T單位化得對于21,解方程(AE)x0即得特征向量(212)T單位化得對于34,解方程(A4E)x0即得特征向量(221)T單位化得于是有正交陣P(p1p2p3)使P1APdiag(214)(2)解將所給矩陣記為A由(1)2(10)得矩陣A的特征值為121310對于121解方程(AE)x0即得線性無關(guān)特征向量(210)T和(201)T將它們正交化、單位化得對于310,解方程(A10E)x0即得特征向量(122)T單位化得于是有正交陣P(p1p2p3)使P1APdiag(1110)17設(shè)矩陣與相似求xy并求一個正交陣P使P1AP解相似矩陣有一樣的特征值顯然54y是的特征值故它們也是A的特征值因為4是A的特征值所以解之得x4相似矩陣的行列式一樣因為所以20y100y5對于5解方程(A5E)x0得兩個線性無關(guān)的特征向量(101)T(120)T將它們正交化、單位化得對于4解方程(A4E)x0得特征向量(212)T單位化得于是有正交矩陣使P1AP18設(shè)3階方陣A的特征值為122231對應(yīng)的特征向量依次為p1(011)Tp2(111)Tp3(110)T求A.解令P(p1p2p3)那么P1APdiag(221)APP1因為所以19設(shè)3階對稱陣A的特征值為112130對應(yīng)1、2的特征向量依次為p1(122)Tp2(212)T求A解設(shè)那么Ap12p1Ap22p2即①②再由特征值的性質(zhì)有x1x4x61230③由①②③解得令x60得x20因此20設(shè)3階對稱矩陣A的特征值162333與特征值16對應(yīng)的特征向量為p1(111)T求A.解設(shè)因為16對應(yīng)的特征向量為p1(111)T所以有即①233是A的二重特征值,根據(jù)實對稱矩陣的性質(zhì)定理知R(A3E)1利用①可推出因為R(A3E)1所以x2x43x5且x3x5x63解之得x2x3x51x1x4x64因此21設(shè)a(a1a2an)Ta10A(1)證明0是A的n1重特征值證明設(shè)是A的任意一個特征值x是A的對應(yīng)于的特征向量那么有Axx2xA2xaaTaaTxaTaAxaTax于是可得2aTa從而0或aTa設(shè)12n是A的所有特征值因為AaaT的主對角線性上的元素為a12a22ana12a22an2aTa12這說明在12n中有且只有一個等于aTa而其余n1個全為0即0是A的n1重特征值(2)求A的非零特征值及n個線性無關(guān)的特征向量解設(shè)1aTa2n0因為AaaaTa(aTa)a1a所以p1a是對應(yīng)于1aTa對于2n0解方程Ax0即aaTx0因為a0所以aTx0即a1x1a2x2anxn0p2(a2a100)p3(a30a10)pn(an00a1)T因此n個線性無關(guān)特征向量構(gòu)成的矩陣為22設(shè)求A100解由得A的特征值為112535對于11解方程(AE)x0得特征向量p1(100)T對于15解方程(A5E)x0得特征向量p2(212)T對于15解方程(A5E)x0得特征向量p3(121)T令P(p1p2p3)那么P1APdiag(155)APP1A100P100P1因為100diag(151005100)所以23在某國每年有比例為p的農(nóng)村居民移居城鎮(zhèn)有比例為q的城鎮(zhèn)居民移居農(nóng)村假設(shè)該國總?cè)丝跀?shù)不變且上述人口遷移的規(guī)律也不變把n年后農(nóng)村人口和城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋壤来斡洖閤n和yn(xnyn1)(1)求關(guān)系式中的矩陣A解由題意知xn1xnqynpxn(1p)xnqynyn1ynpxnqynpxn(1q)yn可用矩陣表示為因此(2)設(shè)目前農(nóng)村人口與城鎮(zhèn)人口相等即求解由可知由得A的特征值為112r其中r1pq對于11解方程(AE)x0得特征向量p1(qp)T對于1r解方程(ArE)x0得特征向量p2(11)T令那么P1APdiag(1r)APP1AnPnP1于是24(1)設(shè)求(A)A105A9解由得A的特征值為1125對于11解方程(AE)x0得單位特征向量對于15解方程(A5E)x0得單位特征向量于是有正交矩陣使得P1APdiag(15)從而APP1AkPkP1因此(A)P()P1P(1059)P1P[diag(1510)5diag(159)]P1Pdiag(40)P1(2)設(shè),求(A)A106A95A8解求得正交矩陣為使得P1APdiag(115)APP1于是(A)P()P1P(106958)P1P[8(E)(5E)]P1Pdiag(1158)diag(204)diag(640)P1Pdiag(