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37 分钟
LinearAlgebra-Final:线性代数期末复习刷题

概述#

这份笔记按当前考试结构分成两部分:

  • 第一部分:填空题训练(48 题)——覆盖行列式、矩阵、秩、方程组、向量空间、正交、特征值、二次型。
  • 第二部分:证明题训练(16 题)——集中训练最可能被压缩成 15 分证明题的核心定理与综合结论。

题目共 64 题,每个小类别均安排 8 道题。题目来源标记如下:

  • 【24–25 真题】:直接选自或忠实整理自 2024–2025 春夏卷;
  • 【历年卷改编】:从旧题的大题结构中抽取核心,改造成当前填空或证明形式;
  • 【教材习题/例题改编】:依据教材前六章的例题、习题及定理设计;
  • 【综合变式】:在教材核心结论上做少量参数或数字变式。
TIP

今晚建议限时

  • 填空题:每题先独立做 4–6 分钟,再展开答案;
  • 证明题:每题先写出“使用的定理 + 证明主线”,控制在 10–12 分钟;
  • 每个模块的第 1–4 题偏基础与高频,第 5–8 题偏综合。
WARNING

当前提供的 24–25 试卷文件只包含 85 分填空部分。因此,证明题部分主要依据教材定理、旧卷证明题和复习大纲中的第一优先级内容筛选。


目录#


第一部分:填空题#

A1 行列式、矩阵运算与逆矩阵#

A1-1 Vandermonde 型行列式#

【教材习题/例题改编】

计算

D=∣111abca2b2c2∣.D=\begin{vmatrix} 1&1&1\\ a&b&c\\ a^2&b^2&c^2 \end{vmatrix}.
答案与讲解D=(b−a)(c−a)(c−b).\boxed{D=(b-a)(c-a)(c-b)}.

这是三阶 Vandermonde 行列式。也可以作列变换:

C2←C2−C1,C3←C3−C1,C_2\leftarrow C_2-C_1,\qquad C_3\leftarrow C_3-C_1,

提取因子 b−a,c−ab-a,c-a 后,再从剩余二阶行列式中得到 c−bc-b。

**易错点:**三个差的顺序会影响符号。按列变量 a,b,ca,b,c 排列时,标准结果是

∏1≤i<j≤3(xj−xi).\prod_{1\le i<j\le3}(x_j-x_i).

A1-2 “单位阵 + 秩一矩阵”型行列式#

【历年卷改编:2021–2022 秋冬】

设 n≥2n\ge2,

D=∣a1+xa2⋯ana1a2+x⋯an⋮⋮⋱⋮a1a2⋯an+x∣,D=\begin{vmatrix} a_1+x&a_2&\cdots&a_n\\ a_1&a_2+x&\cdots&a_n\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ a_1&a_2&\cdots&a_n+x \end{vmatrix},

则 D=D= ______。

答案与讲解D=xn−1(x+∑i=1nai).\boxed{D=x^{n-1}\left(x+\sum_{i=1}^n a_i\right)}.

矩阵可写成

xE+1(a1,…,an),xE+\boldsymbol 1(a_1,\ldots,a_n),

其中第二项的秩至多为 11。用列变换也可求解:把第 2,…,n2,\ldots,n 列分别减去第 1 列,再逐步提取 xx。

**检查:**当所有 ai=0a_i=0 时,结果应退化为 xnx^n。

A1-3 伴随矩阵的行列式与逆#

【教材习题/例题改编】

设 AA 为三阶可逆矩阵,且 ∣A∣=2|A|=2。则

∣A∗∣=‾,(A∗)−1=‾.|A^*|=\underline{\qquad},\qquad (A^*)^{-1}=\underline{\qquad}.
答案与讲解∣A∗∣=4,(A∗)−1=12A.\boxed{|A^*|=4},\qquad \boxed{(A^*)^{-1}=\frac12A}.

因为三阶矩阵满足

A∗=∣A∣A−1,A^*=|A|A^{-1},

所以

∣A∗∣=∣A∣3−1=22=4,|A^*|=|A|^{3-1}=2^2=4,

且

(A∗)−1=1∣A∣A=12A.(A^*)^{-1}=\frac{1}{|A|}A=\frac12A.

A1-4 利用矩阵多项式构造逆矩阵#

【24–25 真题】

设 AA 为 nn 阶方阵,且

A3=2A(A−E).A^3=2A(A-E).

则

(E−A)−1=‾.(E-A)^{-1}=\underline{\qquad}.
答案与讲解(E−A)−1=E−A+A2.\boxed{(E-A)^{-1}=E-A+A^2}.

直接验证:

(E−A)(E−A+A2)=E−2A+2A2−A3.(E-A)(E-A+A^2) =E-2A+2A^2-A^3.

由 A3=2A2−2AA^3=2A^2-2A,上式等于 EE。

**核心套路:**已知 AA 满足多项式关系时,优先设逆矩阵为 AA 的低次多项式,再通过乘法配出 EE。

A1-5 分块上三角矩阵#

【教材习题/例题改编】

设 A,DA,D 均可逆,

M=(AB0D).M=\begin{pmatrix}A&B\\0&D\end{pmatrix}.

则

∣M∣=‾,M−1=‾.|M|=\underline{\qquad},\qquad M^{-1}=\underline{\qquad}.
答案与讲解∣M∣=∣A∣∣D∣,\boxed{|M|=|A||D|},M−1=(A−1−A−1BD−10D−1).\boxed{ M^{-1}= \begin{pmatrix} A^{-1}&-A^{-1}BD^{-1}\\ 0&D^{-1} \end{pmatrix}}.

将待求逆矩阵设为

(XY0Z),\begin{pmatrix}X&Y\\0&Z\end{pmatrix},

由 MM−1=EMM^{-1}=E 逐块比较即可得到

X=A−1,Z=D−1,AY+BZ=0.X=A^{-1},\quad Z=D^{-1},\quad AY+BZ=0.

A1-6 初等矩阵与行、列变换#

【教材习题/例题改编】

矩阵 CC 由 AA 先交换第 1、2 行,再作列变换

C3←C3+2C1C_3\leftarrow C_3+2C_1

得到。若对应的初等矩阵分别为 P,QP,Q,则

C=‾,∣C∣=‾.C=\underline{\qquad},\qquad |C|=\underline{\qquad}.
答案与讲解C=PAQ,∣C∣=−∣A∣.\boxed{C=PAQ},\qquad \boxed{|C|=-|A|}.
  • 左乘初等矩阵对应行变换;
  • 右乘初等矩阵对应列变换。

交换两行使行列式变号;一列加上另一列的倍数不改变行列式。

A1-7 矩阵方程中的因式分解#

【历年卷改编:2016–2017 秋冬】

设 AA 可逆,且 A−1+EA^{-1}+E 可逆。若

A−1XA+XA+2E=0,A^{-1}XA+XA+2E=0,

则 X=X= ______。

答案与讲解X=−2(E+A)−1.\boxed{X=-2(E+A)^{-1}}.

左边前两项可合并:

A−1XA+XA=(A−1+E)XA.A^{-1}XA+XA=(A^{-1}+E)XA.

因此

X=−2(A−1+E)−1A−1.X=-2(A^{-1}+E)^{-1}A^{-1}.

又

A−1+E=A−1(E+A),A^{-1}+E=A^{-1}(E+A),

故

(A−1+E)−1A−1=(E+A)−1.(A^{-1}+E)^{-1}A^{-1}=(E+A)^{-1}.

A1-8 由矩阵方程直接求逆#

【教材习题/例题改编】

若

A2−3A+2E=0,A^2-3A+2E=0,

则 A−1=A^{-1}= ______。

答案与讲解A−1=3E−A2.\boxed{A^{-1}=\frac{3E-A}{2}}.

由原式得

3A−A2=2E,3A-A^2=2E,

即

A(3E−A2)=E.A\left(\frac{3E-A}{2}\right)=E.

方阵存在右逆时也存在逆矩阵,因此结果成立。


A2 矩阵的秩与线性方程组#

A2-1 含两个参数的方程组分类#

【教材习题/例题改编】

讨论方程组

{x+y+z=1,2x+3y+4z=2,x+2y+az=b.\begin{cases} x+y+z=1,\\ 2x+3y+4z=2,\\ x+2y+az=b. \end{cases}

当 ______ 时有唯一解;当 ______ 时有无穷多解;当 ______ 时无解。

答案与讲解a≠3 时唯一解,\boxed{a\ne3\text{ 时唯一解}},a=3, b=1 时无穷多解,\boxed{a=3,\ b=1\text{ 时无穷多解}},a=3, b≠1 时无解.\boxed{a=3,\ b\ne1\text{ 时无解}}.

用第二式减去第一式的 2 倍、第三式减去第一式,得到

y+2z=0,y+2z=0,y+(a−1)z=b−1.y+(a-1)z=b-1.

二式相减得

(a−3)z=b−1.(a-3)z=b-1.

分类只需观察这个最后方程。

A2-2 秩与解空间维数#

【教材习题/例题改编】

设 AA 为 4×64\times6 矩阵,r(A)=3r(A)=3。则齐次方程组 AX=0AX=0 的基础解系含 ______ 个向量。若 AX=bAX=b 有解,则其解集合含 ______ 个自由参数。

答案与讲解3,3.\boxed{3},\qquad \boxed{3}.

未知量个数为 66,故

dim⁡N(A)=6−r(A)=3.\dim N(A)=6-r(A)=3.

非齐次方程组有解时,其解集是

X0+N(A),X_0+N(A),

自由参数个数与齐次解空间维数相同。

A2-3 由多个非齐次解写通解#

【24–25 真题】

已知 r(A)=3r(A)=3,AX=bAX=b 有三个解

X1=(1,−1,2,3,−1)T,X_1=(1,-1,2,3,-1)^T,X2=(0,−1,1,0,2)T,X_2=(0,-1,1,0,2)^T,X3=(−1,1,2,1,3)T.X_3=(-1,1,2,1,3)^T.

则 AX=bAX=b 的通解为 ______。

答案与讲解X=X1+s(X2−X1)+t(X3−X1),s,t∈R.\boxed{ X=X_1+s(X_2-X_1)+t(X_3-X_1),\quad s,t\in\mathbb R}.

即

X=(1−123−1)+s(−10−1−33)+t(−220−24).\boxed{ X=\begin{pmatrix}1\\-1\\2\\3\\-1\end{pmatrix} +s\begin{pmatrix}-1\\0\\-1\\-3\\3\end{pmatrix} +t\begin{pmatrix}-2\\2\\0\\-2\\4\end{pmatrix}}.

因为未知量个数为 55,r(A)=3r(A)=3,所以齐次解空间维数为 22。两个差向量线性无关,恰好构成基础解系。

A2-4 非齐次解的仿射组合#

【24–25 真题】

若 b≠0b\ne0,且 X1,X2,X3X_1,X_2,X_3 均为 AX=bAX=b 的解,则

X=c1X1+c2X2+c3X3X=c_1X_1+c_2X_2+c_3X_3

仍为 AX=bAX=b 的解的充要条件是 ______。

答案与讲解c1+c2+c3=1.\boxed{c_1+c_2+c_3=1}.

因为

AX=(c1+c2+c3)b.AX=(c_1+c_2+c_3)b.

要使其等于 bb,且 b≠0b\ne0,系数之和必须为 11。

A2-5 同解齐次方程组#

【历年卷与教材综合改编】

若齐次方程组 AX=0AX=0 与 BX=0BX=0 同解,则

N(A)=‾,r(A) ‾ r(B),N(A)=\underline{\qquad},\qquad r(A)\ \underline{\qquad}\ r(B),

且 A,BA,B 的 ______ 空间相同。

答案与讲解N(A)=N(B),r(A)=r(B),\boxed{N(A)=N(B)},\qquad \boxed{r(A)=r(B)},

且二者的

行空间相同.\boxed{\text{行空间相同}}.

因为在欧氏空间中

Row⁡(A)=N(A)⊥.\operatorname{Row}(A)=N(A)^\perp.

零空间相同,正交补也相同,因而行空间及其维数相同。

A2-6 乘积矩阵秩的上下界#

【历年卷改编:Frobenius/Sylvester 秩不等式】

设 AA 为 5×65\times6 矩阵,r(A)=3r(A)=3;BB 为 6×46\times4 矩阵,r(B)=4r(B)=4。则

‾≤r(AB)≤‾.\underline{\qquad}\le r(AB)\le\underline{\qquad}.
答案与讲解1≤r(AB)≤3.\boxed{1\le r(AB)\le3}.

上界:

r(AB)≤min⁡{r(A),r(B)}=3.r(AB)\le\min\{r(A),r(B)\}=3.

下界用 Sylvester 不等式:

r(AB)≥r(A)+r(B)−6=1,r(AB)\ge r(A)+r(B)-6=1,

其中 66 是中间维数。

A2-7 哪些线性组合仍为非齐次解#

【教材知识点变式】

设 b≠0b\ne0,X1,X2X_1,X_2 是 AX=bAX=b 的两个解。下列向量中仍为 AX=bAX=b 的解的是 ______:

X1+X2,X1−X2,2X1−X2.X_1+X_2,\qquad X_1-X_2,\qquad 2X_1-X_2.
答案与讲解2X1−X2.\boxed{2X_1-X_2}.

三个组合的系数和依次为 2,0,12,0,1。只有系数和为 11 的仿射组合仍是原非齐次方程组的解。

其中 X1−X2X_1-X_2 是对应齐次方程组的解。

A2-8 幂零条件对秩的限制#

【教材习题/例题改编】

设 AA 为七阶矩阵,且 A2=0A^2=0。则 r(A)r(A) 的最大可能值为 ______。

答案与讲解3.\boxed{3}.

由 A2=0A^2=0,有

Im⁡(A)⊆N(A).\operatorname{Im}(A)\subseteq N(A).

因此

r(A)≤dim⁡N(A)=7−r(A),r(A)\le\dim N(A)=7-r(A),

即 2r(A)≤72r(A)\le7,故 r(A)≤3r(A)\le3。


A3 向量组、子空间、基与维数#

A3-1 含参数向量组的线性表示#

【24–25 真题】

设

α1=(1,1,1)T,α2=(a,1,2a−1)T,α3=(1,1,2)T,\alpha_1=(1,1,1)^T,\quad \alpha_2=(a,1,2a-1)^T,\quad \alpha_3=(1,1,2)^T,β=(3,4,3)T.\beta=(3,4,3)^T.

当 a≠a\ne ______ 时,β\beta 可由 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3 线性表示,且

β=‾.\beta=\underline{\qquad}.
答案与讲解a≠1,\boxed{a\ne1},\boxed{ \beta=\frac{3a-2}{a-1}\alpha_1- rac{1}{a-1}\alpha_2+\alpha_3}.

把三个向量作为列组成矩阵,行列式为

∣1a111112a−12∣=1−a.\begin{vmatrix} 1&a&1\\ 1&1&1\\ 1&2a-1&2 \end{vmatrix}=1-a.

a≠1a\ne1 时三向量构成 R3\mathbb R^3 的一组基,表示存在且唯一。

A3-2 极大线性无关组与秩#

【教材习题/例题改编】

设

α1=(1,0,1)T,α2=(0,1,1)T,\alpha_1=(1,0,1)^T,\quad \alpha_2=(0,1,1)^T,α3=(1,1,2)T,α4=(2,1,3)T.\alpha_3=(1,1,2)^T,\quad \alpha_4=(2,1,3)^T.

该向量组的秩为 ______,一个极大线性无关组为 ______。

答案与讲解r=2,{α1,α2}.\boxed{r=2},\qquad \boxed{\{\alpha_1,\alpha_2\}}.

因为

α3=α1+α2,\alpha_3=\alpha_1+\alpha_2,α4=2α1+α2,\alpha_4=2\alpha_1+\alpha_2,

而 α1,α2\alpha_1,\alpha_2 不成比例,故线性无关。

A3-3 非齐次解集何时为子空间#

【24–25 真题】

设 WW 是方程组

{x1+x2+x3+x4=k,x1−x2+x3−x4=0\begin{cases} x_1+x_2+x_3+x_4=k,\\ x_1-x_2+x_3-x_4=0 \end{cases}

的解集。则当 k=k= ______ 时,WW 是 R4\mathbb R^4 的子空间;此时

dim⁡W=‾,\dim W=\underline{\qquad},

一组基为 ______。

答案与讲解k=0,dim⁡W=2,\boxed{k=0},\qquad \boxed{\dim W=2},

一组基为

{(1,0,−1,0)T,(0,1,0,−1)T}.\boxed{ \left\{ (1,0,-1,0)^T, (0,1,0,-1)^T \right\}}.

子空间必须包含零向量,所以先得 k=0k=0。此时

x3=−x1,x4=−x2.x_3=-x_1,\qquad x_4=-x_2.

A3-4 矩阵空间的子空间#

【历年卷改编:2016–2017 春夏、2018–2019 秋冬】

设

V={A∈R2×2:AT=A, tr⁡A=0}.V=\left\{A\in\mathbb R^{2\times2}:A^T=A,\ \operatorname{tr}A=0\right\}.

则 dim⁡V=\dim V= ______,一组基为 ______。

答案与讲解

任意 A∈VA\in V 可写为

A=(abb−a)=a(100−1)+b(0110).A=\begin{pmatrix}a&b\\b&-a\end{pmatrix} =a\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix} +b\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}.

所以

dim⁡V=2,\boxed{\dim V=2},

一组基为

{(100−1),(0110)}.\boxed{ \left\{ \begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}, \begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix} \right\}}.

A3-5 多项式子空间#

【教材习题/例题改编】

在 P3={a+bx+cx2+dx3}P_3=\{a+bx+cx^2+dx^3\} 中,令

W={p(x):p(1)=0, p′(0)=0}.W=\{p(x):p(1)=0,\ p'(0)=0\}.

则 dim⁡W=\dim W= ______,一组基为 ______。

答案与讲解

设

p(x)=a+bx+cx2+dx3.p(x)=a+bx+cx^2+dx^3.

由 p′(0)=b=0p'(0)=b=0,p(1)=a+c+d=0p(1)=a+c+d=0,故 a=−c−da=-c-d。

于是

p(x)=c(x2−1)+d(x3−1).p(x)=c(x^2-1)+d(x^3-1).

所以

dim⁡W=2,\boxed{\dim W=2},

一组基为

{x2−1, x3−1}.\boxed{\{x^2-1,\ x^3-1\}}.

A3-6 子空间的和与交#

【教材习题/例题改编】

在 R4\mathbb R^4 中,设

U=span⁡{e1,e2,e3},V=span⁡{e2,e3,e4}.U=\operatorname{span}\{e_1,e_2,e_3\},\qquad V=\operatorname{span}\{e_2,e_3,e_4\}.

则

dim⁡(U∩V)=‾,dim⁡(U+V)=‾.\dim(U\cap V)=\underline{\qquad},\qquad \dim(U+V)=\underline{\qquad}.
答案与讲解U∩V=span⁡{e2,e3},U\cap V=\operatorname{span}\{e_2,e_3\},

因此

dim⁡(U∩V)=2.\boxed{\dim(U\cap V)=2}.

又 U+V=R4U+V=\mathbb R^4,所以

dim⁡(U+V)=4.\boxed{\dim(U+V)=4}.

也可用公式

dim⁡(U+V)=dim⁡U+dim⁡V−dim⁡(U∩V).\dim(U+V)=\dim U+\dim V-\dim(U\cap V).

A3-7 扩充为一组基#

【教材习题/例题改编】

在 R4\mathbb R^4 中,已知

α1=(1,0,1,0)T,α2=(0,1,0,1)T.\alpha_1=(1,0,1,0)^T,\qquad \alpha_2=(0,1,0,1)^T.

可添加向量 ______ 和 ______,将其扩充为 R4\mathbb R^4 的一组基。

答案与讲解

一种答案是

e3=(0,0,1,0)T,e4=(0,0,0,1)T.\boxed{e_3=(0,0,1,0)^T,\qquad e_4=(0,0,0,1)^T}.

若

c1α1+c2α2+c3e3+c4e4=0,c_1\alpha_1+c_2\alpha_2+c_3e_3+c_4e_4=0,

观察第 1、2 个分量先得 c1=c2=0c_1=c_2=0,再得 c3=c4=0c_3=c_4=0。

**说明:**扩充答案通常不唯一。

A3-8 向量组关系空间的维数#

【历年卷改编:2017–2018 春夏】

设 α1,…,α5\alpha_1,\ldots,\alpha_5 的秩为 33,令

W={(k1,…,k5)T:∑i=15kiαi=0}.W=\left\{(k_1,\ldots,k_5)^T:\sum_{i=1}^5k_i\alpha_i=0\right\}.

则 dim⁡W=\dim W= ______。

答案与讲解dim⁡W=5−3=2.\boxed{\dim W=5-3=2}.

定义线性映射

T:R5→V,T(k1,…,k5)T=∑i=15kiαi.T:\mathbb R^5\to V,\qquad T(k_1,\ldots,k_5)^T=\sum_{i=1}^5k_i\alpha_i.

则 W=N(T)W=N(T),且 r(T)=3r(T)=3。由秩—零度定理得

dim⁡W=5−r(T)=2.\dim W=5-r(T)=2.

A4 坐标变换、内积与正交#

A4-1 过渡矩阵#

【24–25 真题】

设

α1=(2,0,2,2)T,α2=(1,1,1,3)T,\alpha_1=(2,0,2,2)^T,\quad \alpha_2=(1,1,1,3)^T,β1=(5,1,5,7)T,β2=(0,2,0,4)T.\beta_1=(5,1,5,7)^T,\quad \beta_2=(0,2,0,4)^T.

(α1,α2)(\alpha_1,\alpha_2) 与 (β1,β2)(\beta_1,\beta_2) 都是同一子空间的基。若规定从基 I=(α1,α2)\mathrm I=(\alpha_1,\alpha_2) 到基 II=(β1,β2)\mathrm{II}=(\beta_1,\beta_2) 的过渡矩阵 PP 满足

(β1,β2)=(α1,α2)P,(\beta_1,\beta_2)=(\alpha_1,\alpha_2)P,

则 P=P= ______。

答案与讲解

直接计算:

β1=2α1+α2,\beta_1=2\alpha_1+\alpha_2,β2=−α1+2α2.\beta_2=-\alpha_1+2\alpha_2.

因此

P=(2−112).\boxed{P=\begin{pmatrix}2&-1\\1&2\end{pmatrix}}.

过渡矩阵的第 jj 列,是新基第 jj 个向量在旧基下的坐标。

A4-2 利用过渡矩阵变换坐标#

【24–25 真题变式】

沿用上一题的过渡矩阵

P=(2−112).P=\begin{pmatrix}2&-1\\1&2\end{pmatrix}.

若向量 xx 在基 I\mathrm I 下的坐标为

[x]I=(3,1)T,[x]_{\mathrm I}=(3,1)^T,

则 [x]II=[x]_{\mathrm{II}}= ______。

答案与讲解

坐标关系为

[x]I=P[x]II.[x]_{\mathrm I}=P[x]_{\mathrm{II}}.

因此

[x]II=P−1[x]I.[x]_{\mathrm{II}}=P^{-1}[x]_{\mathrm I}.

又

P−1=15(21−12),P^{-1}=\frac15\begin{pmatrix}2&1\\-1&2\end{pmatrix},

所以

\boxed{[x]_{\mathrm{II}}=egin{pmatrix}7/5\\-1/5\end{pmatrix}}.

**易错点:**基向量由旧基变到新基时乘 PP;同一向量的坐标要乘 P−1P^{-1}。

A4-3 在两组基下坐标相同#

【历年卷改编:2019–2020 春夏】

在 R3\mathbb R^3 中,基 I\mathrm I 为标准基,基 II\mathrm{II} 为

β1=e1,β2=e1+e2,β3=2e3.\beta_1=e_1, \qquad \beta_2=e_1+e_2, \qquad \beta_3=2e_3.

在两组基下坐标相同的所有向量构成的子空间为 ______。

答案与讲解

设共同坐标为 X=(x1,x2,x3)TX=(x_1,x_2,x_3)^T。因为基 I\mathrm I 是标准基,向量本身为 XX;而按基 II\mathrm{II} 表示时,向量为

PX,P=(110010002).PX, \qquad P=\begin{pmatrix} 1&1&0\\ 0&1&0\\ 0&0&2 \end{pmatrix}.

要求 PX=XPX=X,即

(P−E)X=0.(P-E)X=0.

得到 x2=x3=0x_2=x_3=0,x1x_1 任意。因此

W=span⁡{e1}.\boxed{W=\operatorname{span}\{e_1\}}.

A4-4 Schmidt 正交化#

【历年卷改编:2020–2021 秋冬】

对

α1=(1,−1,0)T,α2=(−1,0,1)T,α3=(1,2,2)T\alpha_1=(1,-1,0)^T, \quad \alpha_2=(-1,0,1)^T, \quad \alpha_3=(1,2,2)^T

作 Schmidt 正交化,得到的一组标准正交基可取为 ______。

答案与讲解

第一步:

η1=12(1,−1,0)T.\eta_1=\frac{1}{\sqrt2}(1,-1,0)^T.

第二步:

β2=α2−(α2,α1)(α1,α1)α1=(−12,−12,1)T,\beta_2=\alpha_2- \frac{(\alpha_2,\alpha_1)}{(\alpha_1,\alpha_1)}\alpha_1 =\left(-\frac12,-\frac12,1\right)^T,

所以

η2=16(−1,−1,2)T.\eta_2=\frac{1}{\sqrt6}(-1,-1,2)^T.

第三步可得到与前两者都正交的向量 (1,1,1)T(1,1,1)^T,故

{12(1,−1,0)T,16(−1,−1,2)T,13(1,1,1)T}.\boxed{ \left\{ \frac1{\sqrt2}(1,-1,0)^T, \frac1{\sqrt6}(-1,-1,2)^T, \frac1{\sqrt3}(1,1,1)^T \right\}}.

A4-5 求正交补#

【教材习题/例题改编】

设

W=span⁡{(1,1,0,0)T,(0,1,1,0)T}.W=\operatorname{span}\{(1,1,0,0)^T,(0,1,1,0)^T\}.

则 W⊥W^\perp 的一组基为 ______,dim⁡W⊥=\dim W^\perp= ______。

答案与讲解

令 x=(x1,x2,x3,x4)T∈W⊥x=(x_1,x_2,x_3,x_4)^T\in W^\perp,则

x1+x2=0,x_1+x_2=0,x2+x3=0.x_2+x_3=0.

令 x2=t,x4=sx_2=t,x_4=s,则

x=(−t,t,−t,s)T.x=(-t,t,-t,s)^T.

所以一组基为

{(−1,1,−1,0)T,(0,0,0,1)T},\boxed{\{(-1,1,-1,0)^T,(0,0,0,1)^T\}},

且

dim⁡W⊥=2.\boxed{\dim W^\perp=2}.

A4-6 正交投影#

【教材欧氏空间内容改编】

设

u=(1,1,1)T,v=(1,−1,0)T,u=(1,1,1)^T,\qquad v=(1,-1,0)^T,W=span⁡{u,v},x=(1,2,0)T.W=\operatorname{span}\{u,v\},\qquad x=(1,2,0)^T.

则 xx 在 WW 上的正交投影为 ______。

答案与讲解

先注意

(u,v)=0.(u,v)=0.

因此

proj⁡Wx=(x,u)(u,u)u+(x,v)(v,v)v.\operatorname{proj}_W x =\frac{(x,u)}{(u,u)}u+ \frac{(x,v)}{(v,v)}v.

计算得

(x,u)=3,(u,u)=3,(x,u)=3,\quad (u,u)=3,(x,v)=−1,(v,v)=2.(x,v)=-1,\quad(v,v)=2.

故

proj⁡Wx=u−12v=(12,32,1)T.\operatorname{proj}_W x =u-\frac12v =\boxed{\left(\frac12,\frac32,1\right)^T}.

A4-7 基下的度量矩阵#

【教材与历年卷改编】

在 R2\mathbb R^2 的标准内积下,取基

α1=(1,0)T,α2=(1,1)T.\alpha_1=(1,0)^T, \qquad \alpha_2=(1,1)^T.

该基的度量矩阵为 ______。

答案与讲解

度量矩阵的第 (i,j)(i,j) 个元素为

gij=(αi,αj).g_{ij}=(\alpha_i,\alpha_j).

因此

G=egin{pmatrix} (\alpha_1,\alpha_1)&(\alpha_1,\alpha_2)\\ (\alpha_2,\alpha_1)&(\alpha_2,\alpha_2) \end{pmatrix} =oxed{\begin{pmatrix}1&1\\1&2\end{pmatrix}}.

若新旧基满足 (β)=(α)P(\beta)=(\alpha)P,则度量矩阵满足

Gβ=PTGαP.G_\beta=P^TG_\alpha P.

A4-8 正交矩阵的逆与行列式#

【教材习题/例题改编】

设

Q=(1212012−12000−1).Q=\begin{pmatrix} \frac1{\sqrt2}&\frac1{\sqrt2}&0\\ \frac1{\sqrt2}&-\frac1{\sqrt2}&0\\ 0&0&-1 \end{pmatrix}.

则 Q−1=Q^{-1}= ______,∣Q∣=|Q|= ______。

答案与讲解

矩阵的列向量两两正交且均为单位向量,因此 QQ 是正交矩阵:

Q−1=QT=Q.\boxed{Q^{-1}=Q^T=Q}.

左上二阶块的行列式为 −1-1,再乘第三个对角元 −1-1,所以

∣Q∣=1.\boxed{|Q|=1}.

一般正交矩阵只保证 ∣Q∣=±1|Q|=\pm1。


A5 特征值、相似与对角化#

A5-1 直接展开特征多项式#

【历年卷改编:2019–2020 秋冬】

设

A=(001a1b100).A=\begin{pmatrix} 0&0&1\\ a&1&b\\ 1&0&0 \end{pmatrix}.

则特征多项式 fA(λ)=∣λE−A∣=f_A(\lambda)=|\lambda E-A|= ______,特征值为 ______。

答案与讲解

按第二列展开:

∣λE−A∣=∣λ0−1−aλ−1−b−10λ∣|\lambda E-A| =\begin{vmatrix} \lambda&0&-1\\ -a&\lambda-1&-b\\ -1&0&\lambda \end{vmatrix}=(λ−1)∣λ−1−1λ∣=(λ−1)(λ2−1).=(\lambda-1) \begin{vmatrix} \lambda&-1\\ -1&\lambda \end{vmatrix} =(\lambda-1)(\lambda^2-1).

所以

fA(λ)=(λ−1)2(λ+1),\boxed{f_A(\lambda)=(\lambda-1)^2(\lambda+1)},

特征值为

1(二重), −1(一重).\boxed{1\text{(二重)},\ -1\text{(一重)}}.

这里 a,ba,b 不影响特征值,但会影响特征向量和可对角化性。

A5-2 秩一矩阵的特征值#

【24–25 真题】

设

A=(1,2,3)T(−1,2,1).A=(1,2,3)^T(-1,2,1).

则 AA 的特征值为 ______,E−AE-A 的特征值为 ______。

答案与讲解

写成

A=uvT,A=uv^T,

其中

u=(1,2,3)T,v=(−1,2,1)T.u=(1,2,3)^T, \quad v=(-1,2,1)^T.

秩一矩阵 uvTuv^T 的唯一可能非零特征值为

vTu=−1+4+3=6.v^Tu=-1+4+3=6.

故

A 的特征值为 6,0,0,\boxed{A\text{ 的特征值为 }6,0,0},

从而

E−A 的特征值为 −5,1,1.\boxed{E-A\text{ 的特征值为 }-5,1,1}.

A5-3 矩阵多项式的特征值#

【教材习题/例题改编】

设三阶矩阵 AA 的特征值为 −1,2,3-1,2,3,令

B=A2−2A+3E.B=A^2-2A+3E.

则 BB 的特征值为 ______,∣B∣=|B|= ______。

答案与讲解

若 λ\lambda 是 AA 的特征值,则

f(λ)=λ2−2λ+3f(\lambda)=\lambda^2-2\lambda+3

是 B=f(A)B=f(A) 的对应特征值。

分别代入:

f(−1)=6,f(2)=3,f(3)=6.f(-1)=6,\qquad f(2)=3,\qquad f(3)=6.

所以

B 的特征值为 6,3,6,\boxed{B\text{ 的特征值为 }6,3,6},∣B∣=6×3×6=108.\boxed{|B|=6\times3\times6=108}.

A5-4 含参数矩阵的可对角化条件#

【历年卷改编:2019–2020 秋冬】

对 A5-1 中的矩阵

A=(001a1b100),A=\begin{pmatrix} 0&0&1\\ a&1&b\\ 1&0&0 \end{pmatrix},

AA 可相似对角化的充要条件是 ______。

答案与讲解

特征值 11 的代数重数为 22。考察

(A−E)X=0.(A-E)X=0.

方程为

−x1+x3=0,-x_1+x_3=0,ax1+bx3=0.a x_1+b x_3=0.

由 x3=x1x_3=x_1,第二式化为

(a+b)x1=0.(a+b)x_1=0.

要使特征值 11 的特征子空间维数为 22,必须使 x1x_1 与 x2x_2 都可自由取值,因此

a+b=0.\boxed{a+b=0}.

A5-5 求对角化矩阵 PP#

【历年卷改编:2019–2020 秋冬】

取上一题中 a=1,b=−1a=1,b=-1。求一个可逆矩阵 PP,使 P−1APP^{-1}AP 为对角矩阵。

答案与讲解

当 λ=1\lambda=1 时,可取两个线性无关特征向量

α1=(1,0,1)T,α2=(0,1,0)T.\alpha_1=(1,0,1)^T, \qquad \alpha_2=(0,1,0)^T.

当 λ=−1\lambda=-1 时,可取

α3=(1,−1,−1)T.\alpha_3=(1,-1,-1)^T.

因此可取

P=(α1,α2,α3)=(10101−110−1),\boxed{ P=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3) =\begin{pmatrix} 1&0&1\\ 0&1&-1\\ 1&0&-1 \end{pmatrix}},

并有

P−1AP=diag⁡(1,1,−1).\boxed{P^{-1}AP=\operatorname{diag}(1,1,-1)}.

易错点:PP 的列向量顺序必须与对角矩阵中特征值顺序一致。

A5-6 由正交特征向量恢复实对称矩阵#

【教材实对称矩阵内容改编】

已知实对称矩阵 AA 的单位特征向量及对应特征值为

q1=12(1,1,0)T,λ1=1,q_1=\frac1{\sqrt2}(1,1,0)^T,\quad \lambda_1=1,q2=12(1,−1,0)T,λ2=3,q_2=\frac1{\sqrt2}(1,-1,0)^T,\quad \lambda_2=3,q3=(0,0,1)T,λ3=2.q_3=(0,0,1)^T,\quad \lambda_3=2.

则 A=A= ______。

答案与讲解

令

Q=(q1,q2,q3),Λ=diag⁡(1,3,2).Q=(q_1,q_2,q_3), \qquad \Lambda=\operatorname{diag}(1,3,2).

因为 QQ 正交,

A=QΛQT.A=Q\Lambda Q^T.

计算得

A=(2−10−120002).\boxed{ A=\begin{pmatrix} 2&-1&0\\ -1&2&0\\ 0&0&2 \end{pmatrix}}.

A5-7 幂零矩阵的逆与特征多项式#

【24–25 真题】

设 AA 为 nn 阶方阵,存在行向量 α\alpha 满足

αAn−1≠0,αAn=0.\alpha A^{n-1}\ne0, \qquad \alpha A^n=0.

则

(E−A)−1=‾,(E-A)^{-1}=\underline{\qquad},

AA 的特征多项式为 ______。

答案与讲解

可证明

α,αA,…,αAn−1\alpha,\alpha A,\ldots,\alpha A^{n-1}

线性无关,因此构成行向量空间的一组基。每个基向量右乘 AnA^n 都为零,从而

An=0.A^n=0.

于是

(E−A)−1=E+A+A2+⋯+An−1.\boxed{(E-A)^{-1}=E+A+A^2+\cdots+A^{n-1}}.

幂零矩阵全部特征值为 00,故

fA(λ)=λn.\boxed{f_A(\lambda)=\lambda^n}.

A5-8 分块矩阵的特征值#

【历年卷改编:2016–2017 秋冬】

设 AA 的特征值为 λ1,…,λn\lambda_1,\ldots,\lambda_n,令

C=(0AA0).C=\begin{pmatrix}0&A\\A&0\end{pmatrix}.

则 CC 的全部特征值为 ______。

答案与讲解

若

Ax=λx,Ax=\lambda x,

则

C(xx)=λ(xx),C\begin{pmatrix}x\\x\end{pmatrix} =\lambda\begin{pmatrix}x\\x\end{pmatrix},

而

C(x−x)=−λ(x−x).C\begin{pmatrix}x\\-x\end{pmatrix} =-\lambda\begin{pmatrix}x\\-x\end{pmatrix}.

因此

C 的特征值为 λ1,…,λn,−λ1,…,−λn.\boxed{C\text{ 的特征值为 }\lambda_1,\ldots,\lambda_n,-\lambda_1,\ldots,-\lambda_n}.

A6 二次型、合同与正定性#

A6-1 从二次型写出矩阵#

【24–25 真题】

设

f(x1,x2,x3)=2x12+2tx1x2+4x1x3+x22+3x32.f(x_1,x_2,x_3) =2x_1^2+2t x_1x_2+4x_1x_3+x_2^2+3x_3^2.

则对应的实对称矩阵为 ______。

答案与讲解A=(2t2t10203).\boxed{ A=\begin{pmatrix} 2&t&2\\ t&1&0\\ 2&0&3 \end{pmatrix}}.

交叉项满足

2aijxixj.2a_{ij}x_ix_j.

所以 2tx1x22t x_1x_2 对应 a12=a21=ta_{12}=a_{21}=t,4x1x34x_1x_3 对应 a13=a31=2a_{13}=a_{31}=2。

A6-2 含参数二次型的正定范围#

【24–25 真题】

沿用上一题。二次型正定的条件为 ______。

答案与讲解

顺序主子式为

Δ1=2,\Delta_1=2,Δ2=∣2tt1∣=2−t2,\Delta_2=\begin{vmatrix}2&t\\t&1\end{vmatrix}=2-t^2,Δ3=∣A∣=2−3t2.\Delta_3=|A|=2-3t^2.

由 Sylvester 判别法,正定要求三者均大于 00。最严格条件是

2−3t2>0.2-3t^2>0.

因此

−23<t<23.\boxed{-\sqrt{\frac23}<t<\sqrt{\frac23}}.

A6-3 半正定与临界参数#

【24–25 真题】

沿用 A6-1。二次型半正定的条件为 ______;若题目要求“半正定但非正定”,则 t=t= ______。

答案与讲解

对实对称矩阵,半正定要求所有主子式非负。这里可得到

∣t∣≤23.\boxed{|t|\le\sqrt{\frac23}}.

其中严格不等号对应正定,故半正定但非正定时

t=±23.\boxed{t=\pm\sqrt{\frac23}}.

易错点:“半正定”在定义上包含正定情形;试卷连续设置“正定、半正定”两个空时,第二空通常意指半正定但非正定的临界值。

A6-4 判断负惯性指数#

【24–25 真题】

沿用 A6-1。当 ______ 时,二次型的负惯性指数为 11。

答案与讲解

当

∣t∣>23|t|>\sqrt{\frac23}

时,

∣A∣=2−3t2<0.|A|=2-3t^2<0.

三个特征值的乘积为负,因此负特征值个数为奇数。又

tr⁡A=6>0,\operatorname{tr}A=6>0,

不可能三个特征值全负,故恰有一个负特征值。

所以

t<−23或t>23.\boxed{t< -\sqrt{\frac23}\quad\text{或}\quad t>\sqrt{\frac23}}.

A6-5 正交变换化标准形#

【历年卷改编:2019–2020 春夏】

设

f=x12+x22+x32+x1x2+x1x3+x2x3.f=x_1^2+x_2^2+x_3^2+x_1x_2+x_1x_3+x_2x_3.

用正交变换化得的标准形为 ______,该二次型 ______(填正定/不定/半正定)。

答案与讲解

二次型矩阵为

A=(11/21/21/211/21/21/21).A=\begin{pmatrix} 1&1/2&1/2\\ 1/2&1&1/2\\ 1/2&1/2&1 \end{pmatrix}.

向量 (1,1,1)T(1,1,1)^T 对应特征值 22;与其正交的二维子空间对应特征值 1/21/2。

可取

q1=13(1,1,1)T,q_1=\frac1{\sqrt3}(1,1,1)^T,q2=12(1,−1,0)T,q_2=\frac1{\sqrt2}(1,-1,0)^T,q3=16(1,1,−2)T.q_3=\frac1{\sqrt6}(1,1,-2)^T.

于是标准形为

f=2y12+12y22+12y32,\boxed{f=2y_1^2+\frac12y_2^2+\frac12y_3^2},

故

f 正定.\boxed{f\text{ 正定}}.

A6-6 由行列式与迹判断惯性指数#

【历年卷改编:2020–2021 秋冬】

设

f=2x1x2−6x1x3+2x2x3.f=2x_1x_2-6x_1x_3+2x_2x_3.

该二次型的秩为 ______,正惯性指数为 ______,负惯性指数为 ______,规范形为 ______。

答案与讲解

对应矩阵为

A=(01−3101−310).A=\begin{pmatrix} 0&1&-3\\ 1&0&1\\ -3&1&0 \end{pmatrix}.

计算得

∣A∣=−6≠0,|A|=-6\ne0,

故

r(A)=3.\boxed{r(A)=3}.

特征值乘积为负,所以负特征值个数为奇数;又 tr⁡A=0\operatorname{tr}A=0,不可能三个特征值都负,因此负特征值恰有一个。

所以

p=2,q=1,\boxed{p=2,\qquad q=1},

规范形为

z12+z22−z32.\boxed{z_1^2+z_2^2-z_3^2}.

A6-7 合同矩阵的不变量#

【教材习题/例题改编】

若实对称矩阵 AA 与

D=diag⁡(2,−1,0,3)D=\operatorname{diag}(2,-1,0,3)

合同,则

r(A)=‾,p(A)=‾,q(A)=‾.r(A)=\underline{\qquad},\quad p(A)=\underline{\qquad},\quad q(A)=\underline{\qquad}.
答案与讲解

合同变换保持秩、正惯性指数和负惯性指数。

矩阵 DD 中有两个正数、一个负数和一个零,因此

r(A)=3,\boxed{r(A)=3},p(A)=2,\boxed{p(A)=2},q(A)=1.\boxed{q(A)=1}.

**区别:**相似保持特征值;合同一般不保持具体特征值,但保持惯性指数。

A6-8 对称对合矩阵与二次型#

【历年卷改编:2019–2020 秋冬】

设 AA 为 nn 阶实对称矩阵,满足

A2=E,r(A+E)=r,0<r<n.A^2=E, \qquad r(A+E)=r, \qquad 0<r<n.

则二次型 XTAXX^TAX 的规范形为 ______。若

B=E+A+A2+A3+A4,B=E+A+A^2+A^3+A^4,

则 ∣B∣=|B|= ______。

答案与讲解

由 A2=EA^2=E,AA 的特征值只能为 11 或 −1-1。在特征值 11 对应的特征子空间上,A+EA+E 的特征值为 22;在特征值 −1-1 对应的特征子空间上,A+EA+E 的特征值为 00。

所以特征值 11 的重数为 rr,特征值 −1-1 的重数为 n−rn-r。

规范形为

z12+⋯+zr2−zr+12−⋯−zn2.\boxed{z_1^2+\cdots+z_r^2-z_{r+1}^2-\cdots-z_n^2}.

对 BB,当 λ=1\lambda=1 时,

1+λ+λ2+λ3+λ4=5;1+\lambda+\lambda^2+\lambda^3+\lambda^4=5;

当 λ=−1\lambda=-1 时,该值为 11。

故

∣B∣=5r.\boxed{|B|=5^r}.

第二部分:证明题#

B1 秩、方程组与向量空间证明#

B1-1 非齐次方程组解的仿射组合#

【历年卷改编:2017–2018 春夏】

设 b≠0b\ne0,X1,…,XtX_1,\ldots,X_t 是非齐次线性方程组

AX=bAX=b

的 tt 个解。证明:

k1X1+⋯+ktXtk_1X_1+\cdots+k_tX_t

是 AX=bAX=b 的解,当且仅当

k1+⋯+kt=1.k_1+\cdots+k_t=1.
证明

记

X=k1X1+⋯+ktXt.X=k_1X_1+\cdots+k_tX_t.

由于 AXi=bAX_i=b,有

AX=A(∑i=1tkiXi)=∑i=1tkiAXi=(∑i=1tki)b.AX =A\left(\sum_{i=1}^t k_iX_i\right) =\sum_{i=1}^t k_iAX_i =\left(\sum_{i=1}^t k_i\right)b.

若

∑i=1tki=1,\sum_{i=1}^t k_i=1,

则 AX=bAX=b,所以 XX 是原方程组的解。

反过来,若 XX 是原方程组的解,则

(∑i=1tki)b=b,\left(\sum_{i=1}^t k_i\right)b=b,

即

(∑i=1tki−1)b=0.\left(\sum_{i=1}^t k_i-1\right)b=0.

因为 b≠0b\ne0,故

∑i=1tki=1.\sum_{i=1}^t k_i=1.

命题得证。

WARNING

若 b=0b=0,结论不成立:齐次方程组的解可以作任意线性组合,无须要求系数和为 11。

B1-2 向量组全部线性关系构成的子空间#

【历年卷改编:2017–2018 春夏】

设向量组 α1,…,αn\alpha_1,\ldots,\alpha_n 的秩为 rr,定义

W={(k1,…,kn)T∈Rn:∑i=1nkiαi=0}.W=\left\{(k_1,\ldots,k_n)^T\in\mathbb R^n: \sum_{i=1}^n k_i\alpha_i=0\right\}.

证明 WW 是 Rn\mathbb R^n 的子空间,并求 dim⁡W\dim W。

证明

定义线性映射

T:Rn→V,T:\mathbb R^n\to V,T(k1,…,kn)T=∑i=1nkiαi.T(k_1,\ldots,k_n)^T =\sum_{i=1}^n k_i\alpha_i.

由定义,

W=N(T).W=N(T).

线性映射的核一定是定义域的子空间,因此 WW 是 Rn\mathbb R^n 的子空间。

又因为

Im⁡T=L(α1,…,αn),\operatorname{Im}T=L(\alpha_1,\ldots,\alpha_n),

所以

r(T)=r.r(T)=r.

由秩—零度定理,

dim⁡W=dim⁡N(T)=n−r(T)=n−r.\dim W =\dim N(T) =n-r(T) =\boxed{n-r}.

B1-3 线性表示存在且唯一#

【历年卷改编:2017–2018 春夏】

设 α1,…,αr\alpha_1,\ldots,\alpha_r 线性无关,而

α1,…,αr,β\alpha_1,\ldots,\alpha_r,\beta

线性相关。证明:β\beta 可由 α1,…,αr\alpha_1,\ldots,\alpha_r 唯一线性表示。

证明

由于加入 β\beta 后向量组线性相关,存在不全为零的数

k1,…,kr,kk_1,\ldots,k_r,k

使

k1α1+⋯+krαr+kβ=0.k_1\alpha_1+\cdots+k_r\alpha_r+k\beta=0.

若 k=0k=0,则

k1α1+⋯+krαr=0.k_1\alpha_1+\cdots+k_r\alpha_r=0.

由 α1,…,αr\alpha_1,\ldots,\alpha_r 线性无关,得到

k1=⋯=kr=0,k_1=\cdots=k_r=0,

这与系数不全为零矛盾。因此 k≠0k\ne0,从而

β=−k1kα1−⋯−krkαr.\beta=-\frac{k_1}{k}\alpha_1-\cdots-\frac{k_r}{k}\alpha_r.

故线性表示存在。

再证明唯一性。若

β=∑i=1raiαi=∑i=1rbiαi,\beta=\sum_{i=1}^r a_i\alpha_i =\sum_{i=1}^r b_i\alpha_i,

则

∑i=1r(ai−bi)αi=0.\sum_{i=1}^r(a_i-b_i)\alpha_i=0.

由线性无关性得

ai−bi=0,a_i-b_i=0,

即 ai=bia_i=b_i。故表示唯一。

B1-4 秩为 rr 的矩阵的秩一分解#

【教材习题 3.5 与历年卷改编:2021–2022 秋冬】

证明:矩阵 AA 的秩为 rr,当且仅当存在两组线性无关列向量

α1,…,αr,β1,…,βr\alpha_1,\ldots,\alpha_r, \qquad \beta_1,\ldots,\beta_r

使

A=∑i=1rαiβiT.A=\sum_{i=1}^r\alpha_i\beta_i^T.
证明

必要性:

若 r(A)=rr(A)=r,取 AA 的列空间的一组基

α1,…,αr,\alpha_1,\ldots,\alpha_r,

令

U=(α1,…,αr).U=(\alpha_1,\ldots,\alpha_r).

AA 的每一列都可由这些基向量唯一表示,因此存在 r×nr\times n 矩阵 CC,使

A=UC.A=UC.

因为 r(A)=r(U)=rr(A)=r(U)=r,所以 r(C)=rr(C)=r,即 CC 的 rr 个行向量线性无关。将其记为

β1T,…,βrT.\beta_1^T,\ldots,\beta_r^T.

于是

A=UC=∑i=1rαiβiT.A=UC =\sum_{i=1}^r\alpha_i\beta_i^T.

并且 αi\alpha_i、βi\beta_i 分别线性无关。

充分性:

若

A=∑i=1rαiβiT,A=\sum_{i=1}^r\alpha_i\beta_i^T,

令

U=(α1,…,αr),V=(β1,…,βr),U=(\alpha_1,\ldots,\alpha_r), \qquad V=(\beta_1,\ldots,\beta_r),

则

A=UVT.A=UV^T.

由乘积秩不等式,

r(A)≤r.r(A)\le r.

因为 β1,…,βr\beta_1,\ldots,\beta_r 线性无关,VTV^T 行满秩,存在矩阵 RR 使

VTR=Er.V^TR=E_r.

于是

AR=UVTR=U.AR=UV^TR=U.

故

r(A)≥r(U)=r.r(A)\ge r(U)=r.

结合上下界得 r(A)=rr(A)=r。

B1-5 Frobenius 秩不等式#

【教材概要与历年卷改编:2020–2021 秋冬】

设矩阵乘法均有意义。证明 Frobenius 秩不等式:

r(AB)+r(BC)≤r(B)+r(ABC).r(AB)+r(BC)\le r(B)+r(ABC).
证明

把矩阵看作线性映射。记

U=Im⁡B,W=Im⁡(BC).U=\operatorname{Im}B, \qquad W=\operatorname{Im}(BC).

显然

W⊆U.W\subseteq U.

在 UU 上考虑线性映射 AA。有

r(AB)=dim⁡A(U),r(AB)=\dim A(U),r(ABC)=dim⁡A(W),r(ABC)=\dim A(W),r(B)=dim⁡U,r(B)=\dim U,r(BC)=dim⁡W.r(BC)=\dim W.

由于 W⊆UW\subseteq U,商空间中映射诱导出

dim⁡A(U)−dim⁡A(W)≤dim⁡U−dim⁡W.\dim A(U)-\dim A(W) \le \dim U- \dim W.

即

r(AB)−r(ABC)≤r(B)−r(BC).r(AB)-r(ABC) \le r(B)-r(BC).

移项即得

r(AB)+r(BC)≤r(B)+r(ABC).\boxed{r(AB)+r(BC)\le r(B)+r(ABC)}.
TIP

考试中若要求由 Frobenius 不等式推出其他结论,先尝试给 A,B,CA,B,C 代入 AkA^k、AA、AmA^m 等矩阵。

B1-6 由 AB=0AB=0 推出秩不等式#

【教材秩与方程组内容改编】

设 AA 为 m×nm\times n 矩阵,BB 为 n×pn\times p 矩阵,且

AB=0.AB=0.

证明:

r(A)+r(B)≤n.r(A)+r(B)\le n.
证明

对任意 x∈Rpx\in\mathbb R^p,有

A(Bx)=0.A(Bx)=0.

因此

Bx∈N(A).Bx\in N(A).

这说明

Im⁡B⊆N(A).\operatorname{Im}B\subseteq N(A).

取维数得

r(B)=dim⁡Im⁡B≤dim⁡N(A).r(B)=\dim\operatorname{Im}B \le\dim N(A).

由秩—零度定理,

dim⁡N(A)=n−r(A).\dim N(A)=n-r(A).

故

r(B)≤n−r(A),r(B)\le n-r(A),

即

r(A)+r(B)≤n.\boxed{r(A)+r(B)\le n}.

B1-7 两组基之间的过渡矩阵必可逆#

【教材 4.5 基变换内容改编】

设

(β1,…,βn)=(α1,…,αn)P,(\beta_1,\ldots,\beta_n) =(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)P,

其中两组向量均为线性空间 VV 的基。证明 PP 可逆,并推出坐标变换公式。

证明

设

Pc=0.Pc=0.

两边左乘基矩阵 (α1,…,αn)(\alpha_1, \ldots,\alpha_n),得到

(α1,…,αn)Pc=0.(\alpha_1,\ldots,\alpha_n)Pc=0.

由基变换关系,

(β1,…,βn)c=0.(\beta_1,\ldots,\beta_n)c=0.

因为 β1,…,βn\beta_1,\ldots,\beta_n 线性无关,所以

c=0.c=0.

因此齐次方程 Pc=0Pc=0 只有零解,PP 可逆。

对任意 x∈Vx\in V,有

x=(α)[x]α=(β)[x]β.x=(\alpha)[x]_\alpha=(\beta)[x]_\beta.

代入 (β)=(α)P(\beta)=(\alpha)P:

(α)[x]α=(α)P[x]β.(\alpha)[x]_\alpha =(\alpha)P[x]_\beta.

由基向量线性无关,坐标唯一,故

[x]α=P[x]β,\boxed{[x]_\alpha=P[x]_\beta},

从而

[x]β=P−1[x]α.\boxed{[x]_\beta=P^{-1}[x]_\alpha}.

B1-8 受约束像空间的维数#

【历年卷改编:2020–2021 秋冬】

设 AA 为 m×nm\times n 矩阵,BB 为 p×np\times n 矩阵,定义

W={AX∈Rm:BX=0}.W=\{AX\in\mathbb R^m:BX=0\}.

证明 WW 是 Rm\mathbb R^m 的子空间,并证明

dim⁡W=r(AB)−r(B).\dim W =r\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix}-r(B).
证明

令

K=N(B).K=N(B).

则

W=A(K),W=A(K),

即 WW 是子空间 KK 在线性映射 AA 下的像,因此 WW 是 Rm\mathbb R^m 的子空间。

考虑限制映射

A∣K:K→Rm.A|_K:K\to\mathbb R^m.

它的像为 WW,核为

N(A∣K)=K∩N(A)=N(A)∩N(B).N(A|_K)=K\cap N(A)=N(A)\cap N(B).

而

N(A)∩N(B)=N(AB).N(A)\cap N(B) =N\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix}.

由秩—零度定理,

dim⁡W=dim⁡K−dim⁡N(A∣K).\dim W =\dim K- \dim N(A|_K).

其中

dim⁡K=n−r(B),\dim K=n-r(B),dim⁡N(A∣K)=n−r(AB).\dim N(A|_K) =n-r\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix}.

故

dim⁡W=(n−r(B))−(n−r(AB)),\dim W =(n-r(B))- \left(n-r\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix}\right),

即

dim⁡W=r(AB)−r(B).\boxed{ \dim W=r\begin{pmatrix}A\\B\end{pmatrix}-r(B)}.

B2 特征值、正交矩阵与二次型证明#

B2-1 保持长度的矩阵是正交矩阵#

【历年卷改编:2016–2017 秋冬】

设 AA 为 nn 阶实矩阵,且对任意 x∈Rnx\in\mathbb R^n,均有

∥Ax∥=∥x∥.\|Ax\|=\|x\|.

证明 AA 是正交矩阵。

证明

由条件,对任意 xx,有

∥Ax∥2=∥x∥2.\|Ax\|^2=\|x\|^2.

因此

xTATAx=xTx,x^TA^TAx=x^Tx,

即

xT(ATA−E)x=0x^T(A^TA-E)x=0

对任意 xx 成立。

矩阵

S=ATA−ES=A^TA-E

是实对称矩阵。实对称矩阵满足

xTSx=0∀xx^TSx=0\quad\forall x

时只能有 S=0S=0。因此

ATA=E.A^TA=E.

故

A−1=AT,A^{-1}=A^T,

所以 AA 是正交矩阵。

B2-2 半正定矩阵的扰动判别#

【历年卷改编:2017–2018 秋冬】

设 AA 为 nn 阶实对称矩阵。证明:AA 半正定,当且仅当对任意 c>0c>0,矩阵

cE+AcE+A

正定。

证明

**充分方向:**若 AA 半正定,则对任意非零向量 xx,

xTAx≥0.x^TAx\ge0.

对任意 c>0c>0,

xT(cE+A)x=c∥x∥2+xTAx>0.x^T(cE+A)x =c\|x\|^2+x^TAx>0.

所以 cE+AcE+A 正定。

**必要方向:**设对任意 c>0c>0,cE+AcE+A 都正定。对任意向量 xx,有

xT(cE+A)x>0x^T(cE+A)x>0

(x≠0x\ne0 时)。即

xTAx>−c∥x∥2.x^TAx>-c\|x\|^2.

令 c→0+c\to0^+,得到

xTAx≥0.x^TAx\ge0.

因此 AA 半正定。

B2-3 对称矩阵与反对称矩阵的可逆性#

【历年卷改编:2017–2018 秋冬】

设 AA 为可逆实对称矩阵,BB 为实反对称矩阵,且

AB=BA.AB=BA.

证明 A−BA-B 可逆。

证明

因为 AA 可逆,

A−B=A(E−A−1B).A-B=A(E-A^{-1}B).

只需证明 E−A−1BE-A^{-1}B 可逆。

令

C=A−1B.C=A^{-1}B.

由 AB=BAAB=BA,可得 A−1B=BA−1A^{-1}B=BA^{-1}。又因为 A−1A^{-1} 仍为实对称矩阵,

CT=(A−1B)T=BT(A−1)T=−BA−1=−A−1B=−C.C^T =(A^{-1}B)^T =B^T(A^{-1})^T =-BA^{-1} =-A^{-1}B =-C.

所以 CC 是反对称矩阵。

若

(E−C)x=0,(E-C)x=0,

则 x=Cxx=Cx。两边左乘 xTx^T:

xTx=xTCx.x^Tx=x^TCx.

反对称矩阵满足 xTCx=0x^TCx=0,故

xTx=0,x^Tx=0,

从而 x=0x=0。因此 E−CE-C 的齐次方程只有零解,E−CE-C 可逆,进而 A−BA-B 可逆。

B2-4 正定矩阵乘实对称矩阵可对角化#

【历年卷改编:2020–2021 秋冬】

设 A,BA,B 都是 nn 阶实对称矩阵,且 AA 正定。证明 ABAB 可相似对角化,并且其特征值均为实数。

证明

因为 AA 正定,存在正定实对称矩阵 A1/2A^{1/2},满足

A1/2A1/2=A.A^{1/2}A^{1/2}=A.

考虑

C=A1/2BA1/2.C=A^{1/2}BA^{1/2}.

由于 A1/2A^{1/2} 与 BB 都实对称,

CT=(A1/2BA1/2)T=A1/2BA1/2=C.C^T =(A^{1/2}BA^{1/2})^T =A^{1/2}BA^{1/2}=C.

所以 CC 是实对称矩阵,必可正交对角化,且全部特征值为实数。

另一方面,

A−1/2(AB)A1/2=A1/2BA1/2=C.A^{-1/2}(AB)A^{1/2} =A^{1/2}BA^{1/2}=C.

因此 ABAB 与实对称矩阵 CC 相似。

相似矩阵有相同特征值,且可对角化性相同,所以 ABAB 可相似对角化,全部特征值均为实数。

B2-5 行列式为负的实对称矩阵必取负值#

【历年卷改编:2018–2019 秋冬】

设 AA 为 nn 阶实对称矩阵,且

∣A∣<0.|A|<0.

证明:存在非零实向量 xx,使

xTAx<0.x^TAx<0.
证明

实对称矩阵 AA 的全部特征值均为实数,记为

λ1,…,λn.\lambda_1,\ldots,\lambda_n.

又

∣A∣=λ1⋯λn<0.|A|=\lambda_1\cdots\lambda_n<0.

所以这些特征值中至少有一个负特征值。设

λk<0,\lambda_k<0,

取其对应的非零实特征向量 xx,则

Ax=λkx.Ax=\lambda_kx.

因此

xTAx=xT(λkx)=λk∥x∥2<0.x^TAx =x^T(\lambda_kx) =\lambda_k\|x\|^2<0.

命题得证。

B2-6 对称对合矩阵的惯性指数#

【历年卷改编:2019–2020 秋冬】

设 AA 为 nn 阶实对称矩阵,满足

A2=E,r(A+E)=r.A^2=E, \qquad r(A+E)=r.

证明二次型 XTAXX^TAX 的正惯性指数为 rr,负惯性指数为 n−rn-r。

证明

若 λ\lambda 是 AA 的特征值,则由 A2=EA^2=E,

λ2=1.\lambda^2=1.

因此

λ=1或λ=−1.\lambda=1\quad\text{或}\quad\lambda=-1.

因为 AA 为实对称矩阵,存在正交矩阵 QQ,使

QTAQ=diag⁡(λ1,…,λn).Q^TAQ=\operatorname{diag}(\lambda_1, \ldots,\lambda_n).

对 A+EA+E:

  • 当 λi=1\lambda_i=1 时,λi+1=2\lambda_i+1=2;
  • 当 λi=−1\lambda_i=-1 时,λi+1=0\lambda_i+1=0。

故

r(A+E)=特征值 1 的重数.r(A+E) =\text{特征值 }1\text{ 的重数}.

由题设 r(A+E)=rr(A+E)=r,可知 AA 有 rr 个正特征值 11,有 n−rn-r 个负特征值 −1-1。

所以二次型的正惯性指数为

r,\boxed{r},

负惯性指数为

n−r.\boxed{n-r}.

B2-7 正交矩阵的 Cayley 变换为反对称矩阵#

【历年卷改编:2020–2021 秋冬】

设 DD 为实正交矩阵,且 D+ED+E 可逆。矩阵方程

D(E+X)=E−XD(E+X)=E-X

有唯一解。证明该解 XX 为实反对称矩阵。

证明

展开方程:

D+DX=E−X.D+DX=E-X.

所以

(D+E)X=E−D.(D+E)X=E-D.

由于 D+ED+E 可逆,唯一解为

X=(D+E)−1(E−D).X=(D+E)^{-1}(E-D).

因为 DD 与 D+ED+E 以及 (D+E)−1(D+E)^{-1} 均可交换,也可写为

X=(E−D)(E+D)−1.X=(E-D)(E+D)^{-1}.

利用 DT=D−1D^T=D^{-1},

XT=(E−DT)(E+DT)−1=(E−D−1)(E+D−1)−1.X^T =(E-D^T)(E+D^T)^{-1} =(E-D^{-1})(E+D^{-1})^{-1}.

注意

E−D−1=−D−1(E−D),E-D^{-1}=-D^{-1}(E-D),E+D−1=D−1(E+D).E+D^{-1}=D^{-1}(E+D).

故

(E+D−1)−1=(E+D)−1D.(E+D^{-1})^{-1}=(E+D)^{-1}D.

于是

XT=−D−1(E−D)(E+D)−1D.X^T =-D^{-1}(E-D)(E+D)^{-1}D.

由于这些矩阵均为 DD 的有理函数,彼此可交换,因此

XT=−(E−D)(E+D)−1=−X.X^T=-(E-D)(E+D)^{-1}=-X.

故 XX 是反对称矩阵。

B2-8 XYXY 与 YXYX 有相同的特征多项式#

【历年卷改编:2016–2017 春夏】

设 X,YX,Y 为同阶方阵。证明 XYXY 与 YXYX 有相同的特征多项式,并由此证明

AB+BAB+B

与

BA+BBA+B

有相同的特征值。

证明

先证明 Sylvester 行列式恒等式:

∣E+UV∣=∣E+VU∣.|E+UV|=|E+VU|.

考虑分块矩阵

M=(EU−VE).M=\begin{pmatrix} E&U\\ -V&E \end{pmatrix}.

分别利用左上角与右下角单位块作分块消元,可得到

∣M∣=∣E+VU∣,|M|=|E+VU|,

同时也有

∣M∣=∣E+UV∣.|M|=|E+UV|.

故恒等式成立。

对任意 λ≠0\lambda\ne0,有

∣λE−XY∣=λn∣E−1λXY∣.|\lambda E-XY| =\lambda^n\left|E-\frac1\lambda XY\right|.

利用上述恒等式,

∣E−1λXY∣=∣E−1λYX∣.\left|E-\frac1\lambda XY\right| =\left|E-\frac1\lambda YX\right|.

因此

∣λE−XY∣=∣λE−YX∣.|\lambda E-XY| =|\lambda E-YX|.

两边都是关于 λ\lambda 的多项式,并且在无穷多个 λ≠0\lambda\ne0 上相等,所以恒等成立。故 XYXY 与 YXYX 有相同特征多项式。

令

X=A+E,Y=B.X=A+E, \qquad Y=B.

则

XY=(A+E)B=AB+B,XY=(A+E)B=AB+B,YX=B(A+E)=BA+B.YX=B(A+E)=BA+B.

因此二者有相同的特征多项式,从而有相同的特征值。


最后速记#

1. 方程组、秩与向量组#

AX=b 有解  ⟺  r(A)=r(A,b).AX=b\text{ 有解} \iff r(A)=r(A,b).dim⁡N(A)=n−r(A).\dim N(A)=n-r(A).b∈Col⁡(A)  ⟺  AX=b 有解.b\in\operatorname{Col}(A) \iff AX=b\text{ 有解}.

若 X0X_0 是非齐次方程组的一个特解,则

X=X0+N(A).X=X_0+N(A).

若 XiX_i 都是 AX=bAX=b 的解且 b≠0b\ne0,则

∑kiXi 是解  ⟺  ∑ki=1.\sum k_iX_i\text{ 是解} \iff\sum k_i=1.

2. 矩阵与行列式#

(AB)−1=B−1A−1.(AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}.(AB)T=BTAT.(AB)^T=B^TA^T.∣AB∣=∣A∣∣B∣.|AB|=|A||B|.A∗=∣A∣A−1(A 可逆).A^*=|A|A^{-1}\quad(A\text{ 可逆}).r(AB)≤min⁡{r(A),r(B)}.r(AB)\le\min\{r(A),r(B)\}.r(AB)≥r(A)+r(B)−nr(AB)\ge r(A)+r(B)-n

其中 nn 为乘积的中间维数。

3. 基、坐标与正交#

若

(β)=(α)P,(\beta)=(\alpha)P,

则

[x]α=P[x]β,[x]β=P−1[x]α.[x]_\alpha=P[x]_\beta, \qquad [x]_\beta=P^{-1}[x]_\alpha.

正交矩阵:

QTQ=E,Q−1=QT,∣Q∣=±1.Q^TQ=E, \qquad Q^{-1}=Q^T, \qquad |Q|=\pm1.

Schmidt 正交化:

βk=αk−∑j=1k−1(αk,βj)(βj,βj)βj.\beta_k =\alpha_k- \sum_{j=1}^{k-1} \frac{(\alpha_k,\beta_j)}{(\beta_j,\beta_j)}\beta_j.

4. 特征值与相似对角化#

Aα=λα,∣λE−A∣=0.A\alpha=\lambda\alpha, \qquad |\lambda E-A|=0.

若 B=P−1APB=P^{-1}AP,则 A,BA,B 有相同的:

  • 特征多项式;
  • 特征值;
  • 行列式;
  • 迹;
  • 秩。
A 可对角化  ⟺  A 有 n 个线性无关特征向量.A\text{ 可对角化} \iff A\text{ 有 }n\text{ 个线性无关特征向量}.

实对称矩阵一定能正交对角化:

QTAQ=diag⁡(λ1,…,λn).Q^TAQ=\operatorname{diag}(\lambda_1, \ldots,\lambda_n).

5. 二次型#

f(X)=XTAX,f(X)=X^TAX,

其中 AA 取实对称矩阵。交叉项 2aijxixj2a_{ij}x_ix_j 对应矩阵元素 aija_{ij}。

变量替换 X=CYX=CY 后:

f=YTCTACY.f=Y^TC^TACY.

合同变换保持:

  • 秩;
  • 正惯性指数;
  • 负惯性指数。

正定的 Sylvester 判别:

Δ1>0,Δ2>0,⋯ ,Δn>0.\Delta_1>0,\quad\Delta_2>0,\quad\cdots,\quad\Delta_n>0.

负定判别:

(−1)kΔk>0,k=1,…,n.(-1)^k\Delta_k>0, \qquad k=1,\ldots,n.
WARNING

最后排雷

  1. 非齐次方程组的解集通常不是子空间;
  2. “半正定”按定义包含正定,连续设空时要看题目是否要求临界情形;
  3. 过渡矩阵与坐标变换方向相反;
  4. 相似用 P−1APP^{-1}AP,合同用 CTACC^TAC;
  5. 求三阶特征多项式时,先观察哪一行或哪一列零最多,再按行列式直接展开;
  6. 重特征值能否对角化,要比较几何重数与代数重数;
  7. 正交对角化中的 PP 必须由单位正交特征向量组成。

题目来源使用说明#

本笔记的内容筛选依据为:

  1. 2024–2025 春夏卷的填空题结构与知识点分布;
  2. 教材第 1–6 章的例题、习题和核心定理;
  3. 2016–2022 历年卷中可迁移到新题型的计算与证明方法;
  4. 复习大纲中列出的第一优先级内容:方程组解结构、向量组与秩、子空间与坐标、特征值与对角化、二次型与正定性。

旧卷中的超长计算和偏技巧题已主动压缩;保留的是能够改造成当前“短填空 + 单证明”形式的核心方法。

LinearAlgebra-Final:线性代数期末复习刷题
https://www.sleepyfish2031.top/posts/课程笔记/线性代数/期末复习刷题/
作者
Sleepyfish
发布于
2026-06-30
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0