⭐ 线性空间的8条定义公理(4条加法 + 4条数乘)
⭐ 线性子空间的判定条件:非空(或 0 ∈ S 0\in S 0 ∈ S )+ 加法封闭 + 数乘封闭
⭐ 基、维数、坐标的定义与唯一性
⭐ 同构映射的定义及其保持的性质
⭐ 过渡矩阵的定义与性质(可逆)
⭐ 坐标变换公式:x = C y x = Cy x = C y 或 y = C − 1 x y = C^{-1}x y = C − 1 x
⭐ 线性变换的定义(可加性 + 齐次性)
⭐ 线性变换的矩阵表示及其唯一性
⭐ 线性变换在不同基下的矩阵相似:B = C − 1 A C B = C^{-1}AC B = C − 1 A C
⭐ 秩-零度定理:dim ( Im ( σ ) ) + dim ( Ker ( σ ) ) = dim ( V ) \dim(\text{Im}(\sigma)) + \dim(\text{Ker}(\sigma)) = \dim(V) dim ( Im ( σ )) + dim ( Ker ( σ )) = dim ( V )
常见反例:全体“次数恰为 n n n ”的多项式、非齐次方程组解集(b ≠ 0 b\neq 0 b = 0 )、实数对复数域不构成线性空间
数域 :设 P P P 是一个数集,P P P 包含 0 0 0 与 1 1 1 ,且对加、减、乘法封闭;对除法封闭指:对任意 a , b ∈ P a,b\in P a , b ∈ P 且 b ≠ 0 b\neq 0 b = 0 ,都有 a / b ∈ P a/b\in P a / b ∈ P 。则称 P P P 是一个数域。[来源:p2]
常见数域 :全体有理数 Q \mathbb{Q} Q ,全体实数 R \mathbb{R} R ,全体复数 C \mathbb{C} C 。[来源:p2]
例 :P = { a + b 2 ∣ a , b ∈ Q } P = \{a + b\sqrt{2} \mid a, b \in \mathbb{Q}\} P = { a + b 2 ∣ a , b ∈ Q } 是一个数域。[来源:p2]
线性空间 :设 V V V 是一个非空集合,P P P 是一个数域,V V V 中定义了两种运算:加法与数乘。同时满足以下8条公理,则称 V V V 是数域 P P P 上的线性空间 。[来源:p3-4]
加法公理(4条) :
加法交换律 :α + β = β + α \alpha + \beta = \beta + \alpha α + β = β + α [来源:p3,红框标注]
加法结合律 :( α + β ) + γ = α + ( β + γ ) (\alpha + \beta) + \gamma = \alpha + (\beta + \gamma) ( α + β ) + γ = α + ( β + γ ) [来源:p3,红框标注]
零元素存在 :在 V V V 中存在一个元素,记为 0 0 0 ,称作零元素 ,对所定义的加法满足:对任意 α ∈ V \alpha \in V α ∈ V ,α + 0 = α \alpha + 0 = \alpha α + 0 = α [来源:p3,红框标注]
负元素存在 :对任意 α ∈ V \alpha \in V α ∈ V ,都存在 β ∈ V \beta \in V β ∈ V ,使得 α + β = 0 \alpha + \beta = 0 α + β = 0 ,记 β = − α \beta = -\alpha β = − α ,称 β \beta β 为 α \alpha α 的负元素 [来源:p3]
数乘公理(4条) :
5. 数乘单位元 :对任意 α ∈ V \alpha \in V α ∈ V ,有 1 ⋅ α = α 1 \cdot \alpha = \alpha 1 ⋅ α = α [来源:p4]
6. 数乘结合律 :对任意 α ∈ V \alpha \in V α ∈ V ,k , l ∈ P k, l \in P k , l ∈ P ,有 k ⋅ ( l ⋅ α ) = ( k l ) ⋅ α k \cdot (l \cdot \alpha) = (kl) \cdot \alpha k ⋅ ( l ⋅ α ) = ( k l ) ⋅ α [来源:p4]
7. 数乘对向量加法的分配律 :对任意 α , β ∈ V \alpha, \beta \in V α , β ∈ V ,k ∈ P k \in P k ∈ P ,有 k ( α + β ) = k ⋅ α + k ⋅ β k(\alpha + \beta) = k \cdot \alpha + k \cdot \beta k ( α + β ) = k ⋅ α + k ⋅ β [来源:p4]
8. 数乘对数加法的分配律 :对任意 α ∈ V \alpha \in V α ∈ V ,k , l ∈ P k, l \in P k , l ∈ P ,有 ( k + l ) α = k ⋅ α + l ⋅ α (k + l)\alpha = k \cdot \alpha + l \cdot \alpha ( k + l ) α = k ⋅ α + l ⋅ α [来源:p4]
线性空间的性质 :[来源:p12]
零元素是唯一的
每个元素的负元素是唯一的
0 ⋅ α = 0 0 \cdot \alpha = 0 0 ⋅ α = 0 (数0乘任何向量等于零向量)
( − 1 ) ⋅ α = − α (-1) \cdot \alpha = -\alpha ( − 1 ) ⋅ α = − α
k ⋅ 0 = 0 k \cdot 0 = 0 k ⋅ 0 = 0 (任何数乘零向量等于零向量)
⭐ 若 k ⋅ α = 0 k \cdot \alpha = 0 k ⋅ α = 0 ,则 k = 0 k = 0 k = 0 或 α = 0 \alpha = 0 α = 0
全体 n n n 维实向量的集合 V V V 对于通常定义的加法与数乘运算构成实数域 R \mathbb{R} R 上的线性空间 R n \mathbb{R}^n R n 。[来源:p5,黄色标注]
全体 m × n m \times n m × n 阶实矩阵的集合 V V V 对于通常定义的加法与数乘运算构成实数域 R \mathbb{R} R 上的线性空间 R m × n \mathbb{R}^{m \times n} R m × n 。[来源:p5,黄色标注]
全体次数不超过 n − 1 n-1 n − 1 次的变量 x x x 的实系数多项式和零多项式的集合 V V V 对于通常定义的函数加法与数乘运算构成实数域 R \mathbb{R} R 上的线性空间 R [ x ] n \mathbb{R}[x]_n R [ x ] n 。[来源:p5,黄色标注]
闭区间 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上全体连续的实函数的集合 V V V 对于通常定义的函数的加法与数乘函数运算构成实数域 R \mathbb{R} R 上的线性空间 C [ a , b ] C[a,b] C [ a , b ] 。[来源:p6]
⭐ 实系数的齐次线性方程组的解的全体 的集合 V V V 构成实数域上的线性空间。[来源:p6,黄色标注]
仅由 n n n 维零向量构成的集合 V V V ,也构成实数域上的线性空间。[来源:p6]
例 :令 V = R + V = \mathbb{R}^+ V = R + (正实数集),P = R P = \mathbb{R} P = R 。定义加法运算为 a ⊕ b = def a ⋅ b a \oplus b \stackrel{\text{def}}{=} a \cdot b a ⊕ b = def a ⋅ b ,数乘运算为 k ∘ a = def a k k \circ a \stackrel{\text{def}}{=} a^k k ∘ a = def a k 。则 R + \mathbb{R}^+ R + 在上述定义的加法和数乘运算下构成 R \mathbb{R} R 上的线性空间。[来源:p7]
加法运算的零元素为 1 1 1 (因为 a ⊕ 1 = a ⋅ 1 = a a \oplus 1 = a \cdot 1 = a a ⊕ 1 = a ⋅ 1 = a )
加法运算的负元素:对 ∀ a ∈ R + \forall a \in \mathbb{R}^+ ∀ a ∈ R + ,有 1 a ∈ R + \frac{1}{a} \in \mathbb{R}^+ a 1 ∈ R + ,且 a ⊕ 1 a = a ⋅ 1 a = 1 a \oplus \frac{1}{a} = a \cdot \frac{1}{a} = 1 a ⊕ a 1 = a ⋅ a 1 = 1
⭐ 全体“次数恰为 n n n ”的多项式(不含零多项式)不构成线性空间 :例如 x n x^n x n 与 − x n -x^n − x n 都在其中,但相加得 0 0 0 (次数不再是 n n n ),加法不封闭;且集合也不含零多项式。[来源:p8,"No."反例]
⭐ 全体实数的集合 V V V ,对于 P = C P = \mathbb{C} P = C (复数域)不构成线性空间 :因为数乘不封闭(复数乘实数可能不再是实数,如 i ⋅ 1 = i ∉ R i \cdot 1 = i \notin \mathbb{R} i ⋅ 1 = i ∈ / R )。[来源:p9,"No."反例]
⭐ 当 b ≠ 0 b\neq 0 b = 0 时,非齐次线性方程组 A x = b Ax = b A x = b 的所有解的集合不构成线性空间 :例如若 x 1 , x 2 x_1,x_2 x 1 , x 2 为解,则 A ( x 1 + x 2 ) = 2 b ≠ b A(x_1+x_2)=2b\neq b A ( x 1 + x 2 ) = 2 b = b ,加法不封闭;且一般也不满足数乘封闭(A ( k x 1 ) = k b ≠ b A(kx_1)=kb\neq b A ( k x 1 ) = k b = b )。[来源:p10,"No."反例]
数乘不满足 1 ⋅ α = α 1 \cdot \alpha = \alpha 1 ⋅ α = α 的反例 :设 V = R 2 = { ( x 1 , x 2 ) ∣ x i ∈ R , i = 1 , 2 } V = \mathbb{R}^2 = \{(x_1, x_2) \mid x_i \in \mathbb{R}, i = 1, 2\} V = R 2 = {( x 1 , x 2 ) ∣ x i ∈ R , i = 1 , 2 } ,定义加法为通常意义下的加法,定义数乘为 k ∘ ( x 1 , x 2 ) = ( k x 1 , 0 ) k \circ (x_1, x_2) = (kx_1, 0) k ∘ ( x 1 , x 2 ) = ( k x 1 , 0 ) 。则 V V V 不构成线性空间,因为对 α = ( x 1 , x 2 ) ∈ V \alpha = (x_1, x_2) \in V α = ( x 1 , x 2 ) ∈ V 且 x 2 ≠ 0 x_2 \neq 0 x 2 = 0 ,有 1 ∘ ( x 1 , x 2 ) = ( x 1 , 0 ) ≠ ( x 1 , x 2 ) 1 \circ (x_1, x_2) = (x_1, 0) \neq (x_1, x_2) 1 ∘ ( x 1 , x 2 ) = ( x 1 , 0 ) = ( x 1 , x 2 ) 。[来源:p11]
线性子空间 :设 V V V 是数域 P P P 上的线性空间,S ⊆ V S \subseteq V S ⊆ V 且 S ≠ ∅ S \neq \emptyset S = ∅ 。若 S S S 对于 V V V 中的加法与数乘运算也构成数域 P P P 上的线性空间,则称 S S S 是 V V V 的一个线性子空间 (简称子空间 )。[来源:p13-14]
⭐ 子空间判定定理 :S ⊆ V S \subseteq V S ⊆ V 且 S ≠ ∅ S \neq \emptyset S = ∅ ,是 V V V 的线性子空间 当且仅当 S S S 对于 V V V 中的加法与数乘运算封闭。[来源:p14,黄色标注]
即:∀ α , β ∈ S \forall \alpha, \beta \in S ∀ α , β ∈ S ,有 α + β ∈ S \alpha + \beta \in S α + β ∈ S
且:∀ α ∈ S , k ∈ P \forall \alpha \in S, k \in P ∀ α ∈ S , k ∈ P ,有 k α ∈ S k\alpha \in S k α ∈ S
设 A A A 是 m × n m \times n m × n 阶矩阵,A x = 0 Ax = 0 A x = 0 的实数解向量的全体 ⊆ R n \subseteq \mathbb{R}^n ⊆ R n 构成线性子空间。[来源:p15]
V 1 = { ( 0 , a 2 , a 3 , ⋯ , a n ) ∣ a i ∈ R , i = 2 , 3 , ⋯ , n } ⊆ R n V_1 = \{(0, a_2, a_3, \cdots, a_n) \mid a_i \in \mathbb{R}, i = 2, 3, \cdots, n\} \subseteq \mathbb{R}^n V 1 = {( 0 , a 2 , a 3 , ⋯ , a n ) ∣ a i ∈ R , i = 2 , 3 , ⋯ , n } ⊆ R n 构成线性子空间。[来源:p15]
V 3 = { A n × n ∣ A n × n ∈ R n × n , A T = A } ⊆ R n × n V_3 = \{A_{n \times n} \mid A_{n \times n} \in \mathbb{R}^{n \times n}, A^T = A\} \subseteq \mathbb{R}^{n \times n} V 3 = { A n × n ∣ A n × n ∈ R n × n , A T = A } ⊆ R n × n (全体对称矩阵)构成线性子空间。[来源:p15]
验证子空间的步骤:验证加法和数乘封闭即可。[来源:p16,标注"容易验证:加法和数乘封闭"]
线性空间中的向量 :线性空间的元素也称为"向量"。可以仿照 n n n 维实向量空间中有限个向量的线性组合、线性相关与线性无关的概念。[来源:p20]
基 :线性空间 V V V 的一组基是 V V V 中的一个向量组 B B B ,它线性无关且能生成 V V V (等价地:B B B 是 V V V 的极大线性无关组)。[来源:p27,红字标注]
维数 :线性空间 V V V 的维数记为 dim ( V ) \dim(V) dim ( V ) ,定义为任一组基所含向量的个数(该数与所取基无关)。在有限维情形下,也可表述为:dim ( V ) \dim(V) dim ( V ) 等于 V V V 中任一极大线性无关组的向量个数(即“秩”)。[来源:p27,红字标注]
坐标 :就是向量在基下的表示系数,具有唯一性 。[来源:p28,红字标注]
向量在基下的坐标是唯一的。[来源:p28]
向量的线性表示可以用矩阵形式表示:若 β 1 , β 2 , ⋯ , β t \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t β 1 , β 2 , ⋯ , β t 可由 α 1 , α 2 , ⋯ , α m \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_m α 1 , α 2 , ⋯ , α m 线性表出,可以记作
( β 1 , β 2 , ⋯ , β t ) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α m ) B (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_t) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_m)B ( β 1 , β 2 , ⋯ , β t ) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α m ) B
其中 B B B 是 m × t m \times t m × t 矩阵。[来源:p23]
对同一向量组而言,极大线性无关组一般不唯一,但其秩(即极大线性无关组所含向量的个数)是唯一确定的。[来源:p33]
极大线性无关组固定后,每个向量的表示系数唯一。[来源:p33]
对某向量组 S S S (秩为 r ( S ) r(S) r ( S ) ):若从 S S S 中取出 r ( S ) r(S) r ( S ) 个向量且它们线性无关,则该子组就是 S S S 的一个极大线性无关组。[来源:p33]
对某向量组 S S S (秩为 r ( S ) r(S) r ( S ) ):任何包含向量个数超过 r ( S ) r(S) r ( S ) 的子组必线性相关。[来源:p33]
若向量组 T T T 与向量组 S S S 等价(互相可线性表示),且 T T T 的向量个数等于 r ( S ) r(S) r ( S ) ,则 T T T 必为 S S S 的一个极大线性无关组(从而也是生成 ⟨ S ⟩ \langle S\rangle ⟨ S ⟩ 的一组基)。[来源:p33]
R [ x ] n \mathbb{R}[x]_n R [ x ] n (次数不超过 n − 1 n-1 n − 1 次的多项式空间)的一组基为 1 , x , x 2 , ⋯ , x n − 1 1, x, x^2, \cdots, x^{n-1} 1 , x , x 2 , ⋯ , x n − 1 ,维数为 n n n 。[来源:p24]
任意多项式 f ( x ) = a 0 + a 1 x + ⋯ + a n − 1 x n − 1 f(x) = a_0 + a_1 x + \cdots + a_{n-1}x^{n-1} f ( x ) = a 0 + a 1 x + ⋯ + a n − 1 x n − 1 在这组基下的坐标为 ( a 0 , a 1 , ⋯ , a n − 1 ) T (a_0, a_1, \cdots, a_{n-1})^T ( a 0 , a 1 , ⋯ , a n − 1 ) T
R 2 × 3 \mathbb{R}^{2 \times 3} R 2 × 3 (全体 2 × 3 2 \times 3 2 × 3 阶实矩阵)的一组基为 E 11 , E 12 , E 13 , E 21 , E 22 , E 23 E_{11}, E_{12}, E_{13}, E_{21}, E_{22}, E_{23} E 11 , E 12 , E 13 , E 21 , E 22 , E 23 (矩阵单位),维数为 6 6 6 。[来源:p25-26]
同构映射(线性同构) :若映射 ϕ \phi ϕ 同时满足:①线性(保持加法与数乘);②一一对应(双射),则称 ϕ \phi ϕ 为同构(线性同构)。[来源:p41,红字标注]
设 V V V 是数域 P P P 上的 n n n 维线性空间,取定 V V V 中一组基为 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 。对任何 α ∈ V \alpha \in V α ∈ V ,设 α \alpha α 在基 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 下坐标为 x x x ,即 α = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) x \alpha = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)x α = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) x ,而 x ∈ P n x \in P^n x ∈ P n 是一个 n n n 维列向量。这样得到一个映射 ϕ : V → P n \phi: V \to P^n ϕ : V → P n ,对任何 α ∈ V \alpha \in V α ∈ V ,ϕ ( α ) = x \phi(\alpha) = x ϕ ( α ) = x 。[来源:p40-41]
映射 ϕ : V → P n \phi: V \to P^n ϕ : V → P n 是一一对应,且有性质:
ϕ ( α + β ) = ϕ ( α ) + ϕ ( β ) \phi(\alpha + \beta) = \phi(\alpha) + \phi(\beta) ϕ ( α + β ) = ϕ ( α ) + ϕ ( β ) (保持加法)[来源:p41]
ϕ ( k α ) = k ϕ ( α ) \phi(k\alpha) = k\phi(\alpha) ϕ ( k α ) = k ϕ ( α ) (保持数乘)[来源:p41]
⭐ 同构把线性相关的向量组变成线性相关的向量组 。[来源:p43,红字标注]
⭐ 同构把线性无关的向量组变成线性无关的向量组 。[来源:p43,红字标注]
同构把零元素变成零元素,负元素变成负元素。[来源:p43,红字标注]
同构把一组基变成一组基。[来源:p43,红字标注]
同构保持向量组的秩不变。[来源:p43,红字标注]
同构保持线性空间的维数不变。[来源:p43,红字标注]
过渡矩阵 :设 V V V 是数域 P P P 上 n n n 维线性空间,α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 和 β 1 , β 2 , ⋯ , β n \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n β 1 , β 2 , ⋯ , β n 是这个线性空间的两组基,β 1 , β 2 , ⋯ , β n \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n β 1 , β 2 , ⋯ , β n 可由 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 线性表示。[来源:p2-3]
( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) C (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)C ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) C
称矩阵 C C C 是由基 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 到基 β 1 , β 2 , ⋯ , β n \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n β 1 , β 2 , ⋯ , β n 的过渡矩阵 。[来源:p3,黄色标注]
⭐ 过渡矩阵是可逆矩阵 。[来源:p3]
C − 1 C^{-1} C − 1 是由基 β 1 , β 2 , ⋯ , β n \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n β 1 , β 2 , ⋯ , β n 到基 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 的过渡矩阵:
( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) = ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) C − 1 (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n) = (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n)C^{-1} ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) = ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) C − 1
[来源:p3]
设 ξ ∈ V \xi \in V ξ ∈ V 是 V V V 中一个向量,设 ξ \xi ξ 在基 ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n) ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) 下的坐标为 ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) T (x_1, x_2, \cdots, x_n)^T ( x 1 , x 2 , ⋯ , x n ) T ,即 ξ = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) x \xi = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)x ξ = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) x ;ξ \xi ξ 在基 ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n) ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) 下的坐标为 ( y 1 , y 2 , ⋯ , y n ) T (y_1, y_2, \cdots, y_n)^T ( y 1 , y 2 , ⋯ , y n ) T ,即 ξ = ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) y \xi = (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n)y ξ = ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) y 。[来源:p4]
⭐ 坐标变换公式 :若 ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) C (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)C ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) C ,则 [来源:p4-5,黄色标注]
x = C y 或者 y = C − 1 x x = Cy \quad \text{或者} \quad y = C^{-1}x x = C y 或者 y = C − 1 x
其中 x x x 是向量在旧基下的坐标,y y y 是向量在新基下的坐标。按本讲记号 ( β 1 , ⋯ , β n ) = ( α 1 , ⋯ , α n ) C (\beta_1, \cdots, \beta_n) = (\alpha_1, \cdots, \alpha_n)C ( β 1 , ⋯ , β n ) = ( α 1 , ⋯ , α n ) C ,C C C 的列是新基向量在旧基下的坐标,所以 C C C 用于把新基坐标换算成旧基坐标(x = C y x=Cy x = C y );反向换算用 C − 1 C^{-1} C − 1 (y = C − 1 x y=C^{-1}x y = C − 1 x )。
新基向量在旧基下的坐标 :β j \beta_j β j 在基 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 下的坐标为过渡矩阵 C C C 的第 j j j 列。[来源:p6]
旧基向量在新基下的坐标 :由于 ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) = ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) C − 1 (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n) = (\beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n)C^{-1} ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) = ( β 1 , β 2 , ⋯ , β n ) C − 1 ,α j \alpha_j α j 在基 β 1 , β 2 , ⋯ , β n \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n β 1 , β 2 , ⋯ , β n 下的坐标为 C − 1 C^{-1} C − 1 的第 j j j 列。[来源:p6]
求在两组基下有相同坐标的向量 :设所求向量 α \alpha α 在两组基下相同的坐标为 x x x ,则 x = C x x = Cx x = C x ,变为齐次线性方程组 ( E − C ) x = 0 (E - C)x = 0 ( E − C ) x = 0 。得到基础解系 ξ 1 , ξ 2 , ⋯ \xi_1, \xi_2, \cdots ξ 1 , ξ 2 , ⋯ ,所求向量 α = ( α 1 , α 2 , α 3 ) ( k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + ⋯ ) \alpha = (\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3)(k_1\xi_1 + k_2\xi_2 + \cdots) α = ( α 1 , α 2 , α 3 ) ( k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + ⋯ ) 。[来源:p8]
⭐ 利用标准基作为桥梁 :E 11 , E 12 , E 21 , E 22 E_{11}, E_{12}, E_{21}, E_{22} E 11 , E 12 , E 21 , E 22 等是"我们熟悉和擅长的基",是"研究其他基的桥梁"。[来源:p9,红字标注]
设 E 11 , E 12 , E 21 , E 22 E_{11}, E_{12}, E_{21}, E_{22} E 11 , E 12 , E 21 , E 22 到 A 1 , A 2 , A 3 , A 4 A_1, A_2, A_3, A_4 A 1 , A 2 , A 3 , A 4 的过渡矩阵为 C C C
设 E 11 , E 12 , E 21 , E 22 E_{11}, E_{12}, E_{21}, E_{22} E 11 , E 12 , E 21 , E 22 到 B 1 , B 2 , B 3 , B 4 B_1, B_2, B_3, B_4 B 1 , B 2 , B 3 , B 4 的过渡矩阵为 D D D
则 ( B 1 , B 2 , B 3 , B 4 ) = ( A 1 , A 2 , A 3 , A 4 ) C − 1 D (B_1, B_2, B_3, B_4) = (A_1, A_2, A_3, A_4)C^{-1}D ( B 1 , B 2 , B 3 , B 4 ) = ( A 1 , A 2 , A 3 , A 4 ) C − 1 D
[来源:p9]
变换 :设 V V V 是数域 P P P 上的线性空间,若存在一个 V V V 到自身的映射 σ \sigma σ ,即对任意的 α ∈ V \alpha \in V α ∈ V ,都有唯一的 σ ( α ) ∈ V \sigma(\alpha) \in V σ ( α ) ∈ V 与 α \alpha α 对应 ,则称 σ \sigma σ 为 V V V 的一个变换 。σ ( α ) \sigma(\alpha) σ ( α ) 称为 α \alpha α 在变换 σ \sigma σ 下的像 ,α \alpha α 称为 σ ( α ) \sigma(\alpha) σ ( α ) 的一个原像 。[来源:p2,红字标注]
⭐ 线性变换 :设 V V V 是数域 P P P 上线性空间,σ \sigma σ 为 V V V 的一个变换。若对任意的 α , β ∈ V \alpha, \beta \in V α , β ∈ V 和 k ∈ P k \in P k ∈ P 都有 [来源:p3,红字标注]
σ ( α + β ) = σ ( α ) + σ ( β ) \sigma(\alpha + \beta) = \sigma(\alpha) + \sigma(\beta) σ ( α + β ) = σ ( α ) + σ ( β ) (可加性 )
σ ( k α ) = k σ ( α ) \sigma(k\alpha) = k\sigma(\alpha) σ ( k α ) = k σ ( α ) (齐次性 )
则称 σ \sigma σ 为 V V V 的一个线性变换 。
⭐ 线性变换 σ \sigma σ 将 V V V 中线性相关的向量组 α 1 , α 2 , ⋯ , α m \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_m α 1 , α 2 , ⋯ , α m 变换到线性相关的向量组 σ ( α 1 ) , σ ( α 2 ) , ⋯ , σ ( α m ) \sigma(\alpha_1), \sigma(\alpha_2), \cdots, \sigma(\alpha_m) σ ( α 1 ) , σ ( α 2 ) , ⋯ , σ ( α m ) 。[来源:p5]
【整理自PPT】注意 :线性变换不一定把线性无关的向量组变成线性无关的向量组。例如零变换 σ ( α ) = 0 \sigma(\alpha) = 0 σ ( α ) = 0 把任何向量组都变成零向量组,而零向量组是线性相关的。
⭐ 线性变换在基下的矩阵 :设 n n n 维线性空间 V V V 的一组基为 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n ,线性变换 σ \sigma σ 在这组基下的像为 [来源:p11-13]
( σ ( α 1 ) , σ ( α 2 ) , ⋯ , σ ( α n ) ) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) A (\sigma(\alpha_1), \sigma(\alpha_2), \cdots, \sigma(\alpha_n)) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)A ( σ ( α 1 ) , σ ( α 2 ) , ⋯ , σ ( α n )) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) A
称矩阵 A A A 为线性变换 σ \sigma σ 在基 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 下的矩阵 。
⭐ 只要确定了线性变换 σ \sigma σ 在一组基下的像,就完全确定了 σ \sigma σ 。[来源:p10,蓝字标注]
线性变换在基下的矩阵是唯一的 :由于 σ ( α j ) \sigma(\alpha_j) σ ( α j ) 在基 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 下的坐标是唯一的,所以线性变换 σ \sigma σ 在基 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 下的矩阵也是唯一的。[来源:p15]
定理(存在性与唯一性) :设 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 是数域 P P P 上 n n n 维线性空间 V V V 的一组基,A A A 是一个 n n n 阶方阵。那么存在唯一的 线性变换 σ \sigma σ ,它在基 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 下的矩阵为 A A A 。[来源:p16]
⭐ 一一对应关系 :设 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 是 n n n 维线性空间的一组基,则 V V V 中所有线性变换与所有 n n n 阶方阵之间存在一一对应关系 ,这种关系由 ( σ ( α 1 ) , σ ( α 2 ) , ⋯ , σ ( α n ) ) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) A (\sigma(\alpha_1), \sigma(\alpha_2), \cdots, \sigma(\alpha_n)) = (\alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n)A ( σ ( α 1 ) , σ ( α 2 ) , ⋯ , σ ( α n )) = ( α 1 , α 2 , ⋯ , α n ) A 确定。[来源:p17]
⭐ 坐标变换定理 :设 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 是数域 P P P 上 n n n 维线性空间 V V V 的一组基。V V V 中线性变换 σ \sigma σ 在这组基下的矩阵为 A A A 。若向量 α \alpha α 在这组基下的坐标为 x x x ,那么 α \alpha α 的像 σ ( α ) \sigma(\alpha) σ ( α ) 在这组基下的坐标为 A x Ax A x 。[来源:p34,红字标注]
⭐ 定理 :设 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 和 β 1 , β 2 , ⋯ , β n \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n β 1 , β 2 , ⋯ , β n 是数域 P P P 上 n n n 维线性空间 V V V 的两组基。V V V 中线性变换 σ \sigma σ 在这两组基下的矩阵为 A A A 和 B B B 。从 α 1 , α 2 , ⋯ , α n \alpha_1, \alpha_2, \cdots, \alpha_n α 1 , α 2 , ⋯ , α n 到 β 1 , β 2 , ⋯ , β n \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n β 1 , β 2 , ⋯ , β n 的过渡矩阵为 C C C 。那么,[来源:p36-37]
B = C − 1 A C B = C^{-1}AC B = C − 1 A C
即矩阵 B B B 和矩阵 A A A 是相似矩阵 。[来源:p36,红字标注]
⭐ 核心结论 :线性变换在不同基下的矩阵是相似的 。[来源:p37,红字标注]
【整理自PPT】逆命题 :若两个矩阵 A A A 和 B B B 相似,则存在某个线性变换,使得 A A A 和 B B B 分别是该线性变换在某两组基下的矩阵。
值域 :Im ( σ ) = { σ ( α ) ∣ α ∈ V } \text{Im}(\sigma) = \{\sigma(\alpha) \mid \alpha \in V\} Im ( σ ) = { σ ( α ) ∣ α ∈ V } 称为线性变换 σ \sigma σ 的值域 ,记作 Im ( σ ) \text{Im}(\sigma) Im ( σ ) 。[来源:p41]
核 :Ker ( σ ) = { α ∈ V ∣ σ ( α ) = 0 } \text{Ker}(\sigma) = \{\alpha \in V \mid \sigma(\alpha) = 0\} Ker ( σ ) = { α ∈ V ∣ σ ( α ) = 0 } 称为线性变换的核 ,记作 Ker ( σ ) \text{Ker}(\sigma) Ker ( σ ) 。[来源:p41]
秩 :线性变换 σ \sigma σ 的值域的维数,称为线性变换 σ \sigma σ 的秩 ,记作 r ( σ ) r(\sigma) r ( σ ) 。[来源:p43]
零度 :线性变换 σ \sigma σ 的核的维数,称为线性变换 σ \sigma σ 的零度 ,可记作 dim ( Ker ( σ ) ) \dim(\text{Ker}(\sigma)) dim ( Ker ( σ )) (有些教材也写作 r ( σ − 1 ( 0 ) ) r(\sigma^{-1}(0)) r ( σ − 1 ( 0 )) )。[来源:p43]
dim ( Im ( σ ) ) + dim ( Ker ( σ ) ) = dim ( V ) = n \dim(\text{Im}(\sigma)) + \dim(\text{Ker}(\sigma)) = \dim(V) = n dim ( Im ( σ )) + dim ( Ker ( σ )) = dim ( V ) = n
即线性变换 σ \sigma σ 的值域的维数 + 线性变换 σ \sigma σ 的核的维数 = 线性空间 V V V 的维数 。
公式/结论 说明 α + 0 = α \alpha + 0 = \alpha α + 0 = α 零元素 α + ( − α ) = 0 \alpha + (-\alpha) = 0 α + ( − α ) = 0 负元素 1 ⋅ α = α 1 \cdot \alpha = \alpha 1 ⋅ α = α 数乘单位元 0 ⋅ α = 0 0 \cdot \alpha = 0 0 ⋅ α = 0 数0乘向量 k ⋅ 0 = 0 k \cdot 0 = 0 k ⋅ 0 = 0 数乘零向量 ( − 1 ) ⋅ α = − α (-1) \cdot \alpha = -\alpha ( − 1 ) ⋅ α = − α 负元素的另一表达 k ⋅ α = 0 ⇒ k = 0 k \cdot \alpha = 0 \Rightarrow k = 0 k ⋅ α = 0 ⇒ k = 0 或 α = 0 \alpha = 0 α = 0 零因子性质
公式 说明 ( β 1 , ⋯ , β n ) = ( α 1 , ⋯ , α n ) C (\beta_1, \cdots, \beta_n) = (\alpha_1, \cdots, \alpha_n)C ( β 1 , ⋯ , β n ) = ( α 1 , ⋯ , α n ) C 过渡矩阵定义 ( α 1 , ⋯ , α n ) = ( β 1 , ⋯ , β n ) C − 1 (\alpha_1, \cdots, \alpha_n) = (\beta_1, \cdots, \beta_n)C^{-1} ( α 1 , ⋯ , α n ) = ( β 1 , ⋯ , β n ) C − 1 逆过渡矩阵 x = C y x = Cy x = C y 坐标变换(旧基坐标 = 过渡矩阵 × 新基坐标) y = C − 1 x y = C^{-1}x y = C − 1 x 坐标变换的逆形式
公式 说明 ( σ ( α 1 ) , ⋯ , σ ( α n ) ) = ( α 1 , ⋯ , α n ) A (\sigma(\alpha_1), \cdots, \sigma(\alpha_n)) = (\alpha_1, \cdots, \alpha_n)A ( σ ( α 1 ) , ⋯ , σ ( α n )) = ( α 1 , ⋯ , α n ) A 线性变换的矩阵定义 若在同一组基下 α \alpha α 的坐标为 x x x ,则 σ ( α ) \sigma(\alpha) σ ( α ) 的坐标为 A x Ax A x 坐标与矩阵均相对于同一组基 B = C − 1 A C B = C^{-1}AC B = C − 1 A C 不同基下矩阵的相似关系 dim ( Im ( σ ) ) + dim ( Ker ( σ ) ) = n \dim(\text{Im}(\sigma)) + \dim(\text{Ker}(\sigma)) = n dim ( Im ( σ )) + dim ( Ker ( σ )) = n 秩-零度定理
本知识集锦严格基于上海交通大学线性代数课程第35、36、38讲PPT内容整理