大学线性代数考试复习

线性代数
复习讲义

概念 → 判断 → 模板 → 例题 → 折叠解析。矩阵、公式均由浏览器端 MathJax 排版。

01

行列式 ⭐⭐⭐ 计算/证明

行列式衡量方阵是否压缩空间;非零意味着方程组可唯一求解、矩阵可逆。

\(|A|=\sum_j a_{ij}A_{ij},\quad A_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij}\)
判断:先找比例行、零行、可提出公因子;再用行加倍数制造零;最后按零多的行/列展开。行交换变号,行数乘 \(k\) 行列式也乘 \(k\),行加倍数不变。
例题:\(\left|\begin{smallmatrix}1&2\\3&4\end{smallmatrix}\right|=4-6=-2\ne0\),故矩阵可逆。
练习:\(\left|\begin{smallmatrix}1&2&3\\2&4&7\\1&1&2\end{smallmatrix}\right|\)

\(R_2\leftarrow R_2-2R_1,R_3\leftarrow R_3-R_1\) 得 \(\begin{pmatrix}1&2&3\\0&0&1\\0&-1&-1\end{pmatrix}\)。按第二行展开,结果 \(\boxed{-1}\)。行加倍数不改变行列式。

余子式 \(M_{ij}\) 不带符号;代数余子式 \(A_{ij}\) 才带 \((-1)^{i+j}\)。
02

矩阵 ⭐⭐⭐ 计算题

\((AB)_{ij}=\sum_k a_{ik}b_{kj},\quad(AB)C=A(BC),\quad AB\ne BA\text{(一般)}\)

矩阵乘法要求内维相等。它不交换:\(A=\begin{pmatrix}1&1\\0&1\end{pmatrix},B=\begin{pmatrix}1&0\\1&1\end{pmatrix}\) 时 \(AB=\begin{pmatrix}2&1\\1&1\end{pmatrix}\ne BA=\begin{pmatrix}1&1\\1&2\end{pmatrix}\)。结合律成立,因为三重求和的分组不变。

练习:\(A=\begin{pmatrix}1&2\\0&1\end{pmatrix}\),求 \(A^2\)

按行乘列:\(\boxed{A^2=\begin{pmatrix}1&4\\0&1\end{pmatrix}}\)。不要逐元素平方。

公式速查

\((AB)^T=B^TA^T\)(顺序反转);对称矩阵 \(A^T=A\);\((A+B)^T=A^T+B^T\)。

03

逆矩阵 ⭐⭐⭐

A^{-1}=\frac1{|A|}A^*\ (|A|\ne0),\qquad(AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}
等价条件(\(n\) 阶方阵)理解
\(A\) 可逆 \(\Leftrightarrow|A|\ne0\Leftrightarrow r(A)=n\)列向量没有冗余,变换不压扁方向
\(\Leftrightarrow Ax=0\) 仅零解没有非零向量被映为零
求逆:低阶用伴随矩阵;一般用 \((A|E)\to(E|A^{-1})\)。左侧不能化为 \(E\) 即不可逆。
练习:求 \(\begin{pmatrix}1&2\\3&7\end{pmatrix}^{-1}\)

\(\left(\begin{array}{cc|cc}1&2&1&0\\3&7&0&1\end{array}\right)\to\left(\begin{array}{cc|cc}1&2&1&0\\0&1&-3&1\end{array}\right)\to\left(\begin{array}{cc|cc}1&0&7&-2\\0&1&-3&1\end{array}\right)\),故 \(\boxed{\begin{pmatrix}7&-2\\-3&1\end{pmatrix}}\)。

04

矩阵的秩 ⭐⭐⭐

r(A)\le\min(m,n),\quad r(A)=r(A^T),\quad r(AB)\le\min\{r(A),r(B)\}

秩是独立信息的数量。初等行变换可逆,行空间可相互恢复,所以不改变秩;阶梯形的非零行数即秩。

练习:求 \(r\begin{pmatrix}1&2&3\\2&4&6\\1&1&1\end{pmatrix}\)

消元得 \(\begin{pmatrix}1&2&3\\0&0&0\\0&-1&-2\end{pmatrix}\),两行非零,\(\boxed{r=2}\)。

05

线性方程组 ⭐⭐⭐

r(A)=r(A|b)\Leftrightarrow\text{有解};\quad r(A)=r(A|b)=n\Leftrightarrow\text{唯一解}

增广矩阵出现 \((0,\ldots,0|c),c\ne0\) 表示矛盾,故无解;有解而秩小于未知数个数则有自由变量,故无穷多解。

练习:\(x+y=1,\ 2x+2y=2\)

\(\left(\begin{array}{cc|c}1&1&1\\2&2&2\end{array}\right)\to\left(\begin{array}{cc|c}1&1&1\\0&0&0\end{array}\right)\)。秩均为 \(1<2\),\(\boxed{x=1-t,y=t}\)。

06

向量组与线性相关 ⭐⭐⭐

k_1\alpha_1+\cdots+k_s\alpha_s=0:\ \text{仅零解}\Rightarrow\text{无关;有非零解}\Rightarrow\text{相关}

直观上,相关表示某向量可由其余向量表示。将向量作列组成矩阵:\(r=s\) 无关;\(r

练习:\((1,0),(0,1),(1,1)\) 是否无关?

\((1,1)=(1,0)+(0,1)\),存在非零系数的零组合,故 \(\boxed{\text{相关}}\);前两个可取为极大无关组。

07

向量空间 ⭐⭐

基同时满足“线性无关”(无冗余)和“张成空间”(足够);\(\dim V=n\) 表示任一组基都恰有 \(n\) 个向量。

练习:\((1,1),(1,-1)\) 是 \(\mathbb R^2\) 的基吗?

行列式 \(-2\ne0\),两向量无关;二维中两个无关向量必张成 \(\mathbb R^2\),故 \(\boxed{\text{是}}\)。

08

特征值与特征向量 ⭐⭐⭐

A\alpha=\lambda\alpha\Longleftrightarrow(A-\lambda E)\alpha=0\Longleftrightarrow|A-\lambda E|=0

最后一步来自齐次方程有非零解当且仅当系数矩阵奇异。步骤:先求特征方程的根,再对每根解齐次方程;特征向量不能为零。

练习:\(A=\operatorname{diag}(2,3)\)

\(|A-\lambda E|=(2-\lambda)(3-\lambda)\),特征值为 \(2,3\);对应向量可取 \(\boxed{(1,0)^T,(0,1)^T}\)。

09

矩阵对角化 ⭐⭐⭐

P^{-1}AP=\Lambda,\quad P=(\alpha_1,\ldots,\alpha_n),\quad\Lambda=\operatorname{diag}(\lambda_1,\ldots,\lambda_n)

因为 \(A\alpha_i=\lambda_i\alpha_i\),所以 \(AP=P\Lambda\)。有 \(n\) 个线性无关特征向量是可对角化的充要条件;有 \(n\) 个不同特征值是常用充分条件。

易错点:相似与合同

相似 \(P^{-1}AP\) 研究线性变换与特征值;合同 \(P^TAP\) 化二次型。两者不能混用。

10

二次型 ⭐⭐⭐

f(x)=x^TAx,\quad A=A^T;\qquad A\text{ 正定}\Longleftrightarrow\Delta_1>0,\ldots,\Delta_n>0

Sylvester 判别法的适用条件是实对称矩阵,\(\Delta_i\) 为顺序主子式。

练习:\(x_1^2+2x_2^2\) 是否正定?

\(A=\operatorname{diag}(1,2)\),\(\Delta_1=1>0,\Delta_2=2>0\),故 \(\boxed{\text{正定}}\)。

COMPARE

概念对比与公式速查

AB区别 / 联系
余子式代数余子式\(A_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij}\)
相关无关齐次组合有非零解 / 仅零解
极大无关组秩前者是向量组,后者是其个数
相似合同保特征 / 化二次型
行变换列变换均不改秩;解方程通常做行变换
A\text{ 可逆}\Longleftrightarrow|A|\ne0\Longleftrightarrow r(A)=n\Longleftrightarrow Ax=0\text{ 仅零解}\Longleftrightarrow A\text{ 列向量无关}
PRACTICE BANK

章节速查与补充题库

章节必须会最易错
行列式性质化简、展开、参数判零行交换忘记变号
矩阵/逆按行乘列、\((A|E)\) 消元把矩阵逐元素相乘
秩/方程组主元与自由变量、比较增广秩只看 \(r(A)\) 不看 \(r(A|b)\)
向量/空间齐次方程判相关、基与维数把极大无关组误当作秩
特征/二次型逐根求特征向量、顺序主子式特征向量取零;非对称矩阵套 Sylvester

补充练习(含解析)

1. 若三阶 \(|A|=5\),求 \(|2A|\)

三行均乘 \(2\),行列式乘 \(2^3\),故 \(\boxed{40}\)。易错:不能只乘 \(2\)。

2. 求 \(r\begin{pmatrix}1&2\\2&4\\3&6\end{pmatrix}\)

\(R_2-2R_1,R_3-3R_1\) 后只余一非零行,故 \(\boxed{r=1}\)。

3. 解 \(x+y=1,\ 2x+2y=k\)

消元得 \((0,0|k-2)\)。\(k\ne2\) 无解;\(k=2\) 时秩为 \(1<2\),\(\boxed{x=1-t,y=t}\)。

4. 求 \(\begin{pmatrix}4&1\\2&3\end{pmatrix}\) 的特征值和特征向量

\(|A-\lambda E|=(\lambda-5)(\lambda-2)\)。\(\lambda=5\) 取 \((1,1)^T\);\(\lambda=2\) 取 \((1,-2)^T\)。

5. 将上题矩阵对角化

取 \(P=\begin{pmatrix}1&1\\1&-2\end{pmatrix}\),\(\Lambda=\operatorname{diag}(5,2)\),故 \(\boxed{P^{-1}AP=\Lambda}\)。列顺序必须和对角元同步。

6. 判定 \(2x^2+2xy+2y^2\) 正定性

对应实对称 \(A=\begin{pmatrix}2&1\\1&2\end{pmatrix}\),\(\Delta_1=2>0,\Delta_2=3>0\),故 \(\boxed{\text{正定}}\)。

7. 证明 \(A\) 可逆当且仅当 \(Ax=0\) 仅零解

可逆时左乘 \(A^{-1}\) 得 \(x=0\);反之,仅零解表示列无关,故 \(r(A)=n\),从而 \(|A|\ne0\),矩阵可逆。

FINAL REVIEW

总复习与模拟题

方法触发词:“可逆”→行列式/秩/零空间;“独立”→齐次方程;“方程组”→增广矩阵比秩;“特征”→\(|A-\lambda E|=0\);“正定”→先验对称再用顺序主子式。
模拟 1:何时 \(Ax=b\) 唯一解?

\(\boxed{r(A)=r(A|b)=n}\):前者保证有解,等于未知量数保证无自由变量。

模拟 2:不同特征值的特征向量为什么无关?

若存在最短的非平凡相关组合,左乘 \(A\) 后减去某特征值倍原式,能得到更短的非平凡相关组合,矛盾;故无关。

考前 5 分钟:行交换使行列式变号;\(AB\) 一般不交换;\((AB)^{-1}\) 顺序反转;秩数主元;特征向量非零;Sylvester 仅用于实对称矩阵。