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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 x₃²c₂ - c₁、c₃ - c₁ → c₂、c₃ 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
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 a₄D 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:
5. 余子式与代数余子式
5.1 余子式
定义:
示例:3 阶
5.2 代数余子式
定义:余子式乘以符号因子
示例:
5.3 行列式展开定理
任意行或列:
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
1.2 数乘
满足:
1.3 转置
定义:
性质:
(注意顺序反转)
2. 特殊矩阵
2.1 对称矩阵
2.2 反对称矩阵
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
- 合法性:内标相等(
的列数 = 的行数) - 不满足交换律
- 满足结合律
- 满足分配律
4. 求逆矩阵
4.1 凑定义法
4.2 长除法
化为
稳妥点就用长除法。
4.3 初等行变换法(通法)
4.4 二阶秒杀法
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
5.2 伴随矩阵
6. 方阵的行列式
6.1 基本性质
(转置相等) (数乘, 为阶数) - 交换行/列:
- 行/列成比例:
- 行/列倍加:
6.2 特殊方阵
- 单位矩阵:
- 对角/上/下三角矩阵:
(主对角线乘积) - 可逆矩阵:
( ) - 伴随矩阵:
6.3 矩阵乘积
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
推论:
7.2 关键性质
- 秩的不变性:
( ) - 秩的不等式:
- 可逆矩阵:若
可逆,则 (初等变换不改变秩)
7.3 特殊矩阵的秩
- 零矩阵:
- 满秩矩阵(方阵):
可逆 - 列满秩矩阵:
- 行满秩矩阵:
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
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
线性无关:仅当
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 <
(向量个数)→ 线性相关 - 秩 =
→ 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
( → 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
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
- 基: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
的标准基: - 维数 =
第四章 线性方程组
1. 基本形式
1.1 齐次方程组
1.2 非齐次方程组
2. 解的判定
2.1 齐次方程组
(未知数个数)→ 只有零解 → 有非零解,且有无穷多解
2.2 非齐次方程组
设增广矩阵
| 解的情况 | |
|---|---|
| 唯一解 | |
| 无穷多解 | |
| 无解 |
3. 克拉默法则(特殊情形)
当
其中
局限:仅适用于
4. 基础解系
4.1 概念
对于齐次方程组
4.2 基础解系所含向量个数
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
5. 通解结构
5.1 齐次方程组
设
(
5.2 非齐次方程组
设
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:
- 写出增广矩阵
- 通过初等行变换化为行阶梯形
- 判读解的情况(唯一/无穷/无解)
- 若有解,化为行最简形
- 写出通解
第五章 特征值与特征向量
1. 基本概念
定义:设
成立,则称
直观:
2. 特征方程
由
这个方程称为
3. 特征多项式
性质:
阶矩阵有 个特征值(重根按重数计) - 所有特征值的和 =
(迹 = 主对角线元素之和) - 所有特征值的积 =
4. 特征值的性质
是 的特征值 是 的特征值 是 的特征值 是 的特征值 是 的特征值 是 的特征值 ( )是 的特征值 是 的特征值 是 的特征值(多项式 ) 与 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:
记为
相似性质:
- 反身性:
- 对称性:
- 传递性:
相似不变量:
- 特征值
- 行列式
- 迹
- 秩
6. 矩阵对角化
6.1 问题
能否找到可逆
6.2 充要条件
6.3 对角化步骤
- 求特征方程
,得特征值 - 对每个
,解 ,得基础解系 - 所有基础解系合并,得到
个线性无关特征向量 - 排列成
,则
6.4 简化判别
有 个不同特征值 → 可对角化 有 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
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
重特征值对应 维特征子空间,可选 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):
- 求特征值
- 对每个特征值解齐次方程组得特征向量
- 同一特征值内不同特征向量已正交;不同特征值间也正交
- 不同特征值内若有多于 1 个,做施密特正交化
- 单位化所有特征向量
- 组成正交矩阵
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:
的解由 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
二次型是
其中
2. 矩阵表示
二次型可唯一表示为:
其中
例:
3. 线性替换与矩阵合同
线性替换:
设
合同性质:
- 反身性、对称性、传递性
- 对称性保持:
4. 化标准形
标准形:仅含平方项,无交叉项的二次型:
4.1 配方法
逐变量配方,化为平方和。
例:
配
4.2 初等变换法
对矩阵
4.3 正交变换法
对实二次型,用正交矩阵
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
= 正特征值个数 = 负特征值个数(取绝对值前的负数) = 零特征值个数 =
惯性指数:
6. 正定二次型
定义:实二次型
类似地:
- 负定:
对所有 - 半正定:
对所有 - 半负定:
对所有 - 不定:正负都取到
7. 正定矩阵判定
充要条件(设
定义:所有顺序主子式都 > 0
特征值:所有特征值 > 0
合同:
与单位矩阵 合同 存在分解:
( 列满秩)
例:
✓ ✓ - →
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
( 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
加法公理:
- 交换律:
- 结合律:
- 零元素:
- 逆元素:
数乘公理:
例:
- 多项式空间
- 矩阵空间
- 函数空间
2. 子空间
定义:
判别(子空间必须满足 3 个条件):
( )
3. 基、维数、坐标
3.1 基
基是
3.2 维数
例:
(多项式 )
3.3 坐标
设
则
4. 基变换与坐标变换
设旧基
则同一向量在两基下的坐标关系为:
5. 线性变换
定义:
则
例:
- 恒等变换
- 零变换
- 投影变换
- 旋转变换
6. 线性变换的矩阵表示
设
则矩阵
关键性质:
不同基下的矩阵相似:若
7. 特征子空间
定义:对应特征值
性质:
是 的子空间 = 的几何重数 可对角化
8. 不变子空间(简)
定义:
意义:研究线性变换时,限制在不变子空间上可简化结构。
例:
- 特征子空间是不变子空间
- 核空间
是不变子空间 - 值域
是不变子空间
9. Jordan 标准形(简)
定理:任意
意义:即使
应用:
- 矩阵的高次幂
- 矩阵指数
- 微分方程组求解
第八章 矩阵分解
1. LU 分解
定义:
则称
几何意义:把
存在条件:
应用:
- 快速求解多个线性方程组
- 数值稳定性好
2. QR 分解
定义:
其中
几何意义:把线性变换分解为"保距旋转"
构造方法(Gram-Schmidt):
- 对
的列向量组做施密特正交化 - 归一化得到
的列 记录正交化过程中的系数
应用:
- 最小二乘问题:
的最优解 - 特征值 QR 算法
3. 谱分解(特征分解)
定理:实对称矩阵
其中
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
和
4. SVD(奇异值分解)
定理:任意
其中:
是正交矩阵(左奇异向量) 是正交矩阵(右奇异向量) 是对角线上有 的"对角"矩阵( 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)
:把 维空间旋转到主轴方向 :沿主轴拉伸 倍 :把 维空间再旋转
4.3 性质
- 奇异值 =
= 非零奇异值个数 (最大奇异值 = 谱范数) (Frobenius 范数)
4.4 应用
- 降维:保留前
大奇异值, - 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
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:
意味着 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
的解空间 = 的零空间 - 方程组 ↔ 矩阵:
就是方程组的系数矩阵 - 特征值 ↔ 矩阵:刻画
在特征向量方向的"拉伸" - 二次型 ↔ 矩阵:
,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:
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
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。