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- 驹斐震 贺
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1 第六章线性空间与线性变换 一 内容提要 6. 线性空间与简单性质. 定义设 V 是一个非空集合,K 是一个数域在 V 上定义了一种加法运算 +, 即对 V 中任 意的两个元素 α 与 β, 总存在 V 中唯一的元素 γ 与之对应, 记为 γ = α + β ; 在数域 K 和 V 的元素之间定义了一种运算, 称为数乘, 即对 K 中的任意数 k 与 V 中任意一个元素 α, 在 V 中存在唯一的一个元素 δ 与它们对应, 记为 δ= kα 如果上述加法和数乘满足下列运算规则, 则称 V 是数域 K 上的一个线性空间 其中 ( 加法交换律 : α + β=β+α ; ( 加法结合律 : ( α β + γ= α + ( β+γ + ; ( 在 V 中存在一个元素, 对于 V 中的任一元素 α, 都有 α+ =α ; ( 对于 V 中的任一元素 α, 存在元素 β, 使 α +β= ; (5 α =α ; (6 k( α+ β =kα+kβ, k K ; (7 ( k + l α kα+lβ, k, l (8 k( lα = ( klα, = K ; α, γ 是 V 中的任意元素, k, l 是数域 K 中任意数 V 中适合 ( 的元素 称为零 元素 ; 适合 ( 的元素 β 称为 α 的负元素, 记为 α. 简单性质性质 零向量是唯一的性质 负向量是唯一的 性质 对 V 中任意向量 α β, γ,, 有 ( 加法消去律 : 从 α + β = α + γ 可推出 γ β = ; ( α =, 这里左边的 表示数零, 右边的 表示零向量 ; ( k = ; ( ( α = α ;
2 (5 如果 k α =, 则有 k = 或 α =. 定义 ( 基与维数 则称 6. 基与维数 设 V 是数域 K 上的一个线性空间, 如果 V 中的 个向量 ε, ε,, ε 满足 ( ε, ε,, ε 线性无关 ; (V 中的任意向量都可由 ε, ε,, ε ε, ε,, ε 线性表示, 为线性空间 V 的一组基, 称为 V 的维数, 记为 dm V = 域 K 上的 维线性空间 设 ( 坐标 ε, ε,, ε, 并称 V 为数 是 维线性空间 V 的一组基, 则对 V 中的任意向量 α, 存在唯一数组 x, x,, x, 使得 我们称 x, x,, x α = x + 为向量 α 在基 ( 同构 设 ε + xε + x ε, 下的坐标, 记作 ( x, x,, T ε, ε,, ε x V, U 都是数域 K 上的线性空间, 如果存在一个从 V 到 U 的一一对应 σ : V U, 使得对任意的向量 α V 以及数 k K 则称线性空间 V 与 U 同构, 记为 V U σ, 均有 ( α β = σ( α + σ( β σ( k α = kσ ( α +,,. 推论 ( 维线性空间中的任意 + 个向量必线性相关 ( 维线性空间 V 中的任意 个线性无关的向量组成 V 的一组基. 定理 ( 数域 K 上任一 维线性空间都与 K 同构 ( 数域 K 上两个有限维线性空间同构的充分必要条件是它们有相同的维数
3 6. 基变换和坐标变换. 过渡矩阵 设 ε, ε,, ε η, η,, η 是数域 K 上 维线性空间 V 的两组基, 它们之间的关系 和 为 η = ε + ε + + ε η = ε + ε + + ε η = η + ε + + ε, 我们称表示矩阵 A = M M O M 为由基 ε, ε,, ε η, η,, η 到基 的过渡矩阵. 坐标变换公式 设 α V 在基 ε, ε,, ε 和 η, η,, η 下的坐标分别为 ( x x x T,,, ( y, y,, y T, 则有 x x M x y y = P M y. 定义 ( 子空间 6. 线性子空间 设 V 是数域 K 上的线性空间,W 是 V 的一个非空子集如果对于 V 上的加法和数乘 运算,W 也构成数域 K 上的线性空间, 则称 W 为 V 的一个线性子空间 ( 简称子空间 ( 生成的子空间 设 S 是线性空间 V 的子集, 记 ( S 为这组向量所有可能的线性组合构成的子集, 不难 看出这个子集关于向量的加法和数乘运算封闭, 因此它是 V 的一个子空间, 称之为由 S 生
4 成的子空间. 子空间封闭性如果线性空间 V 的非空子集 W 关于 V 的两种运算封闭, 则 W 就成为 V 的一个子空间. 有关生成子空间的性质 性表示. ( 设 S 和 ( ( S = ( S 是线性空间 V 的两组向量组, 则 ( ( S 当且仅当向量组 S S 和 S 等价 ( 设 S 是线性空间 V 的子集, ( S 为由 S 生成的子空间, 则 ( S ( S W S 当且仅当 S 可由 S 线 是 V 中包含 S 的最小子空间, 即若 W 是包含子集 S 的子空间, 则 b S 的极大无关组是子空间 ( S 的一组基, ( S = r( S dm. 子空间的交与和 ( 个子空间的交 : 也是 V 的子空间 ( 个子空间的和 : V V I V = V V + V + + V = { α + α + + α α V, =,,, } 也是 V 的子空间 = 5. 直和的定义设 V, V,, V 是线性空间 V 的子空间, 如果和 V + V + + V 中的每个分解式 是唯一的, 这个和就称为直和, 记为 V α = α + α + + α, α ( =,,, V V V 6. 直和的判定定理设 V, V,, V 是线性空间 V 的子空间, 则下列命题等价 : ( V + V + + V 是直和 ;
5 ( 零向量的表示唯一 ; ( V ( V + + V + V + + V = { } + ; ( dm( V + V + + V = dmv + dmv + + dmv 7. 维数公式 V V + V =, 则 dmv dmv + dmv ( V V 设 = dm. 线性变换的定义 6.5 线性变换及其基本运算 ( 设 V, V ' 为数域 K 上的线性空间,ϕ 为 V 任意向量 α 和数域 K 中的任意数 k, 都有 ( ϕ ( α β = ϕ( α + ϕ( β + ; ( ϕ( k α = kϕ( α 则称 ϕ 是 V V ' 的一个映射如果对于 V 中的 V ' 的线性映射 V 到自身的线性映射称为 V 上的线性变换. 线性变换的简单性质性质 线性变换把零向量变成零向量性质 线性变换保持线性组合与线性关系式不变性质 线性变换把线性相关的向量组变成线性相关的向量组 必须指出, 性质 的逆命题不成立即由 ϕ ( α ϕ( α,, ϕ( α, α,, α 线性相关, 或者说 α, α,, α 也线性无关, α 线性相关推不出 线性无关不能导出 ϕ ( α, ϕ( α,, ϕ( α. 线性变换的运算 ( 和 : ( + ψ ( α = ϕ( α + ψ ( α α V ( 数乘 ϕ ϕ, ; k : ( k ( α = kϕ( α α V ϕ, ; ( 乘积 ϕ ψ : ( ( α = ϕ( ψ ( α α V ϕψ, ( 逆变换 : 空间 V 上的变换 ϕ 称为可逆的, 如果存在 V 上的变换 ψ, 使 ϕψ =ψϕ =, I V 5
6 其中变换 ψ 称为 ϕ 的逆变换, 记为 ϕ. 线性变换的运算关于线性映射的加法和数乘, ( V, V ' 是 K 上的线性空间. 线性变换的表示矩阵 6.6 线性变换的矩阵 设 ϕ 是 维线性空间 V 的一个线性变换, ε, ε,, ε 是 V 的一组基, 将 ( ε ϕ( ε, ( ϕ,, ϕ ε ε ε, ε 表示为,, 的线性组合, 设 用矩阵来表示就是 ( ( ϕ ε = ε + ε + ε ϕ ε = η + ε + ε ϕ ( ε = ε + ε + ε ( ε, ε, ε = ( ϕ ( ε, ϕ( ε,, ϕ( ε ϕ, ( ε, ε,, A =, ε, (* 其中 阶矩阵 A = M M O M 称为线性变换 ϕ 在基 ε, ε,, ε. 线性变换及其表示矩阵的关系 在取定一组基 下的矩阵 ε, ε,, ε 下, 每个线性变换 ϕ 按对应于一个 阶矩阵 A ; 反过来, 给定矩阵 A, 可以唯一确定一个线性变换 ϕ, 使 ϕ ( ε 适合 (* 式由此, 我们得到了 T V, T ( ϕ = A M 一个一一映射 : ( ( K 定理 T 是从线性空间 (V 到 M (K 定理设 ε, ε,, ε 的线性同构, 其中 A 由 (* 式确定 是数域 K 上 维线性空间 V 的一组基, 在这组基下, 每个线性 变换按 (* 式对应一个 阶矩阵 6
7 T ϕψ = ( ϕ ψ ; ( 线性变换的乘积对应于矩阵的乘积, 即 ( T T ( ( 可逆线性变换与可逆矩阵对应, 且逆变换对应于逆矩阵, 即 ( ϕ = T ( ϕ T. 表示矩阵的相似关系 设 ε, ε,, ε η, η,, η 是 维线性空间 V 的两组基,V 的线性变换 ϕ 在这两 和 组基下的矩阵分别为 A 和 B 如果从 ε, ε,, ε 到 η, η,, η 的过渡矩阵是 P, 则有 B = P AP, 即 ϕ 在不同基下对应的矩阵成相似关系反过来, 如果两个矩阵相似, 那么它们可以看成同一个线性变换在两组基下所对应的矩阵. 对角化理论 ( 线性变换的特征值与特征向量的概念 : 设 ϕ 是 维线性空间 V 上的线性变换, 如果存在非零向量 α V 及数 λ K, 使得 ϕ ( α = λα, 则称 λ 为 ϕ 的一个特征值,α 称为对应于 λ 的特征向量 ( 对角化的充分必要条件 : 设 ϕ 是 维线性空间 V 上的线性变换,ϕ 的矩阵在某 组基下为对角阵的充分必要条件是 ϕ 有 个线性无关的特征向量 ( 对角化的一个充分条件 : 如果在 维线性空间 V 中, 线性变换 ϕ 的特征多项式在 数域 K 上有 个不同的特征值, 那么 ϕ 在某组基下的矩阵是对角阵. ( 代数重数 几何重数 : 对于线性变换 ϕ 的一个特征值 λ, 称 dmv λ 为 λ 的度数 或几何重数, λ 作为 ϕ 的特征多项式根的重数称为 λ 的代数重数因此 λ 的几何重数小 于等于代数重数如果 ϕ 的任一特征值的代数重数等于几何重数, 则称 ϕ 有完全特征向量 系 (5 对角化充分必要条件的再描述 : 设 ϕ 是 维线性空间 V 上的线性变换,ϕ 的矩 阵在某组基下为对角阵的充分必要条件是 ϕ 的任一特征值的代数重数等于几何重数, 或 ϕ 有完全特征向量系 7
8 6.7 线性变换的值域与核. 定义 称值域. 定理 设 Im ϕ = { ϕ( α α V}, ker = { α ϕ( α = } ϕ Im ϕ 的维数为 ϕ 的秩, 记为 r ( ϕ, 核空间 ker ϕ ε, ε,, ε 的维数为 ϕ 的零度 为 V 的一组基, 线性变换 ϕ 在这组基下的矩阵为 A, 则 (ϕ 的值域 Im ϕ (ϕ 的秩等于 A 的秩. 维数公式 是由基像组生成的子空间, 即 ( Im ϕ ϕ ( ε, ϕ( ε,, ϕ( ε = dm Imϕ + dm kerϕ =. 推论 维线性空间 V 的线性变换 ϕ 可逆的充分必要条件为它是单射或满射. 定义 6.8 不变子空间 设 ϕ 是数域 K 上线性空间 V 的线性变换,U 是 V 的子空间, 如果 U 适合条件 即对任意向量. 定理 α, 有 ( α U U ϕ ( U U, ϕ, 则称 U 为 ϕ - 不变子空间 ( 或 ϕ - 子空间 设 ϕ 是 维线性空间 V 的线性变换,W 是 V 的 ϕ - 不变子空间. 取 W 的一组基 ε, ε,, ε r, 并将其扩展为 V 的一组基 e, e,, er, er+,, e, 那么 ϕ 在这组基下的矩 阵具有下列形状 :. 推论 A A. A 8
9 若 V 可分解为 ϕ - 不变子空间直和 V = V V V, 在每个子空间 V 中取基, e, e,,,, e, =, 并合并成为 V 的一组基 I. 那么在这组基下,ϕ 的矩阵为分块对角阵 :. 分解定理 A 设线性变换 ϕ 的特征多项式 f (λ A O 可以分解为 A. 则 V 可分解成不变子空间的直和 r r r ( λ = ( λ λ ( λ λ ( λ, f λ V = V V V, 其中 V = { ( ϕ λ ξ =, ξ V} V r ξ 二 训练题 一 选择题. 设 σ 为三维向量空间上的变换, 下列 σ 不是线性变换的是 ( ( σ (,, =( +, + 5, (b σ (,, = (,, (c σ (,, =(,, (d σ (,, = (,,. 设, ε, ε ε 是向量空间 V 的一组基, V 上的一线性变换 σ 在基 ε, ε, ε 下的矩阵是, 则 σ 在基 ε, ε, ε 下的表示矩阵为 ( ( ; (b 9
10 (c ; (d. 设 α, α, α 是向量空间 V 的一组基, 且 β = α + α = α + α = α + α, 则 (V (, β β ; (bv (, β β ; (cv=( β, β ; (dv=( β.. 设 ϕ 是 维线性空间 V 上的线性变换, 适合下列条件的 ϕ 不是同构的是 (ϕ 是单映射 ; (b dm Imϕ = ; (c ϕ 是一一映射 ; (d = ϕ. 5. 设 ϕ, ψ 是 维线性空间 V 上的线性变换, 这它们的像空间具有相同维数的充要条件是 ( ϕ, ψ 均可逆 ; (b ker ϕ = kerψ ; (c Im ϕ = Imψ ϕ ; (d r ϕ = r( ψ (. 6. 设 V 是 维线性空间, 则 ( V 的维数等于 ( + ( ; (b ; (c ϕ ; (d 无穷大 7. 设 ϕ, ψ 是 维线性空间 V 上的线性变换, 以下哪个条件可以推出 ϕ = ψ. ( ker ϕ = kerψ, Im ϕ = Imψ ϕ ; (b 存在一组基 (c ϕ, ψ 均可逆 ; (d r ϕ = r( ψ (., α, α, 使 ( α = ψ ( α, =,,, α, ϕ 8. 设 ϕ 是 维线性空间 V 上的非零线性变换, 已知 ϕ 不可逆下列哪个条件能保证 ϕ 的核 空间与像空间之交为零的是 : ( ϕ = ; (b ϕ = ϕ ; (c dm kerϕ = dmimϕ ; (d dm kerϕ + dmimϕ =.
11 二 填空题. 设 V 为一维向量空间, 则 V 上所有的线性变换为. 设 α, α, α, α 是向量空间 V 中的线性无关向量组, 且 β =α -α + α = α -α = α +α -α =α +α 则 ( β 的维数 =.. 设 ϕ 是 维线性空间 V 上的线性变换,ϕ 在某组基下的矩阵为 A, 已知 Ax = 的解 空间的维数为, 则 dm Imϕ =. 设 V 是由次数小于 的实系数多项式全体构成的向量空间,D 为上的求导变换, 则在 基, x, x 下线性变换 D 的表示矩阵为. 5. 是否存在 V 上的线性变换, 它将一组线性相关的向量变成一组线性无关的向量?. 三 计算 证明题. 设 W = { f ( x f ( x R[ x], f ( = } ( 证明 :W 是 R [x] 的子空间 ; ( 求 W 的维数与一组基. 在 R 中定义变换 ϕ :ϕ (x, x, x = (x + x, x -x, x ( 证明 :ϕ 是 R 上线性变换 ; ( 求 ϕ 在基 ε = (,,, ε = (,,, ε = (,, 下的矩阵. 设 V 是数域 K 上 维线性空间,ϕ 是 V 上可逆线性变换, W 是 ϕ 的不变子空间 证明 :W 也是 ϕ 的不变子空间. 设 V 是 维欧氏空间,ϕ 是 V 上变换若任意 α V, 有 ( ϕα, ϕβ ( α 证明 :ϕ 是 V 上线性变换, 从而是 V 上正交变换 =
12 5 5. 设 A =, W = { α α R[ x], Aα = } 证明: W 是 R 的一个子空间 b 求 W 的维数与一组基 6. 设 B =, C =, 在 6 = BXC ( 证明 :ϕ 是线性变换 ; ( 求 ϕ 在基 E, E, E, E 下的矩阵 R 中定义变换 ϕ : 任意 X R x, ϕ (X 7. 设 V 为数域 P 上线性空间,ϕ 是 V 上线性变换, 若 ( ϕ kerϕ V = Im ϕ + kerϕ. ker =, 证明 : 8. 设 V 为数域 P 上 维线性空间, V, V 为其子空间, 且 V = V V, 为 V 上 可逆的线性变换. 证明 : V = V + V ϕ = I 9. 设 V 为 维欧氏空间, 若 ϕ 既是 V 上对称变换且 V 证明 : 存在 V 的一组 标准正交基, 使得 ϕ 在该基下的矩阵为 E r E ε,. 设 ϕ 三维向量空间 V 上可逆线性变换,ϕ 在基 ε, ε 下的矩阵是 ( 证明 :ϕ 的逆变换 ϕ 也是 V 上线性变换 ( 求 ϕ 的在 ε, ε, ε 下的矩阵. 设 V 为数域 P 上 维线性空间,W 为其子空间,ϕ 为 V 上线性变换证明 :dm (AW +dm(a - ( W =dmw
13 . 设 A, B 是数域 P 上 维线性空间 V 的两线性变换, 若 AB = BA, 并且 A 有 个互异 的特征值, 证明 :A, B 有 个线性无关的公共的特征向量.. 设 V 是由零多项式和数域 上次数小于 的一元多项式的全体组成的线性空间 对于任意的 f (x V, 定义 (f (x = f'(x - f''(x 证明 ( 证明 : 是 V 的线性变换 ; ( 求 在基, x +, x - x 下的矩阵. 设, 是 上 维线性空间 V 的线性变换, W 既是 - 不变子空间, 也是 - 不 变子空间. 证明 : ( W 是 +, - 不变子空间 ; ( 若是可逆的, 则 W 是 σ - 不变子空间. 5. 设 A 是 维线性空间 V 的线性变换, 证明下述等价. ( A 可逆 ; ( kera = {}; ( A 将 V 的基变成基. 6. 设 V, V, V V 是有限维子空间, 证明 :dmv + dmv + dmv = dm(v + V + V + dm(v (V + V + dm(v + V 7. 设 K [ x] 是数域 K 上次数小于 的多项式全体构成的线性空间, ( =,, 是 数域 K 上 个互不相同的数, 记 f ( x = ( x ( x ( x, f x = f ( x /( x, 证明 : f ( x( =,,, 是 K [ x] 的一组基 ( 8. 线性空间 M 的两组基分别为 α =, α =, α =, α = ; β =, β =, β =, β = ; 求由基 α, α, α, α 到基 β, β, β 的过渡矩阵, 并求一个非零矩阵 A, 使 A 在这两组基下的坐标相同 9. 在次数小于 的多项式全体构成的线性空间 K [ x] 中, 求从基 α =, α = x,, α = x 到基 ( = = x, = x β 的过渡矩阵
14 . 设 α, α,, α 是 维实线性空间 V 的一组基, P 是 阶实矩阵, 向量 组 β, 由 ( β,, = ( α, α,, P β 所定义证明 : 子空间 ( β,, α β 的维数等于矩阵 P 的秩. 设 V, V,, Vm 是线性空间 V 的 m 个非平凡子空间, 证明 : 在 V 中必存在一个向 量不属于任何一个 V. 在全体 阶方阵组成的线性空间 (K T M 上, 考虑 V { A M ( K A } V T = { A M ( K A = }, 证明 : M (K = V V A =, = A. 设线性空间 V = V V, 如果 ϕ,ϕ 分别是 V,V 到 U 的线性映射, 则存在从 V 到 U 唯一的线性映射 ϕ, 使 ϕ ϕ, ϕ =. V = V ϕ. 设 V 上的线性变换 ϕ, ψ 适合 ϕ = ϕ, ψ = ψ 证明: ( 若 ( ϕ + ψ = ϕ + ψ ( 若 ψϕ, 则 = ϕψ ; ϕψ =, 则 ( ϕ + ψ ϕψ = ϕ + ψ ϕψ 5. 设 ϕ 是线性空间 V 的线性变换, 已知 ϕ k ( ξ =, 而 ϕ k ( ξ, 证明 : 向量组 ξ, ϕ k ( ξ,, ϕ ( ξ 线性无关. 6. 设 ϕ, ψ 是 V 上的线性变换, 且 ϕψ = ψϕ, 证明 : λ 是 ϕ 的一个特征值, 那么 ( 如果 V λ 是 ψ 的不变子空间 ; ( ϕ, ψ 至少有一个公共的特征向量
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