- 对每个命题,标出是对还是错,验证每个答案。(若是对的,给出恰当的事实或定理;若是错的,解释原因并给出反例,说明为什么该命题在每种情况下都是错的。)在(a)~(f)中, v₁,…,vₚ 是非零有限维向量空间 V 中的向量,而且 S={v₁,…,vₚ} .
a. v₁,…,vₚ 的所有线性组合所成的集合是一个
向量空间.
b.若 {ν₁,…,νₚ-1} 生成 V,则 S 生成 V.
c.若 {v₁,…,vₚ-1} 是线性无关的,则 S 也是线性无关的.
d.若 S 是线性无关的,则 S 是 V 的一组基.
e.若 operatornameSpan S = V ,则 S 的某一子集是 V 的一组基.
f.若 dim V = p 且 operatornameSpan S = V ,则 S 不能是线性
相关的.
g. ℝ³ 中的一个平面是一个二维子空间.
h.矩阵中的非主元列总是线性相关的.
i.矩阵 A 中的行变换能够改变 A 的行之间的线性相关关系.
j.矩阵中的行变换能够改变零空间.
k.矩阵的秩等于非零行的个数.
- 若 m × n 矩阵 A 行等价于阶梯形矩阵 U , U 有 k 个非零行,则 Ax = 0 的解空间的维数是 m - k .
m.若 B 是由 A 经过几次行初等变换得到,则 rank B = rank A.
n.矩阵 A 的非零行构成 operatornameRow A 的一组基.
- 若矩阵 A 和 B 有相同的简化阶梯形,则 Row A = Row B.
p.若 H 是 ℝ³ 的子空间,则存在一个 3 × 3 矩阵 A 使得 H = operatornameCol A .
q.若 A 是 m × n 矩阵且 rank A = m,则线性变换 x mapsto Ax 是一对一的.
r.若 A 是 m × n 矩阵且线性变换 x mapsto Ax 是映上的,则 rank A = m.
s.坐标变换矩阵总是可逆的.
t.若 B={b₁,…,bₙ} 和 C={c₁,…,cₙ} 是向量空间 V 的基,则坐标变换矩阵 P_(Carrow B) 的第 j 列是坐标向量 [cⱼ]_(B) .
- 求所有形如下列形式的向量构成的集合的一组基。(计算要仔细。)
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令 ±bu₁ = -2 4 -6 , ±bu₂ = 1 2 -5 , ±b b = b₁ b₂ b₃ ,W = Span{±bu₁, ±b u₂} ,求 W 的一个隐式的表达;即求一个或多个能刻画 W 中点的齐次方程的集合.(提示: ±bb 何时在 W 中?)
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说明下面的讨论哪里有错:设 f(t) = 3 + t , g(t) = 3t + t² , g(t) = tf(t).因为 g 是 f 的倍数,所以 {f, g} 是线性相关的.
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考虑多项式 p₁(t) = 1 + t , p₂(t) = 1 - t , p₃(t) = 4 , p₄(t) = t + t² , p₅(t) = 1 + 2t + t² ,并设 H 是由集合 S = {p₁, p₂, p₃, p₄, p₅} 所生成的 mathbbP₅ 的子空间。使用(4.3节)生成集定理证明中给出的方法求 H 的一组基。(说明如何从 S 中选取适当的向量。)
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假设 p₁, p₂, p₃, p₄ 是给定的多项式,它们生成 mathbbP₅ 的一个二维子空间 H 。试叙述通过检查这 4 个多项式,你如何能几乎不用计算就能求出 H 的一组基。
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关于一个具有 18 个线性方程 20 个变量的齐次方程组的解集,为了知道每一个相应的非齐次方程有解,你必须要知道什么?讨论之。
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令 H 是 n 维向量空间 V 的一个 n 维子空间,解释为什么 H = V.
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设 T: ℝⁿ → ℝ^m 是线性变换,
a. 如果 T 是一对一映射,那么 T 的值域的维数是多少?解释之.
b. 如果 T 是从 ℝⁿ 映上到 ℝ^m ,那么 T 的核(见4.2节)的维数是多少?解释之. -
令 S 是向量空间 V 中的一个最大线性无关子集,即 S 有这样的性质:若一个向量不在 S 中,添加到 S 后得到一个新的集合,则新的集合不再是线性无关的。证明: S 一定是 V 的一组基。(提示:若 S 是线性无关的,但不是 V 的一组基,则 S 将如何?)
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令 S 是向量空间 V 的一个有限极小生成集,即 S 有这样的性质:若从 S 中去掉一个向量,则新的集合将不再生成 V 。证明: S 一定是 V 的一组基。习题 12~17 给出了有时在应用中用到的秩的性质。假设矩阵 A 是 m × n 矩阵。
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由(a)和(b)证明:rank AB 不能超过 A 的秩或 B 的秩。(一般而言,矩阵乘积的秩不能超过乘积中任何一个因子的秩.) a. 证明: 若 B 是 n × p 矩阵,则 operatornamerank AB ≤slant operatornamerank A . (提示:解释为什么 AB 的列空间中的每个向量属于 A 的列空间.) b. 证明: 若 B 是 n × p 矩阵,则 operatornamerank AB ≤slant operatornamerank B . (提示:利用(a)研究 operatornamerank(AB)^(→p) .)
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证明:若 P 是 m × m 可逆矩阵,则 rank PA = rank A。(提示:对 PA 和 P⁻1(PA) 应用习题 12.)
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证明:若 Q 是可逆的,则 rank AQ = rank A。(提示:用习题 13 来研究 rank(AQ)^(T) .)
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设 A 是 m × n 矩阵,B 是 n × p 矩阵,且 AB = 0.
证明
operatornamerank A + operatornamerank B ≤slant n . (提示:Nul A, Col A, Nul B, Col B 四个子空间中有一个被包含在另外三个中的一个之中.)
- 设 A 是秩为 r 的 m × n 矩阵,则 A 的秩分解是具有 A = CR 形式的等式,其中 C 是秩为 r 的 m × r 矩阵, R 是秩为 r 的 r × n 矩阵。这样的因式分解总是存在的(参见4.6节习题38)。任给两个 m × n 矩阵 A 和 B ,利用 A 和 B 的秩分解证明:
(提示:把 A+B 写成两个分块矩阵的积.)
- 矩阵 A 的子矩阵是由去掉 A 中若干行若干列(或不去掉)得到的矩阵。可以证明 A 的秩为 r 当且仅当 A 包含一个 r × r 可逆子矩阵同时没有更大的可逆子方阵。通过解释下面的(a)和(b)证明这个命题的一部分:(a)为什么秩为 r 的 m × n 矩阵 A 有一个秩为 r 的 m × r 子矩阵 A₁ ,(b)为什么 A₁ 有一个可逆的 r × r 子矩阵 A₂ 。
秩这个概念在工程控制系统的设计中起着重要的作用,比如在本章介绍性实例中提到的航天飞机系统.控制系统的状态空间模型包括一个形如
boldsymbol x _ k + 1 = A boldsymbol x _ k + B boldsymbol u _ k k = 0, 1, … (1)的差分方程,其中 A 是 n × n 矩阵,B 是 n × m 矩阵, {xₖ} 是 Rⁿ 中的一个“状态向量”序列,它用来描述在离散时间上系统的状态, {uₖ} 是一个控制或输入序列。(A,B)称为可控制的,如果
operatornamerank [ B A B A ^ 2 B … A ^ n - 1 B ] = n (2)(2)式中的矩阵称为系统的可控制性矩阵.若 (A,B) 是可控制的,则通过简单地选择一个适当的 R^(m) 中的控制序列,最多在n步内,该系统从状态0到任一指定的( Rⁿ 中的)状态v可以被控制或被驱动.对这一点,习题18给出了在n=4,m=2时的示例.对可控制性的进一步讨论,可参见本教材的网站(第4章的案例研究).
- 设 A 是 4 × 4 矩阵,B 是 4 × 2 矩阵, u₀, u₁, u₂, u₃, u₄ 是 R² 中的输入向量序列. a. 设 x₀=0 ,用(1)式计算 x₁, x₂, x₃, x₄ ,用(2)式中的可控制性矩阵 M 写一个计算 x₄ 的公式。(注意:矩阵 M 用分块矩阵来构造。此处它的大小是 4 × 8 。 b. 设 (A, B) 是可控制的,v 是 R⁴ 中的任一向量,说明为何存在 R² 中的一个控制序列 u₀, …, u₄ ,使得 x₄=v 。 在习题19~22中,判定矩阵对是否是可控制的。
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[M] A = 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 1 & 0 0 & 0 & 0 & 1 -2 & -4.2 & -4.8 & -3.6 , B = 1 0 0 -1
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[M] A = 0 & 1 & 0 & 0 0 & 0 & 1 & 0 0 & 0 & 0 & 1 -1 & -13 & -12.2 & -1.5 , B = 1 0 0 -1