线性代数同济大学第五版课件.docx
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线性代数同济大学第五版课件
幻灯片1
线性代数(第五版)
幻灯片2
●在以往的学习中,我们接触过二元、三元等简单的线性方程组.
●但是,从许多实践或理论问题里导出的线性方程组常常含有相当多的未知量,并且未知量的个数与方程的个数也不一定相等.
幻灯片3
●我们先讨论未知量的个数与方程的个数相等的特殊情形.
●在讨论这一类线性方程组时,我们引入行列式这个计算工具.
幻灯片4
●行列式是线性代数的一种工具!
●学习行列式主要就是要能计算行列式的值.
第一章行列式
●内容提要
●§1二阶与三阶行列式
●§2全排列及其逆序数
●§3n阶行列式的定义
●§4对换
●§5行列式的性质
●§6行列式按行(列)展开
§7克拉默法则
●行列式的概念.
●(选学内容)
●行列式的性质及计算.
●——线性方程组的求解.
幻灯片5
§1二阶与三阶行列式
●我们从最简单的二元线性方程组出发,探
●求其求解公式,并设法化简此公式.
幻灯片6
一、二元线性方程组与二阶行列式
●二元线性方程组
●由消元法,得
●当时,该方程组有唯一解
幻灯片7
●二元线性方程组
●请观察,此公式有何特点?
●分母相同,由方程组的四个系数确定.
●分子、分母都是四个数分成两对相乘再
相减而得.
●求解公式为
幻灯片8
●我们引进新的符号来表示“四个数分成两对相乘再相减”.
●二元线性方程组
●记号
●数表
●其求解公式为
●表达式称为由该
●数表所确定的二阶行列式,即
●其中,称为元素.
●i为行标,表明元素位于第i行;
●j为列标,表明元素位于第j列.
●原则:
横行竖列
幻灯片9
●二阶行列式的计算
●——对角线法则
●主对角线
●副对角线
●即:
主对角线上两元素之积-副对角线上两元素之积
幻灯片10
●二元线性方程组
●若令
●(方程组的系数行列式)
●则上述二元线性方程组的解可表示为
幻灯片11
●求解二元线性方程组
●例1
●解
●因为
●所以
幻灯片12
二、三阶行列式
●定义设有9个数排成3行3列的数表
●原则:
横行竖列
●引进记号
●主对角线
●副对角线
●称为三阶行列式.
●二阶行列式的对角线法则并不适用!
幻灯片13
●三阶行列式的计算
●——对角线法则
●实线上的三个元素的乘积冠正号,
●虚线上的三个元素的乘积冠负号.
●注意:
对角线法则只适用于二阶与三阶行列式.
幻灯片14
●例2计算行列式
●解
●按对角线法则,有
幻灯片15
●例3求解方程
●方程左端
●解
●由得
幻灯片16
§2全排列及其逆序数
幻灯片17
●用1、2、3三个数字,可以组成多少个没有重复数字的三位数?
●引例
●123
●解
●1
●3
●2
●百位
●3种放法
●3
●1
●2
●1
●2种放法
●十位
●1种放法
●1
●2
●3
●个位
●共有
●种放法.
幻灯片18
●问题把n个不同的元素排成一列,共有多少种不同的
●排法?
●定义把n个不同的元素排成一列,叫做这n个元素的全排列.n个不同元素的所有排列的种数,通常用Pn表示.
●显然
●即n个不同的元素一共有n!
种不同的排法.
幻灯片19
●3个不同的元素一共有3!
=6种不同的排法
●123,132,213,231,312,321
●所有6种不同的排法中,只有一种排法(123)中的数字是按从小到大的自然顺序排列的,而其他排列中都有大的数排在小的数之前.
●因此大部分的排列都不是“顺序”,而是“逆序”.
幻灯片20
●对于n个不同的元素,可规定各元素之间的标准次序.
●n个不同的自然数,规定从小到大为标准次序.
●定义当某两个元素的先后次序与标准次序不同时,
●就称这两个元素组成一个逆序.
●例如在排列32514中,
●32514
●思考题:
还能找到其它逆序吗?
●答:
2和1,3和1也构成逆序.
幻灯片21
●定义排列中所有逆序的总数称为此排列的逆序数.
●排列的逆序数通常记为.
●奇排列:
逆序数为奇数的排列.
●偶排列:
逆序数为偶数的排列.
●思考题:
符合标准次序的排列是奇排列还是偶排列?
●答:
符合标准次序的排列(例如:
123)的逆序数等于零,因而是偶排列.
幻灯片22
●计算排列的逆序数的方法
●设是1,2,…,n这n个自然数的任一排列,并规定由小到大为标准次序.
●先看有多少个比大的数排在前面,记为;
●再看有多少个比大的数排在前面,记为;
●……
●最后看有多少个比大的数排在前面,记为;
●则此排列的逆序数为
幻灯片23
●例1:
●求排列32514的逆序数.
●解:
●练习:
●求排列453162的逆序数.
●解:
幻灯片24
§3n阶行列式的定义
幻灯片25
一、概念的引入
●规律:
●三阶行列式共有6项,即3!
项.
●每一项都是位于不同行不同列的三个元素的乘积.
●每一项可以写成(正负号除外),其中
●是1、2、3的某个排列.
●当是偶排列时,对应的项取正号;
当是奇排列时,对应的项取负号.
幻灯片26
●所以,三阶行列式可以写成
●其中表示对1、2、3的所有排列求和.
●二阶行列式有类似规律.下面将行列式推广到一般的情形.
幻灯片27
二、n阶行列式的定义
●简记作,
●其中为行列式D的(i,j)元
●n阶行列式共有n!
项.
●每一项都是位于不同行不同列的n个元素的乘积.
●每一项可以写成(正负号除外),其中
●是1,2,…,n的某个排列.
●当是偶排列时,对应的项取正号;
当是奇排列时,对应的项取负号.
幻灯片28
●思考题:
成立吗?
●答:
符号可以有两种理解:
●若理解成绝对值,则;
若理解成一阶行列式,则.
●注意:
当n=1时,一阶行列式|a|=a,注意不要与绝对值的记号相混淆.例如:
一阶行列式.
幻灯片29
●例:
●写出四阶行列式中含有因子的项.
●解:
●和
●例:
●计算行列式
幻灯片30
●解:
●其中
幻灯片31
幻灯片32
●四个结论:
●
(1)对角行列式
●
(2)
幻灯片33
●(3)上三角形行列式(主对角线下侧元素都为0)
●(4)下三角形行列式(主对角线上侧元素都为0)
幻灯片34
●思考题:
用定义计算行列式
●-1
●解:
用树图分析
●3
●1
●-2
●1
●-1
●2
●-2
●3
●3
●-1
●故
幻灯片35
●思考题
●已知,求的系数.
幻灯片36
●解
●含的项有两项,即
●对应于
●故的系数为-1.
幻灯片37
§4对换
幻灯片38
一、对换的定义
●定义
●在排列中,将任意两个元素对调,其余的元素不动,这种作出新排列的手续叫做对换.
●将相邻两个元素对换,叫做相邻对换.
●例如
幻灯片39
●备注
●相邻对换是对换的特殊情形.
●一般的对换可以通过一系列的相邻对换来实现.
如果连续施行两次相同的对换,那么排列就还原了.
幻灯片40
二、对换与排列奇偶性的关系
●定理1 对换改变排列的奇偶性.
●证明
●先考虑相邻对换的情形.
幻灯片41
●注意到除外,其它元素的逆序数不改变.
幻灯片42
●当时,,,.
●当时,,,.
●因此相邻对换改变排列的奇偶性.
幻灯片43
●既然相邻对换改变排列的奇偶性,那么
●因此,一个排列中的任意两个元素对换,排列的奇偶性改变.
●推论
●奇排列变成标准排列的对换次数为奇数,
●偶排列变成标准排列的对换次数为偶数.
●由定理1知,对换的次数就是排列奇偶性的变化次数,而标准排列是偶排列(逆序数为零),因此可知推论成立.
●证明
幻灯片44
●因为数的乘法是可以交换的,所以n个元素相乘的次序是可以任意的,即
●每作一次交换,元素的行标与列标所成的排列
●与都同时作一次对换,即与同时改变奇偶性,但是这两个排列的逆序数之和的奇偶性不变.
幻灯片45
●设对换前行标排列的逆序数为,列标排列的逆序数为.
●设经过一次对换后行标排列的逆序数为
●列标排列的逆序数为
●因为对换改变排列的奇偶性,是奇数,也是奇数.
●所以是偶数,
●即是偶数.
●于是与同时为奇数或同时为偶数.
●因此,交换中任意两个元素的位置后,其行标排列与列标排列的逆序数之和的奇偶性不变.
幻灯片46
●经过一次对换是如此,经过多次对换还是如此.所以,在一系列对换之后有
幻灯片47
幻灯片48
●例1试判断和
●是否都是六阶行列式中的项.
幻灯片49
●例2用行列式的定义计算
幻灯片50
●解
幻灯片51
三、小结
●1.对换改变排列奇偶性.
●2.行列式的三种表示方法
幻灯片52
§5行列式的性质
幻灯片53
一、行列式的性质
●记
●行列式称为行列式的转置行列式.
●若记,则.
●性质1行列式与它的转置行列式相等,即.
幻灯片54
●性质1行列式与它的转置行列式相等.
●证明
●若记,则
●根据行列式的定义,有
●行列式中行与列具有同等的地位,行列式的性质凡是对行成立的对列也同样成立.
幻灯片55
●性质2互换行列式的两行(列),行列式变号.
●备注:
交换第行(列)和第行(列),记作.
●验证
●于是
●推论如果行列式有两行(列)完全相同,则此行列式为零.
●证明
●互换相同的两行,有,所以.
幻灯片56
●性质3行列式的某一行(列)中所有的元素都乘以同一个倍数,等于用数乘以此行列式.
●备注:
第行(列)乘以,记作.
●验证
●我们以三阶行列式为例.记
●根据三阶行列式的对角线法则,有
幻灯片57
●推论行列式的某一行(列)中所有元素的公因子可以提到行列式符号的外面.
●备注:
第行(列)提出公因子,记作.
幻灯片58
●性质4行列式中如果有两行(列)元素成比例,则此行列式为零.
●验证
●我们以4阶行列式为例.
幻灯片59
●性质5若行列式的某一列(行)的元素都是两数之和,
●例如:
●则
幻灯片60
●验证
●我们以三阶行列式为例.
幻灯片61
●性质6把行列式的某一列(行)的各元素乘以同一个倍数然后加到另一列(行)对应的元素上去,行列式不变.
●备注:
以数乘第行(列)加到第行(列)上,记作.
●验证
●我们以三阶行列式为例.记
●则
幻灯片62
二、应用举例
●计算行列式常用方法:
利用运算 把行列式化为
●上三角形行列式,从而算得行列式的值.
●例1
幻灯片63
●解
幻灯片64
幻灯片65
幻灯片66
幻灯片67
幻灯片68
●解
幻灯片69
幻灯片70
●例3设
●证明
幻灯片71
●证明
●对作运算,把化为下三角形行列式
●设为
●对作运算,把化为下三角形行列式
●设为
幻灯片72
●对D的前k行作运算,再对后n列作运算,
●把D化为下三角形行列式
●故
幻灯片73
三、小结
●(行列式中行与列具有同等的地位,凡是对行成立的性质对列也同样成立).
●行列式的6个性质
●计算行列式常用方法:
(1)利用定义;
(2)利用性质把行列式化为上三角形行列式,从而算得行列式的值.
幻灯片74
●思考题
●计算4阶行列式
幻灯片75
●思考题解答
●解
幻灯片76
幻灯片77
§6行列式按行(列)展开
●对角线法则只适用于二阶与三阶行列式.
●本节主要考虑如何用低阶行列式来表示高阶行列式.
幻灯片78
一、引言
●结论三阶行列式可以用二阶行列式表示.
●思考题任意一个行列式是否都可以用较低阶的行列式表示?
幻灯片79
●在n阶行列式中,把元素所在的第行和第列划后,留下来的n-1阶行列式叫做元素的余子式,记作.
●把称为元素的代数余子式.
●例如
●结论因为行标和列标可唯一标识行列式的元素,所以行列
●式中每一个元素都分别对应着一个余子式和一个代数余子式.
幻灯片80
●引理一个n阶行列式,如果其中第行所有元素除
●外都为零,那么这行列式等于与它的代数余子式的乘积,即.
●例如
幻灯片81
●当位于第1行第1列时,
●分析
●即有
●(根据P.14例10的结论)
●又
●从而
●下面再讨论一般情形.
幻灯片82
●我们以4阶行列式为例.
●思考题:
能否以代替上述两次行变换?
幻灯片83
●思考题:
能否以代替上述两次行变换?
●答:
不能.
幻灯片84
●被调换到第1行,第1列
幻灯片85
二、行列式按行(列)展开法则
●定理3行列式等于它的任一行(列)的各元素与其对应的代数余子式乘积之和,即
幻灯片86
●同理可得
幻灯片87
●例(P.12例7续)
幻灯片88
●例证明范德蒙德(Vandermonde)行列式
●证明用数学归纳法
●所以n=2时
(1)式成立.
幻灯片89
●假设
(1)对于n-1阶范德蒙行列式成立,从第n行开始,后行
●减去前行的倍:
●按照第1列展开,并提出每列的公因子,就有
幻灯片90
●n−1阶范德蒙德行列式
幻灯片91
●推论行列式任一行(列)的元素与另一行(列)的对应元素的代数余子式乘积之和等于零,即
●分析我们以3阶行列式为例.
●把第1行的元素换成第2行的对应元素,则
幻灯片92
●定理3行列式等于它的任一行(列)的各元素与其对应的代数余子式乘积之和,即
●推论行列式任一行(列)的元素与另一行(列)的对应元素的代数余子式乘积之和等于零,即
●综上所述,有
●同理可得
幻灯片93
●例计算行列式
●解
幻灯片94
幻灯片95
●例设,的元的余子式和
●代数余子式依次记作和,求
●及
●分析利用
幻灯片96
●解
幻灯片97
幻灯片98
§7克拉默法则
幻灯片99
●二元线性方程组
●若令
●(方程组的系数行列式)
●则上述二元线性方程组的解可表示为
幻灯片100
一、克拉默法则
●如果线性方程组
●的系数行列式不等于零,即
幻灯片101
●那么线性方程组
(1)有解并且解是唯一的,解可以表示成
●其中是把系数行列式中第列的元素用方程组右端的常数项代替后所得到的阶行列式,即
幻灯片102
●定理中包含着三个结论:
●方程组有解;(解的存在性)
●解是唯一的;(解的唯一性)
●解可以由公式
(2)给出.
●这三个结论是有联系的.应该注意,该定理所讨论的只是系数行列式不为零的方程组,至于系数行列式等于零的情形,将在第三章的一般情形中一并讨论.
幻灯片103
关于克拉默法则的等价命题
●设
●定理4如果线性方程组
(1)的系数行列式不等于零,则该线性方程组一定有解,而且解是唯一的.
●定理4′如果线性方程组无解或有两个不同的解,则它的系数行列式必为零.
幻灯片104
●例解线性方程组
●解
幻灯片105
幻灯片106
幻灯片107
●线性方程组
●常数项全为零的线性方程组称为齐次线性方程组,否则称为非齐次线性方程组.
●齐次线性方程组总是有解的,因为(0,0,…,0)就是一个解,称为零解.因此,齐次线性方程组一定有零解,但不一定有非零解.
●我们关心的问题是,齐次线性方程组除零解以外是否存在着非零解.
幻灯片108
●齐次线性方程组的相关定理
●定理5如果齐次线性方程组的系数行列式,则齐次
●线性方程组只有零解,没有非零解.
●定理5′如果齐次线性方程组有非零解,则它的系数行列式必为零.
●备注
●这两个结论说明系数行列式等于零是齐次线性方程组有非零解的必要条件.
●在第三章还将证明这个条件也是充分的.即:
齐次线性方程组有非零解系数行列式等于零
幻灯片109
●练习题:
问取何值时,齐次方程组
●有非零解?
●解
●如果齐次方程组有非零解,则必有.
●所以时齐次方程组有非零解.
幻灯片110
●思考题
●当线性方程组的系数行列式为零时,能否用克拉默法则解方程组?
为什么?
此时方程组的解为何?
●答:
当线性方程组的系数行列式为零时,不能用克拉默法
●则解方程组,因为此时方程组的解为无解或有无穷多解.
幻灯片111
三、小结
●1.用克拉默法则解线性方程组的两个条件
●
(1)方程个数等于未知量个数;
●
(2)系数行列式不等于零.
●2.克拉默法则的意义主要在于建立了线性方程组的解
●和已知的系数以及常数项之间的关系.它主要适用于
●理论推导.
幻灯片112
第二章矩阵及其运算
幻灯片113
§1矩阵
●一、矩阵概念的引入
●二、矩阵的定义
●三、特殊的矩阵
●四、矩阵与线性变换
幻灯片114
●B
一、矩阵概念的引入
●C
●A
●例某航空公司在A、B、C、D四座城市之间开辟了若干航线,四座城市之间的航班图如图所示,箭头从始发地指向目的地.
●D
●城市间的航班图情况常用表格来表示:
●√
●√
幻灯片115
●ABCD
●√
●√
●A
●B
●C
●D
●√
●√
●√
●√
●√
●为了便于计算,把表中的√改成1,空白地方填上0,就得到一个数表:
●这个数表反映了四个城市之间交通联接的情况.
幻灯片116
二、矩阵的定义
●由m×n个数排成的m行n列的数表
●称为m行n列矩阵,简称m×n矩阵.
●记作
幻灯片117
●简记为
●这m×n个数称为矩阵A的元素,简称为元.
●元素是实数的矩阵称为实矩阵,
●元素是复数的矩阵称为复矩阵.
幻灯片118
矩阵
行列式
●行数不等于列数
●共有m×n个元素
●本质上就是一个数表
●行数等于列数
●共有n2个元素
幻灯片119
●三、特殊的矩阵
●行数与列数都等于n的矩阵,称为n阶方阵.可记作.
●只有一行的矩阵称为行矩阵(或行向量).
●
●只有一列的矩阵称为列矩阵(或列向量).
元素全是零的矩阵称为零距阵.可记作O.
●例如:
幻灯片120
●形如的方阵称为对角阵.
●
特别的,方阵称为单位阵.
●记作
●记作.
幻灯片121
●同型矩阵与矩阵相等的概念
●两个矩阵的行数相等、列数相等时,称为同型矩阵.
●例如
●为同型矩阵.
●两个矩阵与为同型矩阵,并且对应元
●素相等,即
则称矩阵A与B相等,记作A=B.
幻灯片122
●例如
●注意:
不同型的零矩阵是不相等的.
幻灯片123
●四、矩阵与线性变换
●n个变量与m个变量之间的
●关系式
●表示一个从变量到变量线性变换,
●其中为常数.
幻灯片124
●系数矩阵
●线性变换与矩阵之间存在着一一对应关系.
幻灯片125
●例线性变换
●称为恒等变换.
●单位阵En
幻灯片126
●例2阶方阵
●投影变换
●例2阶方阵
●以原点为中心逆时针
●旋转j角的旋转变换
幻灯片127
§2矩阵的运算
幻灯片128
●一、矩阵的加法
●定义:
设有两个m×n矩阵A=(aij),B=(bij),那么矩阵A与B的和记作A+B,规定为
●说明:
只有当两个矩阵是同型矩阵时,才能进行加法运算.
幻灯片129
●知识点比较
幻灯片130
●矩阵加法的运算规律
●设A、B、C是同型矩阵
设矩阵A=(aij),记-A=(-aij),称为矩阵A的负矩阵.
显然
幻灯片131
●二、数与矩阵相乘
●定义:
数l与矩阵A的乘积记作lA或Al,规定为
幻灯片132
●数乘矩阵的运算规律
设A、B是同型矩阵,l,m是数
矩阵相加与数乘矩阵合起来,统称为矩阵的线性运算.
幻灯片133
●知识点比较
幻灯片134
●一、矩阵与矩阵相乘
●定义:
设,,那么规定矩阵A与矩阵B的乘积是一个m×n矩阵,其中
●并把此乘积记作C=AB.
幻灯片135
●矩阵乘法的运算规律
●
(1)乘法结合律
●
(2)数乘和乘法的结合律(其中l是数)
●(3)乘法对加法的分配律
●(4)单位矩阵在矩阵乘法中的作用类似于数1,即
●纯量阵不同于对角阵
●推论:
矩阵乘法不一定满足交换律,但是纯量阵lE与任何同阶方阵都是可交换的.
幻灯片136
●(5)矩阵的幂若A是n阶方阵,定义
●显然
●思考:
下列等式在什么时候成立?
●A、B可交换时成立
幻灯片137
●四、矩阵的转置
●定义:
把矩阵A的行换成同序数的列得到的新矩阵,叫做的转置矩阵,记作AT.
●例
幻灯片138
●转置矩阵的运算性质
幻灯片139
●解法2
幻灯片140
●定义:
设A
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- 线性代数 同济大学 第五 课件
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