diff --git a/linear-algebra/exercise/5-similar/similar.pdf b/linear-algebra/exercise/5-similar/similar.pdf new file mode 100644 index 0000000..2378f81 Binary files /dev/null and b/linear-algebra/exercise/5-similar/similar.pdf differ diff --git a/linear-algebra/exercise/5-similar/similar.tex b/linear-algebra/exercise/5-similar/similar.tex new file mode 100644 index 0000000..7a8f77b --- /dev/null +++ b/linear-algebra/exercise/5-similar/similar.tex @@ -0,0 +1,41 @@ +\documentclass[UTF8, 12pt]{ctexart} +% UTF8编码,ctexart现实中文 +\usepackage{color} +% 使用颜色 +\usepackage{geometry} +\setcounter{tocdepth}{4} +\setcounter{secnumdepth}{4} +% 设置四级目录与标题 +\geometry{papersize={21cm,29.7cm}} +% 默认大小为A4 +\geometry{left=3.18cm,right=3.18cm,top=2.54cm,bottom=2.54cm} +% 默认页边距为1英尺与1.25英尺 +\usepackage{indentfirst} +\setlength{\parindent}{2.45em} +% 首行缩进2个中文字符 +\usepackage{setspace} +\renewcommand{\baselinestretch}{1.5} +% 1.5倍行距 +\usepackage{amssymb} +% 因为所以 +\usepackage{amsmath} +% 数学公式 +\usepackage[colorlinks,linkcolor=black,urlcolor=blue]{hyperref} +% 超链接 +\author{Didnelpsun} +\title{相似} +\date{} +\begin{document} +\maketitle +\pagestyle{empty} +\thispagestyle{empty} +\tableofcontents +\thispagestyle{empty} +\newpage +\pagestyle{plain} +\setcounter{page}{1} + +特征值往往与前面的内容进行混合考察。 + +\section{特征值与迹} +\end{document} diff --git a/linear-algebra/knowledge/4-linear-equations-system/linear-equations-system.pdf b/linear-algebra/knowledge/4-linear-equations-system/linear-equations-system.pdf index c5854a4..2ca4e2f 100644 Binary files a/linear-algebra/knowledge/4-linear-equations-system/linear-equations-system.pdf and b/linear-algebra/knowledge/4-linear-equations-system/linear-equations-system.pdf differ diff --git a/linear-algebra/knowledge/4-linear-equations-system/linear-equations-system.tex b/linear-algebra/knowledge/4-linear-equations-system/linear-equations-system.tex index ef02964..1cb7b26 100644 --- a/linear-algebra/knowledge/4-linear-equations-system/linear-equations-system.tex +++ b/linear-algebra/knowledge/4-linear-equations-system/linear-equations-system.tex @@ -3,7 +3,8 @@ \usepackage{color} % 使用颜色 \definecolor{orange}{RGB}{255,127,0} -\definecolor{violet}{RGB}{192,0,255} +\definecolor{violet}{RGB}{192,0,255} +\definecolor{aqua}{RGB}{0,255,255} \usepackage{geometry} \setcounter{tocdepth}{4} \setcounter{secnumdepth}{4} @@ -502,6 +503,71 @@ $ABD$选项增广矩阵的秩都为3,所以不能表示,而只有$C$的为2 \item 给出$A_{m\times n}x=0$的通解与$B_{m\times n}x=0$的通解联立:$k_1\xi_1+k_2\xi_2+\cdots+k_s\xi_s=l_1\eta_1+l_2\eta_2+\cdots+l_s\eta_s=0$,能解出$k_i$和$l_i$。 \end{enumerate} -\section{通解方程组} +\textbf{例题:}已知线性方程组$A=\left\{\begin{array}{l} + x_1+x_2=0 \\ + x_2-x_4=0 +\end{array}\right.$,$B=\left\{\begin{array}{l} + x_1-x_2+x_3=0 \\ + x_2-x_3+x_4=0 +\end{array}\right.$,求方程组的公共解。 + +解:$A=\left(\begin{array}{cccc} + 1 & 1 & 0 & 0 \\ + 0 & 1 & 0 & -1 +\end{array}\right)$,$B=\left(\begin{array}{cccc} + 1 & -1 & 1 & 0 \\ + 0 & 1 & -1 & 1 +\end{array}\right)$。\medskip + +两个秩都为2,选择前两个分量为基子矩阵,后两个为通解分量。 + +$\xi_1=(0,0,1,0)^T$,$\xi_2=(-1,1,0,1)^T$,$\eta_1=(0,1,1,0)^T$,$\eta_2=(-1,-1,0,1)^T$。 + +$k_1\xi_1+k_2\xi_2=k_1(0,0,1,0)^T+k_2(-1,1,0,1)^T=(-k_2,k_2,k_1,k_2)^T$。 + +$l_1\eta_1+l_2\eta_2=l_1(0,1,1,0)^T+l_2(-1,-1,0,1)^T=(-l_2,l_1-l_2,l_1,l_2)^T$。 + +令$(-k_2,k_2,k_1,k_2)^T=(-l_2,l_1-l_2,l_1,l_2)^T$,所以解得$2k_2=k_1$。 + +公共解为$(-k_2,k_2,2k_2,k_2)^T=k_2(-1,1,2,1)^T$。 + +\section{同解方程组} + +若$A_{m\times n}x=0$和$B_{s\times n}x=0$有完全相同的解,就是同解方程组。 + +$\therefore r(A)=r(B)=r([A,B]^T)$。 + +\textbf{例题:}线性方程组$A=\left\{\begin{array}{l} + x_1+3x_3+5x_4=0 \\ + x_1-x_2-2x_3+2x_4=0 \\ + 2x_1-x_2+x_3+3x_4=0 +\end{array}\right.$,在其基础上加一个方程$B=\left\{\begin{array}{l} + x_1+3x_3+5x_4=0 \\ + x_1-x_2-2x_3+2x_4=0 \\ + 2x_1-x_2+x_3+3x_4=0 \\ + 4x_4+ax_2+bx_3+13x_4=0 +\end{array}\right.$,$ab$满足什么条件,$AB$是同解方程组。 + +解:$B$在$A$的基础上增加一个方程,即多增加了约束,从而$B$的解一定为$A$的解的子集。所以只要$A$的解也满足$B$的解就是同解方程组。 + +$A=\left(\begin{array}{cccc} + 1 & 0 & 3 & 5 \\ + 0 & -1 & -5 & -3 \\ + 0 & 0 & 0 & -4 +\end{array}\right)$,$s=n-r=4-3=1$,$\xi=(-3,-5,1,0)^T$,$k\xi=k(-3,-5,1,0)^T=(-3k,-5k,k,0)^T$。 + +所以这个对于$B$而言必然满足前三行,若要整体满足,就也要满足$B$的第四行,所以直接代入第四行:$4(-3k)+a(-5k)+bk+0=k(-12-5a+b)=0$。 + +又$k$为任意数,所以$-12-5a+b=0$,即$b=5a+12$。 + +\textbf{例题:}设$A$为$n$阶实矩阵,$A^T$是$A$的转置矩阵,证明方程组$\Lambda:Ax=0$和$\Upsilon:A^TAx=0$是同解方程组。 + +证明:若$\gamma$为$\Lambda$的唯一解,则$A\gamma=0$,则$A^TA\gamma=A^T0=0$,$\therefore\gamma$也为$\Upsilon$的解。 + +若$\eta$为$\Upsilon$的唯一解,则$A^TA\eta=0$,$\eta^TA^TA\eta=(A\eta)^TA\eta=\Vert A\eta\Vert^2=0$,所以$A\eta=0$,从而$\eta$也为$\Lambda$的解。 + +所以同解,所以其两个矩阵的基解等价。 + +\textcolor{aqua}{\textbf{定理:}}$r(A)=r(A^T)=r(A^TA)=r(AA^T)$。 \end{document} diff --git a/linear-algebra/knowledge/5-similar/similar.pdf b/linear-algebra/knowledge/5-similar/similar.pdf new file mode 100644 index 0000000..0a79b9c Binary files /dev/null and b/linear-algebra/knowledge/5-similar/similar.pdf differ diff --git a/linear-algebra/knowledge/5-similar/similar.tex b/linear-algebra/knowledge/5-similar/similar.tex new file mode 100644 index 0000000..4e31823 --- /dev/null +++ b/linear-algebra/knowledge/5-similar/similar.tex @@ -0,0 +1,174 @@ +\documentclass[UTF8, 12pt]{ctexart} +% UTF8编码,ctexart现实中文 +\usepackage{color} +% 使用颜色 +\definecolor{orange}{RGB}{255,127,0} +\usepackage{geometry} +\setcounter{tocdepth}{4} +\setcounter{secnumdepth}{4} +% 设置四级目录与标题 +\geometry{papersize={21cm,29.7cm}} +% 默认大小为A4 +\geometry{left=3.18cm,right=3.18cm,top=2.54cm,bottom=2.54cm} +% 默认页边距为1英尺与1.25英尺 +\usepackage{indentfirst} +\setlength{\parindent}{2.45em} +% 首行缩进2个中文字符 +\usepackage{setspace} +\renewcommand{\baselinestretch}{1.5} +% 1.5倍行距 +\usepackage{amssymb} +% 因为所以 +\usepackage{amsmath} +% 数学公式 +\usepackage[colorlinks,linkcolor=black,urlcolor=blue]{hyperref} +% 超链接 +\author{Didnelpsun} +\title{相似} +\date{} +\begin{document} +\maketitle +\pagestyle{empty} +\thispagestyle{empty} +\tableofcontents +\thispagestyle{empty} +\newpage +\pagestyle{plain} +\setcounter{page}{1} + +主要包括特征值与特征向量,相似矩阵,对角矩阵。 + +这里的矩阵都是指方阵。 + +\section{特征值与特征向量} + +\subsection{定义} + +设$A$是$n$阶矩阵,$\lambda$是一个数,若存在$n$维非零列向量$\xi\neq0$,使得$A\xi=\lambda\xi$,则$\lambda$是$A$的特征值,$\xi$是$A$的对应于特征值$\lambda$的特征向量。 + +\subsection{性质} + +\subsubsection{特征值性质} + +设$A=(a_{ij})_{n\times n}$,$\lambda_i$($i=1,2,\cdots,n$)是$A$的特征值,则: + +\begin{enumerate} + \item $\sum\limits_{i=1}^n\lambda_i=\sum\limits_{i=1}^n=tr(A)$。主对角线元素和即矩阵的迹。 + \item $\prod\limits_{i=1}^n\lambda_i=\vert A\vert$。 +\end{enumerate} + +\subsubsection{特征向量性质} + +\begin{enumerate} + \item $k$重特征值$\lambda$至多只有$k$个线性无关的特征向量。 + \item 若$\xi_1$和$\xi_2$是$A$的属于不同特征值$\lambda_1$和$\lambda_2$的特征向量,则$\xi_1$和$\xi_2$线性无关。 + \item 若$\xi_1$和$\xi_2$是$A$的属于同特征值$\lambda$的特征向量,则$k_1\xi_1+k_2\xi_2$($k_1k_2$不同时为0)仍是$A$的属于特征值$\lambda$的特征向量。 +\end{enumerate} + +证明性质二:利用定义法,首先$A\xi_1=\lambda_1\xi_1$,$A\xi_2=\lambda_2\xi_2$。 + +要证明两个特征向量线性无关,则证明$k_1\xi_1+k_2\xi_2=0$时$k_1=k_2=0$。 + +$Ak_1\xi_1+Ak_2\xi_2=k_1\lambda_1\xi_1+k_2\lambda_1\xi_2=0$。又$k_1\xi_1+k_2\xi_2=\lambda_1k_1\xi_1+\lambda_1k_2\xi_2=0$, + +两式相减:$k_2(\lambda_2-\lambda_1)\xi_2=0$,且$\lambda_1\neq\Lambda_2$,$\xi_2\neq0$,$\therefore k_2=0$。 + +代入$k_1\xi_1+k_2\xi_2=0$,即$k_1\xi_1=0$,又$\xi_1\neq0$,$\therefore k_1=0$。 + +\subsection{运算} + +$\because\lambda\xi-A\xi=0$,$\therefore(\lambda E-A)\xi=0$,又$\xi\neq0$,$\therefore(\lambda E-A)x=0$有非零解。 + +从而$\lambda E-A$所表示的方阵线性相关,为降秩,从而$\vert\lambda E-A\vert=0$。 + +$\vert\lambda E-A\vert=0$也称为特征方程或是特征多项式,解出的$\lambda_i$就是特征值。 + +将$\lambda_i$代回原方程,所有非零的解就是$\xi$。 + +\subsubsection{具体型} + +若矩阵$A$为对角线矩阵,则特征值为对角线上元素。 + +\textcolor{orange}{注意:}特征向量因为要求不为0,所以需要$k\neq0$。 + +\textcolor{orange}{注意:}得到多重特征值时要全部写出,$\lambda_1=\lambda_2=\cdots=\lambda_n=\lambda$。 + +\textbf{例题:}求$A=\left(\begin{array}{ccc} + 2 & -2 & 0 \\ + -2 & 1 & -2 \\ + 0 & -2 & 0 +\end{array}\right)$的特征值与特征向量。 + +$\vert\lambda E-A\vert=\left|\begin{array}{ccc} + \lambda_2 & 2 & 0 \\ + 2 & \lambda-1 & 2 \\ + 0 & 2 & \Lambda +\end{array}\right|=(\lambda-2)(\lambda-1)\lambda-4\lambda-4(\lambda-2)=\lambda^3-3\lambda^2-6\lambda+8=(\lambda+2)(\lambda-1)(\lambda-4)=0$。 + +$\therefore\lambda_1=-2$,$\lambda_2=1$,$\lambda=4$。 + +当计算$\vert\lambda E-A\vert$时往往难点就是从多项式中解出$\lambda$,对于$f(\lambda)=a_k\lambda^k+\cdots+a_1\lambda+a_0=0$,可以使用试根法: + +\begin{enumerate} + \item 若$a_0=0$,$\lambda=0$就是其根。 + \item 若$a_k+\cdots+a_1+a_0=0$,$\lambda=1$就是其根。 + \item 若$a_0+a_2+\cdots+a_{2k}=a_1+a_3\cdots+a_{2k-1}$,$\lambda=-1$就是其根。 + \item 若$a_k=1$,且系数都是整数,则有理根是整数,且均为$a_0$的因子。 +\end{enumerate} + +对于第四个,如$\lambda^3-4\lambda^2+3\lambda+2=0$,2的因子为$\pm1$和$\pm2$,分别代入得到一根为2。 + +\subsubsection{抽象型} + +\begin{enumerate} + \item 利用定义,寻找$A\xi=\lambda\xi$,$\xi\neq0$,$\lambda$是$A$的特征值,$\xi$是$A$属于$\lambda$的特征向量。 + \item 根据$\vert\lambda E-A\vert=0$计算出对应的$\lambda$值,再计算$\xi$的值。 +\end{enumerate} + +\begin{tabular}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} + \hline + 矩阵 & $A$ & $kA$ & $A^k$ & $f(A)$ & $A^{-1}$ & $A^*$ & $P^{-1}AP$ & $A^T$ \\ \hline + 特征值 & $\lambda$ & $k\lambda$ & $\lambda^k$ & $f(\lambda)$ & $\lambda^{-1}$ & $\vert A\vert/\lambda$ & $\lambda$ & $\lambda$ \\ \hline + 特征向量 & $\xi$ & $\xi$ & $\xi$ & $\xi$ & $\xi$ & $\xi$ & $P^{-1}\xi$ & 无关 \\ + \hline +\end{tabular} \medskip + +\textbf{例题:}设$A$为$n$阶矩阵,且$A^T=A$(此时$A$就是幂等矩阵)。 + +(1)求$A$的特征值可能的取值。 + +(2)证明$E+A$是可逆矩阵。 + +(1)解:$\because A^2=A$,$\therefore f(A)=A^2-A=0$,$f(\lambda)=\lambda^2-\lambda=0$,$\lambda_1=0$,$\lambda_2=1$。 + +值得注意的是这里求的$\lambda$是可能的取值,因为不同的矩阵特征值不同,只有通过$\vert\lambda E-A\vert=0$的值才是真实的特征值。 + +\section{相似} + +\subsection{矩阵相似} + +\subsubsection{定义} + +\subsubsection{性质} + +\subsection{相似对角化} + +\subsubsection{定义} + +\subsubsection{对角化条件} + +\subsubsection{步骤} + +\subsection{应用} + +\subsection{相似对角化} + +\subsection{反向问题} + +\subsubsection{参数} + +\subsubsection{矩阵} + +\subsection{幂与函数} + +\end{document}