第七章 线性变换
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2018-03-15 1061 第七章 线性变换 §7.1 线性映射 1.令=(x1,x2,x3)是R3的任意向量.下列映射 哪些是R3到自身的线性映射? (1)() = + ,是R3的一个固定向量. (2)() = (2x1–x2 + x3,x2 + x3,–x3) (3)() =(x12,x22,x32). (4)() =(cosx1,sinx2,0). 2.设V是数域F上一个一维向量空间.证明V到自身的一个映射是线性映射的充要条件是:对于任意V,都有() = a,这里a是F中一个定数. 3.令Mn (F) 表示数域F上一切n阶矩阵所成的向量空间.取定AMn(F).对任意XMn (F),定义 (X) = AX–XA.
(XY) = (X)Y+X(Y) . 4.令F4表示数域F上四元列空间,取 A= 对于F4,令() = A.求线性映射的核和像的维数. 5.设V和W都是数域F上向量空间,且dimV = n.令是V到W的一个线性映射.我们如此选取V的一个基:1,…,s,s+1,…,n,使得1,…,s,是Ker()的一个基.证明: (i)(s+1),…,(n)组成Im()的一个基; (ii)dim Ker() + dim Im() = n.。 6.设是数域F上n维向量空间V到自身的一个线性映射.W1,W2是V的子空间,并且V = W1W2.证明:有逆映射的充要条件是V = (W1)(W1) . §7.2 线性变换的运算 1.举例说明,线性变换的乘法不满足交换律. 2.在F[x]中,定义 :f (x) f’(x) , :f (x)xf (x) , 这里f’(x)表示f(x)的导数.证明,,都是F[x]的线性变换,并且对于任意正整数n都有 n–n = nn-1 3.设V是数域F上的一个有限维向量空间.证明,对于V的线性变换来说,下列三个条件是等价的: (i)是满射; (ii)Ker() = {0}; (iii)非奇异. 当V不是有限维时,(i),(ii)是否等价? 4.设L (V),V,并且,(),…,k-1()都不等于零,但k() = 0.证明: ,(),…,k-1() 线性无关. 5.L (V) .证明 (1) Im()Ker()当且仅当 2 = ;
6.设Fn = { (x1,x2,…,xn ) | xiF }是数域F上n 维行空间.定义 (x1,x2,…,xn ) = (0,x1,…,xn-1 ) . (i) 证明:是Fn的一个线性变换,且 n = ; (ii) 求Ker()和Im() 的维数. §7.3 线性变换和矩阵 1.令Fn[x]表示一切次数不大于n的多项式连同零多项式所成的向量空间,:f (x) f’(x) ,求关于以下两个基的矩阵: (1) 1,x ,x2,…,xn, (2) 1,x–c, ,…,,cF. 2.设F上三维向量空间的线性变换关于基 {1,2,3}的矩阵是 求关于基 1 = 21 +32 +3, 2 = 31 +42 +3, 3 = 1 +22 +23, 的矩阵. 设= 21 +2–3.求()关于基1,2,3的坐标. 3.设{1,2,…,n}是n维向量空间V的一个基. j = ,= , j = 1,2,…,n, 并且1,2,…,n线性无关.又设是V的一个线性变换,使得(j) = ,j = 1,2,…,n,求关于基,,…,的矩阵. 4.设A,B是n阶矩阵,且A可逆,证明,AB与BA相似. 5.设A是数域F上一个n阶矩阵,证明,存在F上一个非零多项式f (x)使得f (A) = 0. 6.证明,数域F上n维向量空间V的一个线性变换是一个位似(即单位变换的一个标量倍)必要且只要关于V的任意基的矩阵都相等. 7.令Mn (F)是数域F上全休n阶矩阵所成的向量空间.取定一个矩阵AMn(F) .对任意XMn (F),定义 (X) = AX–XA. 由7.1习题3知是Mn (F)的一个线性变换,设 A = 是一个对角形矩阵.证明,关于Mn (F)的标准基{Eij |1}(见6.4,例5)的矩阵也是对角形矩阵,它的主对角线上的元素是一切ai–aj(1).[建议先具体计算一下n = 3的情形.] 8.设是数域F上n维向量空间V的一个线性变换.证明,总可以如此选取V的两个基{1,2,…,n}和{1,2,…,n},使得对于V的任意向量来说,如果=,则() =,这里0是一个定数[提示:利用7.1,习题5选取基1,2,…,n.] §7.4 不变子空间 1.设是有限维向量空间V的一个线性变换,而W是的一个不变子空间,证明,如果 有逆变换,那么W也在-1之下不变. 2.设是向量空间V的线性变换,且.证明Im()和Ker()都在之下不变. 3.是数域F上向量空间V的一个线性变换,并且满足条件2 =.证明: (i) Ker() = {}; (ii)V = Ker()Im(); (iii)如果是V的一个线性变换,那么Ker()和Im()都在之下不变的充要条件是. 4.设是向量空间V的一个位似(即单位变换的一个标量倍).证明,V的每一个子空间都在之下不变. 5.令S是数域F上向量空间V的一些线性变换所成的集合.V的一个子空间W如果在S中每一线性变换之下不变,那么就说W是S的一个不变子空间.S说是不可约的,如果S在V中没有非平凡的不变子空间,设S不可约,而是V的一个线性变换,它与S中每一线性变换可交换。证明或者是零变换,或者是可逆变换.[提示:令W = Ker.证明W是要的一个不变子空间.] §7.5 本征值和本征向量 1.求下列矩阵在实数域内的特征根和相应的特征向量: (i) ; (ii) ;(iii) . 2.证明:对角形矩阵 与 相似必要且只要b1,b2,…,bn是a1,a2,…,an的一个排列. 3.设 A = 是一个实矩阵且ad–bc = 1 .证明: (i) 如果| trA |>2,那么存在可逆实矩阵T,使得 T-1AT = . 这里且,1,-1. (ii) 如果| trA | = 2且A,那么存在可逆实矩阵T,使得 T-1AT = 或.. (iii) 如果| trA | < 2则存在可逆实矩阵T及,使得 T-1AT = . [提示] 在(iii),A有非实共轭复特征根=1.将写成三角形式.令是A的属于的一个特征向量,计算A和A. 4.设a,b,c.令 A=,B=,C=. (i) 证明,A,B,C彼此相似; (ii) 如果BC=CB,那么A,B,C的特征根至少有两个等于零. 5.设A是复数域C上一个n阶矩阵. (i) 证明:存在C上n阶可逆矩阵T使得 T-1AT =. (ii) 对n作数学归纳法证明,复数域C上任意一个n阶矩阵都与一个“上三角形”矩阵 相似,这里主对角线以下的元素都是零. 6.设A是复数域C上一个n阶矩阵,是A的全部特征根(重根按重数计算). (i) 如果f (x)是C上任意一个次数大于零的多项式,那么f (是f(A)的全部特征根. (ii) 如果A可逆,那么,并且是A-1的全部特征根 7.令 A = 是一个n阶矩阵。 (i) 计算. (ii) 求A的全部特征根. 8.是任意复数,行列式 D = 叫做一个循环行列式,证明: D = , 这里,而是全部n次单位根.[提示:利用6.7两题的结果.] 9.设A,B是复数域上n阶矩阵.证明,AB与BA有相同的特征根,并且对应的特征根的重数也相同.[提示:参看5.3习题2.] §7.6 可以对角化的矩阵 1.检验7.5习题1中的矩阵哪些可以对角化.如果可以对角化,求出过渡矩阵T. 2.设 , 求A10. 3.设是数域F上n维向量空间V的一个线性变换.令是的两两不同的本征值,是属于本征值的本征子空间.证明,子空间的和是直和,并在之下不变. 4.数域F上n维向量空间V的一个线性变换叫做一个对合变换,如果2 =ι,ι,是单位变换,设是V的一个对合变换,证明: (i) 的本征值只能是; (ii) V = V1,这里V1是的属于本征值1的本征子空间,V是的属于本征值 –1 的本征子空间.[提示:设] 5.数域F上一个n 阶矩阵A叫做一个幂等矩阵,如果,设A是一个幂等矩阵.证明: (i)I + A 可逆,并且求. (ii)秩A + 秩[提示:利用7.4,习题3 (ii).] 6.数域F上n维向量空间V的一个线性变换叫做幂零的,如果存在一个自然数m使m = 0.证明: (i) 是幂零变换当且仅当它的特征多项式的根都是零; (ii) 如果一个幂零变换可以对角化,那么一定是零变换. 7.设V是复数域上一个n维向量空间,S是V的某些线性变换所成的集合,而是V的一个线性变换,并且与S中每一线性变换可交换,证明,如果S不可约 (参看7.4,习题5),那么一定是一个位似. [提示:令是的一个本征值,考虑的属于的本征子空间,并且利用7.4,习题5的结果.] 8.设是数域F上n维向量空间V的一个可以对角化的线性变换,令是的全部本征值.证明,存在V的线性变换,使得 (i) ; (ii) (iii) (iv) (v) 的属于本征值的本征子空间, 9.令V是复数域C上一个n维向量空间,,是V的线性变换,且. (i) 证明,的每一本征子空间都在之下不变; (ii) 与在V中有一公共本征向量. |