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第七章 线性变换
日期:
2018-03-15
阅读次数:
933

第七章  线性变换

§7.1  线性映射

1.令=x1x2x3)是R3的任意向量.下列映射 哪些是R3到自身的线性映射?

 (1() = + R3的一个固定向量.

 (2() = (2x1x2 + x3x2 + x3,–x3)

 (3() =x12x22x32).

 (4() =cosx1sinx20).

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aF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) = AXXA

    1. 证明:Mn (F)是自身的线性映射。

    2. 证明:对于任意XYMn (F)

(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VW都是数域F上向量空间,且dimV = n.令VW的一个线性映射.我们如此选取V的一个基:1,…,ss+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;

 (iidim Ker() + dim Im() = n.

6.设是数域Fn维向量空间V到自身的一个线性映射.W1W2V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

nn = 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.   

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.

5L (V) .证明

(1)  Im()Ker()当且仅当  2 =

  1. Ker()Ker(2)Ker(3)

  2. Im()Im(2)Im(3)

6.设Fn = { (x1x2,…,xn ) | xiF }是数域Fn 维行空间.定义

(x1x2,…,xn ) = (0x1,…,xn-1 )

(i)  证明:Fn的一个线性变换,且  n =

(ii) Ker()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)  1x x2,…,xn

(2)  1x–c ,…,cF

2.设F上三维向量空间的线性变换关于基 {123}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 +23.求()关于基123的坐标.

3.设{12,…,n}n维向量空间V的一个基.

j = = j = 12,…,n

并且12,…,n线性无关.又设V的一个线性变换,使得(j) = j = 12,…,n,求关于基,…,的矩阵.

4.设ABn阶矩阵,且A可逆,证明,ABBA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Fn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) = AXXA

7.1习题3Mn (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}(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Fn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{12,…,n}{12,…,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12,…,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()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V的一个线性变换,那么Ker()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WS的一个不变子空间.S说是不可约的,如果SV中没有非平凡的不变子空间,设S不可约,而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

相似必要且只要b1b2,…,bna1a2,…,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1-1

(ii) 如果| trA | = 2A,那么存在可逆实矩阵T,使得

T-1AT = .

(iii)  如果| trA | < 2则存在可逆实矩阵T,使得

T-1AT =

[提示] (iii)A有非实共轭复特征根=1.写成三角形式.令A的属于的一个特征向量,计算AA

4.设abc

A=B=C=

(i) 证明,ABC彼此相似;

(ii) 如果BC=CB,那么ABC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Cn阶可逆矩阵T使得

T-1AT =

(ii) 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,A的全部特征根(重根按重数计算).

(i) 如果f (x)C上任意一个次数大于零的多项式,那么f (f(A)的全部特征根.

(ii) 如果A可逆,那么,并且A-1的全部特征根

7.令

A =

是一个n阶矩阵。

(i) 计算

(ii) 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AB是复数域上n阶矩阵.证明,ABBA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

A10

3.设是数域Fn维向量空间V的一个线性变换.令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Fn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V的一个对合变换,证明:

(i) 的本征值只能是

(ii) V = V1,这里V1的属于本征值1的本征子空间,V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,A是一个幂等矩阵.证明:

(i)I + A 可逆,并且求

(ii)A + [提示:利用7.4,习题3 (ii)]

6.数域Fn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,SV的某些线性变换所成的集合,而V的一个线性变换,并且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Fn维向量空间V的一个可以对角化的线性变换,令的全部本征值.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,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) V中有一公共本征向量.

基本题