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第2章 补充习题

[美] David C. Lay、Steven R. Lay 等著,刘深泉等译机械工业出版社《线性代数及其应用(原书第5版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)
  1. 设在以下命题中提到的矩阵有适当的维数.标出各个命题的真假,给出理由. a. 若 A 和 B 都是 m × n 矩阵,则 AB^(T) 和 A^(T)B 都有定义. b. 若 AB = C 而 C 有 2 列,则 A 有 2 列. c. 将矩阵 B 以对角元素非零的对角矩阵 A 左乘,等于对 B 的各行进行标量乘法. d. 若 BC = BD,则 C = D. e. 若 AC = 0,则 A = 0 或 C = 0. f. 若 A、B 都是 n × n 矩阵,则 (A + B)(A - B) = A² - B² . g. 一个初等 n × n 矩阵有 n 或 n + 1 个非零元素. h. 初等矩阵的转置也是初等矩阵. i. 初等矩阵必定是方阵. j. 每个方阵是初等矩阵的积.

k.若 A 是 3 × 3 矩阵,有 3 个主元位置,则存在初等方阵 E₁, …, Eₚ 使 Eₚ … E₁ A = I .

  1. 若 AB = I,则 A 可逆. m. 若 A 和 B 是可逆方阵,则 AB 可逆且 (AB)⁻1 = A⁻1B⁻1 . n. 若 AB = BA 且 A 可逆,则 A⁻1B = BA⁻1 . o. 若 A 可逆且 r ≠ 0 ,则 (rA)⁻1 = rA⁻1 . p. 若 A 是 3 × 3 矩阵且方程 Ax = 1 0 0 有唯一解, 则 A 可逆.

  2. 求矩阵 C 使 C⁻1=4 & 5 6 & 7 .

  3. 设 A=0&0&0 1&0&0 0&1&0 ,证明 A³=0 。利用矩阵代数计算乘积 (I-A)(I+A+A²) 。

  4. 设对某个 n > 1 有 Aⁿ = 0 ,求 I - A 的逆.

  5. 设 n × n 矩阵 A 满足方程 A² - 2A + I = 0 ,证明: A³ = 3A - 2I , A⁴ = 4A - 3I 。

  6. 设 A = 1 & 0 0 & -1 , B = 0 & 1 1 & 0 ,它们是 Pauli spin 矩阵,在量子力学的电子旋转研究中有应用。证明: A² = I , B² = I ,且 AB = -BA 。矩阵满足 AB = -BA 称为负交换的。

A = [ c c c 1 & 3 & 8 2 & 4 & 1 1 1 & 2 & 5 ], B = [ c c - 3 & 5 1 & 5 3 & 4 ] A ^ - 1 B A ^ - 1 A ^ - 1 B A X = B
  1. 求矩阵 A 使变换 x mapsto Ax 把 1 3 和 2 7 分别映射为 1 1 和 3 1 . (提示:写个包含矩阵 A 的方程,并把它解出来.)

  2. 设 AB = 5 & 4 -2 & 3 , B = 7 & 3 2 & 1 ,求 A.

  3. 设 A 可逆.说明为什么 A^(T)A 也可逆,然后证明 A⁻1 = (A^(T)A)⁻1A^(T) .

  4. 设 x₁, …, xₙ 为固定的数。下列矩阵称为范德蒙德矩阵,在信号处理、纠错码以及多项式插值中都有应用。

V = [ c c c c c 1 & x _ 1 & x _ 1 ^ 2 & … & x _ 1 ^ n - 1 1 & x _ 2 & x _ 2 ^ 2 & … & x _ 2 ^ n - 1 vdots & vdots & vdots & & vdots 1 & x _ n & x _ n ^ 2 & … & x _ n ^ n - 1 ]

给定 Rⁿ 中 y=(y₁,y₂,…,yₙ) ,设 Rⁿ 中 c=(c₀,c₁,…,cₙ-1) 满足 Vc=y,定义多项式 p(t)=c₀+c₁t+c₂t²+…+cₙ-1tⁿ-1

a.证明 p(x₁) = y₁, p(x₂) = y₂, …, p(xₙ) = yₙ.称 p(t) 为点 (x₁, y₁), …, (xₙ, yₙ) 的插值多项式,因 p(t) 的图像通过这些点.

b.设 x₁, x₂, …, xₙ 为相异的数,证明 V 的列是线性无关的。(提示:一个 n-1 次多项式有多少个零点?)

c.证明:若 x₁, …, xₙ 为相异的数,而 y₁, …, yₙ 是任意数,则存在一个过点 (x₁, y₁), …, (xₙ, yₙ)

且次数 ≤slant n - 1 次的插值多项式.

  1. 设 A = LU ,其中 L 是可逆下三角矩阵, U 是上三角矩阵,说明为什么 A 的第一列是 L 的第一列的倍数。 A 的第二列和 L 的列有何关系?

  2. 给定 ±bu 属于 ℝⁿ , ±bu^(T)±bu = 1 ,设 P = ±bu±bu^(T) (外积),而 Q = I - 2P ,证明:a. P² = P b. P^(T) = P c. Q² = I

变换 x mapsto Px 称为一个投影, x mapsto Qx 称为豪斯霍尔德反射。这样的反射在计算机程序中用来在一个向量(通常是矩阵的列)中产生更多的零。

  1. 设 u=0 0 1 和 x=1 5 3 ,确定如习题 13 中的 P 和 Q 并计算 Px 和 Qx。图 2-29 说明 Qx 是 x 关于 x₁x₂ 平面的反射。

  2. 设 C = E₃E₂E₁B ,其中 E₁, E₂, E₃ 是初等矩阵,说明为什么 C 行等价于 B .

  3. 设 A 是 n × n 奇异矩阵,如何构造一个 n × n 非零矩阵 B 使 AB = 0?

  4. 设 A 是一 6 × 4 矩阵,B 是一 4 × 6 矩阵,证明 6 × 6 矩阵 AB 不可逆.

图 2-29 关于平面 x₃=0 的豪斯霍尔德反射

  1. 设 A 是 5 × 3 矩阵,存在 3 × 5 矩阵 C 使得 CA = I₃ . 又设对 R⁵ 中某个 b,方程 Ax = b 有至少一个解,证明方程的解是唯一的.

  2. [M]某些动力系统可借助矩阵的幂来研究,如下所示。给定下列矩阵 A 与 B,确定当 k 增加时(例如 k=2,…,16 ) A^(k) 与 B^(k) 有何变化。识别 A 和 B 有什么特点?研究类似矩阵的幂,提出关于这类矩阵的猜想。

A = [ l l l 0. 4 & 0. 2 & 0. 3 0. 3 & 0. 6 & 0. 3 0. 3 & 0. 2 & 0. 4 ], B = [ l l l 0 & 0. 2 & 0. 3 0. 1 & 0. 6 & 0. 3 0. 9 & 0. 2 & 0. 4 ]
  1. [M] 设 Aₙ 为 n × n 矩阵,主对角线各元素为 0 而其他元素为 1。对 n = 4,5,6 计算 Aₙ⁻1 ,对值更大的 n ,提出关于一般的 Aₙ⁻1 的猜想。
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