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第七章-线性变换-习题答案

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1、第七章线性变换3在中，证明：解题提示直接根据变换的定义验证即可证明任取，则有，于是 4设是线性变换，如果，证明：解题提示利用数学归纳法进行证明证明当时，由于，可得，因此结论成立假设当时结论成立，即那么，当时，有，即对结论也成立从而，根据数学归纳法原理，对一切结论都成立特别提醒由可知，结论对也成立5证明：可逆映射是双射解题提示只需要说明可逆映射既是单射又是满射即可证明设是线性空间上的一个可逆变换对于任意的，如果，那么，用作用左右两边，得到，因此是单射；另外，对于任意的，存在，使得，即是满射于是是双射特别提醒由此结论可知线性空间上的可逆映射是到自身的同构 6设是线性空间的一组基，是上的线性变换，证明可逆当且仅当线性无关证法1若是可逆的线性变换，设，即而根据上一题结论可知是单射，故必有，又由于是线性无关的，因此从而线性无关反之，若是线性无关的，那么也是的一组基于是，根据教材中的定理1，存在唯一的线性变换，使得，显然，再根据教材中的定理1知，所以是可逆的证法2设在基下的矩阵为，即由教材中的定理2可知，可逆的充要条件是矩阵可逆因此，如果是可逆的，那么矩阵可逆，从而也是的一组基，即是线性

2、无关的反之，如果是线性无关，从而是的一组基，且是从基到的过渡矩阵，因此是可逆的所以是可逆的线性变换方法技巧方法1利用了上一题的结论及教材中的定理1构造的逆变换；方法2借助教材中的定理2，将线性变换可逆转化成了矩阵可逆9设三维线性空间上的线性变换在基下的矩阵为 1）求在基下的矩阵； 2）求在基下的矩阵，其中且； 3）求在基下的矩阵解题提示可以利用定义直接写出线性变换的矩阵，也可以借助同一个线性变换在两组不同基下的矩阵是相似的进行求解解 1）由于，故在基下的矩阵为2）由于，故在基下的矩阵为3）由于从到的过渡矩阵为，故在基下的矩阵为方法技巧根据线性变换的矩阵的定义，直接给出了1）和2）所求的矩阵；3）借助了过渡矩阵，利用相似矩阵得到了所求矩阵事实上，这三个题目都可以分别用两种方法求解10设是线性空间上的线性变换，如果，但，求证：（）线性无关证明由于，故对于任意的非负整数，都有当时，设，用作用于上式，得，但，因此于是，再用作用上式，同样得到依此下去，可得从而线性无关16证明：与相似，其中是的一个排列解题提示利用同一个线性变换在不同基下的矩阵是相似的或直接相似的定义证法1设是一个维线性空间，且是

3、的一组基另外，记，于是，在基下，矩阵对应的一个线性变换，即从而，又因为也是的一组基，且故与相似证法设与对交换两行，再交换两列，相当于对左乘和右乘初等矩阵和，而即为将中的和交换位置得到的对角矩阵于是，总可以通过这样的一系列的对调变换，将的主对角线上的元素变成，这也相当于存在一系列初等矩阵，使得，令，则有，即与相似方法技巧证法利用同一个线性变换在不同基下的矩阵是相似的这一性质；证法利用了矩阵的相似变换，直接进行了证明17如果可逆，证明与相似证明由于可逆，故存在于是，因此，根据相似的定义可知与相似19求复数域上线性变换空间的线性变换的特征值与特征向量已知在一组基下的矩阵为：1）； 4）；5）解 1）设在给定基,下的矩阵为由于的特征多项式为，故的特征值为，当时，方程组，即为解得它的基础解系为从而的属于特征值的全部特征向量为，其中为任意非零常数当时，方程组，即为解得它的基础解系为，从而的属于特征值的全部特征响向量为，其中为任意非零常数4）设在给定基下的矩阵为，由于的特征多项式为，故的特征值为，当时, 方程组，即为求得其基础解系为，故的属于特征值2的全部特征向量为其中为任意非零常数当时, 方

4、程组，即为求得其基础解系为，故的属于特征值的全部特征向量为其中为任意非零常数当时，方程组，即为求得其基础解系为，故的属于特征值的全部特征向量为其中为任意非零常数5）设在给定基下的矩阵为，由于的特征多项式为，故的特征值为（二重），当时，方程组，即为求得其基础解系为，故的属于特征值1的全部特征向量为其中为任意不全为零的常数当时，方程组，即为求得其基础解系为，故的属于特征值的全部特征向量为，其中为任意非零常数方法技巧求解一个线性变换的特征值即求其矩阵的特征多项式的根，再对每个根求得所对应的特征向量，但一定要注意表达成基向量的线性组合形式241）设是线性变换的两个不同特征值，是分别属于的特征向量，证明：不是的特征向量；2）证明：如果线性空间的线性变换以中每个非零向量作为它的特征向量，那么是数乘变换证明 1）反证法假设是属于特征值的特征向量，即而由题设可知，且，故比较两个等式，得到再根据是属于不同特征值的特征向量，从而是线性无关性，因此，即这与矛盾所以不是的特征向量2）设是的一组基，则它们也是的个线性无关的特征向量，不妨设它们分别属于特征值，即，根据1）即知否则，若，那么，且不是的特征向量，这与中每个非零向量都是它的特征向量矛盾所以，对于任意的，都有，即是数乘变换25设是复数域上的维线性空间，是上的线性变换，且证明：1）如果是的一个特征值，那么是的不变子空间；2）至少有一个公共的特征向量证明 1）设，则，于是，由题设知，因此根据不变子空间的定义即知，是的不变子空间2）由1）可知是的不变子空间，若记，则是复数域上线性空间的一个线性变换，它必有特征值及非零向量，使得，即是的特征向量，从而是和的公共特征向量因此，存在公共的特征向量电视墙也就是电视背景装饰墙，是居室装饰特别是大户型居室的重点之一，在装修中占据相当重要的地位，电视墙通常是为了弥补客厅中电视机背景墙面的空旷，同时起到修饰客厅的作用。因为电视墙是家人目光注视最多的地方，长年累月地看也会让人厌烦，所以其装修就尤为讲究- 9 -

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