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2025-2-19日习题课

约 3335 字大约 11 分钟

2025-03-04

problem

在 R[x]\mathbb{R}[x], 且 ∀f∈R[x],deg⁡f<4\forall f \in \mathbb{R}[x],\deg f<4 ,定义 (f(x),g(x))=∫01f(x)g(x)dx(f(x) , g(x))=\int_0^1 f(x) g(x) \mathrm{d} x .

(1)证: R[x]\mathbb{R}[x] 为欧式空间。

(2)求与 1,x,x21, x, x^2 都正交的多项式。

solution

证明 R[x]\mathbb{R}[x](次数小于 4 的多项式)为欧式空间

步骤 1:验证向量空间结构

R[x]\mathbb{R}[x] 中次数小于 4 的多项式全体构成一个实向量空间,其维数为 4,基为 {1,x,x2,x3}\{1, x, x^2, x^3\}。因此,该空间是有限维的。

步骤 2:验证内积的公理

定义内积 (f,g)=∫01f(x)g(x) dx(f, g) = \int_0^1 f(x)g(x) \, dx,需验证以下性质:

  1. 对称性:(f,g)=(g,f)(f, g) = (g, f),显然成立。
  2. 双线性性:积分对加法和标量乘法线性,满足双线性。
  3. 正定性:对任意非零多项式 ff,有:

(f,f)=∫01[f(x)]2 dx>0(f, f) = \int_0^1 [f(x)]^2 \, dx > 0

因为被积函数非负且连续,若积分为 0,则 f(x)≡0f(x) \equiv 0。

步骤 3:结论

由于 R[x]\mathbb{R}[x] 是有限维实向量空间,并配备了正定对称双线性形式,因此它是一个欧式空间。


求与 1,x,x21, x, x^2 都正交的多项式

步骤 1:设多项式形式

设所求多项式为 p(x)=ax3+bx2+cx+dp(x) = a x^3 + b x^2 + c x + d,需满足:

{∫01p(x)⋅1 dx=0∫01p(x)⋅x dx=0∫01p(x)⋅x2 dx=0\begin{cases} \int_0^1 p(x) \cdot 1 \, dx = 0 \\ \int_0^1 p(x) \cdot x \, dx = 0 \\ \int_0^1 p(x) \cdot x^2 \, dx = 0 \end{cases}

步骤 2:计算积分方程组

  1. 第一方程:

∫01(ax3+bx2+cx+d) dx=a4+b3+c2+d=0\int_0^1 (a x^3 + b x^2 + c x + d) \, dx = \frac{a}{4} + \frac{b}{3} + \frac{c}{2} + d = 0

  1. 第二方程:

∫01(ax4+bx3+cx2+dx) dx=a5+b4+c3+d2=0\int_0^1 (a x^4 + b x^3 + c x^2 + d x) \, dx = \frac{a}{5} + \frac{b}{4} + \frac{c}{3} + \frac{d}{2} = 0

  1. 第三方程:

∫01(ax5+bx4+cx3+dx2) dx=a6+b5+c4+d3=0\int_0^1 (a x^5 + b x^4 + c x^3 + d x^2) \, dx = \frac{a}{6} + \frac{b}{5} + \frac{c}{4} + \frac{d}{3} = 0

步骤 3:消元法求解线性方程组

将方程整理为:

{3a+4b+6c+12d=012a+15b+20c+30d=010a+12b+15c+20d=0\begin{cases} 3a + 4b + 6c + 12d = 0 \\ 12a + 15b + 20c + 30d = 0 \\ 10a + 12b + 15c + 20d = 0 \end{cases}

通过消元得到解:

a=−20d,b=30d,c=−12d,d∈Ra = -20d, \quad b = 30d, \quad c = -12d, \quad d \in \mathbb{R}

步骤 4:构造多项式

取 d=1d = 1,则多项式为:

p(x)=−20x3+30x2−12x+1p(x) = -20x^3 + 30x^2 - 12x + 1

problem

证明:任一实可逆矩阵 AA ,都可以分解为 A=QRA=Q R ,QQ 为正交矩阵,R 为上三角矩阵。(QR 分解)

proof

证明步骤

步骤 1:列向量线性无关性

由于 AA 可逆,其列向量 {a1,a2,…,an}\{\mathbf{a}_1, \mathbf{a}_2, \dots, \mathbf{a}_n\} 是线性无关的,构成 Rn\mathbb{R}^n 的一组基。

步骤 2:格拉姆-施密特正交化

对列向量进行格拉姆-施密特正交化,生成正交向量组 {v1,v2,…,vn}\{\mathbf{v}_1, \mathbf{v}_2, \dots, \mathbf{v}_n\}:

v1=a1vk=ak−∑i=1k−1vi⋅ak∥vi∥2vi(k≥2)\begin{aligned} \mathbf{v}_1 &= \mathbf{a}_1 \\ \mathbf{v}_k &= \mathbf{a}_k - \sum_{i=1}^{k-1} \frac{\mathbf{v}_i \cdot \mathbf{a}_k}{\|\mathbf{v}_i\|^2} \mathbf{v}_i \quad (k \geq 2) \end{aligned}

步骤 3:单位化处理

将正交向量组单位化,得到标准正交基 {e1,e2,…,en}\{\mathbf{e}_1, \mathbf{e}_2, \dots, \mathbf{e}_n\}:

ek=vk∥vk∥\mathbf{e}_k = \frac{\mathbf{v}_k}{\|\mathbf{v}_k\|}

步骤 4:构造正交矩阵 QQ

将标准正交基按列排列,构成正交矩阵:

Q=(e1e2⋯en)Q = \begin{pmatrix} \mathbf{e}_1 & \mathbf{e}_2 & \cdots & \mathbf{e}_n \end{pmatrix}

验证正交性: Q⊤Q=IQ^\top Q = I。

步骤 5:构造上三角矩阵 RR

通过正交化过程的系数构造 RR:

R=(∥v1∥v1⋅a2∥v1∥⋯v1⋅an∥v1∥0∥v2∥⋯v2⋅an∥v2∥⋮⋮⋱⋮00⋯∥vn∥)R = \begin{pmatrix} \|\mathbf{v}_1\| & \frac{\mathbf{v}_1 \cdot \mathbf{a}_2}{\|\mathbf{v}_1\|} & \cdots & \frac{\mathbf{v}_1 \cdot \mathbf{a}_n}{\|\mathbf{v}_1\|} \\ 0 & \|\mathbf{v}_2\| & \cdots & \frac{\mathbf{v}_2 \cdot \mathbf{a}_n}{\|\mathbf{v}_2\|} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & \|\mathbf{v}_n\| \end{pmatrix}

关键性质: RR 是上三角矩阵,且对角线元素为正。

步骤 6:验证分解的正确性

通过矩阵乘法验证 A=QRA = QR:

  • 第 kk 列 ak\mathbf{a}_k 的表达式为:

ak=∑i=1krikei\mathbf{a}_k = \sum_{i=1}^k r_{ik} \mathbf{e}_i

其中 rikr_{ik} 是 RR 的元素。

  • 矩阵形式即满足 A=QRA = QR。

结论

对于任意实可逆矩阵 AA,通过格拉姆-施密特正交化方法构造的 QQ 和 RR 满足:

A=QR,Q⊤Q=I,R 为上三角矩阵A = QR,\quad Q^\top Q = I,\quad R \text{ 为上三角矩阵}

最终结论:

QR分解存在\boxed{\text{QR分解存在}}

验证要点:

  1. 正交矩阵的定义保证了 Q⊤Q=IQ^\top Q = I;
  2. 格拉姆-施密特过程保证 RR 的上三角结构;
  3. 可逆性确保 RR 的对角元非零,从而 RR 可逆。

remark

对于复矩阵依然成立,并且进一步可证其分解的唯一性。

problem

证明:任一正定矩阵 A 可作分解 A=T′TA=T^{\prime} T ,其中 TT 为对角元均为正的上三角矩阵。(Cholesky 分解)

proof

步骤 1:数学归纳法基础情形(n=1n=1)

当 n=1n=1 时,A=[a11]A = [a_{11}] 是正定矩阵,因此 a11>0a_{11} > 0。取 T=[a11]T = [\sqrt{a_{11}}],显然 TT 是上三角矩阵且对角元为正,满足 A=T′TA = T^\prime T。

步骤 2:归纳假设

假设对所有 n−1n-1 阶正定矩阵,存在对角元为正的上三角矩阵 Ln−1L_{n-1},使得 An−1=Ln−1′Ln−1A_{n-1} = L_{n-1}^\prime L_{n-1}。

步骤 3:构造 nn 阶矩阵分解

将 nn 阶正定矩阵 AA 分块为:

A=[An−1bb′c]A = \begin{bmatrix} A_{n-1} & b \\ b^\prime & c \end{bmatrix}

其中 An−1A_{n-1} 是 n−1n-1 阶正定矩阵,b∈Rn−1b \in \mathbb{R}^{n-1},c∈Rc \in \mathbb{R}。根据归纳假设,存在上三角矩阵 Ln−1L_{n-1},使得:

An−1=Ln−1′Ln−1A_{n-1} = L_{n-1}^\prime L_{n-1}

步骤 4:确定分解矩阵 TT 的形式

设 TT 为:

T=[Ln−1d0t]T = \begin{bmatrix} L_{n-1} & d \\ 0 & t \end{bmatrix}

其中 d∈Rn−1d \in \mathbb{R}^{n-1},t>0t > 0。则 T′TT^\prime T 为:

T′T=[Ln−1′Ln−1Ln−1′dd′Ln−1d′d+t2]=[An−1bb′c]T^\prime T = \begin{bmatrix} L_{n-1}^\prime L_{n-1} & L_{n-1}^\prime d \\ d^\prime L_{n-1} & d^\prime d + t^2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} A_{n-1} & b \\ b^\prime & c \end{bmatrix}

步骤 5:解方程确定 dd 和 tt

  1. 方程 Ln−1′d=bL_{n-1}^\prime d = b 由于 Ln−1L_{n-1} 可逆(对角元为正),解得:

    d=(Ln−1′)−1bd = (L_{n-1}^\prime)^{-1} b

  2. 方程 d′d+t2=cd^\prime d + t^2 = c 代入 dd 的表达式得:

    t2=c−d′d=c−b′(Ln−1Ln−1′)−1bt^2 = c - d^\prime d = c - b^\prime (L_{n-1} L_{n-1}^\prime)^{-1} b

    由于 AA 正定,其 Schur 补 c−b′An−1−1b>0c - b^\prime A_{n-1}^{-1} b > 0,而 Ln−1Ln−1′=An−1L_{n-1} L_{n-1}^\prime = A_{n-1},故:

    t=c−b′An−1−1b>0t = \sqrt{c - b^\prime A_{n-1}^{-1} b} > 0

步骤 6:验证构造的 TT 满足条件

  • TT 是上三角矩阵,且对角元 Ln−1L_{n-1} 和 tt 均为正。
  • 通过构造,T′T=AT^\prime T = A,且分解唯一(由正定性和递归构造唯一性保证)。

结论:由数学归纳法,所有正定矩阵 AA 均可 Cholesky 分解为 A=T′TA = T^\prime T,其中 TT 是对角元均为正的上三角矩阵。


关键点总结:

  1. 正定性保证可行性:正定矩阵的主子式正定,确保分解过程中所有平方根和逆矩阵存在。
  2. 递归构造:通过分块矩阵逐步扩展分解形式。
  3. 唯一性:对角元为正的约束使得分解唯一。

最终答案

存在上三角矩阵 T 使得 A=T′T\boxed{\text{存在上三角矩阵 } T \text{ 使得 } A = T^\prime T}

problem

(1,2,2),(−1,0,2)∈R3(1,2,2),(-1,0,2) \in \mathbb{R}^3 ,将其变为标准正交的向量组.

solution

验证向量是否正交

计算向量内积:

(1,2,2)⋅(−1,0,2)=(1)(−1)+(2)(0)+(2)(2)=−1+0+4=3≠0(1,2,2) \cdot (-1,0,2) = (1)(-1) + (2)(0) + (2)(2) = -1 + 0 + 4 = 3 \neq 0

结论: 向量不正交,需进行正交化处理。

格拉姆-施密特正交化

  1. 保留第一个向量 v1=(1,2,2)\mathbf{v}_1 = (1,2,2)
  2. 处理第二个向量 v2=(−1,0,2)\mathbf{v}_2 = (-1,0,2):

u2=v2−v1⋅v2∥v1∥2v1\mathbf{u}_2 = \mathbf{v}_2 - \frac{\mathbf{v}_1 \cdot \mathbf{v}_2}{\|\mathbf{v}_1\|^2} \mathbf{v}_1

计算投影系数:

v1⋅v2∥v1∥2=312+22+22=39=13\frac{\mathbf{v}_1 \cdot \mathbf{v}_2}{\|\mathbf{v}_1\|^2} = \frac{3}{1^2 + 2^2 + 2^2} = \frac{3}{9} = \frac{1}{3}

正交化后的向量:

u2=(−1,0,2)−13(1,2,2)=(−43,−23,43)\mathbf{u}_2 = (-1,0,2) - \frac{1}{3}(1,2,2) = (-\frac{4}{3}, -\frac{2}{3}, \frac{4}{3})

单位化处理

  1. 单位化 v1\mathbf{v}_1:

∥v1∥=12+22+22=3  ⟹  e1=13(1,2,2)=(13,23,23)\|\mathbf{v}_1\| = \sqrt{1^2 + 2^2 + 2^2} = 3 \implies \mathbf{e}_1 = \frac{1}{3}(1,2,2) = (\frac{1}{3}, \frac{2}{3}, \frac{2}{3})

  1. 单位化 u2\mathbf{u}_2:

∥u2∥=(−43)2+(−23)2+(43)2=2  ⟹  e2=12(−43,−23,43)=(−23,−13,23)\|\mathbf{u}_2\| = \sqrt{(-\frac{4}{3})^2 + (-\frac{2}{3})^2 + (\frac{4}{3})^2} = 2 \implies \mathbf{e}_2 = \frac{1}{2}(-\frac{4}{3}, -\frac{2}{3}, \frac{4}{3}) = (-\frac{2}{3}, -\frac{1}{3}, \frac{2}{3})

验证标准正交性

  1. 正交性:

e1⋅e2=(13)(−23)+(23)(−13)+(23)(23)=0\mathbf{e}_1 \cdot \mathbf{e}_2 = (\frac{1}{3})(-\frac{2}{3}) + (\frac{2}{3})(-\frac{1}{3}) + (\frac{2}{3})(\frac{2}{3}) = 0

  1. 单位长度:

∥e1∥=∥e2∥=1\|\mathbf{e}_1\| = \|\mathbf{e}_2\| = 1

最终结论

标准正交向量组为:

{(13,23,23),(−23,−13,23)}\{(\frac{1}{3}, \frac{2}{3}, \frac{2}{3}), (-\frac{2}{3}, -\frac{1}{3}, \frac{2}{3})\}

problem

设 A∈Sn(R),BA \in S_n(\mathbb{R}),B 为 nn 阶正定矩阵,证明:∃C∈GL⁡n(R)\exists C \in \operatorname{GL}_{n}(\mathbb{R}) s.t.C′AC,C′BCC^\prime AC,C^{\prime}BC 均为对角阵。

proof

步骤 1:利用正定矩阵 BB 的合同标准形

由于 BB 是正定矩阵,根据合同对角化定理,存在可逆矩阵 P∈GL⁡n(R)P \in \operatorname{GL}_n(\mathbb{R}),使得:

P′BP=InP^\prime B P = I_n

步骤 2:处理对称矩阵 AA

令 A′=P′APA^\prime = P^\prime A P,则 A′A^\prime 仍为实对称矩阵,因为:

(A′)′=(P′AP)′=P′A′P=P′AP=A′(A^\prime)^\prime = (P^\prime A P)^\prime = P^\prime A^\prime P = P^\prime A P = A^\prime

步骤 3:对角化 A′A^\prime

根据实对称矩阵的正交对角化定理,存在正交矩阵 Q∈O(n)Q \in O(n)(即 Q′Q=InQ^\prime Q = I_n),使得:

Q′A′Q=DQ^\prime A^\prime Q = D

其中 DD 为对角矩阵。

步骤 4:构造最终的可逆矩阵 CC

令 C=PQC = P Q,则 C∈GL⁡n(R)C \in \operatorname{GL}_n(\mathbb{R})(因为 PP 和 QQ 均可逆)。验证 C′BCC^\prime B C 和 C′ACC^\prime A C 的对角性:

  1. 对 BB 的作用:

    C′BC=(PQ)′B(PQ)=Q′P′BPQ=Q′InQ=Q′Q=InC^\prime B C = (P Q)^\prime B (P Q) = Q^\prime P^\prime B P Q = Q^\prime I_n Q = Q^\prime Q = I_n

    显然为对角阵。

  2. 对 AA 的作用:

    C′AC=(PQ)′A(PQ)=Q′P′APQ=Q′A′Q=DC^\prime A C = (P Q)^\prime A (P Q) = Q^\prime P^\prime A P Q = Q^\prime A^\prime Q = D

    也为对角阵。

步骤 5:结论

因此,存在可逆矩阵 C=PQC = P Q,使得 C′ACC^\prime A C 和 C′BCC^\prime B C 均为对角阵。


关键点总结:

  1. 正定矩阵的合同标准形:通过可逆矩阵 PP 将 BB 合同为 InI_n。
  2. 对称矩阵的正交对角化:在 BB 被标准化后,对 AA 进行正交对角化。
  3. 复合变换矩阵:结合两次变换的矩阵 C=PQC = P Q,确保同时对角化。

最终结论: 存在可逆矩阵 C∈GL⁡n(R)C \in \operatorname{GL}_n(\mathbb{R}),使得 C′ACC^\prime A C 和 C′BCC^\prime B C 均为对角阵。

problem

设 A,B,CA,B,C 为正定阵,若 ABCABC 为对角阵,证明 ABCABC 为正定阵。

proof

1. 构造二次型并分解: 对任意非零向量 x∈Rnx \in \mathbb{R}^n,考虑二次型:

x⊤ABCxx^\top ABC x

由于 BB 正定,存在唯一正定平方根矩阵 B1/2B^{1/2},使得 B=B1/2B1/2B = B^{1/2} B^{1/2}。令:

z=B1/2Cxz = B^{1/2} C x

因为 CC 正定(可逆)且 B1/2B^{1/2} 正定(可逆),当 x≠0x \neq 0 时,Cx≠0C x \neq 0,从而 z≠0z \neq 0。

2. 将二次型转化为正定形式: 代入 zz 的表达式:

x⊤ABCx=x⊤AB1/2B1/2Cx=(B1/2Cx)⊤A(B1/2Cx)=z⊤Azx^\top ABC x = x^\top A B^{1/2} B^{1/2} C x = (B^{1/2} C x)^\top A (B^{1/2} C x) = z^\top A z

因 AA 正定,对任意非零 zz,有:

z⊤Az>0z^\top A z > 0

从而:

x⊤ABCx>0对所有非零 x∈Rn 成立x^\top ABC x > 0 \quad \text{对所有非零} \ x \in \mathbb{R}^n \ \text{成立}

3. 对称性与正定性结合: 已知 ABCABC 为对角矩阵(对称),且其二次型对所有非零 xx 为正,故 ABCABC 是正定矩阵。

关键结论:

  • 通过构造 z=B1/2Cxz = B^{1/2} C x,将任意非零 xx 的二次型映射为 z⊤Az>0z^\top A z > 0。
  • B1/2B^{1/2} 和 CC 的可逆性保证了 z≠0z \neq 0 当且仅当 x≠0x \neq 0。
  • 对角矩阵的正定性由对角线元素全正决定,而二次型正定性已证。

最终结论: 若 A,B,CA, B, C 为正定矩阵且 ABCABC 为对角矩阵,则 ABCABC 必为正定矩阵。

problem

A=(−3443),A=\begin{pmatrix}-3 &4\\4 &3\end{pmatrix}, 求正交阵 T,T,s.t.T′ATT^{\prime}AT 为对角阵。

solution

验证矩阵对称性

矩阵 A=(−3443)A = \begin{pmatrix} -3 & 4 \\ 4 & 3 \end{pmatrix} 的转置 A⊤=AA^\top = A,故 AA 是对称矩阵,根据谱定理,存在正交矩阵 TT 使得 T′ATT^\prime AT 为对角阵。

求特征值

解特征方程 det⁡(A−λI)=0\det(A - \lambda I) = 0:

∣−3−λ443−λ∣=λ2−25=0\begin{vmatrix} -3 - \lambda & 4 \\ 4 & 3 - \lambda \end{vmatrix} = \lambda^2 - 25 = 0

得特征值:

λ1=5,λ2=−5\lambda_1 = 5,\quad \lambda_2 = -5

求特征向量

  1. 对应 λ1=5\lambda_1 = 5 的特征向量: 解方程 (A−5I)v=0(A - 5I)\mathbf{v} = 0,即:

    {−8x+4y=04x−2y=0  ⟹  y=2x\begin{cases} -8x + 4y = 0 \\ 4x - 2y = 0 \end{cases} \implies y = 2x

    取 x=1x=1,得特征向量 v1=(12)\mathbf{v}_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}。

  2. 对应 λ2=−5\lambda_2 = -5 的特征向量: 解方程 (A+5I)v=0(A + 5I)\mathbf{v} = 0,即:

    {2x+4y=04x+8y=0  ⟹  x=−2y\begin{cases} 2x + 4y = 0 \\ 4x + 8y = 0 \end{cases} \implies x = -2y

    取 y=1y=1,得特征向量 v2=(−21)\mathbf{v}_2 = \begin{pmatrix} -2 \\ 1 \end{pmatrix}。

正交化与单位化

  1. 验证正交性: v1⋅v2=(1)(−2)+(2)(1)=0\mathbf{v}_1 \cdot \mathbf{v}_2 = (1)(-2) + (2)(1) = 0,说明特征向量正交。

  2. 单位化:

    • v1\mathbf{v}_1 单位化: ∥v1∥=12+22=5\|\mathbf{v}_1\| = \sqrt{1^2 + 2^2} = \sqrt{5},得 u1=15(12)\mathbf{u}_1 = \frac{1}{\sqrt{5}}\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}。
    • v2\mathbf{v}_2 单位化: ∥v2∥=(−2)2+12=5\|\mathbf{v}_2\| = \sqrt{(-2)^2 + 1^2} = \sqrt{5},得 u2=15(−21)\mathbf{u}_2 = \frac{1}{\sqrt{5}}\begin{pmatrix} -2 \\ 1 \end{pmatrix}。

构造正交矩阵 TT

将单位特征向量按列排列:

T=(15−252515)T = \begin{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{5}} & -\frac{2}{\sqrt{5}} \\ \frac{2}{\sqrt{5}} & \frac{1}{\sqrt{5}} \end{pmatrix}

最终结论

正交矩阵 TT 使得 T′ATT^\prime AT 为对角阵:

T=(15−252515)T = \begin{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{5}} & -\frac{2}{\sqrt{5}} \\ \frac{2}{\sqrt{5}} & \frac{1}{\sqrt{5}} \end{pmatrix}

贡献者: Ming Wei