Skip to content

线性代数

第一章 行列式

1. 二阶行列式

主对角线 - 副对角线

2. 三角形法则计算行列式

元首得到 1

  • 加倍性质:某一行或列的倍数加到另一行或列,行列式值不变
  • 提公因子:某一行或列的公因子可以提到行列式外边
  • 交换行列:交换两行或列,行列式变号

特殊例子

x  a  a
a  x  a
a  a  x

(r1+r2+r3) 再提公因式,元首便可得到 1

3. 范德蒙行列式

三阶

1    1    1
x₁  x₂  x₃
x₁² x₂² x₃²

c₂ - c₁c₃ - c₁c₂c₃ 分别提取公因式 → c₃ - c₂

总结:范德蒙行列式 = 公比元素做差再相乘

1i<jn(xjxi)

4. 爪型行列式

特点

  • 第一行第一列为 1
  • 对角线元素有值
  • 其余元素为 0
a₁   1    1    1
1    a₂   1    1
1    1    a₃   1
1    1    1    a₄

D 的第 2 - n 行提公因式使得对角线元素为 1:

a₁              1    1    1
1/a₂            1    0    0
1/a₃            0    1    0
1/a₄            0    0    1

化为上三角形:

a₁-1/a₂-1/a₃-1/a₄   0    0    0
1/a₂                1    0    0
1/a₃                0    1    0
1/a₄                0    0    1

结论

D=a2a3a4(a11a21a31a4)

5. 余子式与代数余子式

5.1 余子式 Mij

定义n 阶行列式中,划去元素 aij 所在的第 i 行、第 j 列,剩余元素构成的 (n1) 阶行列式。

示例:3 阶

|a11a12a13a21a22a23a31a32a33|

a21 的余子式:

M21=|a12a13a32a33|

5.2 代数余子式 Aij

定义:余子式乘以符号因子 (1)i+j,即

Aij=(1)i+jMij

示例

A22=(1)2+2M22=|a11a13a31a33|

5.3 行列式展开定理

任意行或列:D= 任意一行(列)元素 × 对应代数余子式

替换法:根据这个定理,逆向思维。要求代数余子式的和,可用系数替换原本行列式的元素,计算行列式的值就是答案。

5.4 拆和法

某行元素是加和形式,可以拆为两个行列式之和。

注意:当行列式两行或列成比例,行列式值为 0。

5.5 拉普拉斯展开

核心:降阶(按某一行或列展开)

第二章 矩阵

1. 矩阵的基本运算

1.1 加法

  • 同行同列元素相加
  • 满足交换律、结合律
  • 单位元是零矩阵 O

1.2 数乘

kA=(kaij)m×n

满足:k(A+B)=kA+kB(k+l)A=kA+lA

1.3 转置

定义(AT)ij=Aji

性质

  • (AT)T=A
  • (A+B)T=AT+BT
  • (kA)T=kAT
  • (AB)T=BTAT注意顺序反转
  • (A1A2Ak)T=AkTA2TA1T

2. 特殊矩阵

2.1 对称矩阵

AT=A(关于主对角线对称)

2.2 反对称矩阵

AT=A,对角线元素全为 0

2.3 分块矩阵

将矩阵分成若干子块,按块进行运算。简化大矩阵分析。

3. 矩阵乘法

AabBbc=Cac
  • 合法性:内标相等(A 的列数 = B 的行数)
  • 不满足交换律 ABBA
  • 满足结合律 (AB)C=A(BC)
  • 满足分配律 A(B+C)=AB+AC

4. 求逆矩阵

4.1 凑定义法

AB=EAB 互逆

4.2 长除法

()()+(系数)E=0

化为 ()()=E,那两个括号里的就是互逆矩阵。

稳妥点就用长除法。

4.3 初等行变换法(通法)

(AE)多次行变换(EA1)

4.4 二阶秒杀法

A=(abcd),A1=1|A|(dbca)

即:主对角线对调,副对角线变号

5. 求解矩阵方程

5.1 三种形式

  1. AX=B
  2. XA=B
  3. AXB=C

5.2 伴随矩阵 A

A=|A|A1AA=AA=|A|E

6. 方阵的行列式

6.1 基本性质

  • det(AT)=det(A)(转置相等)
  • det(kA)=kndet(A)(数乘,n 为阶数)
  • 交换行/列:det(B)=det(A)
  • 行/列成比例:det(A)=0
  • 行/列倍加:det(B)=det(A)

6.2 特殊方阵

  • 单位矩阵:det(En)=1
  • 对角/上/下三角矩阵:det(A)=a11a22ann(主对角线乘积)
  • 可逆矩阵:det(A1)=1det(A)det(A)0
  • 伴随矩阵:det(A)=[det(A)]n1

6.3 矩阵乘积

det(AB)=det(A)det(B)

可推广到多个同阶方阵。

7. 矩阵的秩

7.1 核心定义

矩阵的秩 = 其非零子式的最高阶数(记为 r(A)

推论r(A)min(矩阵行数,矩阵列数)

7.2 关键性质

  • 秩的不变性r(A)=r(AT)=r(kA)k0
  • 秩的不等式
    • r(A+B)r(A)+r(B)
    • r(AB)min(r(A),r(B))
  • 可逆矩阵:若 P,Q 可逆,则 r(PAQ)=r(A)(初等变换不改变秩)

7.3 特殊矩阵的秩

  • 零矩阵:r(O)=0
  • 满秩矩阵(方阵):r(A)=ndet(A)0A 可逆
  • 列满秩矩阵:r(A)=列数
  • 行满秩矩阵:r(A)=行数

第三章 向量组的线性相关性

1. 线性组合与线性表示

1.1 线性组合

向量 β 是向量组 α1,α2,,αm 的线性组合,如果存在一组数 k1,k2,,km 使:

β=k1α1+k2α2++kmαm

1.2 线性表示

如果一个向量可由向量组线性表出,称为该向量可由向量组线性表示

2. 线性相关与线性无关

2.1 定义

线性相关:存在不全为零的 k1,k2,,km,使

k1α1+k2α2++kmαm=0

线性无关:仅当 k1=k2==km=0 时,上式才成立。

2.2 判定方法

数字型判定

  • 向量成比例 → 线性相关
  • 行列式 = 0 → 线性相关
  • 秩 < m(向量个数)→ 线性相关
  • 秩 = m → 线性无关

抽象型判定

  • 抽象向量组的表示:逆向思维构造出行列式 CC=0 → 线性相关)
  • 无关组 × 可逆阵 = 无关
  • 无关组 × 不可逆阵 = 相关

3. 向量组的秩与极大无关组

3.1 秩

r(α1,α2,,αm) = 阶梯形矩阵非零行的个数

3.2 极大线性无关组

定义:向量组中含有线性无关向量最多的部分组(保留"信息量最大"的部分)

求法:阶梯形矩阵中,阶梯拐弯处所在列对应的向量就是极大无关组。

性质

  • 极大无关组不唯一
  • 但向量组的秩唯一
  • 极大无关组所含向量个数 = 向量组的秩

4. 向量空间(拓展)

4.1 基本概念

  • :向量空间的一个极大线性无关组
  • 维数:基所含向量的个数
  • 坐标:向量在基下的表示系数

4.2 例子

  • Rn 的标准基:e1,e2,,en
  • 维数 = n

第四章 线性方程组

1. 基本形式

1.1 齐次方程组

Am×nx=0

1.2 非齐次方程组

Am×nx=b

2. 解的判定

2.1 齐次方程组 Ax=0

  • r(A)=n(未知数个数)→ 只有零解
  • r(A)<n有非零解,且有无穷多解

2.2 非齐次方程组 Ax=b

设增广矩阵 A¯=(Ab)

r(A) vs r(A¯)解的情况
r(A)=r(A¯)=n唯一解
r(A)=r(A¯)<n无穷多解
r(A)r(A¯)无解

3. 克拉默法则(特殊情形)

m=ndet(A)0 时:

xj=det(Aj)det(A)

其中 Aj 是把 A 的第 j 列替换为 b 得到的矩阵。

局限:仅适用于 nn 个方程、系数矩阵可逆的情形。

4. 基础解系

4.1 概念

对于齐次方程组 Ax=0,当 r(A)<n 时有无穷多解。基础解系是解集合的极大无关组。

4.2 基础解系所含向量个数

nr(A)

4.3 构造方法

将系数矩阵化为行最简阶梯形,拐弯处列向量对应的自由变量取 01,得到基础解系。

5. 通解结构

5.1 齐次方程组

ξ1,ξ2,,ξnr 是基础解系,则通解为:

x=k1ξ1+k2ξ2++knrξnr

ki 为任意常数)

5.2 非齐次方程组

η 是一个特解,ξ1,ξ2,,ξnr 是对应齐次方程组的基础解系,则通解为:

x=η+k1ξ1+k2ξ2++knrξnr

核心思想:非齐次通解 = 一个特解 + 齐次通解

6. 高斯消元法

求解线性方程组的标准方法:

  1. 写出增广矩阵 A¯=(Ab)
  2. 通过初等行变换化为行阶梯形
  3. 判读解的情况(唯一/无穷/无解)
  4. 若有解,化为行最简形
  5. 写出通解

第五章 特征值与特征向量

1. 基本概念

定义:设 An 阶方阵,若存在数 λ 和非零向量 x,使

Ax=λx

成立,则称 λA特征值xA 的对应于 λ特征向量

直观A 作用在 x 上不改变方向,只拉伸(缩短)λ 倍。

2. 特征方程

Ax=λx 推出 (λEA)x=0,因 x0,所以:

det(λEA)=0

这个方程称为 A特征方程。展开得到一个关于 λn 次多项式。

3. 特征多项式

f(λ)=det(λEA)=λn+cn1λn1++c1λ+c0

性质

  • n 阶矩阵有 n 个特征值(重根按重数计)
  • 所有特征值的和 = tr(A)(迹 = 主对角线元素之和)
  • 所有特征值的积 = det(A)

4. 特征值的性质

  • λA 的特征值 f(λ)=0
  • λA 的特征值 kλkA 的特征值
  • λA 的特征值 λ2A2 的特征值
  • λA 的特征值 1λλ0)是 A1 的特征值
  • λA 的特征值 f(λ)f(A) 的特征值(多项式 f
  • ATA 有相同的特征值
  • 相似矩阵有相同的特征值

5. 矩阵相似

定义n 阶矩阵 AB 相似,如果存在可逆矩阵 P 使

P1AP=B

记为 AB

相似性质

  • 反身性:AA
  • 对称性:ABBA
  • 传递性:AB,BCAC

相似不变量

  • 特征值
  • 行列式

6. 矩阵对角化

6.1 问题

能否找到可逆 P,使 P1AP=Λ=diag(λ1,λ2,,λn)

6.2 充要条件

n 阶矩阵 A 相似于对角矩阵 An 个线性无关的特征向量。

6.3 对角化步骤

  1. 求特征方程 det(λEA)=0,得特征值 λ1,λ2,,λn
  2. 对每个 λi,解 (λiEA)x=0,得基础解系
  3. 所有基础解系合并,得到 n 个线性无关特征向量
  4. 排列成 P=(p1,p2,,pn),则 P1AP=Λ

6.4 简化判别

  • An 个不同特征值 → 可对角化
  • An 个线性无关特征向量 → 可对角化
  • 特征值的几何重数 = 代数重数 → 可对角化

7. 实对称矩阵的对角化

谱定理:实对称矩阵一定可以正交对角化,即存在正交矩阵 Q 使

QTAQ=Λ=diag(λ1,λ2,,λn)

性质

  • 所有特征值都是实数
  • 不同特征值的特征向量相互正交
  • k 重特征值对应 k 维特征子空间,可选 k 个正交基

步骤(类似一般对角化,但最后一步用施密特正交化):

  1. 求特征值
  2. 对每个特征值解齐次方程组得特征向量
  3. 同一特征值内不同特征向量已正交;不同特征值间也正交
  4. 不同特征值内若有多于 1 个,做施密特正交化
  5. 单位化所有特征向量
  6. 组成正交矩阵 Q

8. 应用

  • 主成分分析(PCA):协方差矩阵的特征值分解
  • PageRank:转移矩阵的最大特征值对应的特征向量
  • 微分方程组x=Ax 的解由 A 的特征值决定
  • 振动分析:物理系统的特征频率

第六章 二次型

1. 二次型定义

二次型n 个变量的二次齐次多项式:

f(x1,x2,,xn)=i=1nj=1naijxixj

其中 aij=aji(对称假设下)。

2. 矩阵表示

二次型可唯一表示为:

f=xTAx

其中 A=(aij)n×n对称矩阵AT=A),称为二次型的矩阵

f(x,y,z)=2x2+3y2+4z2+2xy6yzA=(210133034)

3. 线性替换与矩阵合同

线性替换x=CyC 可逆),代入二次型:

f=xTAx=yT(CTAC)y

B=CTAC,称 AB 合同,记 AB

合同性质

  • 反身性、对称性、传递性
  • rank(A)=rank(B)
  • 对称性保持:AT=ABT=B

4. 化标准形

标准形:仅含平方项,无交叉项的二次型:

f=d1y12+d2y22++dryr2

4.1 配方法

逐变量配方,化为平方和。

f=x12+2x22+4x32+2x1x2+4x1x34x2x3

x1(x1+x2+2x3)22x223x322x2x3

4.2 初等变换法

对矩阵 A 同时做相同的初等行变换和列变换(即 ACTAC),化为对角形。

4.3 正交变换法

对实二次型,用正交矩阵 Q 化为标准形 λiyi2,其中 λiA 的特征值。

5. 惯性定理

惯性定理:实二次型化为标准形后,正平方项个数 p、负平方项个数 q、零项个数 r 都是唯一确定的(与替换方式无关)。

  • p = 正特征值个数
  • q = 负特征值个数(取绝对值前的负数)
  • r = 零特征值个数 = npq

惯性指数(p,q) 称为二次型的正惯性指数负惯性指数

6. 正定二次型

定义:实二次型 f(x) 对任意非零 x 都有 f(x)>0,则 f正定二次型

类似地:

  • 负定f(x)<0 对所有 x0
  • 半正定f(x)0 对所有 x
  • 半负定f(x)0 对所有 x
  • 不定:正负都取到

7. 正定矩阵判定

充要条件(设 An 阶实对称矩阵):

  1. 定义:所有顺序主子式都 > 0

    Δk=|a11a1kak1akk|>0,k=1,2,,n
  2. 特征值:所有特征值 > 0

  3. 合同A 与单位矩阵 E 合同

  4. 存在分解A=BTBB 列满秩)

A=(2113)

  • Δ1=2>0
  • Δ2=231=5>0
  • A 正定

8. 应用

  • 最优化:正定二次型决定凸性
  • Hessian 矩阵:正定 → 局部极小
  • 二次规划:求解 min12xTAx+bTxA 正定)
  • 核函数:正定核 → SVM 等算法
  • 概率分布:多元正态分布的协方差矩阵必须正定

第七章 线性空间与线性变换

1. 线性空间定义

线性空间(向量空间)是一个非空集合 V,配有加法和数乘两种运算,满足 8 条公理:

加法公理

  • 交换律:a+b=b+a
  • 结合律:(a+b)+c=a+(b+c)
  • 零元素:0,a+0=a
  • 逆元素:a,a,a+(a)=0

数乘公理

  • 1a=a
  • k(la)=(kl)a
  • (k+l)a=ka+la
  • k(a+b)=ka+kb

  • Rn,Cn
  • 多项式空间 Pn
  • 矩阵空间 Mm×n
  • 函数空间 C[a,b]

2. 子空间

定义V 的子集 W,若 W 本身在加法和数乘下封闭,则 WV子空间

判别(子空间必须满足 3 个条件):

  • W0W
  • a,bWa+bW
  • kR,aWkaW

3. 基、维数、坐标

3.1 基

V 中线性无关且张成 V 的向量组。V 一定有基(可由极大无关组推广得到)。

3.2 维数

dimV=基所含向量个数

  • dimRn=n
  • dimPn=n+1(多项式 1,x,x2,,xn
  • dimMm×n=mn

3.3 坐标

α1,α2,,αnV 的一组基,aV 唯一表示为:

a=x1α1+x2α2++xnαn

(x1,x2,,xn)Ta 在该基下的坐标,记为 [a]

4. 基变换与坐标变换

设旧基 α1,,αn,新基 β1,,βn,有:

(β1,β2,,βn)=(α1,α2,,αn)P

则同一向量在两基下的坐标关系为:

[a]=P1[a]

5. 线性变换

定义VV 的映射 A,若满足:

  • A(a+b)=A(a)+A(b)
  • A(ka)=kA(a)

AV 上的线性变换

  • 恒等变换 I
  • 零变换 O
  • 投影变换 P
  • 旋转变换

6. 线性变换的矩阵表示

An 维线性空间 V 的线性变换,α1,,αn 是一组基。设

A(αj)=a1jα1+a2jα2++anjαn

则矩阵 A=(aij) 称为 A 在该基下的矩阵

关键性质

[A(x)]=A[x]

不同基下的矩阵相似:若 BA 在另一组基下的矩阵,则

AB

7. 特征子空间

定义:对应特征值 λ 的所有特征向量加上零向量,构成 λ特征子空间

Vλ={xAx=λx}

性质

  • VλV 的子空间
  • dimVλ = λ 的几何重数
  • A 可对角化 dimVλi=n

8. 不变子空间(简)

定义V 的子空间 W,若 A(W)W,则 WA不变子空间

意义:研究线性变换时,限制在不变子空间上可简化结构。

  • 特征子空间是不变子空间
  • 核空间 kerA 是不变子空间
  • 值域 imA 是不变子空间

9. Jordan 标准形(简)

定理:任意 n 阶复矩阵 A 都相似于一个 Jordan 形矩阵 J

J=(J1Jk),Ji=(λi1λi1λi)

意义:即使 A 不能对角化,仍能化为最简的"近对角形"——Jordan 块。

应用

  • 矩阵的高次幂 Ak
  • 矩阵指数 eA=An/n!
  • 微分方程组求解

第八章 矩阵分解

1. LU 分解

定义An 阶矩阵,L 是单位下三角矩阵,U 是上三角矩阵,若

A=LU

则称 ALU 分解

几何意义:把 A 的线性变换分解为"下三角"(前向替换)和"上三角"(回代)两步。

存在条件A 的各阶顺序主子式都非零。

应用

  • 快速求解多个线性方程组 Ax=bi
  • 数值稳定性好

2. QR 分解

定义Am×nmn)可分解为

A=QR

其中 Qm×m 正交矩阵,Rm×n 上三角矩阵。

几何意义:把线性变换分解为"保距旋转"Q 和"沿轴拉伸"R

构造方法(Gram-Schmidt):

  • A 的列向量组做施密特正交化
  • 归一化得到 Q 的列
  • R 记录正交化过程中的系数

应用

  • 最小二乘问题:Ax=b 的最优解 x=(ATA)1ATb=R1QTb
  • 特征值 QR 算法

3. 谱分解(特征分解)

定理:实对称矩阵 A 可正交对角化:

A=QΛQT

其中 Q 是正交矩阵,Λ=diag(λ1,,λn)

几何意义:实对称变换在正交基下是对角的(拉伸)。

应用

  • PCA:协方差矩阵的特征分解
  • 求解 det(A)Ak

4. SVD(奇异值分解)

定理:任意 Am×n 都可以分解为

A=UΣVT

其中:

  • Um×m 是正交矩阵(左奇异向量)
  • Vn×n 是正交矩阵(右奇异向量)
  • Σm×n 是对角线上有 σ1σ2σr>0 的"对角"矩阵(σi 是奇异值)

4.1 几何意义

任意线性变换都可分解为"旋转 - 拉伸 - 旋转"三步。

4.2 几何意义(细节)

  • VT:把 n 维空间旋转到主轴方向
  • Σ:沿主轴拉伸 σi
  • U:把 m 维空间再旋转

4.3 性质

  • 奇异值 = λi(ATA)
  • rank(A) = 非零奇异值个数
  • A2=σ1(最大奇异值 = 谱范数)
  • AF=σi2(Frobenius 范数)

4.4 应用

  • 降维:保留前 k 大奇异值,AUkΣkVkT
  • 推荐系统:用户-物品矩阵的 SVD
  • 图像压缩:图像矩阵的低秩近似
  • NLP:词向量的 SVD 分解
  • 伪逆:Moore-Penrose 伪逆 A+=VΣ+UT

5. 实际应用对比

分解适用矩阵主要应用
LU一般方阵线性方程组快速求解
QR长方形/方阵最小二乘、特征值算法
谱分解实对称方阵PCA、二次型
SVD任意矩阵降维、推荐、降噪

第九章 跨章联系

  • 行列式矩阵det(A)0 意味着 A 可逆
  • 矩阵向量:矩阵的列就是向量组,矩阵的秩 = 向量组的秩
  • 向量方程组:方程组 Ax=0 的解空间 = A 的零空间
  • 方程组矩阵Am×n 就是方程组的系数矩阵
  • 特征值矩阵:刻画 A 在特征向量方向的"拉伸"
  • 二次型矩阵f=xTAx,正定矩阵 正定二次型
  • 线性空间向量组:基 = 极大无关组,坐标 = 线性表示系数
  • 线性变换矩阵A 在一组基下唯一对应一个矩阵
  • 矩阵分解所有:每种分解都揭示了 A 的一种结构

四章(前 4 章)→ 八章(前 8 章)→ 本质上都是用不同语言描述同一件事:线性关系