线代知识大杂烩

基本结论

矩阵乘法








矩阵转置






对称矩阵

对于同阶对称矩阵有
均为对称矩阵
对于矩阵为阶对称矩阵为阶对称矩阵

可逆矩阵







初等矩阵

单位矩阵只经过一次初等变换而得到的矩阵


对矩阵作初等行变换等价于用对于的初等矩阵左乘矩阵
对矩阵作初等列变换等价于用对于的初等矩阵右乘矩阵

行列式

当为方阵设则设则设则

若为方阵

行列式展开定理

按第列展开
按第行展开
其中
对于阶矩阵

伴随矩阵



分块矩阵

将矩阵 用纵线和横线分成若干小块:


分块加法

两个行数相同、列数相同且分块方式相同的矩阵相加时,对应子块相加:


分块数乘


分块乘法

将 和 分块时,要求 的列的分法与 的行的分法一致:


分块转置


即:子块先各自转置,再把子块本身当作元素进行转置。

分块对角矩阵


称为分块对角矩阵(或准对角矩阵),记作 。

性质:

  • 行列式:
  • 幂运算:
  • 可逆性: 可逆 每个 都可逆,且

分块三角矩阵

上三角分块矩阵(对角块均为方阵):


性质:

  • 行列式:
  • 对于分块下三角矩阵同理

常用分块矩阵公式

拉普拉斯展开式:


为阶为阶

分块矩阵求逆( 可逆):




线性相关性

唯一表示定理:设向量组线性无关,又设该向量组添加一个向量后的向量组线性相关,则向量可由向量组线性表示且表示式唯一

线性无关的证明: 对于向量组,设实数满足
若不全为0,则线性相关;若全为0,则线性无关

秩

向量组内的向量线性无关
向量组内的向量线性无关

任意矩阵的行秩与列秩相等,其值等于它对应的最简阶梯型矩阵或阶梯型矩阵的非零行的行数
初等变换不改变矩阵的秩
规定零矩阵的秩为0

设都是可逆矩阵,则


矩阵的秩有如下性质




中有一个阶子式且所有阶子式(如果存在的话)都等于
对于任意阶矩阵有

向量空间

维数:向量空间的基所含向量的个数

变基:
设维向量空间,则可由线性表示:


称矩阵为由基到基的过渡矩阵

过渡矩阵一定为可逆矩阵
要将基下的坐标转换到基下的坐标,需要左乘过渡矩阵的逆矩阵


特征值

求解

由 求特征值 ,再对每个 解齐次方程组 求特征向量。


展开后为 的 次多项式,称特征多项式。特征方程 的根即特征值。

性质


可逆
设则
和有相同的特征值
不同特征值对应的特征向量线性无关

若 阶矩阵 的特征值为 ,则:



代数重数:特征值 作为特征多项式根的重数,记作 。

几何重数:特征值 对应的特征子空间的维数 ,记作 。

恒有 。

方阵的对角化

可对角化 存在可逆矩阵 使 。

充要条件:

  • 有 个线性无关的特征向量
  • 每个特征值的几何重数 = 代数重数,即
  • 阶矩阵有 个不同特征值 可对角化(充分非必要)

求解步骤:

  1. 求特征值
  2. 对每个 ,解 得线性无关的特征向量
  3. 以特征向量为列构成 ,对应的特征值排成
  4. 验证

Euclid空间

向量内积

在 维实向量空间 中定义 **内积** :

定义了内积的 称为 Euclid空间。

内积性质():




且

范数(长度):


夹角:


正交:

标准正交基

若向量组 满足:

  • 两两正交:
  • 均为单位向量:

则称其为标准正交向量组。构成向量空间基的标准正交向量组称为标准正交基。

标准正交基下坐标计算简便:若 为标准正交基,则 。

施密特正交化

将线性无关组 化为标准正交组 。

求解步骤:

  1. 正交化(得 ):


  1. 单位化(得 ):

正交矩阵

若 阶实矩阵 满足 (即 ),则称 为 **正交矩阵**

性质:

为正交矩阵的列行向量组构成标准正交基
为正交矩阵

若为正交矩阵,则也是正交矩阵

实对称矩阵

实对称矩阵的特征值和特征向量

为实对称矩阵 且 的元素均为实数。

性质:

  • 实对称矩阵的特征值均为实数
  • 实对称矩阵的属于不同特征值的特征向量相互正交
  • 实对称矩阵的每个特征值的几何重数 = 代数重数

对角化

实对称 存在正交矩阵 ,使:

求解步骤:

  1. 求 的根,得特征值 (均为实数)
  2. 对每个 ,解 得基础解系(特征向量)
  3. 若 为重根,对其特征向量作 Schmidt 正交化
  4. 将所有特征向量单位化,以它们为列构成正交矩阵
  5. 得

二次齐次多项式

二次型

元**二次型**:

其中 , 为 阶实对称矩阵(),称为二次型的矩阵。

构造 的方法:对角元 为 的系数;非对角元 为 系数的一半。

矩阵的合同

对于 阶方阵 ,若存在可逆矩阵 使 ,则称 与 **合同**

性质:

  • 合同关系具有自反性、对称性、传递性
  • 合同变换保持对称性:若 对称,则 也对称
  • 合同变换不改变秩:

**充要条件:**正负惯性系数相同

用正交变换化二次型为标准形

存在正交变换 ( 正交),使:


其中 为 的特征值。此即主轴定理:任何实二次型均可通过正交变换化为标准形,系数恰为矩阵的特征值。


求解步骤:

  1. 写出二次型的对称矩阵 (对角元为平方项系数,非对角元为交叉项系数的一半)
  2. 对 作正交对角化,得特征值 和正交矩阵
  3. 令 ,得标准形

正定二次型与正定矩阵

二次型的规范形

由惯性定理:二次型经任何可逆线性变换化为标准形后,正平方项个数 和负平方项个数 不变(与变换方式无关)。

——**正惯性指数**,——**负惯性指数**,——**符号差**,。

令 (系数均为 ),此即二次型的规范形。

由霍尔维茨定理(Sylvester 判别法): 正定 的各阶顺序主子式均 :


负定: 奇数阶顺序主子式 ,偶数阶

正定二次形

若对任意 ,恒有 ,则称 为**正定二次型**, 为**正定矩阵**。

判别条件(以下等价):

  • 正定
  • 的特征值全为正
  • 的正惯性指数
  • 的各阶顺序主子式
  • 存在可逆矩阵 使

半正定: () 特征值均 正惯性指数

方程组的解问题

仅有零解
有唯一解

可逆
可以分解为有限个初等矩阵的乘积
的列向量组线性无关
的行向量组线性无关
可由的列向量组线性表示且表示式唯一

线性方程组解的结构

基础解系

齐次线性方程组 的解空间的**基**称为该方程组的一个**基础解系**。

设 ,则将 通过初等行变换化为最简阶梯型,取 个自由未知量(通常取不在主元列的变量),分别令其中一个为 、其余为 ,回代解得主元变量的值,得到的 个线性无关的解向量 即构成基础解系。

解空间维数:

齐次线性方程组

必有零解
有非零解
仅有零解

解的结构( 时):


其中 为基础解系。

求解步骤:

  1. 对系数矩阵 作初等行变换,化为阶梯型,求出
  2. 若 ,仅有零解;若 ,继续
  3. 进一步化为最简阶梯型,确定主元变量与自由变量
  4. 令自由变量依次取 ,回代求出基础解系
  5. 通解为基础解系的任意线性组合

非齐次线性方程组

有解判定:

有解
有唯一解有无穷多解无解

解的结构(有解时):


即:导出组 的通解 + 原方程组的一个特解 。

求解步骤:

  1. 对增广矩阵 作初等行变换,化为阶梯型
  2. 比较 与 :不等则无解
  3. 继续化为最简阶梯型,确定主元变量与自由变量
  4. 令所有自由变量 ,回代求出一个特解
  5. 令 ,求导出组的基础解系
  6. 写出通解

方阵相似

若对于阶方阵存在为可逆矩阵,使得


则称和相似,记作

性质

  • 自反性
  • 对称性
  • 传递性
又则又可逆,则也可逆且和的特征值相同

以上均为必要条件,但非充分。例如特征值相同不能保证相似,除非两个矩阵均可对角化且特征值(含重数)完全相同。

对于可对角化的矩阵,若特征值相同,则方阵相似


线代知识大杂烩
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作者
B
发布于
2026年7月5日
更新于
2026年7月6日
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