摘要
本课结束关于矩阵与代数结构的单元。它把本单元七课的收获汇成一条演绎链:由线性替换的复合产生的矩阵乘法;用高斯-若尔当消元法对线性方程组的完整求解以及鲁歇-弗罗贝尼乌斯定理;作为有向面积和唯一性判据的行列式;逆矩阵以及与可逆性等价的条件;把矩阵读作平面的变换;复数在矩阵中的副本;以及群、代数意义上的环、域和同构这些概念,它们为所有这些计算的共同之处命名。本课说明本单元如何汲取前面各单元和代数与几何 I课程的结果,哪些内容未加证明而承认,以及它如何为下一单元(关于空间解析几何)和微积分 I 课程作准备。最后给出十道比各课题目更难的挑战题,每道都综合了其中几课的内容。
学习目标
- 重建本单元的定义与定理之链,从矩阵乘法直到同构,并说明哪个结果依据哪个结果。
- 把本单元的结果与前面各单元及课程 I 的结果联系起来,特别是线性方程组、向量、坐标轴的旋转、极坐标形式和余数的算术,区分已证明的与承认的内容,并预见它们在空间几何中的用途。
- 解决综合行列式、逆矩阵、变换、复数的矩阵和代数结构的问题,在每种情形下选择合适的工具。
- 借助保持运算的对应,把一个问题从一个结构转移到另一个结构,并用同构的不变量判断两个群是否是同一个群。
本单元的收获
矩阵代数与线性方程组
出发点是关于线性替换的一个观察。在关于矩阵及其运算的课中,复合替换的表是把两个替换的表按行乘列相乘得到的,这条规则被取作乘法的定义。由它推出了结合律(借助交换两个求和的次序)、分配律以及单位矩阵的中性作用;而在相反的方向上,看到乘法不可交换,有零因子,并且存在某个幂为零的非零矩阵。转置使因子的次序颠倒,,而迹不区分次序,,由此方程 在任何阶下都无解。
有了乘法,每个线性方程组都写成了单独一个方程 。关于线性方程组与高斯-若尔当消元法的课证明了初等行变换保持解不变,并且每个矩阵都可化为行最简形;它用对列数的归纳法证明了这个形式是唯一的,由此秩不依赖于消元的途径;它还证明了鲁歇-弗罗贝尼乌斯定理:方程组相容当且仅当 ,此时其解依赖于 个自由参数。由此推出,线性方程组绝不会恰有两个解,而方程个数少于未知量个数的齐次线性方程组有非零解。
行列式与逆矩阵
然而,对于方阵的方程组,我们希望不必走完整个消元过程就能判定唯一性。关于行列式与克拉默法则的课把二阶行列式解释为有向面积,用递归在任意阶上定义它,用对阶的归纳法证明了它的六条性质,并用这些性质通过化简来计算它。如果是这样,那么每个初等变换都把行列式乘以一个非零数,由此推出 当且仅当 。乘积定理 在那里只对二阶用直接计算加以证明,而克拉默法则在任意阶上用一列的代数余子式证明,把每个未知量表示为两个行列式之商。
关于逆矩阵的课结束了这一部分。它证明了逆矩阵是唯一的,它存在当且仅当行列式不为零,并且它等于伴随矩阵除以行列式;乘积的逆使因子的次序颠倒;每个初等变换就是乘以一个初等矩阵,因此高斯-若尔当消元法不必计算行列式就能把 变成 。所有这些汇集成一个等价定理,它把前面四课联结起来;由它推出只需检验定义中两个乘积之一,并用初等矩阵在任意阶上证明了行列式的乘积定理:
矩阵的几何
关于作为平面变换的矩阵的课赋予这种计算以几何意义。由列的定理,二阶矩阵恰好就是平面的线性变换,每个线性变换都由两个基本向量的像所确定;依据这一原理,得到了旋转、投影、反射、位似和剪切的矩阵。变换的复合原来就是其矩阵的乘法,由此 且 ;行列式原来就是面积所乘的因子,若定向反转则带负号;而二次方程的坐标轴旋转写成了从 到 的过渡,迹与行列式是不变量。
关于作为矩阵的复数的课把这种读法用于乘以一个复数。对应 是单射,并且保持加法和乘法;在这个对应中,模的平方就是行列式,共轭就是转置,倒数就是逆矩阵,而极坐标形式是先旋转后位似,。由此推出,欧拉公式和棣莫弗公式就是旋转的复合规则,复数的矩阵恰好是与 可交换的矩阵,而哈密顿的四元数也可以用矩阵表示,只是其乘法不再可交换。
结构
最后,关于代数结构:群、环与域的课把共同之处抽了出来。群是带有一个满足结合律的运算、有单位元且每个元都有逆元的集合;在任何群中,单位元与逆元都是唯一的,消去律成立,并且 ,这些都不用交换律。循环子群与陪集引出了拉格朗日定理:子群的阶整除群的阶。代数意义上的环与域添加了第二种运算,并且从课程 I 中关于同余的课里的可逆余数定理出发,证明了 是域当且仅当 是素数。最后,同构使这样一种想法变得精确:运算表相同的两个系统就是同一个系统。
因此,本单元构成一条链:复合促成了乘法;乘法使方程组能写成方程 ;消元求解它们,秩对它们分类;行列式判定唯一性,逆矩阵把解表示出来;变换的复合把几何意义还给乘法;复数作为一族对加法和复合封闭的变换出现;而群的概念表明,矩阵的逆的唯一性、数的倒数的唯一性以及抵消另一个旋转的旋转的唯一性,是同一个定理。 下图把四段汇成一条链。中间一列的每个节点是一个定义或一个定理,按逻辑顺序编号,并用弧线连到其证明所用到的前面的环节;四周浮动的是支柱,即这条链一再求助的原理和工具,每个支柱用实线连到依据它的环节,用虚线连到确立它的那个环节;未加证明而承认的支柱,以及来自前面各单元或课程 I 的支柱除外,它们画成空心圆。点击一个支柱,会突出显示所有用到它的环节;每个环节都链接到证明它的那一课。
链的支柱
- A归纳法. 若一个性质对第一种情形成立,并且能从每一种情形传到紧接其后的情形,则它对所有情形成立;它在课程 I 的第 1 单元中得到证明,在这里用于二重求和、消元、幂和旋转。 本单元中不加证明而采用。
- B乘法的结合律. 只要乘积有定义, 就成立,因此几个矩阵的乘积可以随意加括号,而不改变因子的次序。 确立于: 2. 乘法的性质.
- C列的定理. 平面的每个线性变换都是唯一一个矩阵的变换,该矩阵的列是 和 的像。 确立于: 16. 矩阵的列.
- D两角和公式. 和、差以及二倍角的正弦与余弦,在关于解析三角学的第 2 单元中证明。 本单元中不加证明而采用。
- E平面向量. 点到直线的距离、正交投影和平行判据,在课程 I 关于平面解析几何的第 4 单元中证明。 本单元中不加证明而采用。
- F平行四边形的面积. 平行四边形的面积等于一条底边与相应的高之积;在有向面积定理的证明中,像在初等几何中那样承认这一点。 本单元中不加证明而采用。
- G余数与同余. 带余除法,模 同余,它与加法和乘法的相容性,剩余类,以及可逆余数定理(按照该定理, 有模 的逆元当且仅当 ),它们都在课程 I 的第 1 单元中关于整除性和关于同余的课里证明。 本单元中不加证明而采用。
第 1 段 矩阵代数与线性方程组
- 从线性替换的复合出发定义矩阵乘法,并把每个线性方程组写成一个方程 。
- 证明结合律、分配律以及单位矩阵的中性作用,并认识到乘法不可交换且有零因子。
- 证明转置使因子的次序颠倒,而迹不区分次序。
- 证明行最简形是唯一的,并用它定义秩。
- 用高斯-若尔当消元法求解每个线性方程组,并用鲁歇-弗罗贝尼乌斯定理对它分类。
矩阵乘法. 元素 (属于 )是第 行(属于 )与第 列(属于 )对应元素乘积之和;这样就得到两个线性替换的复合的表,并且每个线性方程组都写成 。
证明于: 矩阵及其运算.
乘法的性质. 由交换两个求和的次序,矩阵乘法满足结合律以及对加法的分配律,单位矩阵是它的中性元;但它不可交换,并且有零因子和幂零矩阵。此外, 且 ,由此方程 无解。
高斯-若尔当消元法. 初等行变换把一个方程组变为同解的方程组,并且每个矩阵都能用它们经过有限次变换化为行最简形。
使用: 1. 矩阵乘法. 依据: A (归纳法). 证明于: 线性方程组与高斯-若尔当消元法.
行最简形的唯一性. 从同一个矩阵得到的两个行最简形相等,因为它们的齐次线性方程组有相同的解;因此,秩,即任意一个行阶梯形中非零行的个数,不依赖于所选的变换。
使用: 3. 高斯-若尔当消元法. 依据: A (归纳法). 证明于: 线性方程组与高斯-若尔当消元法.
鲁歇-弗罗贝尼乌斯. 方程组 (增广矩阵为 ,未知量个数为 )相容当且仅当 ;此时,若秩为 则有唯一解,并且依赖于 个自由参数(当 时);特别地, 有非零解当且仅当 。
使用: 3. 高斯-若尔当消元法, 4. 行最简形的唯一性. 证明于: 线性方程组与高斯-若尔当消元法.
第 2 段 行列式与逆矩阵
- 把二阶行列式解释为有向面积,并用递归在任意阶上定义它。
- 用对阶的归纳法证明行列式的性质,用化简计算它,并用它判定解的唯一性。
- 刻画可逆矩阵,并用伴随矩阵和高斯-若尔当消元法计算逆矩阵。
- 把与可逆性等价的条件汇集成一个定理,并由它推出单侧逆矩阵与行列式的乘积定理。
有向面积. 以 和 为列的矩阵的行列式的绝对值,是它们所确定的平行四边形的面积,其符号表明从 到 的旋转是逆时针还是顺时针。
依据: E (平面向量), D (两角和公式), F (平行四边形的面积). 证明于: 行列式:性质与克拉默法则.
行列式的性质. 用对阶的归纳法,从按第一行展开出发,可知行列式对每一行是线性的,交换两行时变号,某一行为零或两行相同时为零,把一行的倍数加到另一行上时以及转置时不变,对三角矩阵等于对角线元素之积,并且可以按任意行或列展开。
依据: A (归纳法). 证明于: 行列式:性质与克拉默法则.
行列式与秩. 阶为 的方阵的行列式不为零,即它是非奇异的,当且仅当它的秩为 ;因此, 有非零解当且仅当 是奇异的,即 。
使用: 3. 高斯-若尔当消元法, 4. 行最简形的唯一性, 5. 鲁歇-弗罗贝尼乌斯, 7. 行列式的性质. 证明于: 行列式:性质与克拉默法则.
克拉默法则. 若 ,则方程组 (由 个方程、 个未知量组成)有唯一解 ,其中 是把第 列换成常数项列所得的行列式;它在任意阶上用第 列的代数余子式证明。
使用: 2. 乘法的性质, 5. 鲁歇-弗罗贝尼乌斯, 7. 行列式的性质, 8. 行列式与秩. 证明于: 行列式:性质与克拉默法则.
逆矩阵的唯一性. 一个方阵至多有一个逆矩阵:若 且 ,则 。
依据: B (乘法的结合律). 证明于: 逆矩阵.
行列式与可逆性. 方阵 可逆当且仅当 ,即它是非奇异的,此时它的逆矩阵等于伴随矩阵除以行列式;必要性借助秩得到,不用乘积的行列式,充分性借助他行的代数余子式引理得到。
使用: 5. 鲁歇-弗罗贝尼乌斯, 7. 行列式的性质, 8. 行列式与秩. 依据: B (乘法的结合律). 证明于: 逆矩阵.
逆矩阵的性质. 若 与 可逆,则 、、(其中 )以及 也可逆,特别地 。
使用: 2. 乘法的性质, 10. 逆矩阵的唯一性. 依据: B (乘法的结合律), A (归纳法). 证明于: 逆矩阵.
用高斯-若尔当消元法求逆. 每个初等变换都是乘以一个可逆的初等矩阵;若 的行最简形是 ,则这些变换把 变成 ,并且 是初等矩阵之积;若不是,则 不可逆。
使用: 3. 高斯-若尔当消元法, 4. 行最简形的唯一性, 12. 逆矩阵的性质. 依据: B (乘法的结合律). 证明于: 逆矩阵.
刻画与单侧逆矩阵. 对方阵 (阶为 ),下列条件等价:它可逆;;每个方程组 都有唯一解; 只有零解;;它的行最简形是单位矩阵。由此可知,若 或 ,则 。
使用: 5. 鲁歇-弗罗贝尼乌斯, 4. 行最简形的唯一性, 11. 行列式与可逆性, 13. 用高斯-若尔当消元法求逆. 依据: B (乘法的结合律). 证明于: 逆矩阵.
乘积的行列式. 对同阶的任意方阵 与 ,都有 :若 可逆,用初等矩阵证明;若不可逆,借助秩证明。
使用: 7. 行列式的性质, 8. 行列式与秩, 13. 用高斯-若尔当消元法求逆, 14. 刻画与单侧逆矩阵. 依据: A (归纳法). 证明于: 逆矩阵.
第 3 段 矩阵的几何
- 把二阶矩阵与平面的线性变换等同起来,并求出旋转、投影和反射的矩阵。
- 把变换的复合转化为矩阵的乘法,把行列式转化为面积的伸缩因子。
- 把坐标轴的旋转写成矩阵形式,并以迹和行列式为不变量。
- 用矩阵表示复数,包括模、共轭、倒数和极坐标形式。
矩阵的列. 每个由矩阵给出的变换都是线性的,而平面的每个线性变换都是唯一一个矩阵的变换,即以 和 为列的那个矩阵。
旋转、投影与反射. 绕原点转过角 的旋转、到过原点的一条直线上的投影以及关于这条直线的反射,都是线性变换,其矩阵分别为 、 与 。
依据: C (列的定理), D (两角和公式), E (平面向量). 证明于: 作为平面变换的矩阵.
复合与乘积. 若 是矩阵为 的变换, 是矩阵为 的变换,则复合 是矩阵为 的变换。
依据: B (乘法的结合律), C (列的定理). 证明于: 作为平面变换的矩阵.
旋转与反射的复合. 、、 与 成立。
使用: 17. 旋转、投影与反射, 18. 复合与乘积. 依据: D (两角和公式), A (归纳法). 证明于: 作为平面变换的矩阵.
行列式作为面积伸缩因子. 矩阵为 的变换把单位正方形变为以其列为边的平行四边形,并把面积乘以 ,对一般区域这一点是承认的;若 ,它保持定向,若 ,它使定向反转。
可逆变换. 矩阵为 的变换是双射当且仅当 ,此时它的逆变换是矩阵为 的变换;若 ,它的像包含在一条过原点的直线中。
使用: 11. 行列式与可逆性, 18. 复合与乘积. 依据: E (平面向量). 证明于: 作为平面变换的矩阵.
矩阵形式的坐标轴旋转. 当坐标轴转过角 时,二次型的对称矩阵 变为 ,它与 有相同的迹和相同的行列式。
使用: 2. 乘法的性质, 7. 行列式的性质, 15. 乘积的行列式, 19. 旋转与反射的复合. 证明于: 作为平面变换的矩阵.
作为矩阵的复数. 对应 是单射,并且保持加法和乘法;而 ,即 的矩阵,是转四分之一周的旋转,其平方为 。
使用: 1. 矩阵乘法, 17. 旋转、投影与反射. 证明于: 作为矩阵的复数.
模、共轭与倒数. 的行列式是 ,共轭复数的矩阵是 的转置,并且当 时, 的矩阵是 的逆矩阵。
使用: 10. 逆矩阵的唯一性, 20. 行列式作为面积伸缩因子, 23. 作为矩阵的复数. 证明于: 作为矩阵的复数.
极坐标形式与棣莫弗. 若 ,则 ,即先旋转后位似;由 可推出对任意整数指数成立的棣莫弗公式。
使用: 19. 旋转与反射的复合, 23. 作为矩阵的复数, 24. 模、共轭与倒数. 依据: A (归纳法). 证明于: 作为矩阵的复数.
第 4 段 结构
- 定义群,并不用交换律证明其基本性质。
- 研究循环子群,并证明拉格朗日定理。
- 定义代数意义上的环与域,并判断余数 何时构成域。
- 用同构精确说明两个群何时是同一个结构。
群的性质. 在任何群中,单位元和每个元素的逆元都是唯一的,两侧消去律成立,并且 ,这些都不用交换律。
证明于: 代数结构:群、环与域.
循环子群. 在有限群中,每个元素 都有一个阶 ; 当且仅当 整除 ;并且幂 构成一个含 个元素的子群。
使用: 26. 群的性质. 依据: G (余数与同余). 证明于: 代数结构:群、环与域.
拉格朗日定理. 有限群的子群的阶整除群的阶,因为群可以分成互不相交的陪集,每个陪集的元素个数与子群相同。
使用: 26. 群的性质. 证明于: 代数结构:群、环与域.
余数构成域. 当 时,余数 在 为素数时构成域,因为由可逆余数定理,每个非零余数都有逆元;若 是合数,它们有零因子,不构成域。
依据: G (余数与同余). 证明于: 代数结构:群、环与域.
同构保持什么. 群同构把单位元映到单位元,把每个元素的逆元映到其像的逆元,把每个元素映到同阶的元素,并且保持交换性。
使用: 26. 群的性质, 27. 循环子群. 依据: A (归纳法). 证明于: 代数结构:群、环与域.
走向空间几何. 这条链并不止于此:在下一单元中,三阶行列式给出向量积、混合积和平行六面体的体积,而秩和逆矩阵判定并计算直线与平面的交,于是本单元的代数成为空间几何的工具。
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