《线性代数入门》,梁鑫等编著,清华大学出版社,2022 年.
1 线性映射和矩阵
1.3 线性方程组
1.3.1
- ⎣⎡161127123813491451015⎦⎤倍加变换⎣⎡1002−5−103−10−204−15−305−20−40⎦⎤倍乘变换⎣⎡100211322433544⎦⎤倍加变换⎣⎡100010−120−230−340⎦⎤. 第一列是主列.
- ⎣⎡101127123813491451015⎦⎤倍加变换⎣⎡10027−1038−2049−30510−40⎦⎤倍乘变换⎣⎡1002713824935104⎦⎤对换变换⎣⎡1002173284395410⎦⎤倍加变换⎣⎡100010−126−2312−3418⎦⎤倍乘变换⎣⎡100010−121−232−343⎦⎤倍加变换⎣⎡1000100010−120−23⎦⎤. 第二列是主列.
- 行简化结果为 ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎡100010001−874389−472345⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎤. 第三列是主列.
- 行简化结果为 ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎡100010−120001−9732910⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎤. 第四列是主列.
- 行简化结果为 ⎣⎡100010−120−230001⎦⎤. 第五列是主列.
1.3.2
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [102131],解得 x=1,y=1.
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [10315200],解得 x=z,y=−2z.
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 ⎣⎡100010000⎦⎤,解得 x=0,y=0.
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 ⎣⎡100220131⎦⎤,注意到第三行出现方程 0=1,故此方程组无解.
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [10011100],解得 x=y=−z.
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 ⎣⎡100210000⎦⎤,解得 x=0,y=0.
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 ⎣⎡100210001⎦⎤,注意到第三行出现方程 0=1,故此方程组无解.
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡1000−211000−321000−4310004⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤,解得 x=1,y=2,z=3,t=4.
- 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡10002110003210004310004⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤,解得 x=−1,y=2,z=−3,t=4.
1.3.3
由 1.3.1.1 中的化简结果 ⎣⎡100010−120−230−340⎦⎤:
- 即解方程组 ⎣⎡16112712⎦⎤x=⎣⎡3813⎦⎤. 不难构造增广矩阵,由化简结果有 ⎣⎡100010−120⎦⎤,解得 x=[−12],即 ⎣⎡3813⎦⎤=−⎣⎡1611⎦⎤+2⎣⎡2712⎦⎤.
- 类似地构造增广矩阵,由化简结果有 ⎣⎡100010−230⎦⎤,解得 x=[−23],即 ⎣⎡4914⎦⎤=−2⎣⎡1611⎦⎤+3⎣⎡2712⎦⎤.
- 类似地构造增广矩阵,由化简结果有 ⎣⎡100010−340⎦⎤,解得 x=[−34],即 ⎣⎡51015⎦⎤=−3⎣⎡1611⎦⎤+4⎣⎡2712⎦⎤.
1.3.4
证明 先证充分性. 不妨构造一个增广矩阵 [a11a21a12a2200],[a11a21a12a2200]倍乘变换⎣⎡1a21a11a12a2200⎦⎤倍加变换⎣⎢⎢⎡10a11a12a22−a11a21a1200⎦⎥⎥⎤,据第一行可知如果存在非零解,那么 x1,x2=0,既然 x2=0,那么 a22−a11a21a12=0,即 a11a22−a12a21=0. 再证必要性. 可以解得 x1=−a11a12x2,而 x2 可以为任意值,其中必有非零解.
1.3.5
- 构造增广矩阵 [132b37],化成阶梯形有 [102b−63−2],显然只要令 b=6 则方程组无解.
- 构造增广矩阵 [362410c],化成阶梯形有 [302010c−20],显然只要使 c=20 则方程组无解.
- 构造增广矩阵 ⎣⎡2405b111−1023⎦⎤,化成阶梯形有 ⎣⎡20051b−111−1003−1⎦⎤,显然只要令 b=11 则方程组无解.
- 构造增广矩阵 [b33b6−6],化成阶梯形有 ⎣⎢⎡103b3−3b2−26−2b⎦⎥⎤,显然只要令 3−3b2=6−2b=0 则方程组有无穷多解,解方程可得 b=−3.
- 构造增广矩阵 [24b816c],化成阶梯形有 [20b8−2b16c−32],显然只要令 8−2b=c−32=0 则方程组有无穷多解,解方程可得 b=4,c=32.
- 构造增广矩阵 ⎣⎡110b−210−11000⎦⎤,化成阶梯形有 ⎣⎢⎢⎢⎢⎡100b100b+211−b+21000⎦⎥⎥⎥⎥⎤,要使这个方程组有非零解,只需使 z 有非零解,即 1−b+21=0,解得 b=−1.
- 构造增广矩阵 ⎣⎡bbb2bb34b000⎦⎤,化成阶梯形有 ⎣⎡b002b−2031b−4000⎦⎤,要使这个方程组有非零解,只需使 x,y,z 的其中一个有非零解,分别解方程 b=0,b−2=0,b−4=0,解得 b=0,2,4.
1.3.6
不妨构造增广矩阵 ⎣⎡2a−11001−13000⎦⎤,化成阶梯形有 ⎣⎢⎢⎡−100010373−a1000⎦⎥⎥⎤,要使这个方程组有非零解,只需令 3−a1=0,解得 a=31. 解原方程组可得 x1=3x3,x2=−7x3.
1.3.7
不妨构造增广矩阵 ⎣⎡p111p111p1pp2⎦⎤,化成阶梯形有 ⎣⎡10011−p0pp−1(p+2)(1−p)p2p(p−1)(p+1)2(1−p)⎦⎤. 若方程组无解,即 (p+2)(1−p)=0 且 (p+1)2(1−p)=0,解得 p=−2,而当 p=1 时,(p+2)(1−p)=(p+1)2(1−p)=0,此时方程有无穷多组解. 对于 p=−2,1,有通解 x1=p2−p−p+2(p+1)2−p+2p(p+1)2,x2=p+p+2(p+1)2,x3=p+2(p+1)2.
1.3.8
- 证明 构造增广矩阵 ⎣⎡1−1010−101−1b1b2b3⎦⎤,化成阶梯形有 ⎣⎡100110010b1b1+b2b1+b2+b3⎦⎤. 根据第三个方程,如果方程组有解,等价于 b1+b2+b3=0.
- 证明 利用第 1 小题结论,得到增广矩阵 ⎣⎡100110010000⎦⎤,解得 x=z,y=−z. 令 z=k,则解可以表示为 ⎣⎡k−kk⎦⎤,于是方程组的解集就是 {kx1∣x1=⎣⎡1−11⎦⎤,k∈R}.
- 证明 不难得 Ax=b 通解为 x=z−b2,y=−z−b3. 令 z=t,那么解可以表示为 ⎣⎡t−b2−t−b3t⎦⎤. 对于方程组的另一个解,不妨设 z=t′,那么解为 ⎣⎡t′−b2−t′−b3t′⎦⎤,考虑 Δ=t′−t,有 ⎣⎡t′−b2−t′−b3t′⎦⎤=⎣⎡t+Δ−b2−t−Δ−b3t+Δ⎦⎤=⎣⎡t−b2−t−b3t⎦⎤+Δ⎣⎡1−11⎦⎤,于是方程的解集就可以表示为 {x0+kx1∣x1=⎣⎡1−11⎦⎤,k∈R}.
1.3.9
令 c=0,d=0,有 Ax=A⎣⎡200⎦⎤=2⎣⎡a11a21a31⎦⎤=⎣⎡242⎦⎤,容易知道 ⎣⎡a11a21a31⎦⎤=⎣⎡121⎦⎤. 再令 c=−2,d=0,有 Ax=A⎣⎡0−20⎦⎤=−2⎣⎡a12a22a32⎦⎤=⎣⎡242⎦⎤,可得 ⎣⎡a12a22a32⎦⎤=⎣⎡−1−2−1⎦⎤. 再令 c=−1,d=1,有 Ax=A⎣⎡1−11⎦⎤=⎣⎡a11a21a31⎦⎤−⎣⎡a12a22a32⎦⎤+⎣⎡a13a23a33⎦⎤=⎣⎡121⎦⎤−⎣⎡−1−2−1⎦⎤+⎣⎡a13a23a33⎦⎤=⎣⎡242⎦⎤,得到 ⎣⎡a13a23a33⎦⎤=0. 综上,A=⎣⎡121−1−2−1000⎦⎤.
1.3.10
-
构造 ⎣⎡147281431221⎦⎤ 即可.
-
构造如下矩阵:对于 aij,如果 i>j,那么 aij=j;如果 i⩽j,那么 aij=i;最后一行是例外情况,所有元素都是 1.
Ax=0 的解集为 {⎣⎢⎢⎢⎡0⋮0k⎦⎥⎥⎥⎤∣k∈R}.
1.3.11
- 假如 A 的第 i 行叫做 ai,那么就有如下线性组合:k1a1+k2a2+⋯+k100a100,其中 k∈R.
- 假如 A 的第 j 列叫做 aj,那么就有如下线性组合:k1a1+k2a2+⋯+k100a100,其中 k∈R.
- 注意到增广矩阵是方程组的转写。对于任意非零行,总能将其主元对应的未知量表示为常数或者其他未知量的表达式,从而使得有且仅有一个变量成为约束变量. 因此,约束变量数等于非零行数. 注意到 A 是方阵,有总变量数等于总行数. 因此有总变量数减去约束变量数等于总行数减去非零行数,即零行个数等于自由变量个数.
1.3.12
- ⎣⎢⎢⎡1100121001210012⎦⎥⎥⎤倍加变换⎣⎢⎢⎡1000111001210012⎦⎥⎥⎤倍加变换⎣⎢⎢⎡1000110001110012⎦⎥⎥⎤倍加变换⎣⎢⎢⎡1000110001100011⎦⎥⎥⎤.
- 容易用类似方法化为 ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡1000211000321000431⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤.
- 容易用类似方法化为 ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡1000−211000−321000−431⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤.
这些三对角矩阵化为阶梯形后,其主元总是主对角线上的元素,且除主元及其右上方相邻元素外其余元素都是零.(说实话,我没看懂这题想让我分析出什么关于主元的规律)
1.3.13
构造增广矩阵 ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡110⋮001101⋱⋯⋯0⋱⋱⋯⋱1001110⋮010⋮0⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤. 化为阶梯形有 ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡10⋮001001⋱⋯⋯0⋱⋱⋯⋱00101−11⋮(−1)n−1(−1)n1−(−1)n0⋮0⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤. 分类讨论:如果 n≡0(mod2),那么 x1=x2=⋯=xn=0;如果 n≡0(mod2),那么 x1=x3=⋯=xn=2,x2=x4=⋯=xn−1=−2.
1.3.14
证明 可以这样构造:[aTbT]倍加变换[aTaT+bT]倍乘变换[2aTaT+bT]倍加变换[aT−bTaT+bT]倍加变换[aT−bT2aT]倍乘变换[aT−bTaT]倍加变换[−bTaT]倍乘变换[bTaT].
1.3.15
证明 对于一个阶梯形矩阵,通过倍乘行变换将主元化为 1,再通过倍加行变换使其上方元素全部化为 0,就将这个阶梯形矩阵化为了行简化阶梯阵. 据定理 1.3.7.1,可知任意矩阵都可以用初等行变换化为行简化阶梯阵.
1.3.16
不妨将每三行看作一组. 同一组内的对换行变换,或者两个组整体之间的对换行变换,变换后还是数独矩阵. 对于列也有类似的性质.
1.3.17
- [2514][xy]=[36]. 做了对换列变换.
- [2825][xy]=[36]. 做了倍乘列变换.
- [3925][xy]=[36]. 做了倍加列变换.
- [1425][xy]=[22]. 系数矩阵没有做任何变换.
1.3.18
- 证明 因为 ⎣⎡abc⎦⎤ 是平面法向量,显然有 [abc]p=ap1+bp2+cp3=⎣⎡abc⎦⎤⋅p=0. 同理,[abc]q=0,所以 [abc]p=[abc]q.
- 证明 不妨设 p=⎣⎡xyz⎦⎤,那么线性方程 [abc]⎣⎡xyz⎦⎤=d 的解集即所有的 p 构成的点空间,也就是这个平面. 这个线性方程等价于 ax+by+cz=d,故平面即该方程的解集.
- 证明 这两个平面的法向量分别为 ⎣⎡a1b1c1⎦⎤ 和 ⎣⎡a2b2c2⎦⎤. 既然两个解集平面平行,那么这两个法向量显然共线,即,这两个方程的系数之间可以互相进行线性表示.
- 证明 依原方程构造增广矩阵 [a1a2b1b2c1c2d1d2],\text{倍加变换}后则有 [a1a1+a2b1b1+b2c1c1+c2d1d1+d2]. 根据解线性方程的方法,这两个增广矩阵的行简化阶梯阵是相同的,所以解集相同,因此 a1x+b1y+c1z=d1,(a1+a2)x+(b1+b2)y+(c1+c2)z=d1+d2 的解集平面的交集还是直线 l.
1.3.19
- 列方程得 ⎣⎢⎡52−5253−53⎦⎥⎤[l1l2]=[3−3],解集为 {[15−3t2t]∣t∈[0,5]}.
- 设鸡和兔的数量分别为 x,y 只,有 ⎣⎡122140⎦⎤[xy]=⎣⎡4128⎦⎤. 这个方程组无解.
- 由题意列方程得 ⎣⎡110010101001⎦⎤⎣⎢⎢⎡abcd⎦⎥⎥⎤=⎣⎡248⎦⎤,解得 a=d−6,b=10−d,c=8−d,则 A=[d−68−d10−dd].
- 列方程得 [2−1−1−1][xy]=[35],交点坐标 (32,313).
- 列方程得 ⎣⎡1123255−32⎦⎤⎣⎡xyz⎦⎤=⎣⎡458⎦⎤,这个方程组无解.
- 列方程得 [101101]⎣⎡xyz⎦⎤=[00],方程解集为 {⎣⎡t0t⎦⎤∣t∈R}.
- 列方程得 ⎣⎡1−10011−10−1⎦⎤⎣⎡xyz⎦⎤=⎣⎡000⎦⎤,方程组解集为 {⎣⎡ttt⎦⎤∣t∈R}.
1.3.20
不成立.
证明 我们不妨设 b=0,A 是任意一个矩阵,而 C 是其行简化阶梯阵. 不难看到,若构造增广矩阵 [Ab],其行简化阶梯阵即 [Cb],根据线性方程组的求解方法知道这两者有着相同的解集,但显然 A=C.
1.3.21
都不可能.
证明 当 n>m 时,可以将 F 表示为一个 m×n 的矩阵. 考虑陪域中的某个元素,构造增广矩阵,化为阶梯形后不难发现阶梯数小于未知量数量,因此有无穷多组解,说明 F 不是单射. 而当 n<m 时,用类似的方法将 F 表示为一个 n×m 的矩阵,构造其增广矩阵而后化为阶梯形. 这个阶梯形矩阵的阶梯数要么和未知量个数相等,要么阶梯数比未知量数量多 1,而这意味着有无解的情况存在,即 F 没有映满 Rm,所以不是满射.