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数理基础线性代数(Linear Algebra) · 10讲10/10 · 配套练习模块导览 →
练习

第10讲 重点回顾 · 练习

计算矩阵乘积与分块行列式,用伴随矩阵求逆,并证明秩不等式、求取特征值及对应特征向量。

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题目部分#

矩阵运算#

已知矩阵:

A=(1320),B=(4121)A = \begin{pmatrix} 1 & 3 \\ -2 & 0 \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} 4 & 1 \\ 2 & -1 \end{pmatrix}

计算:

(a) ABABBABA

(b) ATBA^T B

行列式计算#

计算分块矩阵的行列式:

det(2050130000410023)\det \begin{pmatrix} 2 & 0 & 5 & 0 \\ 1 & 3 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 4 & 1 \\ 0 & 0 & -2 & 3 \end{pmatrix}

逆矩阵#

用伴随矩阵法求矩阵的逆:

C=(2134)C = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}

矩阵的秩#

证明:

rank(AB0C)rank(A)+rank(C)\text{rank}\begin{pmatrix} A & B \\ 0 & C \end{pmatrix} \geq \text{rank}(A) + \text{rank}(C)

其中 A,CA,C 为方阵

特征值问题#

求矩阵的特征值与对应特征向量:

D=(3122)D = \begin{pmatrix} 3 & 1 \\ 2 & 2 \end{pmatrix}


查看参考答案

矩阵运算#

(a)

AB=(1×4+3×21×1+3×(1)2×4+0×22×1+0×(1))=(10282)AB = \begin{pmatrix} 1×4+3×2 & 1×1+3×(-1) \\ -2×4+0×2 & -2×1+0×(-1) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 10 & -2 \\ -8 & -2 \end{pmatrix}

BA=(4×1+1×(2)4×3+1×02×1+(1)×(2)2×3+(1)×0)=(21246)BA = \begin{pmatrix} 4×1+1×(-2) & 4×3+1×0 \\ 2×1+(-1)×(-2) & 2×3+(-1)×0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & 12 \\ 4 & 6 \end{pmatrix}

(b)

AT=(1230)A^T = \begin{pmatrix} 1 & -2 \\ 3 & 0 \end{pmatrix}

ATB=(1×4+(2)×21×1+(2)×(1)3×4+0×23×1+0×(1))=(03123)A^T B = \begin{pmatrix} 1×4+(-2)×2 & 1×1+(-2)×(-1) \\ 3×4+0×2 & 3×1+0×(-1) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 3 \\ 12 & 3 \end{pmatrix}


行列式计算#

利用分块矩阵性质:

det(PQ0R)=det(P)det(R)\det \begin{pmatrix} P & Q \\ 0 & R \end{pmatrix} = \det(P) \cdot \det(R)

其中:

P=(2013),R=(4123)P = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}, \quad R = \begin{pmatrix} 4 & 1 \\ -2 & 3 \end{pmatrix}

计算:

det(P)=2×30×1=6\det(P) = 2×3 - 0×1 = 6

det(R)=4×31×(2)=14\det(R) = 4×3 - 1×(-2) = 14

∴ 原行列式 = 6×14=846 × 14 = 84


逆矩阵#

步骤

  1. 计算行列式:

    det(C)=2×41×3=5\det(C) = 2×4 - 1×3 = 5

  2. 求余因子矩阵:

    adj(C)=(4312)T=(4132)\text{adj}(C) = \begin{pmatrix} 4 & -3 \\ -1 & 2 \end{pmatrix}^T = \begin{pmatrix} 4 & -1 \\ -3 & 2 \end{pmatrix}

  3. 得逆矩阵:

    C1=15(4132)C^{-1} = \frac{1}{5} \begin{pmatrix} 4 & -1 \\ -3 & 2 \end{pmatrix}


矩阵的秩#

证明思路

(AB0C)\begin{pmatrix} A & B \\ 0 & C \end{pmatrix} 中存在:

  • rank(A)\text{rank}(A) 个线性无关的行向量来自左上块

  • rank(C)\text{rank}(C) 个线性无关的行向量来自右下块 由于右下块的 00 元素保证了这两部分向量的线性无关性,因此总秩至少为 rank(A)+rank(C)\text{rank}(A) + \text{rank}(C)


特征值问题#

步骤

  1. 特征方程:

    det(λID)=λ25λ+4=0λ=1,4\det(\lambda I - D) = \lambda^2 - 5\lambda + 4 = 0 \Rightarrow \lambda=1,4

  2. 特征向量:

    • λ=1\lambda=1:解 (ID)x=0(I - D)\mathbf{x}=0

      (2121)x=k(12)\begin{pmatrix} -2 & -1 \\ -2 & -1 \end{pmatrix} \Rightarrow \mathbf{x} = k\begin{pmatrix} 1 \\ -2 \end{pmatrix}

    • λ=4\lambda=4:解 (4ID)x=0(4I - D)\mathbf{x}=0

      (1122)x=k(11)\begin{pmatrix} 1 & -1 \\ -2 & 2 \end{pmatrix} \Rightarrow \mathbf{x} = k\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix}

完成练习后,自评一次

建议先独立作答,再展开参考答案进行核对。

模块收束 · 0/10 已完成

把知识收束成可复核的研究产物

完成后应该能够

  • 能够阅读回归、协方差、PCA与组合优化表达
  • 能够识别高维模型中的秩、共线性和数值稳定问题

交付物

  • 完成配套练习并解释一个风险模型矩阵

本模块已有 0/10 个主要学习单元完成。 本模块没有待复习项。