数据科学、考研数学必备公式汇总

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北山啦 发表于 2021/06/08 14:10:31 2021/06/08
【摘要】 数据科学、考研数学必备公式汇总

数据科学线性代数公式汇总

数据科学、考研数学必备公式汇总。高等数学、线性代数、概率论与数理统计

线性代数

在这里插入图片描述

行列式

1.行列式按行(列)展开定理

(1) 设 A = ( a i j ) n × n A = ( a_{{ij}} )_{n \times n} ,则: a i 1 A j 1 + a i 2 A j 2 + ⋯ + a i n A j n = { ∣ A ∣ , i = j 0 , i ≠ j a_{i1}A_{j1} +a_{i2}A_{j2} + \cdots + a_{{in}}A_{{jn}} = \begin{cases}|A|,i=j\\ 0,i \neq j\end{cases}

或 a 1 i A 1 j + a 2 i A 2 j + ⋯ + a n i A n j = { ∣ A ∣ , i = j 0 , i ≠ j a_{1i}A_{1j} + a_{2i}A_{2j} + \cdots + a_{{ni}}A_{{nj}} = \begin{cases}|A|,i=j\\ 0,i \neq j\end{cases} 即 A A ∗ = A ∗ A = ∣ A ∣ E , AA^{*} = A^{*}A = \left| A \right|E, 其中: A ∗ = ( A 11 A 12 … A 1 n A 21 A 22 … A 2 n … … … … A n 1 A n 2 … A n n ) = ( A j i ) = ( A i j ) T A^{*} = \begin{pmatrix} A_{11} & A_{12} & \ldots & A_{1n} \\ A_{21} & A_{22} & \ldots & A_{2n} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ A_{n1} & A_{n2} & \ldots & A_{{nn}} \\ \end{pmatrix} = (A_{{ji}}) = {(A_{{ij}})}^{T}

D n = ∣ 1 1 … 1 x 1 x 2 … x n … … … … x 1 n − 1 x 2 n − 1 … x n n − 1 ∣ = ∏ 1 ≤ j < i ≤ n   ( x i − x j ) D_{n} = \begin{vmatrix} 1 & 1 & \ldots & 1 \\ x_{1} & x_{2} & \ldots & x_{n} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_{1}^{n - 1} & x_{2}^{n - 1} & \ldots & x_{n}^{n - 1} \\ \end{vmatrix} = \prod_{1 \leq j < i \leq n}^{}\,(x_{i} - x_{j})

(2) 设 A , B A,B 为 n n 阶方阵,则 ∣ A B ∣ = ∣ A ∣ ∣ B ∣ = ∣ B ∣ ∣ A ∣ = ∣ B A ∣ \left| {AB} \right| = \left| A \right|\left| B \right| = \left| B \right|\left| A \right| = \left| {BA} \right| ,但 ∣ A ± B ∣ = ∣ A ∣ ± ∣ B ∣ \left| A \pm B \right| = \left| A \right| \pm \left| B \right| 不一定成立。

(3) ∣ k A ∣ = k n ∣ A ∣ \left| {kA} \right| = k^{n}\left| A \right| , A A 为 n n 阶方阵。

(4) 设 A A 为 n n 阶方阵, ∣ A T ∣ = ∣ A ∣ ; ∣ A − 1 ∣ = ∣ A ∣ − 1 |A^{T}| = |A|;|A^{- 1}| = |A|^{- 1} (若 A A 可逆), ∣ A ∗ ∣ = ∣ A ∣ n − 1 |A^{*}| = |A|^{n - 1}

n ≥ 2 n \geq 2

(5) ∣ A O O B ∣ = ∣ A C O B ∣ = ∣ A O C B ∣ = ∣ A ∣ ∣ B ∣ \left| \begin{matrix} & {A\quad O} \\ & {O\quad B} \\ \end{matrix} \right| = \left| \begin{matrix} & {A\quad C} \\ & {O\quad B} \\ \end{matrix} \right| = \left| \begin{matrix} & {A\quad O} \\ & {C\quad B} \\ \end{matrix} \right| =| A||B|
, A , B A,B 为方阵,但 ∣ O A m × m B n × n O ∣ = ( − 1 ) m n ∣ A ∣ ∣ B ∣ \left| \begin{matrix} {O} & A_{m \times m} \\ B_{n \times n} & { O} \\ \end{matrix} \right| = ({- 1)}^{{mn}}|A||B| 。

(6) 范德蒙行列式 D n = ∣ 1 1 … 1 x 1 x 2 … x n … … … … x 1 n − 1 x 2 n 1 … x n n − 1 ∣ = ∏ 1 ≤ j < i ≤ n   ( x i − x j ) D_{n} = \begin{vmatrix} 1 & 1 & \ldots & 1 \\ x_{1} & x_{2} & \ldots & x_{n} \\ \ldots & \ldots & \ldots & \ldots \\ x_{1}^{n - 1} & x_{2}^{n 1} & \ldots & x_{n}^{n - 1} \\ \end{vmatrix} = \prod_{1 \leq j < i \leq n}^{}\,(x_{i} - x_{j})

设 A A 是 n n 阶方阵, λ i ( i = 1 , 2 ⋯   , n ) \lambda_{i}(i = 1,2\cdots,n) 是 A A 的 n n 个特征值,则
∣ A ∣ = ∏ i = 1 n λ i |A| = \prod_{i = 1}^{n}\lambda_{i}

矩阵

矩阵: m × n m \times n 个数 a i j a_{{ij}} 排成 m m 行 n n 列的表格 [ a 11 a 12 ⋯ a 1 n a 21 a 22 ⋯ a 2 n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a m 1 a m 2 ⋯ a m n ] \begin{bmatrix} a_{11}\quad a_{12}\quad\cdots\quad a_{1n} \\ a_{21}\quad a_{22}\quad\cdots\quad a_{2n} \\ \quad\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots \\ a_{m1}\quad a_{m2}\quad\cdots\quad a_{{mn}} \\ \end{bmatrix} 称为矩阵,简记为 A A ,或者 ( a i j ) m × n \left( a_{{ij}} \right)_{m \times n} 。若 m = n m = n ,则称 A A 是 n n 阶矩阵或 n n 阶方阵。

矩阵的线性运算

1.矩阵的加法

设 A = ( a i j ) , B = ( b i j ) A = (a_{{ij}}),B = (b_{{ij}}) 是两个 m × n m \times n 矩阵,则 m × n m \times n 矩阵 C = c i j ) = a i j + b i j C = c_{{ij}}) = a_{{ij}} + b_{{ij}} 称为矩阵 A A 与 B B 的和,记为 A + B = C A + B = C 。

2.矩阵的数乘

设 A = ( a i j ) A = (a_{{ij}}) 是 m × n m \times n 矩阵, k k 是一个常数,则 m × n m \times n 矩阵 ( k a i j ) (ka_{{ij}}) 称为数 k k 与矩阵 A A 的数乘,记为 k A {kA} 。

3.矩阵的乘法

设 A = ( a i j ) A = (a_{{ij}}) 是 m × n m \times n 矩阵, B = ( b i j ) B = (b_{{ij}}) 是 n × s n \times s 矩阵,那么 m × s m \times s 矩阵 C = ( c i j ) C = (c_{{ij}}) ,其中 c i j = a i 1 b 1 j + a i 2 b 2 j + ⋯ + a i n b n j = ∑ k = 1 n a i k b k j c_{{ij}} = a_{i1}b_{1j} + a_{i2}b_{2j} + \cdots + a_{{in}}b_{{nj}} = \sum_{k =1}^{n}{a_{{ik}}b_{{kj}}} 称为 A B {AB} 的乘积,记为 C = A B C = AB 。

4. A T \mathbf{A}^{\mathbf{T}} 、 A − 1 \mathbf{A}^{\mathbf{-1}} 、 A ∗ \mathbf{A}^{\mathbf{*}} 三者之间的关系

(1) ( A T ) T = A , ( A B ) T = B T A T , ( k A ) T = k A T , ( A ± B ) T = A T ± B T {(A^{T})}^{T} = A,{(AB)}^{T} = B^{T}A^{T},{(kA)}^{T} = kA^{T},{(A \pm B)}^{T} = A^{T} \pm B^{T}

(2) ( A − 1 ) − 1 = A , ( A B ) − 1 = B − 1 A − 1 , ( k A ) − 1 = 1 k A − 1 , \left( A^{- 1} \right)^{- 1} = A,\left( {AB} \right)^{- 1} = B^{- 1}A^{- 1},\left( {kA} \right)^{- 1} = \frac{1}{k}A^{- 1},

但 ( A ± B ) − 1 = A − 1 ± B − 1 {(A \pm B)}^{- 1} = A^{- 1} \pm B^{- 1} 不一定成立。

(3) ( A ∗ ) ∗ = ∣ A ∣ n − 2   A    ( n ≥ 3 ) \left( A^{*} \right)^{*} = |A|^{n - 2}\ A\ \ (n \geq 3) , ( A B ) ∗ = B ∗ A ∗ , \left({AB} \right)^{*} = B^{*}A^{*}, ( k A ) ∗ = k n − 1 A ∗    ( n ≥ 2 ) \left( {kA} \right)^{*} = k^{n -1}A^{*}{\ \ }\left( n \geq 2 \right)

但 ( A ± B ) ∗ = A ∗ ± B ∗ \left( A \pm B \right)^{*} = A^{*} \pm B^{*} 不一定成立。

(4) ( A − 1 ) T = ( A T ) − 1 ,   ( A − 1 ) ∗ = ( A A ∗ ) − 1 , ( A ∗ ) T = ( A T ) ∗ {(A^{- 1})}^{T} = {(A^{T})}^{- 1},\ \left( A^{- 1} \right)^{*} ={(AA^{*})}^{- 1},{(A^{*})}^{T} = \left( A^{T} \right)^{*}

5.有关 A ∗ \mathbf{A}^{\mathbf{*}} 的结论

(1) A A ∗ = A ∗ A = ∣ A ∣ E AA^{*} = A^{*}A = |A|E

(2) ∣ A ∗ ∣ = ∣ A ∣ n − 1   ( n ≥ 2 ) ,      ( k A ) ∗ = k n − 1 A ∗ ,    ( A ∗ ) ∗ = ∣ A ∣ n − 2 A ( n ≥ 3 ) |A^{*}| = |A|^{n - 1}\ (n \geq 2),\ \ \ \ {(kA)}^{*} = k^{n -1}A^{*},{{\ \ }\left( A^{*} \right)}^{*} = |A|^{n - 2}A(n \geq 3)

(3) 若 A A 可逆,则 A ∗ = ∣ A ∣ A − 1 , ( A ∗ ) ∗ = 1 ∣ A ∣ A A^{*} = |A|A^{- 1},{(A^{*})}^{*} = \frac{1}{|A|}A

(4) 若 A A 为 n n 阶方阵,则:

r ( A ∗ ) = { n , r ( A ) = n 1 , r ( A ) = n − 1 0 , r ( A ) < n − 1 r(A^*)=\begin{cases}n,\quad r(A)=n\\ 1,\quad r(A)=n-1\\ 0,\quad r(A)<n-1\end{cases}

6.有关 A − 1 \mathbf{A}^{\mathbf{- 1}} 的结论

A A 可逆 ⇔ A B = E ; ⇔ ∣ A ∣ ≠ 0 ; ⇔ r ( A ) = n ; \Leftrightarrow AB = E; \Leftrightarrow |A| \neq 0; \Leftrightarrow r(A) = n;

⇔ A \Leftrightarrow A 可以表示为初等矩阵的乘积; ⇔ A ; ⇔ A x = 0 \Leftrightarrow A;\Leftrightarrow Ax = 0 。

7.有关矩阵秩的结论

(1) 秩 r ( A ) r(A) =行秩=列秩;

(2) r ( A m × n ) ≤ min ⁡ ( m , n ) ; r(A_{m \times n}) \leq \min(m,n);

(3) A ≠ 0 ⇒ r ( A ) ≥ 1 A \neq 0 \Rightarrow r(A) \geq 1 ;

(4) r ( A ± B ) ≤ r ( A ) + r ( B ) ; r(A \pm B) \leq r(A) + r(B);

(5) 初等变换不改变矩阵的秩

(6) r ( A ) + r ( B ) − n ≤ r ( A B ) ≤ min ⁡ ( r ( A ) , r ( B ) ) , r(A) + r(B) - n \leq r(AB) \leq \min(r(A),r(B)), 特别若 A B = O AB = O
则: r ( A ) + r ( B ) ≤ n r(A) + r(B) \leq n

(7) 若 A − 1 A^{- 1} 存在 ⇒ r ( A B ) = r ( B ) ; \Rightarrow r(AB) = r(B); 若 B − 1 B^{- 1} 存在
⇒ r ( A B ) = r ( A ) ; \Rightarrow r(AB) = r(A);

若 r ( A m × n ) = n ⇒ r ( A B ) = r ( B ) ; r(A_{m \times n}) = n \Rightarrow r(AB) = r(B); 若 r ( A m × s ) = n ⇒ r ( A B ) = r ( A ) r(A_{m \times s}) = n\Rightarrow r(AB) = r\left( A \right) 。

(8) r ( A m × s ) = n ⇔ A x = 0 r(A_{m \times s}) = n \Leftrightarrow Ax = 0 只有零解

8.分块求逆公式

( A O O B ) − 1 = ( A − 1 O O B − 1 ) \begin{pmatrix} A & O \\ O & B \\ \end{pmatrix}^{- 1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & O \\ O & B^{- 1} \\ \end{pmatrix} ; ( A C O B ) − 1 = ( A − 1 − A − 1 C B − 1 O B − 1 ) \begin{pmatrix} A & C \\ O & B \\\end{pmatrix}^{- 1} = \begin{pmatrix} A^{- 1}& - A^{- 1}CB^{- 1} \\ O & B^{- 1} \\ \end{pmatrix} ;

( A O C B ) − 1 = ( A − 1 O − B − 1 C A − 1 B − 1 ) \begin{pmatrix} A & O \\ C & B \\ \end{pmatrix}^{- 1} = \begin{pmatrix} A^{- 1}&{O} \\ - B^{- 1}CA^{- 1} & B^{- 1} \\\end{pmatrix} ; ( O A B O ) − 1 = ( O B − 1 A − 1 O ) \begin{pmatrix} O & A \\ B & O \\ \end{pmatrix}^{- 1} =\begin{pmatrix} O & B^{- 1} \\ A^{- 1} & O \\ \end{pmatrix}

这里 A A , B B 均为可逆方阵。

向量

1.有关向量组的线性表示

(1) α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 线性相关 ⇔ \Leftrightarrow 至少有一个向量可以用其余向量线性表示。

(2) α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 线性无关, α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} , β \beta 线性相关 ⇔ β \Leftrightarrow \beta 可以由 α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 唯一线性表示。

(3) β \beta 可以由 α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 线性表示
⇔ r ( α 1 , α 2 , ⋯   , α s ) = r ( α 1 , α 2 , ⋯   , α s , β ) \Leftrightarrow r(\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}) =r(\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s},\beta) 。

2.有关向量组的线性相关性

(1)部分相关,整体相关;整体无关,部分无关.

(2) ① n n 个 n n 维向量
α 1 , α 2 ⋯ α n \alpha_{1},\alpha_{2}\cdots\alpha_{n} 线性无关 ⇔ ∣ [ α 1 α 2 ⋯ α n ] ∣ ≠ 0 \Leftrightarrow \left|\left\lbrack \alpha_{1}\alpha_{2}\cdots\alpha_{n} \right\rbrack \right| \neq0 , n n 个 n n 维向量 α 1 , α 2 ⋯ α n \alpha_{1},\alpha_{2}\cdots\alpha_{n} 线性相关
⇔ ∣ [ α 1 , α 2 , ⋯   , α n ] ∣ = 0 \Leftrightarrow |\lbrack\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n}\rbrack| = 0
。

② n + 1 n + 1 个 n n 维向量线性相关。

③ 若 α 1 , α 2 ⋯ α S \alpha_{1},\alpha_{2}\cdots\alpha_{S} 线性无关,则添加分量后仍线性无关;或一组向量线性相关,去掉某些分量后仍线性相关。

3.有关向量组的线性表示

(1) α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 线性相关 ⇔ \Leftrightarrow 至少有一个向量可以用其余向量线性表示。

(2) α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 线性无关, α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} , β \beta 线性相关 ⇔ β \Leftrightarrow\beta 可以由 α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 唯一线性表示。

(3) β \beta 可以由 α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 线性表示
⇔ r ( α 1 , α 2 , ⋯   , α s ) = r ( α 1 , α 2 , ⋯   , α s , β ) \Leftrightarrow r(\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s}) =r(\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s},\beta)

4.向量组的秩与矩阵的秩之间的关系

设 r ( A m × n ) = r r(A_{m \times n}) =r ,则 A A 的秩 r ( A ) r(A) 与 A A 的行列向量组的线性相关性关系为:

(1) 若 r ( A m × n ) = r = m r(A_{m \times n}) = r = m ,则 A A 的行向量组线性无关。

(2) 若 r ( A m × n ) = r < m r(A_{m \times n}) = r < m ,则 A A 的行向量组线性相关。

(3) 若 r ( A m × n ) = r = n r(A_{m \times n}) = r = n ,则 A A 的列向量组线性无关。

(4) 若 r ( A m × n ) = r < n r(A_{m \times n}) = r < n ,则 A A 的列向量组线性相关。

5. n \mathbf{n} 维向量空间的基变换公式及过渡矩阵

若 α 1 , α 2 , ⋯   , α n \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n} 与 β 1 , β 2 , ⋯   , β n \beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n} 是向量空间 V V 的两组基,则基变换公式为:

( β 1 , β 2 , ⋯   , β n ) = ( α 1 , α 2 , ⋯   , α n ) [ c 11 c 12 ⋯ c 1 n c 21 c 22 ⋯ c 2 n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ c n 1 c n 2 ⋯ c n n ] = ( α 1 , α 2 , ⋯   , α n ) C (\beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n}) = (\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n})\begin{bmatrix} c_{11}& c_{12}& \cdots & c_{1n} \\ c_{21}& c_{22}&\cdots & c_{2n} \\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ c_{n1}& c_{n2} & \cdots & c_{{nn}} \\\end{bmatrix} = (\alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n})C

其中 C C 是可逆矩阵,称为由基 α 1 , α 2 , ⋯   , α n \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n} 到基 β 1 , β 2 , ⋯   , β n \beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n} 的过渡矩阵。

6.坐标变换公式

若向量 γ \gamma 在基 α 1 , α 2 , ⋯   , α n \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n} 与基 β 1 , β 2 , ⋯   , β n \beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n} 的坐标分别是
X = ( x 1 , x 2 , ⋯   , x n ) T X = {(x_{1},x_{2},\cdots,x_{n})}^{T} ,

Y = ( y 1 , y 2 , ⋯   , y n ) T Y = \left( y_{1},y_{2},\cdots,y_{n} \right)^{T} 即: γ = x 1 α 1 + x 2 α 2 + ⋯ + x n α n = y 1 β 1 + y 2 β 2 + ⋯ + y n β n \gamma =x_{1}\alpha_{1} + x_{2}\alpha_{2} + \cdots + x_{n}\alpha_{n} = y_{1}\beta_{1} +y_{2}\beta_{2} + \cdots + y_{n}\beta_{n} ,则向量坐标变换公式为 X = C Y X = CY 或 Y = C − 1 X Y = C^{- 1}X ,其中 C C 是从基 α 1 , α 2 , ⋯   , α n \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n} 到基 β 1 , β 2 , ⋯   , β n \beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{n} 的过渡矩阵。

7.向量的内积

( α , β ) = a 1 b 1 + a 2 b 2 + ⋯ + a n b n = α T β = β T α (\alpha,\beta) = a_{1}b_{1} + a_{2}b_{2} + \cdots + a_{n}b_{n} = \alpha^{T}\beta = \beta^{T}\alpha

8.Schmidt正交化

若 α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} 线性无关,则可构造 β 1 , β 2 , ⋯   , β s \beta_{1},\beta_{2},\cdots,\beta_{s} 使其两两正交,且 β i \beta_{i} 仅是 α 1 , α 2 , ⋯   , α i \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{i} 的线性组合 ( i = 1 , 2 , ⋯   , n ) (i= 1,2,\cdots,n) ,再把 β i \beta_{i} 单位化,记 γ i = β i ∣ β i ∣ \gamma_{i} =\frac{\beta_{i}}{\left| \beta_{i}\right|} ,则 γ 1 , γ 2 , ⋯   , γ i \gamma_{1},\gamma_{2},\cdots,\gamma_{i} 是规范正交向量组。其中
β 1 = α 1 \beta_{1} = \alpha_{1} , β 2 = α 2 − ( α 2 , β 1 ) ( β 1 , β 1 ) β 1 \beta_{2} = \alpha_{2} -\frac{(\alpha_{2},\beta_{1})}{(\beta_{1},\beta_{1})}\beta_{1} , β 3 = α 3 − ( α 3 , β 1 ) ( β 1 , β 1 ) β 1 − ( α 3 , β 2 ) ( β 2 , β 2 ) β 2 \beta_{3} =\alpha_{3} - \frac{(\alpha_{3},\beta_{1})}{(\beta_{1},\beta_{1})}\beta_{1} -\frac{(\alpha_{3},\beta_{2})}{(\beta_{2},\beta_{2})}\beta_{2} ,

…

β s = α s − ( α s , β 1 ) ( β 1 , β 1 ) β 1 − ( α s , β 2 ) ( β 2 , β 2 ) β 2 − ⋯ − ( α s , β s − 1 ) ( β s − 1 , β s − 1 ) β s − 1 \beta_{s} = \alpha_{s} - \frac{(\alpha_{s},\beta_{1})}{(\beta_{1},\beta_{1})}\beta_{1} - \frac{(\alpha_{s},\beta_{2})}{(\beta_{2},\beta_{2})}\beta_{2} - \cdots - \frac{(\alpha_{s},\beta_{s - 1})}{(\beta_{s - 1},\beta_{s - 1})}\beta_{s - 1}

9.正交基及规范正交基

向量空间一组基中的向量如果两两正交,就称为正交基;若正交基中每个向量都是单位向量,就称其为规范正交基。

线性方程组

1.克莱姆法则

线性方程组 { a 11 x 1 + a 12 x 2 + ⋯ + a 1 n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + ⋯ + a 2 n x n = b 2 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a n 1 x 1 + a n 2 x 2 + ⋯ + a n n x n = b n \begin{cases} a_{11}x_{1} + a_{12}x_{2} + \cdots +a_{1n}x_{n} = b_{1} \\ a_{21}x_{1} + a_{22}x_{2} + \cdots + a_{2n}x_{n} =b_{2} \\ \quad\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots \\ a_{n1}x_{1} + a_{n2}x_{2} + \cdots + a_{{nn}}x_{n} = b_{n} \\ \end{cases} ,如果系数行列式 D = ∣ A ∣ ≠ 0 D = \left| A \right| \neq 0 ,则方程组有唯一解, x 1 = D 1 D , x 2 = D 2 D , ⋯   , x n = D n D x_{1} = \frac{D_{1}}{D},x_{2} = \frac{D_{2}}{D},\cdots,x_{n} =\frac{D_{n}}{D} ,其中 D j D_{j} 是把 D D 中第 j j 列元素换成方程组右端的常数列所得的行列式。

2. n n 阶矩阵 A A 可逆 ⇔ A x = 0 \Leftrightarrow Ax = 0 只有零解。 ⇔ ∀ b , A x = b \Leftrightarrow\forall b,Ax = b 总有唯一解,一般地, r ( A m × n ) = n ⇔ A x = 0 r(A_{m \times n}) = n \Leftrightarrow Ax= 0 只有零解。

3.非奇次线性方程组有解的充分必要条件,线性方程组解的性质和解的结构

(1) 设 A A 为 m × n m \times n 矩阵,若 r ( A m × n ) = m r(A_{m \times n}) = m ,则对 A x = b Ax =b 而言必有 r ( A ) = r ( A ⋮ b ) = m r(A) = r(A \vdots b) = m ,从而 A x = b Ax = b 有解。

(2) 设 x 1 , x 2 , ⋯ x s x_{1},x_{2},\cdots x_{s} 为 A x = b Ax = b 的解,则 k 1 x 1 + k 2 x 2 ⋯ + k s x s k_{1}x_{1} + k_{2}x_{2}\cdots + k_{s}x_{s} 当 k 1 + k 2 + ⋯ + k s = 1 k_{1} + k_{2} + \cdots + k_{s} = 1 时仍为 A x = b Ax =b 的解;但当 k 1 + k 2 + ⋯ + k s = 0 k_{1} + k_{2} + \cdots + k_{s} = 0 时,则为 A x = 0 Ax =0 的解。特别 x 1 + x 2 2 \frac{x_{1} + x_{2}}{2} 为 A x = b Ax = b 的解; 2 x 3 − ( x 1 + x 2 ) 2x_{3} - (x_{1} +x_{2}) 为 A x = 0 Ax = 0 的解。

(3) 非齐次线性方程组 A x = b {Ax} = b 无解 ⇔ r ( A ) + 1 = r ( A ‾ ) ⇔ b \Leftrightarrow r(A) + 1 =r(\overline{A}) \Leftrightarrow b 不能由 A A 的列向量 α 1 , α 2 , ⋯   , α n \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{n} 线性表示。

4.奇次线性方程组的基础解系和通解,解空间,非奇次线性方程组的通解

(1) 齐次方程组 A x = 0 {Ax} = 0 恒有解(必有零解)。当有非零解时,由于解向量的任意线性组合仍是该齐次方程组的解向量,因此 A x = 0 {Ax}= 0 的全体解向量构成一个向量空间,称为该方程组的解空间,解空间的维数是 n − r ( A ) n - r(A) ,解空间的一组基称为齐次方程组的基础解系。

(2) η 1 , η 2 , ⋯   , η t \eta_{1},\eta_{2},\cdots,\eta_{t} 是 A x = 0 {Ax} = 0 的基础解系,即:

  1. η 1 , η 2 , ⋯   , η t \eta_{1},\eta_{2},\cdots,\eta_{t} 是 A x = 0 {Ax} = 0 的解;

  2. η 1 , η 2 , ⋯   , η t \eta_{1},\eta_{2},\cdots,\eta_{t} 线性无关;

  3. A x = 0 {Ax} = 0 的任一解都可以由 η 1 , η 2 , ⋯   , η t \eta_{1},\eta_{2},\cdots,\eta_{t} 线性表出.
    k 1 η 1 + k 2 η 2 + ⋯ + k t η t k_{1}\eta_{1} + k_{2}\eta_{2} + \cdots + k_{t}\eta_{t} 是 A x = 0 {Ax} = 0 的通解,其中 k 1 , k 2 , ⋯   , k t k_{1},k_{2},\cdots,k_{t} 是任意常数。

矩阵的特征值和特征向量

1.矩阵的特征值和特征向量的概念及性质

(1) 设 λ \lambda 是 A A 的一个特征值,则 k A , a A + b E , A 2 , A m , f ( A ) , A T , A − 1 , A ∗ {kA},{aA} + {bE},A^{2},A^{m},f(A),A^{T},A^{- 1},A^{*} 有一个特征值分别为
k λ , a λ + b , λ 2 , λ m , f ( λ ) , λ , λ − 1 , ∣ A ∣ λ , {kλ},{aλ} + b,\lambda^{2},\lambda^{m},f(\lambda),\lambda,\lambda^{- 1},\frac{|A|}{\lambda}, 且对应特征向量相同( A T A^{T} 例外)。

(2)若 λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ n \lambda_{1},\lambda_{2},\cdots,\lambda_{n} 为 A A 的 n n 个特征值,则 ∑ i = 1 n λ i = ∑ i = 1 n a i i , ∏ i = 1 n λ i = ∣ A ∣ \sum_{i= 1}^{n}\lambda_{i} = \sum_{i = 1}^{n}a_{{ii}},\prod_{i = 1}^{n}\lambda_{i}= |A| ,从而 ∣ A ∣ ≠ 0 ⇔ A |A| \neq 0 \Leftrightarrow A 没有特征值。

(3)设 λ 1 , λ 2 , ⋯   , λ s \lambda_{1},\lambda_{2},\cdots,\lambda_{s} 为 A A 的 s s 个特征值,对应特征向量为 α 1 , α 2 , ⋯   , α s \alpha_{1},\alpha_{2},\cdots,\alpha_{s} ,

若: α = k 1 α 1 + k 2 α 2 + ⋯ + k s α s \alpha = k_{1}\alpha_{1} + k_{2}\alpha_{2} + \cdots + k_{s}\alpha_{s} ,

则: A n α = k 1 A n α 1 + k 2 A n α 2 + ⋯ + k s A n α s = k 1 λ 1 n α 1 + k 2 λ 2 n α 2 + ⋯ k s λ s n α s A^{n}\alpha = k_{1}A^{n}\alpha_{1} + k_{2}A^{n}\alpha_{2} + \cdots +k_{s}A^{n}\alpha_{s} = k_{1}\lambda_{1}^{n}\alpha_{1} +k_{2}\lambda_{2}^{n}\alpha_{2} + \cdots k_{s}\lambda_{s}^{n}\alpha_{s} 。

2.相似变换、相似矩阵的概念及性质

(1) 若 A ∼ B A \sim B ,则

  1. A T ∼ B T , A − 1 ∼ B − 1 , , A ∗ ∼ B ∗ A^{T} \sim B^{T},A^{- 1} \sim B^{- 1},,A^{*} \sim B^{*}

  2. ∣ A ∣ = ∣ B ∣ , ∑ i = 1 n A i i = ∑ i = 1 n b i i , r ( A ) = r ( B ) |A| = |B|,\sum_{i = 1}^{n}A_{{ii}} = \sum_{i =1}^{n}b_{{ii}},r(A) = r(B)

  3. ∣ λ E − A ∣ = ∣ λ E − B ∣ |\lambda E - A| = |\lambda E - B| ,对 ∀ λ \forall\lambda 成立

3.矩阵可相似对角化的充分必要条件

(1)设 A A 为 n n 阶方阵,则 A A 可对角化 ⇔ \Leftrightarrow 对每个 k i k_{i} 重根特征值 λ i \lambda_{i} ,有 n − r ( λ i E − A ) = k i n-r(\lambda_{i}E - A) = k_{i}

(2) 设 A A 可对角化,则由 P − 1 A P = Λ , P^{- 1}{AP} = \Lambda, 有 A = P Λ P − 1 A = {PΛ}P^{-1} ,从而 A n = P Λ n P − 1 A^{n} = P\Lambda^{n}P^{- 1}

(3) 重要结论

  1. 若 A ∼ B , C ∼ D A \sim B,C \sim D ,则 [ A O O C ] ∼ [ B O O D ] \begin{bmatrix} A & O \\ O & C \\\end{bmatrix} \sim \begin{bmatrix} B & O \\ O & D \\\end{bmatrix} .

  2. 若 A ∼ B A \sim B ,则 f ( A ) ∼ f ( B ) , ∣ f ( A ) ∣ ∼ ∣ f ( B ) ∣ f(A) \sim f(B),\left| f(A) \right| \sim \left| f(B)\right| ,其中 f ( A ) f(A) 为关于 n n 阶方阵 A A 的多项式。

  3. 若 A A 为可对角化矩阵,则其非零特征值的个数(重根重复计算)=秩( A A )

4.实对称矩阵的特征值、特征向量及相似对角阵

(1)相似矩阵:设 A , B A,B 为两个 n n 阶方阵,如果存在一个可逆矩阵 P P ,使得 B = P − 1 A P B =P^{- 1}{AP} 成立,则称矩阵 A A 与 B B 相似,记为 A ∼ B A \sim B 。

(2)相似矩阵的性质:如果 A ∼ B A \sim B 则有:

  1. A T ∼ B T A^{T} \sim B^{T}

  2. A − 1 ∼ B − 1 A^{- 1} \sim B^{- 1} (若 A A , B B 均可逆)

  3. A k ∼ B k A^{k} \sim B^{k} ( k k 为正整数)

  4. ∣ λ E − A ∣ = ∣ λ E − B ∣ \left| {λE} - A \right| = \left| {λE} - B \right| ,从而 A , B A,B
    有相同的特征值

  5. ∣ A ∣ = ∣ B ∣ \left| A \right| = \left| B \right| ,从而 A , B A,B 同时可逆或者不可逆

  6. 秩 ( A ) = \left( A \right) = 秩 ( B ) , ∣ λ E − A ∣ = ∣ λ E − B ∣ \left( B \right),\left| {λE} - A \right| =\left| {λE} - B \right| , A , B A,B 不一定相似

二次型

1. n \mathbf{n} 个变量 x 1 , x 2 , ⋯   , x n \mathbf{x}_{\mathbf{1}}\mathbf{,}\mathbf{x}_{\mathbf{2}}\mathbf{,\cdots,}\mathbf{x}_{\mathbf{n}} 的二次齐次函数

f ( x 1 , x 2 , ⋯   , x n ) = ∑ i = 1 n ∑ j = 1 n a i j x i y j f(x_{1},x_{2},\cdots,x_{n}) = \sum_{i = 1}^{n}{\sum_{j =1}^{n}{a_{{ij}}x_{i}y_{j}}} ,其中 a i j = a j i ( i , j = 1 , 2 , ⋯   , n ) a_{{ij}} = a_{{ji}}(i,j =1,2,\cdots,n) ,称为 n n 元二次型,简称二次型. 若令 x =   [ x 1 x 1 ⋮ x n ] , A = [ a 11 a 12 ⋯ a 1 n a 21 a 22 ⋯ a 2 n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a n 1 a n 2 ⋯ a n n ] x = \ \begin{bmatrix}x_{1} \\ x_{1} \\ \vdots \\ x_{n} \\ \end{bmatrix},A = \begin{bmatrix} a_{11}& a_{12}& \cdots & a_{1n} \\ a_{21}& a_{22}& \cdots & a_{2n} \\ \cdots &\cdots &\cdots &\cdots \\ a_{n1}& a_{n2} & \cdots & a_{{nn}} \\\end{bmatrix} ,这二次型 f f 可改写成矩阵向量形式 f = x T A x f =x^{T}{Ax} 。其中 A A 称为二次型矩阵,因为 a i j = a j i ( i , j = 1 , 2 , ⋯   , n ) a_{{ij}} =a_{{ji}}(i,j =1,2,\cdots,n) ,所以二次型矩阵均为对称矩阵,且二次型与对称矩阵一一对应,并把矩阵 A A 的秩称为二次型的秩。

2.惯性定理,二次型的标准形和规范形

(1) 惯性定理

对于任一二次型,不论选取怎样的合同变换使它化为仅含平方项的标准型,其正负惯性指数与所选变换无关,这就是所谓的惯性定理。

(2) 标准形

二次型 f = ( x 1 , x 2 , ⋯   , x n ) = x T A x f = \left( x_{1},x_{2},\cdots,x_{n} \right) =x^{T}{Ax} 经过合同变换 x = C y x = {Cy} 化为 f = x T A x = y T C T A C f = x^{T}{Ax} =y^{T}C^{T}{AC}

y = ∑ i = 1 r d i y i 2 y = \sum_{i = 1}^{r}{d_{i}y_{i}^{2}} 称为 f ( r ≤ n ) f(r \leq n) 的标准形。在一般的数域内,二次型的标准形不是唯一的,与所作的合同变换有关,但系数不为零的平方项的个数由 r ( A ) r(A) 唯一确定。

(3) 规范形

任一实二次型 f f 都可经过合同变换化为规范形 f = z 1 2 + z 2 2 + ⋯ z p 2 − z p + 1 2 − ⋯ − z r 2 f = z_{1}^{2} + z_{2}^{2} + \cdots z_{p}^{2} - z_{p + 1}^{2} - \cdots -z_{r}^{2} ,其中 r r 为 A A 的秩, p p 为正惯性指数, r − p r -p 为负惯性指数,且规范型唯一。

3.用正交变换和配方法化二次型为标准形,二次型及其矩阵的正定性

设 A A 正定 ⇒ k A ( k > 0 ) , A T , A − 1 , A ∗ \Rightarrow {kA}(k > 0),A^{T},A^{- 1},A^{*} 正定; ∣ A ∣ > 0 |A| >0 , A A 可逆; a i i > 0 a_{{ii}} > 0 ,且 ∣ A i i ∣ > 0 |A_{{ii}}| > 0

A A , B B 正定 ⇒ A + B \Rightarrow A +B 正定,但 A B {AB} , B A {BA} 不一定正定

A A 正定 ⇔ f ( x ) = x T A x > 0 , ∀ x ≠ 0 \Leftrightarrow f(x) = x^{T}{Ax} > 0,\forall x \neq 0

⇔ A \Leftrightarrow A 的各阶顺序主子式全大于零

⇔ A \Leftrightarrow A 的所有特征值大于零

⇔ A \Leftrightarrow A 的正惯性指数为 n n

⇔ \Leftrightarrow 存在可逆阵 P P 使 A = P T P A = P^{T}P

⇔ \Leftrightarrow 存在正交矩阵 Q Q ,使 Q T A Q = Q − 1 A Q = ( λ 1 ⋱ λ n ) , Q^{T}{AQ} = Q^{- 1}{AQ} =\begin{pmatrix} \lambda_{1} & & \\ \begin{matrix} & \\ & \\ \end{matrix} &\ddots & \\ & & \lambda_{n} \\ \end{pmatrix},

其中 λ i > 0 , i = 1 , 2 , ⋯   , n . \lambda_{i} > 0,i = 1,2,\cdots,n. 正定 ⇒ k A ( k > 0 ) , A T , A − 1 , A ∗ \Rightarrow {kA}(k >0),A^{T},A^{- 1},A^{*} 正定; ∣ A ∣ > 0 , A |A| > 0,A 可逆; a i i > 0 a_{{ii}} >0 ,且 ∣ A i i ∣ > 0 |A_{{ii}}| > 0 。

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