线性代数笔记

本文概述了线性代数基础,包括行列式的概念形成、性质与计算方法,以及利用行列式求解线性方程组的过程。通过实例演示了二阶和三阶行列式的应用,并介绍了如何通过行列式展开和性质来简化计算。同时,文章还涉及了逆矩阵的概念及其求解技巧,如伴随矩阵和逆矩阵的定义及其与行列式的联系。

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参考资料《空间解析几何与线性代数》 ISBN 7-11-14572-0/O*393,机械工业出版社。

过一遍线性代数的一些知识点,方便今后做空间几何的时候少点障碍。

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丛书清单:

高等工科数学系列课程教材
工科数学分析教程
空间解析几何与线性代数
概率论与数理统计
复变函数论与运算微积分
计算技术与程序设计
最优化方法
数学物理方程

线性方程组是线性代数的基础。

搞清楚三个概念

  1. 行列式概念的形成
  2. 行列式的基本性质及计算方法
  3. 利用行列式求解线性方程组

行列式

二阶、三阶行列式

先来解含两个未知量 x 1 , x 2 x_{1},x_{2} x1,x2的线性方程组

{ a 11 x 1 + a 12 x 2 = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 = b 2 (1.1.1) \begin{cases} a_{11}x_{1}+a_{12}x_{2}=b_{1}\\ a_{21}x_{1}+a_{22}x_{2}=b_{2} \end{cases} \tag{1.1.1} {a11x1+a12x2=b1a21x1+a22x2=b2(1.1.1)

如果想消元 x 1 x_{1} x1得到 x 2 x_{2} x2,就将第一行都乘以 a 21 a_{21} a21,第二行乘以 a 11 a_{11} a11

{ a 11 a 21 x 1 + a 12 a 21 x 2 = a 21 b 1 a 11 a 21 x 1 + a 11 a 22 x 2 = a 11 b 2 (1.1.2) \begin{cases} a_{11}a_{21}x_{1}+a_{12}a_{21}x_{2}=a_{21}b_{1}\\ a_{11}a_{21}x_{1}+a_{11}a_{22}x_{2}=a_{11}b_{2} \end{cases} \tag{1.1.2} {a11a21x1+a12a21x2=a21b1a11a21x1+a11a22x2=a11b2(1.1.2)

两个式子相减就能得出只有 x 2 x_{2} x2的一个式子

( a 12 a 21 − a 11 a 22 ) x 2 = a 21 b 1 − a 11 b 2 x 2 = a 21 b 1 − a 11 b 2 a 12 a 21 − a 11 a 22 (a_{12}a_{21}-a_{11}a_{22})x_{2} = a_{21}b_{1}-a_{11}b_{2}\\ x_{2} = \frac{a_{21}b_{1}-a_{11}b_{2}} {a_{12}a_{21}-a_{11}a_{22}} (a12a21a11a22)x2=a21b1a11b2x2=a12a21a11a22a21b1a11b2

x 1 x_{1} x1也一样

{ a 22 a 11 x 1 + a 22 a 12 x 2 = a 22 b 1 a 12 a 21 x 1 + a 22 a 12 x 2 = a 12 b 2 x 1 = a 22 b 1 − a 12 b 2 a 22 a 11 − a 12 a 21 (1.1.3) \begin{cases} a_{22}a_{11}x_{1}+a_{22}a_{12}x_{2}=a_{22}b_{1}\\ a_{12}a_{21}x_{1}+a_{22}a_{12}x_{2}=a_{12}b_{2} \end{cases} \\ x_{1}=\frac{a_{22}b_{1}-a_{12}b_{2}}{a_{22}a_{11}-a_{12}a_{21}} \tag{1.1.3} {a22a11x1+a22a12x2=a22b1a12a21x1+a22a12x2=a12b2x1=a22a11a12a21a22b1a12b2(1.1.3)

现在开始定义一个新的运算式子

x 1 = b 1 a 22 − a 12 b 2 a 11 a 22 − a 12 a 21 = ∣ a 11 b 1 a 21 b 2 ∣ ∣ a 11 a 12 a 21 a 22 ∣ x_{1}=\frac{b_{1}a_{22}-a_{12}b_{2}} {a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}}= \frac{ \left|\begin{matrix} a_{11}&b_{1}\\ a_{21}&b_{2} \end{matrix}\right| }{ \left|\begin{matrix} a_{11}&a_{12}\\ a_{21}&a_{22} \end{matrix}\right|} x1=a11a22a12a21b1a22a12b2=a11a21a12a22a11a21b1b2

x 2 = a 21 b 1 − a 11 b 2 a 12 a 21 − a 11 a 22 x_{2}=\frac{a_{21}b_{1}-a_{11}b_{2}}{a_{12}a_{21}-a_{11}a_{22}} x2=a12a21a11a22a21b1a11b2

定义运算,二阶行列式的定义

∣ a 11 a 12 a 21 a 22 ∣ = a 11 a 22 − a 21 a 12 \left|\begin{matrix} a_{11}&a_{12}\\ a_{21}&a_{22} \end{matrix}\right|=a_{11}a_{22} - a_{21}a_{12} a11a21a12a22=a11a22a21a12

主对角线\

次对角线/

三阶行列式展开。三个正向,三个负向,六个项目。

∣ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ∣ = 1 ∗ 5 ∗ 9 + 2 ∗ 6 ∗ 7 + 4 ∗ 8 ∗ 3 − 3 ∗ 5 ∗ 7 − 4 ∗ 2 ∗ 9 − 6 ∗ 8 ∗ 1 \left|\begin{matrix} 1&2&3\\ 4&5&6\\ 7&8&9 \end{matrix}\right|=1*5*9 + 2*6*7 + 4*8*3 - 3*5*7 - 4*2*9 - 6*8*1 147258369=159+267+483357429681

这个画出来就是个环绕的方式。

排列

由1,2,…,n组成的一个有序数组,叫做n级排列。

n级排列 = n(n-1) … 321 = n!

逆序:大数排在小数前面。符号计为N

逆序数:从第一个开始数逆序总数

N ( 4213 ) = 3 + 1 = 4 N(4213)=3+1=4 N(4213)=3+1=4

4后面有3个比它小的数,2后面只有1个比它小的数,1后面没有比它小的数,3后面也没有比它小的数。所以逆序数为4。

逆序数数字为奇数,就是奇排列,反之就是偶排列。

标准排列(自然排列)

N ( 123... N ) = 0 N(123...N)=0 N(123...N)=0

N ( n ( n − 1 ) . . . 321 ) = n − 1 + n − 2... + 2 + 1 = n ( n − 1 ) 2 N(n(n-1)...321)=n-1+n-2...+2+1=\frac{n(n-1)}{2} N(n(n1)...321)=n1+n2...+2+1=2n(n1)

差数求和公式。

对换

概念:交换两个数。

N(5 4 2 1 3)

将1,3对换,就变成了

N(5 4 2 1 3)

一个逆序数做一次对换,奇偶性质会变换一次。交换奇数次,奇偶性改变;交换偶数次奇偶性不变。

定理:n级排列中,奇排列、偶排列各占 n ! 2 \frac{n!}{2} 2n!

n阶行列式的定义

如果划线,4阶行列式=24根线。

先引入三阶行列式:

∣ a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 ∣ = a 11 a 22 a 33 + a 12 a 23 a 31 + a 13 a 21 + a 32 − a 13 a 22 a 31 − a 12 a 21 a 33 − a 11 a 23 a 32 \left|\begin{matrix} a_{11}&a_{12}&a_{13}\\ a_{21}&a_{22}&a_{23}\\ a_{31}&a_{32}&a_{33} \end{matrix}\right|= a_{11}a_{22}a_{33}+a_{12}a_{23}a_{31}+a_{13}a_{21}+a_{32} -a_{13}a_{22}a_{31}-a_{12}a_{21}a_{33}-a_{11}a_{23}a_{32} a11a21a31a12a22a32a13a23a33=a11a22a33+a12a23a31+a13a21+a32a13a22a31a12a21a33a11a23a32

行标=标准排列 1 2 3

列表=其实就是取了排列的所有可能。从不同行,不同列取出3个元素相乘。将排列的偶排列数-奇排列的数字。

123  0
231  2    偶排列+
312  2
--------
321  3
213  1    奇排列-
132  1

所以n阶行列式展开,就能通过按行展开定义。

∣ a 11 a 12 . . . a 1 n a 11 a 12 . . . a 1 n . . . . . . . . . a n 1 a n 2 . . . a n n ∣ = ∑ J I a 1 j 1 a 2 j 2 . . . a n j n J = j 1 , j 2 . . . j n I = N ( i 1 , i 2 . . . i n ) D = ∣ a i j ∣ \left|\begin{matrix} a_{11}&a{12}&...&a_{1n}\\ a_{11}&a{12}&...&a_{1n}\\ ...&...&...&\\ a_{n1}&a{n2}&...&a_{nn} \end{matrix}\right|=\sum_J^I a_{1j_{1}}a_{2j_{2}} ... a_{nj_{n}}\\ J=j_{1},j_{2}...j_{n}\\ I=N(i_{1},i_{2}...i_{n})\\ D=|a_{ij}| a11a11...an1a12a12...an2............a1na1nann=JIa1j1a2j2...anjnJ=j1,j2...jnI=N(i1,i2...in)D=aij

当行列式大量都是为0的情况下计算展开,能直接计算出来它的值。

其他23个行列式由于都会算到和0相乘,所以都会变成零,可以不去管它们。最终只有这个式子。只需要对2341做奇偶性排列的判断,之后就能确定最终数值。

∣ 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 4 1 0 0 0 ∣ = ( − 1 ) N ( 2341 ) 2 ∗ 3 ∗ 4 ∗ 1 = − 1 ∗ 24 \left|\begin{matrix} 0 &2&0&0\\ 0&0&3&0\\ 0&0&0&4\\ 1&0&0&0 \end{matrix}\right|= (-1)^{N(2341)}2*3*4*1=-1*24 0001200003000040=(1)N(2341)2341=124

下三角行列式 主对角线元素相乘。就是主对角线相乘

上三行列式 次对角线元素相乘。

行列式性质

行列式的转置就是行转成列,列传成行。转两次之后就等于自身。转置值不变。

D T = D D^T=D DT=D

性质1:行列式转置之后,对于行成立的性质,对转置之后的列也成立。

性质2:一个行列式的两个行做交换之后得到的行列式,符号相反。
推论:行列式如果有两行(列)完全相同,行列式是为0

证明:原理就是列不变,行标变了一次,和上一章节里面的逆数中的定理,排列里面数字交换一次,奇偶性取反。行列式展开的每一项都会是如此,所以符号会取反。

性质4:某行有公因子,可以提出去到行列式外面。
变成了标量乘法。

性质5:两列行列式对应程比例,D=0
基于4,先将倍率提取到外面,这样就有两行相同的。

性质6:是和的那一行分开,其他行保持不变,拆开之后相加。

这个很容易弄错。

性质7:行列式某行乘以一个数,加到另一行上去,行列式的值不变。
其实就是先使用性质6,分离出两个行列式;用提取倍率出去,而且里面两行相同行列式就为0了。

性质7非常非常重要,出错的人特别多。

例题推算

一般纯数字的行列式都是被转换成一个上三角行列式。

消除掉行列式的值,其实就是将行上的值乘上数字,加到对应行上去,这样消掉对应那个位置的数字。行列式性质53"59’

做题,先将有数字1的行要交换上去。先按照规范(用一列消第二列,然后用第二列消第三列,一次来类推,在处理第三行的时候,第二行不再参与运算—原因来自于这样解题会无法结束。其实这个解体类似于解开魔方)来解体,这样反而简单。

第七条定理用得非常频繁,也非常容易让人用的时候糊涂。最好看一下原视频的论述,非常精彩。

行列式按行展开

行列式按行展开
异乘变零定理
行列式相乘定理

余子式

找到行列式中的某个数字,将它所在的行、列都删除剩下的元素组成的行列式。余子式一般都使用 M 12 M_{12} M12 来表示。

代数余子式

在n阶行列式中,把元素aₒₑ所在的第o行和第e列划去后,留下来的n-1阶行列式叫做元素aₒₑi的余子式,记作Mₒₑ,将余子式Mₒₑ再乘以-1的o+e次幂记为Aₒₑ,Aₒₑ叫做元素aₒₑ的代数余子式。代数余子式的符号是 A 12 A_{12} A12

按行展开

行列式按(列)展开: 行列式的值=某个元素值乘以的自己的代数余子式。

好处可以降低阶数。

选择0比较多的行或列展开。

异乘变零:某行元素与另一行元素的代数余子式乘积之和=0

拉普拉斯定理

k阶子式。

举例子二阶子式

取两行,两列两行两列相交的数字取出来,就是二阶子式。

去掉所选取的行列的数字,组成的行列式就是二阶余子式。

代数余子式,就是余子式前面加上一个符号,符号决定于,所取行列来决定余子式。

取定k行,由k行元素组成的所有k阶子式与余子式乘积之和=D。

当有成片的0出现的时候,使用这个展开式,将会很快能计算出结果。

∣ 1 2 0 0 0 3 4 0 0 0 1 2 3 4 5 1 1 1 1 1 8 8 8 3 1 ∣ = ∣ 1 2 3 4 ∣ ( − 1 ) 1 + 2 + 1 + 2 ∣ 3 4 5 1 1 1 8 3 1 ∣ \left| \begin{matrix} 1&2&0&0&0\\ 3&4&0&0&0\\ 1&2&3&4&5\\ 1&1&1&1&1\\ 8&8&8&3&1 \end{matrix} \right|= \left| \begin{matrix} 1&2\\ 3&4 \end{matrix} \right| (-1)^{1+2+1+2} \left| \begin{matrix} 3&4&5\\ 1&1&1\\ 8&3&1 \end{matrix} \right| 1311824218003180041300511=1324(1)1+2+1+2318413511

行列式相乘

只有同阶行列式才能相乘,如果非同阶的行列式,可以将他们的值算出来,直接相乘。如果是为了计算行列式的最终值,其实用的不算太多。
∣ 1 1 1 2 0 0 0 0 3 ∣ × ∣ 1 2 3 1 3 2 3 2 1 ∣ = ∣ 5 7 6 2 4 6 9 6 3 ∣ \left| \begin{matrix} 1&1&1\\ 2&0&0\\ 0&0&3 \end{matrix} \right| \times \left| \begin{matrix} 1&2&3\\ 1&3&2\\ 3&2&1 \end{matrix} \right|= \left| \begin{matrix} 5&7&6\\ 2&4&6\\ 9&6&3 \end{matrix} \right| 120100103×113232321=529746663

前面式子的行 × \times ×后面式子的列相乘累加。

行列式的计算(一)

考试的时候,基本上都是在考计算行列式的结果,需要利用之前学习的行列式性质,定理来展开。

  1. 如果是纯数字的行列式,先老老实实的化成上三角行列式。

∣ 2 1 7 − 1 − 1 2 4 3 2 1 0 − 1 3 2 2 1 ∣ = ∣ 2 1 7 − 1 0 2 4 3 0 0 . . . . . . 0 0 0 . . . ∣ \left|\begin{matrix} 2&1&7&-1\\ -1&2&4&3\\ 2&1&0&-1\\ 3&2&2&1 \end{matrix} \right|=\left|\begin{matrix} 2&1&7&-1\\ 0&2&4&3\\ 0&0&...&...\\ 0&0&0&... \end{matrix} \right| 2123121274021311=2000120074...013......

消元套路是使用 行列式性质里面第7号特性。先将 a 21 a_{21} a21位置消元。如同瀑布一样,使用第二行开始将第三行的第二个元素消元。

如果 a 11 a_{11} a11就是0,就是将某一行加上第一行,放入第一行。

要想办法将第一行的消元的数字变小,避免分数来当作消元元素来计算,造成自己出现很多失误。

  1. 对行列式,求某一行的余子式的相加

余子式累加实例24"51’讲解

这个解题一共3步骤推导:

1.余子式变成代数余子式,如果需要保持值不变,需要给式子配上符号;
2.将代数余子式提取出来,余子式和代数余子式符号不相同但是值相同;
3.将其他行都拿过来,将刚刚推出来的余子式的符号写入新的行列式;(还需要再看一次)
4.计算行列式的时候,选择行列式中0多的,然后计算。

思路是构造成新的一个行列式,然后算出最终值。原因是直接计算余子式,展开的项目太多了。

  1. 未知数提取
    ∣ x a . . . a ∣ \left| \begin{matrix} x&a&...&a\\ \end{matrix} \right| xa...a

行列式的计算(二)

之前的解题思路总结:

  1. 将行列式转换成上三角;
  2. 将某行或列尽可能化成0,然后按行展开;

例6:

∣ 1 + a 1 1 1 . . . 1 1 1 + a 2 1 . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 . . . 1 + a n ∣ \left| \begin{matrix} 1+a_{1}&1&1&...&1\\ 1&1+a_{2}&1&...&1\\ ...&...&...&...&...\\ 1&1&1&...&1+a_{n} \end{matrix} \right| 1+a11...111+a2...111...1............11...1+an

步骤:

1.加行加列

又叫做加边法

准则:加边之后不能改变原行列式的值。

增加一行全部都写1,最前面增加一列,全部都写0。

实际做题很少使用的。

三叉戟行列式都是对角线上的数字,将首列的数字消元。

有字母,放到分母,一定要注意字母需要对非零的约束。

书签1(15’22")

∣ 1 1 1 1 . . . 1 0 1 + a 1 1 1 . . . 1 0 1 1 + a 2 1 . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 1 1 1 . . . 1 + a n ∣ \left| \begin{matrix} 1&1&1&1&...&1\\ 0&1+a_{1}&1&1&...&1\\ 0&1&1+a_{2}&1&...&1\\ ...&...&...&...&...&...\\ 0&1&1&1&...&1+a_{n} \end{matrix} \right| 100...011+a11...1111+a2...1111...1...............111...1+an

这里不变值原因来自于余子式相等。

2.将第一行 × \times ×-1加到剩余行

消元之后获得一个三叉戟行列式

∣ 1 1 1 1 . . . 1 − 1 a 1 − 1 1 + a 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . − 1 . . . a n ∣ \left| \begin{matrix} 1&1&1&1&...&1\\ -1&a_{1}&&&&\\ -1&&1+a_{2}&&&\\ ...&...&...&...&...&...\\ -1&&&&...&a_{n} \end{matrix} \right| 111...11a1...11+a2...1............1...an

范德蒙德行列式

例7:

∣ 1 1 1 1 . . . 1 x 1 x 2 1 x 3 x 4 . . . x n . . . . . . . . . . . . . . . . . . x 1 n − 2 x 2 n − 2 x 3 n − 2 x 4 n − 2 . . . x n n − 2 x 1 n − 1 x 2 n − 1 x 3 n − 1 x 4 n − 1 . . . x n n − 1 ∣ = ∏ 1 ≤ j < i ≤ n ( x i − x j ) \left| \begin{matrix} 1&1&1&1&...&1\\ x_1&x_2&1x_3&x_4&...&x_n\\ ...&...&...&...&...&...\\ x_1^{n-2}&x_2^{n-2}&x_3^{n-2}&x_4^{n-2}& ...&x_n^{n-2}\\ x_1^{n-1}&x_2^{n-1}&x_3^{n-1}&x_4^{n-1}& ...&x_n^{n-1} \end{matrix} \right| = \prod_{ 1 \leq j < i \leq n }(x_i-x_j) 1x1...x1n2x1n11x2...x2n2x2n111x3...x3n2x3n11x4...x4n2x4n1...............1xn...xnn2xnn1=1j<in(xixj)

其实第一行是0次幂运算。

∏ \prod 符号其实是连乘符号,和 ∑ \sum 连加符号类似的模式,只是符号不相同。

公式里面两处很容易错:

j < i,其他的值域限定都是 ≤ \leq 其实也好理解 i = j的时候,会直接造成相减为0,这样行列式的值就直接=0

相减的时候是 x i − x j x_i-x_j xixj ,这一点宋老师在课堂里面都写错过一次。

如果n=5的情况,写出结果来。

固定 j = 1

( x 2 − x 1 ) ∗ ( x 3 − x 1 ) ∗ ( x 4 − x 1 ) ∗ ( x 5 − x 1 ) (x_2-x1)*(x_3-x_1)*(x_4-x_1)*(x_5-x_1) (x2x1)(x3x1)(x4x1)(x5x1)

固定 j = 2

( x 3 − x 2 ) ∗ ( x 4 − x 2 ) ∗ ( x 5 − x 2 ) (x_3-x_2)*(x_4-x_2)*(x_5-x_2) (x3x2)(x4x2)(x5x2)

书签2(25’27")

证明过程需要使用到的技巧:

  1. 某一行乘上一个数,加到某一行去;定理7,这种是经常使用的;
  2. 数学归纳法—先证明2阶的,然后推算n阶和n-1阶,就能全部证明;
  3. 当某一列都乘以了某个数字,就可以将数字提取到行列式外;
  4. 使用减边法将行列式维度降低;

在出题的时候,不会直白的给你说是范德蒙德行列式,通过两步隐藏起来。

  1. 将指数运算藏起来;
  2. 将行列式转置;

例8: 反对称行列式、对称行列式

定义:

反对称行列式:

奇数阶的行列式的值是为0的。

∣ 0 1 2 3 − 1 0 − 5 6 − 2 5 0 − 8 − 3 − 6 8 0 ∣ \left| \begin{matrix} 0&1&2&3\\ -1&0&-5&6\\ -2&5&0&-8\\ -3&-6&8&0 \end{matrix} \right| 0123105625083680

  1. 主对角线全为零;
  2. 对称位置符号相反; a i j = − a j i a_{ij}=-a_{ji} aij=aji

奇数阶的行列式的值是为0的。

证明过程:

  1. 先使用3阶的行列式;
  2. 将全部行列都提取一个-1;
  3. 将会发现行列式变成了转置行列式;
  4. 而且转置行列式的值和原始值保持不变 D t = D D^t=D Dt=D,所以能推算出0;

对称行列式:

∣ 1 1 − 1 1 2 0 − 1 0 3 ∣ \left| \begin{matrix} 1&1&-1\\ 1&2&0\\ -1&0&3 \end{matrix} \right| 111120103

  1. 主对角线任意数值;
  2. 对称位置完全相同; a i j = a j i a_{ij}=a_{ji} aij=aji

书签3(44’19")

后续的对称矩阵、反对称矩阵和行列式的定义是一样的。

克莱姆法则 Cramer 法则

用来解方程组的。

{ x 1 + x 2 + x 3 = 1 x 1 − x 2 + 5 x 3 = 6 − x 1 + x 2 + 6 x 3 = 9 \begin{cases} x_1+x_2+x_3=1\\ x_1-x_2+5x_3=6\\ -x_1+x_2+6x_3=9 \end{cases} x1+x2+x3=1x1x2+5x3=6x1+x2+6x3=9

3个方程,3个未知数。

应用条件:

  1. n方程式个数和n未知数相同。

  2. 系数行列式,其实就是提取了系数形成的行列式;行列式的值不能为0。 D ≠ 0 D\neq0 D=0。看到后面才会知道,D将会作为除数,一旦=0,就完蛋了。

定义4个行列式的值:

D为原始的, D 1 D_{1} D1是将第一列全部数字都替换成方程组的值这一列,以此类推。

D = ∣ 1 1 1 1 − 1 5 − 1 1 6 ∣ D 1 = ∣ ( 1 ) 1 1 ( 6 ) − 1 5 ( 9 ) 1 6 ∣ D 2 = ∣ 1 ( 1 ) 1 1 ( 6 ) 5 − 1 ( 9 ) 6 ∣ D 3 = ∣ 1 1 ( 1 ) 1 − 1 ( 6 ) − 1 1 ( 9 ) ∣ D=\left| \begin{matrix} 1&1&1\\ 1&-1&5\\ -1&1&6 \end{matrix}\right| D_{1}=\left| \begin{matrix} (1)&1&1\\ (6)&-1&5\\ (9)&1&6 \end{matrix}\right| D_{2}=\left| \begin{matrix} 1&(1)&1\\ 1&(6)&5\\ -1&(9)&6 \end{matrix}\right| D_{3}=\left| \begin{matrix} 1&1&(1)\\ 1&-1&(6)\\ -1&1&(9) \end{matrix}\right| D=111111156D1=(1)(6)(9)111156D2=111(1)(6)(9)156D3=111111(1)(6)(9)

最终公式为:

x 1 = D 1 D , x 2 = D 2 D , x 3 = D 3 D x_{1}=\frac{D_1}{D},x_{2}=\frac{D_2}{D},x_{3}=\frac{D_3}{D} x1=DD1,x2=DD2,x3=DD3

克莱姆法则其实不适合人类计算,但是非常适合计算机来运算解题。

注: 齐次方程组:当方程组的常数项都为0的情况,就是齐次方程组。(课堂里第一次提到这个概念)

定理:

齐次方程组:

有非零解的充要条件 D = 0 D=0 D=0

D ≠ 0 D\neq0 D=0,只有零解

2. 矩阵 Matrix

矩阵概念

有了行列式,为什么要出一个矩阵的概念。

行 × 列 行 \times 列 × 矩阵,是数表。

A 2 × 3 A_{2 \times 3} A2×3

矩阵和行列式的区别:

行列式矩阵
本质一个数字数表
符号|((注{大括号在行列式里面不会使用。)
形状行数=列数行数可以不等于列数
提公因子一行提一次全部的元素的公因子提一次

矩阵里面有实数矩阵、复数矩阵。

零矩阵

元素都为0的矩阵。

负矩阵

A -A

矩阵行列相等就是方阵

A n × n = A n A_{n \times n} = A_{n} An×n=An

单位矩阵

符号用E,I,一定是方阵。

E , I = ( 1 1 1 1 ) E,I=\left( \begin{matrix} 1&&&\\ &1&&\\ &&1&\\ &&&1 \end{matrix} \right) E,I=1111

除了主对角线都为1,其他都为0。

矩阵相等前提是同形矩阵。

零矩阵可能不相等,因为可能不同形状。

方阵才有主对角线,此对角线。

矩阵运算(一)

线性代数有176个知识点。老师打印了一张A4纸,两面写满。

加法

同形矩阵才能加,对应元素能加减。

减法

同形矩阵才能减,对应元素能加减。

运算交换律,结合律都满足。

数乘

其实就是将一个标量与矩阵相乘。

提公因子

矩阵的所有元素均有公因子,才能对外提一次公因子。

行列式提公因子是一行提一次。

乘法的结合律和交换律是合适用的。

矩阵的乘法(非常重要)

看起来很容易,其实做题很多坑。

书签4-14’19"

矩阵乘法速记

( 2 1 0 1 0 1 ) ( 1 0 1 0 1 1 0 1 1 ) = ( 2 1 3 1 1 2 ) \left( \begin{matrix} 2&1&0\\ 1&0&1 \end{matrix} \right)\left( \begin{matrix} 1&0&1\\ 0&1&1\\ 0&1&1 \end{matrix} \right)=\left( \begin{matrix} 2&1&3\\ 1&1&2 \end{matrix} \right) (211001)100011111=(211132)

A 2 × 3 × B 2 A_{2\times 3} \times B_{2} A2×3×B2

矩阵相乘前提条件:

第一个矩阵的列数=第二个矩阵的行数。

相乘结果:

行数第一个矩阵相等。

列数和第二个矩阵相等。

宋老师七字口诀:

A 3 × 4 B 4 × 5 A_{3 \times 4} B_{4 \times 5} A3×4B4×5

中间相等,取两头。

其实就是罗列矩阵的下标数字:

3,4,4,5

中间数字: 4,4相等,就能乘;

取两头: 3,5 这就是结果的矩阵的形状。

( − 1 1 5 4 3 − 2 ) ( 1 − 1 0 2 − 3 6 ) = ? \left( \begin{matrix} -1&1&5\\ 4&3&-2 \end{matrix} \right) \left( \begin{matrix} 1&-1\\ 0&2\\ -3&6 \end{matrix} \right)=? (141352)103126=?

得出公式:

A 2 × 3 B 3 × 2 = C 2 × 2 A_{2 \times 3} B_{3 \times 2} = C_{2 \times 2} A2×3B3×2=C2×2

乘法不满足的三规律
  1. 乘法是不满足交换律

A B ≠ B A AB \neq BA AB=BA

AB能相乘的情况下,BA都可能不能乘。

但是也有可能存在AB可交换。

AB读的时候:

A左乘B

B右乘A

  1. 由AB=0,无法推理出A=0或者B=0。

  2. 推理相等

A B = A C , A ≠ 0 AB=AC, A \neq 0 AB=AC,A=0无法推理出 B = C B=C B=C

与零矩阵相乘

都是相乘之后就等0。

与E(单位矩阵)相乘

AE=A EB=B

结合律分配律

在结合分配率使用的时候,位置一定不变。

结合律:(AB)C=A(BC)
分配律:(A+B)C=AC+BC,C(A+B)=CA+CB
数乘:k(AB)=(kA)B=A(kB)

例6:可交换
  1. 其实按矩阵乘法展开;
  2. 列出方程式;
  3. 最后获得答案;

其实有规律,两个矩阵是同阶的方阵,才能做这个计算。

例7:

从方程组转换成为矩阵。

使用矩阵相乘获取最终的答案。

{ x 1 = y 1 − y 2 x 2 = y 1 + y 2 { y 1 = z 1 + z 2 + z 3 y 2 = z 1 + 2 z 2 + z 3 { z 1 = u 1 + u 2 z 2 = u 1 + 0 u 2 z 2 = − u 1 + u 2 \begin{cases} x_1=y_1-y_2\\ x_2=y_1+y2 \end{cases} \begin{cases} y_1=z_1+z_2+z_3\\ y2=z_1+2z_2+z3 \end{cases} \begin{cases} z_1=u_1+u_2\\ z_2=u_1+0u_2\\ z_2=-u_1+u_2 \end{cases} {x1=y1y2x2=y1+y2{y1=z1+z2+z3y2=z1+2z2+z3z1=u1+u2z2=u1+0u2z2=u1+u2

如何将

( x 1 x 2 ) \left( \begin{matrix} x_1\\ x_2 \end{matrix} \right) (x1x2)

数值计算出来?

矩阵运算(二)

矩阵幂运算

A k = A A . . . A ⏟ k 个 A^k = \underbrace{AA...A}_{k个} Ak=k AA...A

定义:

A 0 = E A^0=E A0=E

性质1:

A K 1 A K 2 = A ( k 1 + k 2 ) A^{K_1}A^{K_2}=A^(k_1+k2) AK1AK2=A(k1+k2)

性质2:

( A k 1 ) k 2 = A k 1 k 2 (A^{k_1})^{k_2}=A^{k_1k_2} (Ak1)k2=Ak1k2

性质3:

一般来说:

( A B ) k ≠ A k B k (AB)^k \neq A^k B^k (AB)k=AkBk

( A + B ) 2 ≠ A 2 + 2 A B + B 2 (A+B)^2 \neq A^2 + 2AB+B^2 (A+B)2=A2+2AB+B2

还是来自于AB和BA不相等造成的。

( A − B ) 2 ≠ A 2 − 2 A B + B 2 (A-B)^2 \neq A^2-2AB+B^2 (AB)2=A22AB+B2

如果B=E单位向量,那就是成立的。

例八:

思维锻炼方法,告辞米的时候,需要跳出来做。

去将一个中间的数字计算出一个常数,然后提取出来。

转置

A T A^T AT

和行列式的转置是完全一样的。

A m × n T = A n × m A_{m \times n}^T=A_{n \times m} Am×nT=An×m

性质:

( A T ) T = A (A^T)^T=A (AT)T=A

( A + B ) T = A T + B T (A+B)^T=A^T+B^T (A+B)T=AT+BT

( k A ) T = k A T (kA)^T=kA^T (kA)T=kAT

( A B ) T = B T A T (AB)^T=B^T A^T (AB)T=BTAT

特殊矩阵

数量矩阵

只有主对角线有值,且相等。

对角形矩阵

只有主对角线有值,且有一串数字。

数学符号:

╲ \diagdown

d i a g ( a 1 , a 2 , . . . , a n ) diag(a_1,a_2,...,a_n) diag(a1,a2,...,an)

对角形矩阵左乘与右乘相同的方阵,刚好是转置的。

三角形矩阵

主对角线上部非零,下部都是0,就是上三角矩阵。

主对角线下部非零,下部都是0,就是下三角矩阵。

对称矩阵

对称矩阵有个性质

a i j = a j i a_{ij}=a_{ji} aij=aji

本质上是:

A T = A A^T=A AT=A

定理1:

A , B 对 称 ⇄ A B 可 交 换 A,B对称 \rightleftarrows AB可交换 A,BAB

例2

反对称矩阵

a i j = − a j i , a i i = 0 a_{ij}=-a_{ji},a_{ii}=0 aij=ajiaii=0

A T = − A A^T=-A AT=A

逆矩阵(一)

逆矩阵就是将两个逆矩阵相乘之后能得到单位向量。

一定不要把矩阵放到分母的位置上。

方阵的行列式。

矩阵式有很多属性,但是行列式是一个数字。

矩 阵 { 特 值 特 量 行 列 式 . . . 矩阵\begin{cases} 特值\\ 特量\\ 行列式\\ ... \end{cases} ...

获取矩阵的行列式,其实就是将它的属性提取出来。

方阵的行列式

性质1:

∣ A T ∣ = ∣ A ∣ \left| A^T \right|=\left| A\right| AT=A

原理就是行列式转置,值不变。

  • 性质2:

∣ k A ∣ = k n ∣ A ∣ \left| kA \right|=k^n\left| A\right| kA=knA

行列式和矩阵提取的方式不一样造成。

性质3:

∣ A B ∣ = ∣ A ∣ ∣ B ∣ \left| AB \right|=\left| A\right|\left| B\right| AB=AB

伴随矩阵

只有方阵才有伴随矩阵。

  1. 求出全部元素的代数余子式;
  2. 按照行求的代数余子式,按照列放,构成一个矩阵就是伴随矩阵;

数学符号:

A ∗ A^* A

口诀:

按行求,按列放

定理1:

对于任意的一个方阵都成立。

A A ∗ = A ∗ A = ∣ A ∣ E AA^*=A^*A=\left|A\right|E AA=AA=AE

证明过程:

代数余子式乘以自己本身就是行列式的值,否则就是0;定理就是异乘变零定理,章节1.3里面写过;

推论2.4.1

前提条件:

∣ A ∣ ≠ 0 \left|A\right| \neq 0 A=0

∣ A ∗ ∣ = ∣ A ∣ n − 1 \left|A^*\right|=\left|A\right|^{n-1} A=An1

后续再证明当不等0的情况也合适。

逆矩阵(二)

逆矩阵定义: A是n阶方阵,存在n阶方阵B, AB=BA=E

A − 1 = B A^-1=B A1=B

但是方阵一定不要放到分母中!

  1. 未必所有方阵都可逆;

  2. 若可逆,逆矩阵唯一;

证明是通过结合律。

? 如何判断是否可逆;

? 如何求出逆矩阵;

参考

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