Microsoft Word - 10_線性代數_2012_0212.doc
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- 宸 管
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1 線性代數 - 基本觀念 矩陣之定義與矩陣種類. 任何 個的數值 有規則排列成一長方形陣列 稱為矩陣 (tr) [ ] j () 代表列數 (row) 代表行數 (colu) () j 代表第 列 第 j 行之元素 () 其階 (order) 為 階. 方矩陣若一矩陣行數等於列數 亦即 = 時 則稱為階 或 階方矩陣. 列矩陣 (row tr) 若一矩陣僅有一列元素 亦即 = 稱為列矩陣或列向量 (row vector) 例如 : [ ] 及 = [ j ] = [ ]. 行矩陣 (colu tr) 若一矩陣僅有一行元素 亦即 = 稱為行矩陣或行向量 (colu vector) 例如 : 及. 零矩陣 [ ] j 若一矩陣之所有元素均為零時 稱為零矩陣. 單位矩陣若一方矩陣對角線元素均為 其餘為 時 稱為單位矩陣 例如 : I 通常以 I 表 ( ) 單位矩陣
2 7. 三角矩陣 (trgulr tr) () 若一方矩陣 其元素 j = (I > j) 則稱為上三角矩陣 (upper trgulr tr) () 若一方矩陣 其元素 j = ( < j) 則稱為下三角矩陣 (lower trgulr tr) 8. 對角矩陣凡對角線元素以外之元素皆為零 稱為對角矩陣 9. 轉置矩陣 (trspose tr) 將一 ( ) 矩陣 之行 列互換 得一新矩陣 此新矩陣稱為 之轉置矩陣 以 或 ' 表示 例如 : 則. 對稱矩陣 (syetrc tr) 若方矩陣 = 亦即 j = j 則稱為 為對稱矩陣 例如 : 及
3 . 反對稱矩陣若方矩陣 = 亦即 j = j 則稱 為反對稱矩陣 依定義知 反對稱矩陣之對角線上之所有元素必均為零 意即 = j 時 = 所以 = 例如 : 及. Herte ( 赫密特 ) 矩陣若方矩陣 ( 為 之共軛矩陣 ) 亦即 j = * j 則稱 為 Herte 矩陣 例如 : 則 而 * Herte 矩陣對角線上之元素必為實數. 反 Herte 矩陣若方矩陣 亦即 j = * j 則稱 為反 Herte 矩陣 例如 : 而 反 Herte 矩陣對角線上所有之元素必為純虛數. 正交矩陣 (orthogol tr) 若實方矩陣有 = = I 則稱 為正交矩陣 例如 : cos s s cos 則 cos s s cos
4 而 cos s s cos cos s cos s s cos s cos. 單式矩陣 (utry tr) 若一方矩陣 滿足 = = I 則稱 為單式矩陣. 任意矩陣 可表示為對稱矩陣 B ( ) 與反對稱矩陣 C ( ) 之和 E. Whch o the ollowg trces re hert: () () () 7 解 () = 故 為 Herte 矩陣 () 故 不為 Herte 矩陣 () 7 7 = 故 為 Herte 矩陣 E. 試證下列矩陣為正交矩陣 cos s 解 s cos cos s s cos cos s s cos I
5 為正交矩陣 - 矩陣的運算. +B = B+ +B 矩陣為矩陣 與矩陣 B 所對應元素之和. (B+C)= B+C 矩陣 與矩陣 B 可相乘積之條件為矩陣 之行數與矩陣 B 之列數需相等 令矩陣 C = [C j ] p C = B 其中 = [ j ] B = [b j ] p 即矩陣 C 中第 列 第 j 行之元素 c j 為矩陣 中第 個列向量與矩陣 B 中第 j 個行向量之乘積 即 c j B j b j b j b j k k b kj. ( BC) ( B) C 證明 設 [ j ] [ bj ] p B C [ cj ] pq 令 D = BE = DC 則 E = (B)C 又 F = BCG = F 則 G = (BC) 又 d j j B B C j j k p b c k j b kj e g j D C F j k p d c e j = g j E = G 故 (B)C = (BC) j j k kj j p p k k k b k k c b k j c j. ( ) =. (k) = k. (+B) = +B 7. (B) = B 8. (BC) = C B 9. 矩陣 的跡 (trce) 以 trce() 表示 定義為對角元素之和 即
6 trce () ( ). 若 B = C 則 B = C( 不一定成立 ) 若 存在 則 B = C. 若 B = 則 = 或 B = ( 不一定成立 ) E. 若 解 z y w w w y 試求 y z 及 w =? y y 原式變成 : z w z w w 利用矩陣相等 各相對應元素需相等之性質 可知 z zw y y ww 解出 y z w E. 已知 B 求 () B() B =? 解 () 8 B () B 9 H.W. 試證 :(B)C = (BC)BC 均為矩陣 8 年台大機械所 H.W. 試證 :() (B+C) = B+C 8 年中原電子所 () (B) = B 8 年清大機械所 H.W. 設 試求 () () =? 8 年交大光電所 <s> () () H.W. 令 () =? () =? () 若 () = -+ 試求 () =?
7 8 年交大機械所 <s> () () () () 7 - 行列式. 定義 : 若 為 階方矩陣 則其行列式以 或 det() 表示 定義成 = det( ). 子行列式 (or): 將行列式中第 列及第 j 行之元素刪去 子行列式以 M j 表示. 餘因式 (coctor): 餘因子 j 定義為 j = () + j M j. 行列式之展開 : det j j j j j 稱之為 Lplce 展開式. 若矩陣 B 均為 階方陣 則恆有 B B B. 7. 若矩陣 中有某一行 ( 或列 ) 其元素皆為零 則 = 8. 若矩陣 B 為自矩陣 中任一交換二行或二列所得之矩陣 則 B = 9. 一陣列 中 若某一列為另一列之 k 倍 ; 或某一行為另一列之 k 行 則 = 其中 k = 常數. 行列式經由行或列之運算其值不變. det (B) = det () det (B). 為上三角或下三角矩陣時 det () = 其中 及 為 之對角線元素. () 若 為 矩陣 為 之第 列元素 M k M k M k 為 之第 k 列元素之餘因式 則 M k + M k + + M k = () 若 j j j 為 之第 j 行之元素 M k M k M k 為 之第 k 行元素之餘因式 則 j M k + j M k + + j M k = * 任一 矩陣 的行列式均可由 的任一列或任一行的餘因式來展開 7
8 8 * + 號的排列 : E. 若 = =? 7 年清華計管所 解 = = 8 ) ( E. 若 B 求 det(b) =? 78 年台大資訊所 解 = B 7 B B E. 設 = 求 det() =? 解 det () = +
9 9 = + = = = H.W. 若矩陣 = t t t 設 = 試求 t =? 8 年交大工工所 <s> t = H.W. 若 = 試求? <s> H.W. 試求下列矩陣 的行列式之值 () = 8 8 年交大機械所 (b) = 年屏科大 <s> () (b)
10 H.W. 試求 det (D) =? 9 8 etbook - E.7 <s> H.W. 試求 det (D) =? 年台科大電機所甲組 <s> 8 H.W. 試求 det (D) =? 88 年交大機械所乙組 <s> H.W.7 已知矩陣 = 試求 ) det () =? ) det ( ) =? ) 的固有值為何? ) 矩陣共具有幾個線性獨立的固有向量? 88 年成大航太所 <s> ) det () = ) det ( ) = ) ) 個 H.W.8 已知 b b c c b c c b b c c b b c 試求 以及 之值 =? <s> - 反矩陣若方矩陣 B 具有下列關係 :B = B = IB = 即稱 B 為 之反矩陣 凡具有反矩陣之方陣稱之為可逆矩陣 否則稱為不可逆. 若方矩陣行列式值為零 即 則稱該矩陣為奇異性矩陣 否則稱為非其異性
11 矩陣. 矩陣 之伴隨矩陣 (djot tr) 定義為 dj [ j ] 其中 j 為矩陣 之餘因 式. 反矩陣 dj. 反矩陣之性質 : () ( ) () ( B) B ( BC) C B () ( ) ( ) () () dj( ) () ( B) B (7) ( ) E. 試求 = 之反矩陣 79 交大電子所 7 解 7 dj () = 7 7 dj( ) E. 已知 為非奇異方陣 試證 :( ) ( ) 7 台大電機 7 年台大材研 87 中央土木 解 ( ) ( ) I 故 ( ( ) ( ) ( ) ( ) ) I I
12 E. 試求反矩陣 =? 已知 = 8 中央電機 解 增廣矩陣如下 : ~ ~ ~ ~ I 故 I
13 H.W. 試求反矩陣 =? 79 年台大大氣科學所 8 年交大材料所 <s> () () 7 H.W. 已知 = 試求反矩陣 =? 87 年中山海洋所 <s> = 高斯消去法與 Crer Rule 設有聯立線性方程式 ( 個未知數 個方程式 ) 如下 : b b b 如用矩陣表示 則為 X = B 其中 b b b b b b b B X 稱為係數矩陣 b 稱之為擴大 ( 增廣 ) 矩陣 (ugeted tr) Guss 法即是以 b 擴大矩陣運算使之形成為上三角矩陣形式 Crer 法
14 設有 個未知數 個方程式之聯立線性方程組 即 = B 其中 則該方程組具有唯一解 且 ) ( j C j j 其中 C j 代表 中第 j 行由 B 取代時之行列式值 * 名詞解釋. Cosstet: 一線性方程式系統若至少有一解時 稱之為 Cosstet Syste [ 有唯一解或可能有無限多組解 ]. Icosstet: 線性方程式系統無解時稱之 * 求解步驟 ) 某一方程式乘上非零之常數 ) 改變方程式之順序 ) 某一式乘上非零之常數後加至其他式子 E. 求解聯立方程式 解 ) 改變方程式順序 : () ) 第一式 ( ) 加至第二式 : ) 第一式 ( ) 加至第三式 : 9 ) 第二式 (/): 9 ) 第二式 () 加至第一式 :
15 9 ) 第二式 () 加至第三式 : 9 7) 第三式 : 9 * 至此 利用反代法 (Bck Substtuto) 即可求出 = = 8) 第三式加 至第二式 : 9) 第三式加 () 至第一式 : * 基本列運算後所產生的新方程式組或增廣矩陣與原方程式 ( 或原 ugeted tr) 互為 列等效 (Row Equvlet) Elto Method. Guss elto ( 高斯消去法 ): 利用列化簡法將增廣矩陣化簡成列梯型式 (Row-echelo or) 方法 :) 非零列的第一個非零元素為 ) 所有非零列 其第一個非零元素 之位置依序向右移位一行位置 ) 全為零之列安排在矩陣的最下層. Guss-Jord elto ( 高斯 - 喬丹消去法 ) 方法 : 前三步聚同上法 但
16 ) 含第一個非零元素 的那一行其他元素均再消去為零 E. Echelo For ( 列梯型式 ) Guss Elto 7 Guss-Jord Elto * 基本列運算符號. R j : 第 與 j 列互換. cr : 第 列乘上常數 c. cr + R j : 第 列乘上常數 c 後加至第 j 列 有時記為 cr j E. 求解下列的聯立方程式 : ) 利用高斯消去法 ) 利用高斯 - 喬丹消去法 解 7 RR R R R R RR 9 / 9/ / / R 9 9
17 ) 由上述結果 : R R R R R R / 9/ / 9/ H.W. 利用 Guss-Jord Elto 法 求解下列方程式組 : 7 7 <s> 化簡後 列 - 梯型式為 9 可令 = t 則 = + t = t * 此解為兩平面 : 之交界線的參數式 E. 試平衡下列的化學反應式 : C H + O CO + H O 解 依題意可知 本題欲求出 使得 C H + O CO + H O 化學反應式平衡條件為..反應前後 各元素之原子數目相等 故知 碳 (C).. = + + = 氫 (H).. = => + + = 氧 (O).. = + + = 利用 Guss-Jord Elto.. 列運算 7 7 = t = t = t = t 此處 t 必需為正整數 且需以能使 ~ 均為 正整數的方式來選取 故可取 t = 則平衡式為 C H + 7O CO + H O 7
18 H.W. 試求下列化學反應式的平衡式 () ClO Cl + O () Cu + HNO Cu (HNO ) + H O + NO <s> () ClO Cl + O () Cu + 8HNO Cu (HNO ) + H O + NO H.W. 利用 Guss 消去法將下列方程組 = 化簡成 u u u u u u = b b b b [87 年成大資源所 ] <s> 試求上式中所有未知係數 u j 及 b =? = = = = u = u = u = u = u = u = b = b = b = 7 b = H.W. 利用高斯消去法求解下列線性方程組 : + = + + = = [87 年雲科大電子所 ] <s> = c = 9 c + = c + 7 = c = c c 即 = c + c H.W. 試解下列聯立方程式.. + = + + = 8
19 + + = + = [78 台大電機所 ] <s> = + k k 為任常數 H.W. 試用高斯消去法 求解下列聯立方程式.. + y z = + 9y z = 8 y + 7z = [87 年中山機械所 ] <s> = y = z = H.W.7 試解下列的聯立方程式 + + = + + = + 8 = = [88 年台科大電機所甲組 ] <s> = 9 / 8 = 9 / = / 8 = / H.W.8 試用 Crer Rule 解下列的聯立方程式 () + y + z = 8 + y z = + y + z = + y z = 7 [88 年台大環工所 ] () + y z = y z = 7y z = 7 [88 年交大環工所 ] () + y + z = 7 y + z = + y z = [Zll p. 9 E.] <s> () = y = z = () = y = z = () = y = z = 9
20 - 矩陣之秩 基本觀念 矩陣 = 列向量 (row vector).. u = u = u = 行向量 (colu vector).. v = v = v= 秩的定義. 於一 ( ) 矩陣 中 設有一 (r r)(r 小於或等於 中之較小者 ) 部分矩陣之行列式不為零 而所有 (r+) (r+) 部分矩陣之行列式均為零 則稱矩陣 之秩為 r. 矩陣 之秩為矩陣 中線性獨立列向量之最大個數 * 任一矩陣 的秩可用 Row-Reducto 法來求算 定理..利用 Row-Reducto 法求算矩陣之秩 : 若矩陣 列等效於列 - 梯形式 B 則 () 的列空間 (Row Spce) = B 的列空間 () B 的非零列可形成 之列空間的基底 () rk() = B 的非零列個數 E. 已知 = 7 8 試求 rk () =? 8 解 方法.. 由 Row Vector 知 u u = u = 8 及 u= 7 8 可 u +u= 此即表示 u u 及 u 為線性相依 另外 由於 u u 兩者均非對方之固定倍數 故知 u 及 u 之列向量集合為線性
21 獨立 因此 可知 rk() = 方法..由列運算可知 = R R R R 8 R R R 上式最後之矩陣為列 - 梯陣型式 且具有兩個非零列 故知 rk() = E. 試判定向量集 u u u 在 R 空間內是否為線性獨立? 解 以 u u u 為列向量形成矩陣 即 列運算 因此 rk 故知向量集 u u u 為線性獨立 H.W. 試求矩陣 之秩 =? [7 年清大計管所 ] <s> rk H.W. 試求下列矩陣之秩 =? [78 年交大工工所 ] 7 B <s> rk rk ) ( B H.W. 試以 值 討論 矩陣之秩 : [79 年台大材料所 ] <s> rk 時 9 時
22 rk 9 時 rk H.W. 已知 試求 rk () =? [88 年交大電子所 ] <s> 聯立方程式之解若 之秩等於 b ( 擴大矩陣 ) 之秩 即 r () = r ( b ) 則方程式 = b 有解 ; 若 之秩小於 b 之秩 即 r () < r ( b ) 則方程式 = b 無解 齊性線性聯立方程組 (systes o hoogeous ler equtos). 個未知數之 個齊性方程式 ( = ) 中 如係數矩陣之行列式 不為零 ( 即 為非奇異矩陣 ) 則僅有零解 若 等於零 則有非零解. 若未知數不等於方程式之數目 ( ) 則齊性方程式 X = 有非零解之主要條件為 r () <. 假設由 個方程式及 個未知數所形成的線性系統 = B 為 Cosstet 若係數矩陣 之秩為 r 則系統之解含有 r 個參數 E. 已知聯立方程式 其解為 = t = + t = t 故為 Cosstet Syste 且具有無限多解 由 Rk 來驗證 可知 : rk() = rk(b) = * 參數個數 = r = =
23 矩陣之秩與系統之解的關聯性如下圖所示 : For ler equtos ukows X = B. wo cses: B = B. Let rk() = r. X = lwys Cosstet Uque Soluto: X = rk() = Ity o Solutos: rk() < r rbtrry preters soluto X = B B Cosstet : rk() = rk( B) Icosstet: rk() < rk( B) Uque Soluto: Rk () = Ity o Solutos: rk() < r rbtrry preterts soluto 8 H.W. 已知 8 試求 rk () =? 8 [Zll p Prob..] <s> H.W. 若 b b b 有解 試求 b b 及 b 間的關係? [8 年清大計管所 ] <s> 有解之條件 : 但因 rk rk rk. rk 故知 det b b b b b b b b
24 H.W. 已知 試以 值討論此聯立方程式之解 <s> 若 9 則 rk rk 無解 b 若 9 則 rk rk 但因未知數 r 有無限多解 [78 年交大機械所 ] b 故知此聯立方程式 H.W. 試討論下列聯立方程式組之解的條件 : b b () 唯一解 () 無解 () 含一個任意常數之解 () 含二個任意常數之解 <s> () b () = b () b = () = b = * 向量之線性獨立 設有 個行向量 即 = = = 若存再不全為零之常數 c c c c 使得 c c c c 則稱 為線性獨立 E. () 設 V = ( ) V = ( ) V= ( 9 ) V = ( ) V= ( 7 8 8) 試求線性獨立向量 (b) [ V V V V ] 試求 之秩與 = 之解 解 () 令 B = [ V V V V V ] = C () C ( ) C (7) C () C ( ) C ( )
25 故知 V V V 為線性獨立 ) C ( 7 8 (b) X = = 8 經高斯消去法運算後 得 7 = 8 rk () = 而 故 * 符號說明 : 7 8 c c c c c C C ) C ) ( C 第一行 加至第二行 ( C C 第一行 ( ) 加至第三行 H.W. 已知 V V V V 試問集合 { V V V V } 有多少個線性獨立向量? 其基底向量為何? <s> [ V V V V ]~ [88 年中央土研所 ] 有兩個線性獨立向量 且基底向量為 V 及 V
26 零值空間 (Null spce). 齊性聯立方程組 = 之所有非零解所組成之集合 稱為矩陣 之零値空間. 若 B 為 R 中線獨立向量 則 R 中任一向量可表為 B 之線性組合 以 sp{ B } = + B 表示. 若 B C R 且互為線性獨立 則 R = sp{ B C }. 矩陣 中 線性獨立行向量之展延 謂為行空間 (colu spce) 行空間之維數 稱為行秩. 矩陣 中 線性獨立列向量之展延 謂為列空間 (row spce) 列空間之維數 稱為列秩 E. 試考慮齊次線性方程式 = 其中 = () 試求 = 之解 的線性空間 N () 試問 N 的維度為何? () 試求由 之列向量所展成的線性空間 R 之基底 解 () ) ( R R 可令 c c 則 c c c c c 因此 N = c c c () D (N) = () R = b E. 已知 = B 其中
27 B () 求解 () 求 之秩數 (rk) 與零數 (ulty) () 求 之列空間維數 [8 年中央土木所 ] 解 () R ( ) R ( ) c 7c c 令 c 7c c 7 c () rk () = 7 c 7 N( ) 7 D N( ) () 列空間之維數為 H.W. 令 v v v 為向量空間的一組基底 且 : v v 為線性運算子 其中 v ) v v v ) v v v ) v v v ) v v v ( v v ( v v ( v v ( v v () 試求 之秩與零數 () 試問 是否為一對一? [8 年工技電機所 ] <s> () rk() = ullty() = () 不存在 故 不為一對一 H.W. 令 : M M 為一線性運算子 其定義如下 7
28 ( X ) X X () 試求 之 Rge 的維度 =? () 試求 之 Null Spce 的基底 [8 年交大電子所 ] <s> () X c 的 Null Spce 為 () Rge ( ) H.W. 令 v 7 v v 及 u u u () 試求可由 v v ] 轉變 u u ] 的轉換矩陣 (rsto Mtr) [ v v [ u () 若 v v 試求 相對於 [ u u u] 的座標值 <s> () () X 7u u u [88 年台科大電機所 ] H.W. 令 () 試求 N() ( 即 的 Null Spce) 的基底 () 試求 的 8 Rge Spce R() () 試求 N( ) R( ) () 試求 N( ) 的正交補集 N ( ) 及 ( ) R () 試指出有哪些空間為相等 [88 年成大電機所 ] <s> () () () N( ) c R ) c c ( N( ) c R( ) c c 8
29 () N( ) R( ) R( ) N( ) () 由上述答案可知 H.W. 令 為 R 上的線性運算子 且定義為 ( b) ( b b) 試考慮 R 的標 準基底 ( ) 及 ( ) () 試證 : Nullty() + rk() = () 試證 : ( ) 為零轉換 其中 (t) 為 之特徵多項式 [88 年台大電機所 ] <p..> 略 H.W. 已知 () 試求 之秩與 Nullty () 試求 之 Null Spce 的正範基底 [88 年台科大電機所 ] <s> () rk () = Nullty () = () u H.W. 7 已知線性變換 : R R 定義為 y y y z z () 試求此轉換的標準矩陣 [] () 試求核 ker () 的基底並指出其維度 () 試求 Rge R() 的基底 並指出其維度 () 試求標準矩陣 = [] 的固有值 並針對每一個固有值 求出相對應固有空間的基底 () 試求一矩陣 P 以使 P P 為對角化 () 利用 () 之答案 試求算? [88 年交大電子所 ] 9
30 <s> () () ) ker( )] ( d[ker () R() 之基底 : 或 () 時 Egevector: c c z y 時 Egevector: c z y () P () H.W. 8 試求下列矩陣的行空間及 Null Spce: [88 年台科大電子所 ] <s> )] ( [ )] ( [ D csp N D -7 固有值與固有向量 定義 : 令 為 矩陣 向量方程式 : () 其中 為未知向量 為未知純量 ) rvl Soluto: = ) 若有 值使得 () 式具有 之解時 稱為 () 式的固有值 (Egevlue) 而此時相對應的向量 ) ( 則稱為 () 式之固有向量 (Egevector) * 固有值的集合稱為 之 Spectru
31 * 之固有值的絕對值中 最大值有即稱為 的 Specl rdus * 相對於 之固有值的所有固有向量集合再加上 即構成 的固有空間 [Egespce] 固有值與固有向量的求算. 特徵值與特徵向量 設有聯立方程式 以矩陣形式表示 : 或 ( I) 若欲上式有非零解 則必須 I 稱為矩陣 之特性方程式 解出 個根 稱為矩陣 之特徵值 將各特徵值 代入上式 解得 此 稱為矩陣 對應於特徵值 之特徵向量 b. 線性轉換觀念 令 X Y [ y y ] y 且 Y X 即 y y y 則上式之定義為將 維空間向量 X 映射至 維空間向量 Y 而矩陣 [ ] 映射矩陣 若 Y X Y X 則 ( X X) Y Y E. 已知 試求 之固有值及固有向量. 解 ) 向量方程式 : ( I) j 為 ( ) ( ) ()
32 ) 特徵方程式 : ) det( I 7 ) 固有值 ( 特徵根 ): ) )( ( 之固有值 ) Egevector: 時 () 式變成 : 可取 Egevector : 時 () 式變成 : 可取 Egevector : E. 已知 試求 之固有值及固有向量 解 ) Vector Eq.: ) ( I ) ( ) ( ) ( ) ( () ) 特徵 Eq: ) det( I ) Egevlue: ) )( ( ) Egevector: λ = 時 :
33 () 式 利用基本列運算 可取 因此Egevector 為 λ = 時 : () 式 利用基本列運算 可取 因此Egevector 為 λ = 時 : () 式 利用基本列運算 可取 因此 Egevector 為 一般性質 :. 方形矩陣 的固有值即為特徵方程式 det( I) 之根 因此 矩陣至少會有一個固有值 最多則具有 個相異固有值. 若 為對應於 λ 之 矩陣的固有向量 則 k 亦為 之固有向量 其中 k. ) 固有值 λ 的階數 M λ 稱為 λ 的代數重根數 (lgebrc ultplcty) ) 對應於固有值 λ 之線性獨立固有向量的個數 λ 稱為 λ 的幾何重根數 (Geoetrc ultplcty) * λ 即為對應於此 λ 的 Egespce 的維度 * 一般而言 λ M λ 稱為 λ 的缺陷度 (deect) * M E. 試求矩陣 之固有值與固有向量 [9 年台大生機所 ] 解 ) 特徵方程式 : det( I) ) 固有值 : )( ) (
34 ) 固有向量 : 由 Vector Eq.: ) ( I 利用 Guss 消去法求算之 當 時 : 可取 即固有向量 為 當 時 特徵矩陣變成 列化簡 I I.e. 可取 k k 則 k k 故可取固有向量 及 分別為 ** 以本例固有值 而言 M λ = λ = 因此 E. 已知 試求固有值及固有向量 解 特徵方程 : ) det( I 時 : I k 固有向量 : k 僅有一個 Egevector * 本例中 M λ = λ = 因此 M
35 H.W. 試求 7 之固有值與固有向量 <s> 僅有單一的固有向量 H.W. 試求 之固有值與固有向量 <s> 8 時 ; 8 時. 令 為具有實數元素之方陣 若 為 之複數固有值 則其共軛複數 亦為 之固有值. 上三角矩 下三角矩陣 或者對角矩陣的固有值即為主對角線元素 E. 試求 之固有值與固有向量 解 特徵方程式 : 9 ) det( I 當 時 特徵矩陣變成 ) ( ) ( I.e. ) ( ) ( ) ( 可取 此時 固有向量為 時 對應之固有向量為 H.W. 試求 之固有值與固有向量 <s>
36 b * 矩陣 之固有值為 + b 與 b b H.W. 試求下列矩陣之固有值與固有向量 () [7 年台大土木所 ] () [7 年成大機械所 ] cos s () [8 年雲技電子所 ] s cos <s> () [ ] ; 時 [ ] () 時 [ ] ; 時 [ ] [ cos s [ ] () cos s [ ] H.W. 試求矩陣 之特徵值 已知 8 8 <s> ] H.W. 試求矩陣 之固有值與固有向量 已知 其中 <s> [ ] [ [ [ ] ] ] [ ] [8 年交大機械所 ] H.W. 7 已知 試求其固有值與固有向量 [87 年台大農工所 ]
37 <s> [ ] [ ] [ ] [ ] -8 矩陣的冪級數 的計算. 使用套裝軟體 缺點是便利性差. 重複乘法 : = = 缺點是繁雜 效率低. Cyley-Hlto heore: 任一 矩陣 均可滿足其自身的特徵方程式 若 的特徵方程式為 :( ) c c c 則 ) c c c I () ( E. 階矩陣 已知 其特徵方程式為 Egevlue: 由 Cyley-Hlto heore 可知 : I = = I + () (I ) I I I I () 例如 : I 就特徵方程式而言 亦有類似上述之結果 ; 即 8 8 () 7
38 綜合上述 可歸納出 : c I c () c c (b) 上列二式對相同常數對 c 與 c 必成立 c 及 c 之求取 : 將 Egevlue 及 代入 (b) 可知 ( ) = c + c ( ) () = c + c () 聯立解出 : c [ ( ) ] c [ ( ) ] 此組常數對 c 及 c 再代回 () 式 即可求出 : [ ( ) ] [ ( ) ] () [ ( ) ] [ ( ) ] * () 及 () 式對於 時均成立 階矩陣 c c c I (7) c c c c (8) c 將 之 Egevlue λ 代入 (8) 式 解出 c c c 再代回 (7) 式 即可求出 E. 已知 試求 =? 其中 為正整數 解 特徵方程式:det ( I ) = Egevlues: Cyley-Hlto heore: I c c c c c (9) c () 代入各 Egevlues: ( ) = c c + c = c + c + c () = c + c + c 8
39 9 聯立解出 : ] ) ( [ ] ) ( [ ] ) ( [ c c c 將 c c c 這些值代入 (9) 式 可得出 ] ) 7( [ ] ) ( [ ] ) ( [ ] ) 7( 9 [ ] ) ( [ ] ) ( [9 * 反矩陣的求算 : 上述方法亦可用求算反矩陣 E. 已知 滿足特徵方程式型式 : I = I I * Egevlue 發生重根時 (8) 式可對 微分處理之 E. 已知 試求 =? 解 特徵 Eq.: det ( I ) = 由 Cyley-Hlto heore: c c c () I c c c (B) 由 = 代入 () 式 : 9 ) ( c c c ()
40 因為 = = 重根 故 應代入 () 式之微分式.e. c c ( ) c c () = = 時 可知 c c c () 由 ()() 及 () 式聯立求解算出 : 因此 可知 c [7( ) ( ) 9 ( ) ] c [ ( ) 9 8( ) ] 9 c [ ( ) 8( ) ] c I c c [( ) ( ) [ ( ) ( ) [( ) ( ) ] ] ] [ ( ) ( ) [7( ) ( ) 8 [( ) ( ) ] ] ] [( ) ( ) [( ) ( ) [9( ) ( ) ] ] ] 所以 H.W. 矩陣 試求 ()Egevlue()Egevector() =? [7 年台大機械 所 ] <s> () = = () () = [ ] () = [ ] ( ) () H.W. 已知 求 =? [7 年台大機械所 ] <s> ( ) cos s H.W. 已知 求 =? [8 年清大動機所 ] s cos
41 <s> cos s s cos H.W. 已知 試應用 Cyley-Hlto heore 求算 =? <s> 7 (9I ) [8 年台大化工所 ] H.W. 已知 求 =? ( 為正整數 ) [78 年交大工工所 ] <s>.. H.W. 已知 P 試求 l P? [88 年北科大控制所甄試 ]..7 <s> 7 H.W. 7 令 求 =? [88 年台科大電子所 ] <s> ( ) ( ) 8 H.W. 8 令 試求 () 固有值 () 固有向量 () k =? [88 年北科大電機 能源所 ] <s> () = = () () = [ ] () = [ ] k k k k k ( ) () k k k k H.W. 9 已知 求 =? [87 年成大土木所 ]
42 <s> 9 9 正交矩陣 對稱矩陣 : 矩陣 若 = 時 則稱 為對稱矩陣 heore: 若 為對稱矩陣且具有實數元素 則 之固有值亦為實數 <p..> 令 為 之 Egevectorλ 為固有值 則 = λ 若取共軛複數 則得 () 又因 為 Rel tr 故知 所以() 式變成 再取 () 式之轉置 : () ( ) 再乘上 ( 右乘 ) () 若 = λ 左乘以 得 () () () 後 可得 ( ) () 又因 ( ) 故知 表示 λ 必為實數 Nor ( 範數 ) y. 一般觀念 : y X Y 則 X 與 Y 內積定義為 y X Y X Y ( y y y ) Y X (). 行向量 X 的 Nor 定義為
43 X X X X X (7) heore: 正交固有向量令 為 對稱矩陣 則對應於相異固有值之固有向量互為正交 [8 年中山海環所 ] <p..> 令 (8) 其中 (8) 式的上式取轉置再右乘 : (9) 其中 (8) 式的下式取轉置再左乘 : () (9) () 得 : ) ( 由於 故知 表示 與 互為 Orthogol E. 試驗証對稱矩陣 的 Egevectors 互為正交 解 Egevlue 為 = = = 對應的 Egevector 為 所以 [ ] [ ] [ ] 故知 及 為 Orthogol colu vectors
44 ** 觀念 : 一般 矩陣 有重根型之 Egevlue 時 其線性獨立之 Egevector 數小於. 對稱矩陣 之 Egevlue 即使有重根時 其線性獨立之 Egevector 個數仍為. Orthoorl Set: j or j j j j 正交矩陣 [Orthogol Mtr]. 定義 : 矩陣 若 = 時 稱之為正交矩陣 * 若 = I 為 Orthogol Mtr E. I I I I 為 Orthogol Mtr E. 已知 / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / I 為正交矩陣. heore: 正交矩陣的判定準則已知 為 矩陣 若且唯若 之行向量 形成一正範集合 (Orthoorl set) 則 為正交矩陣 <p..> 令 = [ ] 則 的列向量為 但因 為正交 即 = I 故知 由矩陣相等 各對應元素相等之性質可知 j j j
45 此即表示正交矩陣的行向量形成一組 個向量的正範集合 E. 前例 矩陣之 colu vector 可取為 / / = / = / / / 正交性的驗證.. / = / / = / / / / / = / = / / / / / = / = / / / 單位向量的驗證.. / = / = / = / / / / / = / = / / / / / = / = / / / / / = / 建構一正交矩陣. 已知 矩陣為 的對稱矩陣. 若 具有 個相異的固有值 則可找出相對應之固有向量. Norlzed.. u =. Orthogol Mtr.. u = u =
46 P = u u u... 正交矩陣 E. 已知 = 試由 建構一正交矩陣 P <Sol> ) Egevlue.. = = = ) Egevector.. = = = Nor.. = = ) Orthoorl set.. / u u u Orthogol set 為 P = * Check.. P P # 重要觀念... 對稱實數矩陣 必可求出 個線性獨立的 Egevectors. 這些 Egevectors 並非保證全部互成正交 ) 相異固有值所對應之固有向量才互成正交 ) 重根型固有值所對應之固有向量可能不成正交 E. 已知 = 其 Egevlues 為 = 9 = = 9 對應之 Egevector 為 = = =
47 與 成正交 但 = = 不成正交 * 儘管如此 我們仍可以建構出一組 個互成正交的 Egevectors H.W. 針對下列矩陣 若矩陣為正交矩陣 則 與 b =? () / / b (b) / b / <s> () = /b = /;(b) = / b = / H.W. 已知 = 試求 之 Egevector 並驗證其正交性 <s> Egevlue.. = Egevector.. X = X = X X X 與 X 成正交 H.W. 試求矩陣 之 Egevlues 及 Egevectors 並證明其 Egevectors 之正交性 其中 = <s> = = 9 = 8 X = X = X= 均互成正交 廣義固有向量 (Geerlzed Egevector) 若 為 矩陣 若 = = = 為 Egevlue 其中 為重根 且 ( I) X I) X ( ( I) X 則 X X..X 為對應於 之 Egevectors 7
48 當 X 對應於 = = = 之 Egevector 為唯一存在時 可依下法求出廣義特徵向量.. ( I) X X 解出 X 即為 Geerlzed Egevector E. 已知 = 試求 之固有值與固有向量 <sol> ) det ( I) = Egevlue.. = = = ) ( I) X = X = ( I) X = X =.. 只存在一個 ( I) X = X X = c + 可取 c = X = 廣義固有向量 - 對角化 矩陣乘法的另一種表示法 兩個 矩陣 B 其中 B = B 可表示成 B = X X... X X... X X ~ X 為 B 之行向量 則 X =X X X 可對角化之矩陣對一 矩陣 而言 若找出一個 非奇異矩陣 P 使得 P P = D 為一對角矩陣時 即稱 為可對角化 heore.. Sucet Codto or Dgolzblty ( 對角化的充分條件 ) 若 矩陣 具有 個線性獨立的固有向量 則 為可對角化 8
49 <p..> 以 為 矩陣來說明..令 及 為對應於 及 的三個線性獨立固有向量 故知 = = = 若以 為 Colu Vector 形成矩陣 即 且 P 為非奇異矩陣 則 P = = P = = = PD P P = P PD = D * 對稱矩陣知對角線元素即為 之 Egevlue heore..可對角化之準則 (Crtero or Dgolzblty) 若且唯若 具有 個線性獨立的固有向量 則 矩陣 為可對角化 heore..可對角化的充分條件若 矩陣 具有 個相異的固有值 則其為可對角化 9 E. 已知 = 則 可對角化 試將之對角化 <sol> ) Egevlue.. det ( I) = + = ( )( ) = ) Egevector.. ( I ) = = ( I ) = = = P = P P = ) P tr.. P = 9 = = D E. 已知 = 試求 之 EgevlueEgevector 並將 對角化 9
50 <sol> ) 固有值.. det ( I) = ) 固有向量.. = = = ) P 矩陣..由於具有相異固有值 故知 矩陣為可對角化 P 矩陣為 P = = ) 對角化.. / P = 9 / 8 8 / = P / 7 / 7 = D / / 8 / ** 重要觀念... 矩陣 具有 個相異固有值 則 可對角化. 只為 充分 條件. 具有 個相異 Egevlue 並不是 可對角化的 必要 條件.e. 即使 沒有 個相異 Egevlue 亦有可能可以 對角化 E. 已知 = 7 Egevlue.. = 僅有一固有向量 故知 不可對角化 E. = 試問 是否為可對角化? <sol> ) 固有值.. det ( λi) = ) 固有向量.. = I =
51 k = k 可取 k = k = k = 故知 若另取 k = k = k = 則得另一個固有向量.. 由於 為線性獨立 故知 P 矩陣為 P = 而且 P P = = D 表示 矩陣仍可對角化 heore..正交可對角化的判定準則 (Crtero or orthogol Dgolzblty) 若且唯若 為 對稱矩陣 則矩陣 為可正交對角化 (orthogol dgolzblty) <p..> 在此證明 必要 條件部分 假設 矩陣 為正交型可對角化 則存在正交矩陣 P 使得 P P = D = PDP 又因 P 為正交矩陣.e. P = P 故知上式變成 = PDP 又因 = (PDP ) = (P) D P = PDP = 因此 為對稱矩陣 9 E. 已知對稱矩陣 = 陣為何? 9 試求可將 對角化之正交矩陣 又 之對角化矩 9
52 <sol> ) 固有值.. det ( I) = 8 ) 固有向量.. = 此三個固有向量 及 為線性獨立 但並不互成正交 ( 如 及 ) 針對 8 可利用 Guss-Jord elto 來求取其 Egevector.. 8I = 此即表示 k + k + k = 其中 兩實數值可任選 首先 取 k = k = 得出 ; 其次 取 k = k = 來得出 如此取法便可得出上述之 Egevector 及 因為 = 故不成正交 相反的 若取 k = k = 以及取 k = k = 則分別得出 Egevector 如下.. 及 因此 可得一組互成正交的固有向量如下.. = = = 又 / / / / / / 故知 P 矩陣 ( 及正交矩陣 ) 為 / / 故 Orthoorl set 為 / P = / / / / / / / / P = / / / / / / /
53 P P = 8 8 = D 此即對角矩陣 * 線性獨立之 Egevector 亦可透過 Gr-Schdt Orthogolzto Process 來求出互成正交的 Egevector H.W. 已知 = 試求可使 對角化的正交矩陣 P [8 年交大電子所 ] < s > P = D = P P = 8 H.W. 矩陣 = 試求固有値及固有向量 其次 試求可使 對角化之正交矩陣 P =? [8 年交大環工所 ] <s> () () P = D = P P = H.W. 同上題 但 = [88 年台科大機械所 ] <s> P = H.W. 同上題 但 = [88 年雲科大機械所 ]
54 <s> P = H.W. 同上題 但 = [88 年台科大營建所 ] <s> P = H.W. 同上題 但 = [88 年清大材料所 ] <s> P = H.W.7 同上題 但 = [88 年成大水利所 ] <s> P = H.W.8 同上題 但 = 7 [88 年中央機械所 ]
55 <s> 9 8 P = H.W.9 同上題 但 = [88 年台大土木所 ] <s> P = * 方陣 =[ ] B [ b ] 若存在非奇異方陣 P 使得 P P = B 則稱 與 B j j 互為相似 而 至 B 的變換稱為相似變換 * 若矩陣 與對角矩陣 D 相似 則稱 為可對角化 - 二次型式 基本觀念有一代數表示式型式為 : + by + cy 即稱為二次型式 若令 X = [ y] 則上列二次型式便可寫成 X X = [ y ] b b c y () 其中 = b 定義 b 為對稱矩陣 c 以.. 表示的實數二次型式 (Rel qudrtc or) 為一多項式 : j j () j 其中 j 均為實數
56 一般而言 二次型式包含. 平方項 :... 混合積 : 如 ( j j ) j j 二次型式的矩陣表示法. 令 X = [... ]. 實數對稱矩陣 = [ j ] j... = j j 其中 etres 定義為 j... 且 j 則 () 式之二次型式便可用矩陣 X X 來表示 亦即 X X = j () j j E. 二次型式 : 8 + = = [ ] = X X E. 二次型式 : = = [ ] = X X. H.W. 若 Q 試求一對稱矩陣 使得 Q X X 其中 X 8 年台大機研所 <s> H.W. 若 Q 試求一對稱矩陣 使得 X X 77 年高考 <s> Q 其中 X
57 主軸定理 Prcpl s heore heore: 令 為一實數對稱矩陣 其固有值為 令 P 為可將 對角化之正交矩陣 則下列的座標變換 X PY 可將二次型式 j j j 轉換成 y p.. X X PY PY Y P PY Y P PY ** 二次型式 y Y Y = y y # y y y y y 稱為 j j 的標準型式 stdrd or j E. 圓錐曲線的辨別 圓錐曲線 y y 可表成 y X X y 其中 X y 矩陣 的固有值與相對應的固有向量 : 此處 故 與 互為 Orthogol 此外 所以 及 為 Orthogol Vector 矩陣 P 為正直矩陣 令變數變換 : X PX' 其中 X' X Y 則二次型式 y y X X X' P PX' X' P PX' X' DX' 7 可寫成
58 8 此處 P P D 為對角矩陣 其對角線元素即為 矩陣之固有值 因此 Y X Y X DX' X' X X Y X 此即雙曲線的標準式 Egevector 的座標 : y - ple 經由變換 X P X P X' 後 在 y - ple 上 此二 Egevector 之座標變成 * X 及 Y-s 即稱為圓錐之主軸 E. 試將二次型式 Q 化成標準型式 < sol > ) X X Q 其中 X ) 矩陣 的 Egevlues 及 Egevectors: ) 正交矩陣 : P ) 變數變換 : PY X 其中 y y Y DY Y PY P Y X X Q y y y y y * 變數變換 : PY X y y y y y y y Y X
59 * 對任何 則 Q 代表平面內圓錐 * 但 Q y y 則代表兩條直線 y y y / E. 試將圓錐 8 化成標準型式 < sol > ) 原式可表成二次型式 : X X 8 其中 X ) 的 Egevlue: y / ) 變數變換 : X PY P 為由 之 Egevectors 所構成之正交矩陣 X X 8 Y DY 8 y y 8 此即一橢圓 如下圖所示 8. y y E. 試將二次型式 Q 化成標準型式 9
60 < Sol > ) X X Q 其中 X ) 之固有值 : det I ) 變數變換 : X PY * 正交矩陣 : Q X X Y DY y y P y y y y y y y Q H.W. 試將二次式 : 轉換至其主軸上 78 年成大機械所 <s> Q y y y Egevlues: Egevectors: H.W. 試證 () e d 並求 () y y e ddy? 79 年清大核工所 8 年清大核工所 < s >() 略 () Ht 利用正交矩陣 做變數變換 H.W. 已知二次型式 Q 試問此種圓錐曲線的 ype 為何? 並將其轉換至主軸 88 年彰師大工教所 < s > y y 為橢圓 88 年中央大氣所 H.W. 已知二次函數 y y y 試求一轉換矩陣 P 使下列變換
61 Y X y P 可使 y 變成 by X Y X y 另外 試求 與 b 之值? 88 年中山機械所 < s > P b H.W. 橢圓面的二次型式 : 試求其主軸 87 年清大物理所 < s > y y y 正定 負定矩陣之判定. 正負定矩陣之判定. 若特徵值 全為正數 則矩陣 為正定矩陣. 若特徵值 均不為負數 且至少有一為 則矩陣 為半正定矩陣. 若特徵值 全為負數 則矩陣 為負定矩陣. 若特徵值 均不為正數 且至少有一為 則矩陣 為半負定矩陣. 若特徵值 至少有一為正數 且至少有一為負數 則矩陣 為不定矩陣. 二次式 X X 為正定之充要條件 為矩陣 之每一主子行列式值必為正 而主子行列式為 B. 函數之最大值與最小值之判斷函數 利用泰勒級數展開 則 = 高次項則 = 高次項
62 在 與 處 可能有極值存在 若忽略高次項 則在極值處 HX X 其中 H 稱為 Hess 矩陣. 若 H 即 H 為正定 則 點 為最小值之點 最小值為. 若 H 即 H 為負定 則 點 為最大值之點 最大值為. 若 H 為不定形 則點 為鞍點 (Sddle pot) E. 試判定下列二次式之正負定性 : () Q (b) Q (c) Q < Sol > () 二次式 Q 為正定 (b) Q
63 故 Q 為不定二次式 (c) 故知 Q 為不定函數 Check: 本例 Q 可表成 Q 當 時 Q 而當 時 Q 故知 Q 確實為不定 (Idete) * 但 () 例中 Q 只有在 時 Q 其餘 之任何值均可使 Q 故知 Q 為正定 H.W. 若 為正定矩陣 則? 8 年交大電子所 < s > H.W. 二次型式 Q ) 試將 Q 表成 X X 型式 ) 若 Q 欲為正定 則 值範圍為何? 8 年台科大高分子所 < s > ) )
64 H.W. 二次型式 X X 8 其中 X 試問此二次 型式的正定性為何? < s > 為不定型 88 年成大土木所 H.W. 已知函數 F F X X 8 試求 矩陣的固有值與固有向量 可表成 < s > Egevlue: 8 年大葉電機所 Egevector: E. 試考慮函數 F y z z cos y yy () 試求 F y z 在點 之 Hess () 試問 是否為 F y z 的鞍點 < Sol > ) H cos y y z y y zy z yz z ) H H H 9 H 為 Idete 故 為鞍點 處 8 年台大電機所 H.W. 就下列函數 試求其所有 Crtcl Pot? 又 這些點是否為局部極小 局部極大 水平曲折或鞍點? ) e ) l y 8 年台科大電子所 < s > )Crtcl Pot: 為 locl u 為 locl u ) y 為 y 為 Crtcl Pot 且因 Hess H 為正定 故知點 Locl u
65 y y y y y R 若 其中各偏導數值 y yy H.W. 已知 是在點 y 之計算值 令 矩陣之固有值為 試求 ()? () 試證在 及 y 有極小值 y 處 < s > () 799 () 為正定 故 在 y 處為極小 - 矩陣函數 Egevlue 與 Egevector 的基本觀念 固有值問題 : X X 為 方陣 參數 稱為固有值. 特徵方程式 : det I * 中括號內之多項式稱為 矩陣的特徵多項式 [Chrcterstc polyols]. 特徵根 ( 或稱固有值 ): 固有值與特徵多項式係數之關係 :. 基本性質 : ) 矩陣 為奇異 若且唯若 至少有一個固有值為零 說明 ) 若方陣 的特徵方程式 則係數 即 等於 矩陣所有階數為 之 Prcpl Mor 的和 特例 : cse: 的跡 (trce) ) 若 為方陣 則 與 具有相同的特徵值
66 ) 若 與 B 為相似矩陣 則 與 B 具有相同的特徵方程式 ) 任一方陣的特徵向量不可對應於兩個相異的特徵值 ) 若 為 個對應 方陣 之相異特徵值 的特徵向量 則 為線性獨立 p.. See Wyle dvced Egeerg Mthetcs th ed. pp. 9~9 * 推論 : 若 矩陣 具有 個相異特徵值 則 具有 個線性獨立的特徵向量 且任何具有 個分量的 Vector 均可用 的特徵向量之線性組合來表示 7) 若 為 矩陣 且 為重根數 r 之特徵根 則 rk( ) r I p.. See 同上 p.9 8) 赫密特矩陣的固有值均為實數 * 實數對稱矩陣的固有值均為實數 * 反赫密特矩陣的固有值均為純虛數 為赫密特矩陣 H 的特徵方 9) 若 程式 則若且唯若所有 均為正時 H 的所有特徵值亦均為正 為對稱矩陣 的特徵方 * 若 程式 則若且唯若所有 均為正時 的所有特徵值亦均為正 ) 若 與 為對應於赫密特矩陣 H 之特徵值 與 的特徵向量 則 j j * 若 與 j 為對應於赫密特矩陣 H 之特徵值 與 j 的特徵向量 則 H j * 若 與 為對應於對稱矩陣 之特徵值 與 的特徵向量 則 j j j j j
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第 7 章線性代數 : 矩陣, 向量, 行 列式, 線性方程組 7.1 矩陣, 向量 : 加法與純量乘積 7.2 矩陣乘法 7.3 線性方程組, 高斯消去法 7.4 線性獨立, 矩陣的秩, 向量空間 7.5 線性系統的解 : 存在性, 唯一性 7.6 參考用 : 二階與三階行列式 7.7 行列式, 柯拉瑪法則 7.8 反矩陣, 高斯 喬丹消去法 7.9 向量空間, 內積空間, 線性轉換 ( 選讀 )
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