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线性代数/行等价/解

来自维基教科书,开放的书籍,开放的世界
建议所有读者进行此练习。
问题 1

判断矩阵是否行等价。

答案

将每个矩阵化简为行阶梯形矩阵,然后进行比较。

  1. 第一个得到
    而第二个得到
    这两个简化后的行阶梯形矩阵并不相同,因此原始矩阵不是行等价的。
  2. 第一个是这个。
    第二个是这个。
    这两个是行等价的。
  3. 这两个不是行等价的,因为它们的大小不同。
  4. 第一个是
    第二个是
    这两个不是行等价的。
  5. 第一个是
    这是第二个。
    这两个不是行等价的。
问题 2

描述 [Example 2.10](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6323f43e8a389e2ba36be0f77f67fb67abafde17) 中每类矩阵。

答案

首先,唯一与全零矩阵行等价的矩阵就是它本身(因为行运算对它没有影响)。

其次,可以化简为

的矩阵具有以下形式

(其中 ,且 不全为零)。

接下来,可以化简为

的矩阵具有以下形式

(其中 ,且它们不全为零)。

最后,可以化简为

的矩阵是**非奇异矩阵**。这是因为系数矩阵为该矩阵的线性系统将有唯一的解,而这是非奇异性的定义。(另一种说法是,它们不属于上述任何类别。)

问题 3

描述这些矩阵的行等价类中的所有矩阵。

答案
  1. 它们的形式为
    其中 .
  2. 它们有这种形式(对于 )。
  3. 它们的形式为
    (对于 )其中 。(这是决定 矩阵非奇异时的公式。)
问题 4

有多少个行等价类?

答案

无限多个。例如,在

中,每个 都代表一个不同的类。

问题 5

行等价类可以包含不同大小的矩阵吗?

答案

不可以。行操作不会改变矩阵的大小。

问题 6

行等价类有多大?

  1. 证明任何零矩阵的类都是有限的。
  2. 还有其他类只包含有限多个成员吗?
答案
  1. 对零矩阵进行行操作没有效果。因此每个零矩阵都在其行等价类中是单独存在的。
  2. 没有。任何非零项都可以重新缩放。
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问题 7

给出两个行简化阶梯形矩阵,它们的主元位于相同的列中,但它们不是行等价的。

答案

这里有两个。

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问题 8

证明任何两个 非奇异矩阵是行等价的。任何两个奇异矩阵是行等价的吗?

答案

任意两个 非奇异矩阵具有相同的行最简形式,即除了对角线上的 之外,其他元素均为 的矩阵。

两个相同大小的奇异矩阵不一定行等价。例如,这两个 奇异矩阵不 行等价。

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问题 9

描述包含这些矩阵的所有行等价类。

  1. 矩阵
  2. 矩阵
  3. 矩阵
  4. 矩阵
答案

由于每个类中只有一个行最简形式矩阵,因此我们只需列出可能的行最简形式矩阵。

有关该列表,请参阅 问题 1.5 的答案。

问题 10
  1. 证明向量 是集合 中元素的线性组合,当且仅当存在线性关系 ,其中 不为零。(提示:注意 的情况。)
  2. 利用这一点简化 引理 2.5 的证明。
答案
  1. 如果存在一个线性关系,其中 不为零,那么我们可以从等式的两边减去 ,并除以 ,得到 作为其他向量的线性组合。(备注:如果集合中没有其他向量,比如关系为 ,那么该陈述仍然成立,因为零向量定义为空向量集的和。)反之,如果 是其他向量的组合 ,那么从等式的两边减去 就会得到一个至少有一个系数不为零的关系;具体来说,就是 前面的
  2. 第一行不是其他行的线性组合,原因在证明中给出:在包含第一行主元所在的列的元素方程中,唯一非零元素是第一行的主元,因此它的系数必须为零。因此,根据本练习的前面部分,第一行与其他行不存在线性关系。因此,在考虑第二行是否可以与其他行存在线性关系时,我们可以将第一行排除在外。但现在应用于第一行的论点将应用于第二行。(也就是说,我们在这里通过归纳进行论证。)
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问题 11

完成引理 2.5的证明。

  1. 首先通过展示来说明归纳步骤。
  2. 进行完整的归纳步骤:当时,假设对于,并推导出
  3. 找到矛盾。
答案
  1. 在方程式
    我们已经知道。令为第二行首项的列号。考虑该列上之前方程中的项。
    因为是第二行首项的列号,对于。因此方程简化为
    并且由于不为,我们有
  2. 在方程式
    我们已经知道。设 为第 行首元所在的列号。考虑上述方程中该列的元素。
    因为 是第 行首元所在的列,我们有 对于。因此,该方程简化为
    并且由于 不为,我们有
  3. 从本练习中的前一项,我们知道在方程
    我们已经知道 。令 为第 行主元元素所在的列号。将上述方程改写为该列上的元素。
    因为 是第 行主元元素所在的列,我们有 对于 。这使得等式右侧的求和为 ,但左侧不为 ,因为它该行的主元元素。这就是矛盾之处。
问题 12

完成 引理 2.6 中的归纳论证。

  1. 陈述归纳假设。还要说明从该假设中必须证明什么才能成立。
  2. 验证归纳假设意味着在关系 中,系数 均为零。
  3. 通过类似于基本情况的论证完成归纳步骤,即 是不可能的。
答案
  1. 归纳步骤是证明,如果该陈述在行 上成立,那么它在行 上也成立。也就是说,我们假设 ,以及 ,...,以及 ,我们将证明 也成立(对于 中)。
  2. Corollary 2.3 gives the relationship between rows. Inside of those row vectors, consider the relationship between the entries in the column . Because by the induction hypothesis this is a row greater than the first , the row has a zero in entry (the matrix is in echelon form). But the row has a nonzero entry in column ; by definition of it is the leading entry in the first row of . Thus, in that column, the above relationship among rows resolves to this equation among numbers: , with . Therefore . With , a similar argument shows that . With those two, another turn gives that . That is, inside of the larger induction argument used to prove the entire lemma, here is an subargument by induction that shows for all in . (We won't write out the details since it is just like the induction done in Problem 11.)
  3. 注意,本练习的前一项表明,行之间的关系 简化为 。考虑该方程式中的列 中的条目。根据 的前导条目的列号的定义,其他行 中此列的条目为零。现在如果 ,则来自列 的条目的方程式将为 ,这是不可能的,因为 不为零,因为它位于其行的开头。对称的论证表明 也是不可能的。
问题 13

为什么在证明 定理 2.7 时,我们要费心将限制条件限定在非零行上?为什么不坚持我们一开始的关系,,其中 而不是 ,并利用它来论证唯一非零系数是 ,它等于

答案

零行可能具有非零系数,因此该陈述将不成立。

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问题 14

三名卡车司机走进一家路边咖啡馆。一名卡车司机购买了四份三明治、一杯咖啡和十个甜甜圈,共计 $。另一名司机购买了三份三明治、一杯咖啡和七个甜甜圈,共计 $。第三名卡车司机为一份三明治、一杯咖啡和一个甜甜圈支付了多少钱?(Trono 1991

答案

我们知道 并且 ,我们想知道 是多少。幸运的是, 的线性组合。将未知价格称为 ,我们有以下归纳。

支付的价格是 $.

问题 15

高斯消元法不允许用零乘以行,这是证明化简阶梯形式唯一性的必要条件,否则每个矩阵都将与全零矩阵行等价。这个条件在哪里被使用呢?

答案

如果允许用零乘以行,那么 引理 2.6 将不成立。也就是说,当

第二个矩阵的所有行都可以表示为第一个矩阵的行的线性组合,但反过来不成立。第一个矩阵的第二行不是第二个矩阵的行的线性组合。

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问题 16

线性组合引理说明了从给定线性系统中通过高斯消元法可以得到哪些方程。

  1. 生成一个不包含在这个系统中的方程。
  2. 从一个不一致的系统中可以导出任何方程吗?
答案
  1. 一个简单的答案是这个
    为了得到一个不那么俏皮的答案,请求解该系统
    得到 。现在,任何不满足 的方程都可以,例如 .
  2. 每个方程都可以从一个不一致的系统中推导出。例如,以下是如何从 "" 推导出 ""。首先,
    的有效性是独立的,但很明显)。类似地,。同样地,。但现在, 给出 .
问题 17

将行等价的定义扩展到线性系统。根据你的定义,等价的系统是否有相同的解集?(Hoffman & Kunze 1971)

答案

如果它们的增广矩阵行等价,则定义线性系统等价。证明等价系统具有相同解集是很容易的。

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问题 18

在这个矩阵中

第一列和第二列加起来等于第三列。

  1. 证明在任何行操作下仍然成立。
  2. 做一个推测。
  3. 证明它成立。
答案
  1. 三种可能的行交换很简单,三种可能的重新缩放也是如此。六种可能的枢轴操作中的一种是
    并且第一列和第二列再次加起来等于第三列。另外五个枢轴操作类似。
  2. 明显的推测是行操作不会改变列之间的线性关系。
  3. 逐案例的证明遵循第一项中给出的概要。

参考文献

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  • Hoffman, Kenneth; Kunze, Ray (1971), Linear Algebra (Second ed.), Prentice Hall
  • Trono, Tony (compilier) (1991), University of Vermont Mathematics Department High School Prize Examinations 1958-1991, mimeograhed printing
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