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高等代数(北大版)第9章习题参考答案.doc

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第九章 欧氏空间 1.设是一个阶正定矩阵,而 , , 在中定义内积, 1) 证明在这个定义之下, 成一欧氏空间; 2) 求单位向量 , , … , , 的度量矩阵; 3) 具体写出这个空间中的柯西—布湿柯夫斯基不等式。 解 1)易见是上的一个二元实函数,且 (1) , (2) , (3) , (4) , 由于是正定矩阵,因此是正定而次型,从而,且仅当时有。 2)设单位向量 , , … , , 的度量矩阵为,则 =,, 因此有。 4) 由定义,知 ,,, 故柯西—布湿柯夫斯基不等式为 2.在中,求之间(内积按通常定义),设: 1) , , 2) , , 3) , 。 解 1)由定义,得 , 所以 。 2)因为 , , , , 所以 。 3)同理可得 , , , , 所以。 3. 通常为的距离,证明; 。 证 由距离的定义及三角不等式可得 。 4在R中求一单位向量与正交。 解 设与三个已知向量分别正交,得方程组 , 因为方程组的系数矩阵A的秩为3,所以可令 x,即。 再将其单位化,则 , 即为所求。 5.设是欧氏空间V的一组基,证明: 1) 如果使,那么。 2) 如果使对任一有,那么。 证 1)因为为欧氏空间V的一组基,且对,有 , 所以可设, 且有 即证。 2)由题设,对任一总有,特别对基也有 ,或者, 再由1)可得,即证。 6设是三维欧氏空间中一组标准正交基,证明: 也是一组标准正交基。 证 因为 , 同理可得 , 另一方面 , 同理可得 , 即证也是三维欧氏空间中的一组标准正交基。 7.设也是五维欧氏空间中的一组标准正交基, ,其中 , , , 求 的一组标准正交基。 解 首先证明线性无关.事实上,由 , 其中 的秩为3,所以线性无关。 将正交化,可得 , , 单位化,有 , , , 则为 的标准正交基。 8. 求齐次线性方程组 的解空间(作为的子空间)的一组标准正交基。 解 由 可得基础解系为 ,,, 它就是所求解空间的一组基。将其正交化,可得 , , , 再将单位化,可得 ,,, 则就是所求解空间的一组标准正交基。 9.在R[X]中定义内积为(f,g)= 求R[X]的一组标准正交基(由基1.出发作正交化)。 解 取R[X]的一组基为将其正交化,可得, ,其中(,又因为 , , , 所以, 同理可得, 再将单位化,即得, ,,, 则即为所求的一组标准正交基。 10.设V是一n维欧氏空间,是V中一固定向量, 1)证明:V是V的一个子空间; 2)证明:V的维数等于n-1。 证 1)由于0因而V非空.下面证明V对两种运算封闭.事实上,任取 则有 (,于是又有(, 所以。另一方面,也有 (, 即。故V是V的一个子空间。 2)因为是线性无关的,可将其扩充为V的一组正交基,且( (,。下面只要证明:对任意的可以由线性表出,则的维数就是。 事实上,对任意的,都有,于是有线性关系,且 , 但有假设知 , 所以,又因为,故,从而有, 再由的任意性,即证。 11.1)证明:欧氏空间中不同基的度量矩阵是合同的。 2)利用上述结果证明:任一欧氏空间都存在标准正交基。 证:1)设与是欧氏空间的两组不同基,它们对应的度量矩阵分别是和,另外,设到的过渡矩阵为,即 , = = =, 另一方面,令 , 则D的元素为 , 故的元素 , 即证。再由皆为V的基,所以C非退化,从而B与A合同。 2)在欧氏空间V中,任取一组基,它的度量矩阵为其中,且度量矩阵A是正定的,又因为正定矩阵与单位矩阵合同,即。于是只要 , 则由上面1)可知基的度量矩阵为E ,这就是说,就是所求的标准正交基。 12.设是n维欧氏空间V中的一组向量,而 证明:当且仅当时线性无关。 证 设有线性关系 , 将其分别与取内积,可得方程组 , 由于上述方程组仅有零解的充要条件是系数行列式不等于0,即证。 13.证明:上三角的正交矩阵必为对角矩阵,且对角线上元素为+1或-1。 证 设 为上三角矩阵,则也是上三角矩阵。由于A是正交阵,所以,即 , 所以,因而 为对角阵。再由知,即证或-1。 14.1)设A为一个n阶矩阵,且,证明A可以分解成 A=QT, 其中Q是正交矩阵,T是一上三角矩阵 , 且,并证明这个分解是唯一的; 2)设A是n阶正交矩阵,证明存在一上三角矩阵T,使 。 证 1)设A的n个列向量是由于,因此是线性无关的。从而它们也是V的一组基,将其正交单位化,可得一组标准正交基为 , 其中 , , 其中。即 , 令,则T是上三角矩阵,且主对角线元素。 另一方面,由于是n维列向量,不妨记为 , 且令 , 则有,由于是一组标准正交基,故是正交矩阵。 再证唯一性,设是两种分解,其中是正交矩阵,是主对角线元素大于零的上三角阵,则,由于也是正交矩阵,且为上三角阵,因此, 是主对角线元为1或-1的对角阵,但是的主对角线元大于零,所以的主对角线元只能是1,故,即证。进而有,从而分解是唯一的。 2)因为是正定的,所以与合同,即存在可逆阵使,再由1)知,其中是正交矩阵为三角阵,所以。 15.设是欧氏空间中一单位向量,定义, 证明:1)是正交变换,这样的正交变换称为镜面反射; 2) 是第二类的; 3)如果维欧氏空间中正交变换以1作为一个特征值,且属于特征值1的特征子空间的维数为,那么是镜面反射。 证:1),有: , 所以是线性变换。 又因为 , 注意到,故,此即是正交变换。 2)由于是单位向量,将它扩充成欧氏空间的一组标准正交基,则 , 即 , 所以是第二类的。 3) 的特征值有个,由已知有个特征值为1,另一个不妨设为,则存在一组基使, 因为是正交变换,所以, 但,所以,于是 现令,则是单位向量,且与正交,则为欧氏空间 的 一组基。又因为 , , , 所以 ,即证。 16.证明:反对称实数矩阵的特征值是零或纯虚数。 证:设是属于特征值的特征向量,即,则 , 于是 , 令,可得,即证。 17.求正交矩阵使成对角形,其中为 1) 2) 3) 4) 5) 解1)由 , 可得A的特征值为。 对应的特征向量为 将其正交单位化,可得标准正交基为 故所求正交矩阵为 且。 2)由, 可得 A的特征值为。 的特征向量为 的特征向量为 正交化,可得 , 再单位化,有:, 于是所求正交矩阵为 且。 3)由, 可得 A的特征值为, 相应的特征向量为 , , 将其正交单位化,可得标准正交基为 , , 故所求正交矩阵为 且。 4)由, 可得A的特征值为。 相应的特征向量为 , , 正交化后得 , , 再单位化,可得 , , 故所求正交矩阵为 且 。 5)由, 可得的特征值为。 相应的特征向量为 , , 将其正交化,可得 , , 再单位化后,有 , , 故所求正交矩阵为 且。 18用正交线性替换化下列二次型为标准形: 1); 2); 3); 4)。 解 1)设原二次型对应的矩阵为A,则 , 且A的特征多项式为 , 特征值为 , 相应的特征向量为 , , 单位化后,有 , 令X=TY,其中 , 则 。 2)原二次型对应的矩阵为 , 且A的特征多项式为 , 特征值为 。 相应的特征向量为 , 正交化,可得 , 再单位化,有 , 令X=TY,其中 , 则 。 3)原二次型对应的矩阵为 , 且A的特征多项式为 , 特征值为 。 相应的特征向量为 , , 标准正交基为 , , 令X=TY,其中 , 则 。 4)原二次型对应的矩阵为 , 且A的特征多项式为 , 特征值为 。 相应的特征向量为 , , 标准正交基为 , , 令X=XY,其中 , 故 。 19.设A是n级实对称矩阵,证明:A正定的充分必要条件是A的特征多项式的根全大于零。 证明 二次型经过正交变换X=TY,可使 , 其中为A的特征根。由于A为正定的充分必要条件是上式右端的二次型为正定,而后者为正定的充分必要条件是,即证。 20.设A是n级实矩阵,证明:存在正交矩阵T使为三角矩阵的充分必要条件是A的特征多项式的根是实的。 证明 为确定起见,这里三角矩阵不妨设为上三角矩阵。 先证必要性,设 , 其中T,A均为实矩阵,从而都是实数。又因为相似矩阵有相同的特征多项式,所以 从而A的n个特征根均为实数。 再证充分性,设为A的所有不同的实特征根,则A与某一若尔当形矩阵J相似,即存在可逆实矩阵,使 , 其中 , 而 , 由于都是实数,所以J为上三角实矩阵。 另一方面,矩阵可以分解为 , 其中是正交矩阵,为上三角矩阵,于是 , 即 。 由于都是上三角矩阵,因而它们的乘积也为上三角矩阵,即证充分性。 21.设A,B都是上三角实对称矩阵,证明;存在正交矩阵T使的充分必要条件是A,B的特征多项式的根全部相同。 证明 必要性是显然的,因为相似矩阵有相同的特征值。 现证充分性,设是A的特征根,则它们也是B的特征根。于是存在正交矩阵X和Y,使 , 所以 YXAXY=B。 令T=XY则T也是正交矩阵,从而TAT=B,,即 证。 22.设A是n级实对称矩阵,且A=A,证明:存在正交矩阵T使得 TAT=。 证 设是A的任一特征值,是属于的特征向量,则 A=, A=A()=A=, 由于 A=A=(-)=0, 又因为,所以-=0,即得 =0,=1。 换句话说,A的特征值不是1就是0。故存在正交矩阵T,使 TAT=。 上式中,对角线元素中1的个数为A的特征值1的个数,0的个数是A的特征值0的个数.。 23.证明:如果是n维欧氏空间的一个正交变换,那么的不变子空间的正交补也是的不变子空间。 证 设W是的任意一个不变子空间,现证W也是的不变子空间。 任取W , 下证W。取,,是W的一组标准正交基,再扩充成V的一组标准正交基为,,,,,,则 W=L (,,), W=L (,,)。 因为是正交变换,所以,也是一组标准正交基,由于W是——子空间,,W ,且为的一组标准正交基,于是 ,,W, 所以 =k++kW。 24. 欧氏空间V中的线性变换称为反对称的,如果对任意,V,有 (,)= —( ,)。 证明: 1)为反对称的充分必要条件是:在一组标准正交基下的矩阵为反对称的。 2)如果V是反对称线性变换的不变子空间,则V也是。 证 1)必要性。设是反对称的,,,是一组标准正交基。则 = k+k++k (I=1,2, ,n), (,)= k , (,)= k, 由反对称知 (,)= —(, ) k = --k, 从而 , 故 (,,)= (,,) =(,,), 充分性。设在标准正交基,,下的矩阵为,有已知,有 (,)= —(, ), 对任意,V,设 , , 则 (,)=()=。 同理 , 故 (,)= —( ,), 所以是反对称的。 2)任取V ,可证V,即V,事实上,任取V,由于V是子空间,因此,而 V,故( ,)=0。 再由题设,是反对称的,知 (,)= —( ,)=0, 由的任意性,即证V 。从而V也是A子空间。 25.证明:向量V是向量在子空间V上的内射影的充分必要条件是:对任意有。 证 必要性,设V是在V上的内射影,则,, 26设 从而 再证第二式.用 , 所以 。 27.求下列方程的最小二乘解 , 用“到子空间距离最短的线是垂线”的语言表达出上面方程的最小二乘解的几何意义,由此列出方程并求解(用三位有效数字计算)。 解 令 , , 那么“到子空间距离最短的线是垂线”的意思就是。 令C=B-Y,由最小二乘法可得,其中 , , 即 , 解之得 。 三、补充题参考解答 1. 证明:正交矩阵的实特征根为。 证 设A正交矩阵A是任一实特征值是,是A的对应于特征值的特征向量,则 A。 于是。 注意到 2.证明:奇数维欧氏空间中的旋转一定以1作为它的一个特征值。 证 因为A是正交矩阵,,则=-。 即。 3.证明:第二类正交变换一定以-1作为它的一个特征值。 证 当 即-。 4.设 那么它一定是线性的,因而它是正交变换。 证 因为 , 所以 , 故 。 又因为 =, 所以 。 即证。 5.和 。 证:下证充分性。 设 , 则有, 于是, 另一方面,因 , 于是,在 , 从而即证。 再将 :, 则由充分性假设 两组标准正交基 和则存在可逆线性变换,使 , 且 (T=(=( = =(, 即 (I=1,2,, 于是,由,有故 = =(I=1,2,, 即证。 6.是n级实对称矩阵,且证明:存在正交矩阵T使得 。 证 证法1 因为A是n级实对称矩阵,所以存在n级矩阵Q,使 , 其中为的n个特征值(重根按重数列出)。于是 又因为所以 。 因此有=(I=1,2,n),不妨设=1的重数为r,则的重数为n-r。只要将集中排列在前面,则有正交矩阵T,使 。 证法2 因为n级实对称矩阵,且若令g(x)=则g(x)为 A的零多项式,且它无重根,故A相似于对角矩阵,设为A的任一特征 值,则。不妨设的重数为n-r。只要 将集中排列在前 面,则有正交矩阵,使 。 7.设f()=是一实二次型,是A的特征多项式的根,且。证明:对任意一个X,有 。 证 存在正交矩阵Q,使 , 其中为的个特征值。作正交变换则实二次型可化为 , 由题设有,于是 , 且 , 故 。 8.设二次型对应的矩阵为,是的特征多项式的根,证明: 存在中的非零向量使的 。 证 设是矩阵A的特征值,则存在非零向量,使 , 其中,于是有 , 即证。 9.1)设是欧氏空间中两个不同的单位向量,证明存在一镜面反射,使 。 2)证明:n维欧氏空间中任一正交变换都可以表成一系列镜面反射的乘积。 证 1)记n维欧氏空间为V,当为欧氏空间为V的单位向量时,由 , 所确定的正交变换A是一个镜面反射,代入单位向量,有, 若记,则,因为是欧氏空间中两个不同的 单位向量,所以,故可解得, 其中 ,即, 于是只要取,就有=1,即为欧氏空间中的单位向量, 从而是一个镜面反射,且==。 2)设是维欧氏空间的任一正交变换,取的一组标准正交基,,, 则=,=,=也是的一组标准正交基。 此时,若,则是一个恒等变换,只要作镜面反射 , 则有 且,结论成立。 若与不全相同,不妨设,则为两个不同的单位向量,由1)知,存在镜面反射,使.令,若,则,结论成立。否则可设,再作镜面反射:,其中,则且,如此继续下去,设 , 则,其中都是镜面反射,即证。 10.设是两个实对称矩阵,且是正定矩阵,证明:存在一个实可逆矩阵使与同时为对角形。 证:因为是正定矩阵,所以存在一个阶实对称矩阵,使:,其中为阶单位矩阵,又因为还是阶实对称矩阵,所以也存在一个阶正交矩阵,使,其中为的特征值,于是,只要令,就有, 且 , 即证。 11.证明:酉空间中两组标准正交基的过渡矩阵是酉矩阵。 证:设与分别为酉空间中两组标准正交基,且 则 。 于是, 即所以过渡矩阵是酉矩阵。 12.酉矩阵的特征值根的模为1。 证 因为酉矩阵A对应的变换是酉变换,设的任一特征值是,是的对应于的特征向量,则 (,)=(=()=, 注意到(,),因而有 =1, 即。 13.设A是一个n级可逆复矩阵,证明可以分解成 A=UT, 其中U是酉矩阵,T是一个上三角矩阵: T=, 其中对角元素都是正实数,并证明这中分解是唯一的。 证 设A=(,其中为A的列向量,则由A可逆知向 量组线性无关。由施密特正交化方法,可得 , 其中单位化,可得 , 则 是一组正交基,从而U=()为又酉矩阵,且可解得 , 其中T为上三角矩阵,且为正实数。 再证分解的唯一性,设还有酉矩阵及对角线元素都是正实数的上三角形矩阵,使得,则 ,于是既是一个酉矩阵,又是一个上三角形矩阵,从而是对角矩阵,但的对角线元素都是正实数,即 , 再由是酉矩阵,知是单位矩阵,故,即证。 14.证明:埃尔米特矩阵的特征值是实数,并且它的属于不同特征值的特征向量相互正交。 证:设是埃尔米特矩阵的任一特征值,是的对应于的特征向量,则有 , 于是 , 因此有 , 即 ,但,故,即证为实数,另外是的任意两个不同的特征值,分别为的对应于和的特征向量,则有:,由于,因此 , 但,故(,即证的属于不同特征值的特征向量相互正交。
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