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線性代數/行等價/解

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建議所有讀者進行此練習。
問題 1

判斷矩陣是否行等價。

答案

將每個矩陣化簡為行階梯形矩陣,然後進行比較。

  1. 第一個得到
    而第二個得到
    這兩個簡化後的行階梯形矩陣並不相同,因此原始矩陣不是行等價的。
  2. 第一個是這個。
    第二個是這個。
    這兩個是行等價的。
  3. 這兩個不是行等價的,因為它們的大小不同。
  4. 第一個是
    第二個是
    這兩個不是行等價的。
  5. 第一個是
    這是第二個。
    這兩個不是行等價的。
問題 2

描述 [Example 2.10](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6323f43e8a389e2ba36be0f77f67fb67abafde17) 中每類矩陣。

答案

首先,唯一與全零矩陣行等價的矩陣就是它本身(因為行運算對它沒有影響)。

其次,可以化簡為

的矩陣具有以下形式

(其中 ,且 不全為零)。

接下來,可以化簡為

的矩陣具有以下形式

(其中 ,且它們不全為零)。

最後,可以化簡為

的矩陣是**非奇異矩陣**。這是因為係數矩陣為該矩陣的線性系統將有唯一的解,而這是非奇異性的定義。(另一種說法是,它們不屬於上述任何類別。)

問題 3

描述這些矩陣的行等價類中的所有矩陣。

答案
  1. 它們的形式為
    其中 .
  2. 它們有這種形式(對於 )。
  3. 它們的形式為
    (對於 )其中 。(這是決定 矩陣非奇異時的公式。)
問題 4

有多少個行等價類?

答案

無限多個。例如,在

中,每個 都代表一個不同的類。

問題 5

行等價類可以包含不同大小的矩陣嗎?

答案

不可以。行操作不會改變矩陣的大小。

問題 6

行等價類有多大?

  1. 證明任何零矩陣的類都是有限的。
  2. 還有其他類只包含有限多個成員嗎?
答案
  1. 對零矩陣進行行操作沒有效果。因此每個零矩陣都在其行等價類中是單獨存在的。
  2. 沒有。任何非零項都可以重新縮放。
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問題 7

給出兩個行簡化階梯形矩陣,它們的主元位於相同的列中,但它們不是行等價的。

答案

這裡有兩個。

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問題 8

證明任何兩個 非奇異矩陣是行等價的。任何兩個奇異矩陣是行等價的嗎?

答案

任意兩個 非奇異矩陣具有相同的行最簡形式,即除了對角線上的 之外,其他元素均為 的矩陣。

兩個相同大小的奇異矩陣不一定行等價。例如,這兩個 奇異矩陣不 行等價。

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問題 9

描述包含這些矩陣的所有行等價類。

  1. 矩陣
  2. 矩陣
  3. 矩陣
  4. 矩陣
答案

由於每個類中只有一個行最簡形式矩陣,因此我們只需列出可能的行最簡形式矩陣。

有關該列表,請參閱 問題 1.5 的答案。

問題 10
  1. 證明向量 是集合 中元素的線性組合,當且僅當存線上性關係 ,其中 不為零。(提示:注意 的情況。)
  2. 利用這一點簡化 引理 2.5 的證明。
答案
  1. 如果存在一個線性關係,其中 不為零,那麼我們可以從等式的兩邊減去 ,併除以 ,得到 作為其他向量的線性組合。(備註:如果集合中沒有其他向量,比如關係為 ,那麼該陳述仍然成立,因為零向量定義為空向量集的和。)反之,如果 是其他向量的組合 ,那麼從等式的兩邊減去 就會得到一個至少有一個係數不為零的關係;具體來說,就是 前面的
  2. 第一行不是其他行的線性組合,原因在證明中給出: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,因此它的係數必須為零。因此,根據本練習的前面部分,第一行與其他行不存線上性關係。因此,在考慮第二行是否可以與其他行存線上性關係時,我們可以將第一行排除在外。但現在應用於第一行的論點將應用於第二行。(也就是說,我們在這裡透過歸納進行論證。)
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問題 11

完成引理 2.5的證明。

  1. 首先透過展示來說明歸納步驟。
  2. 進行完整的歸納步驟:當時,假設對於,並推匯出
  3. 找到矛盾。
答案
  1. 在方程式
    我們已經知道。令為第二行首項的列號。考慮該列上之前方程中的項。
    因為是第二行首項的列號,對於。因此方程簡化為
    並且由於不為,我們有
  2. 在方程式
    我們已經知道。設 為第 行首元所在的列號。考慮上述方程中該列的元素。
    因為 是第 行首元所在的列,我們有 對於。因此,該方程簡化為
    並且由於 不為,我們有
  3. 從本練習中的前一項,我們知道在方程
    我們已經知道 。令 為第 行主元元素所在的列號。將上述方程改寫為該列上的元素。
    因為 是第 行主元元素所在的列,我們有 對於 。這使得等式右側的求和為 ,但左側不為 ,因為它該行的主元元素。這就是矛盾之處。
問題 12

完成 引理 2.6 中的歸納論證。

  1. 陳述歸納假設。還要說明從該假設中必須證明什麼才能成立。
  2. 驗證歸納假設意味著在關係 中,係數 均為零。
  3. 透過類似於基本情況的論證完成歸納步驟,即 是不可能的。
答案
  1. 歸納步驟是證明,如果該陳述在行 上成立,那麼它在行 上也成立。也就是說,我們假設 ,以及 ,...,以及 ,我們將證明 也成立(對於 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,本練習的前一項表明,行之間的關係 簡化為 。考慮該方程式中的列 中的條目。根據 的前導條目的列號的定義,其他行 中此列的條目為零。現在如果 ,則來自列 的條目的方程式將為 ,這是不可能的,因為 不為零,因為它位於其行的開頭。對稱的論證表明 也是不可能的。
問題 13

為什麼在證明 定理 2.7 時,我們要費心將限制條件限定在非零行上?為什麼不堅持我們一開始的關係,,其中 而不是 ,並利用它來論證唯一非零係數是 ,它等於

答案

零行可能具有非零係數,因此該陳述將不成立。

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問題 14

三名卡車司機走進一家路邊咖啡館。一名卡車司機購買了四份三明治、一杯咖啡和十個甜甜圈,共計 $。另一名司機購買了三份三明治、一杯咖啡和七個甜甜圈,共計 $。第三名卡車司機為一份三明治、一杯咖啡和一個甜甜圈支付了多少錢?(Trono 1991

答案

我們知道 並且 ,我們想知道 是多少。幸運的是, 的線性組合。將未知價格稱為 ,我們有以下歸納。

支付的價格是 $.

問題 15

高斯消元法不允許用零乘以行,這是證明化簡階梯形式唯一性的必要條件,否則每個矩陣都將與全零矩陣行等價。這個條件在哪裡被使用呢?

答案

如果允許用零乘以行,那麼 引理 2.6 將不成立。也就是說,當

第二個矩陣的所有行都可以表示為第一個矩陣的行的線性組合,但反過來不成立。第一個矩陣的第二行不是第二個矩陣的行的線性組合。

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問題 16

線性組合引理說明了從給定線性系統中透過高斯消元法可以得到哪些方程。

  1. 生成一個不包含在這個系統中的方程。
  2. 從一個不一致的系統中可以匯出任何方程嗎?
答案
  1. 一個簡單的答案是這個
    為了得到一個不那麼俏皮的答案,請求解該系統
    得到 。現在,任何不滿足 的方程都可以,例如 .
  2. 每個方程都可以從一個不一致的系統中推匯出。例如,以下是如何從 "" 推匯出 ""。首先,
    的有效性是獨立的,但很明顯)。類似地,。同樣地,。但現在, 給出 .
問題 17

將行等價的定義擴充套件到線性系統。根據你的定義,等價的系統是否有相同的解集?(Hoffman & Kunze 1971)

答案

如果它們的增廣矩陣行等價,則定義線性系統等價。證明等價系統具有相同解集是很容易的。

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問題 18

在這個矩陣中

第一列和第二列加起來等於第三列。

  1. 證明在任何行操作下仍然成立。
  2. 做一個推測。
  3. 證明它成立。
答案
  1. 三種可能的行交換很簡單,三種可能的重新縮放也是如此。六種可能的樞軸操作中的一種是
    並且第一列和第二列再次加起來等於第三列。另外五個樞軸操作類似。
  2. 明顯的推測是行操作不會改變列之間的線性關係。
  3. 逐案例的證明遵循第一項中給出的概要。

參考文獻

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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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