作业 0916

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答案见下。

9/16 作业

Homework 3

  1. (1) (250000250000100041)\begin{pmatrix}25 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 25 & 0 & 0\\ 0 & 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 4 & 1\end{pmatrix} .

    (2) (a44a36a20a44a300a4)\begin{pmatrix}{{a}^{4}} & 4 {{a}^{3}} & 6 {{a}^{2}}\\ 0 & {{a}^{4}} & 4 {{a}^{3}}\\ 0 & 0 & {{a}^{4}}\end{pmatrix} .

  2. (30033003)\begin{pmatrix}3 & 0\\ 0 & 3\\ 3 & 0\\ 0 & 3\end{pmatrix} .

  3. (1) False.

    (2) True.

    (3) False.

  4. PQ=(010001100)PQ = \begin{pmatrix}0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1\\ 1 & 0 & 0\end{pmatrix} .

    QP=(001100010)QP = \begin{pmatrix}0 & 0 & 1\\ 1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0\end{pmatrix} .

    P2=13P^2 = \mathbf{1}_3 .

  5. E=(1000110001100011)E=\begin{pmatrix}1 & 0 & 0 & 0\\ \mathop{-}1 & 1 & 0 & 0\\ 0 & \mathop{-}1 & 1 & 0\\ 0 & 0 & \mathop{-}1 & 1\end{pmatrix} .

    F=(1000110012101331)F = \begin{pmatrix}1 & 0 & 0 & 0\\ \mathop{-}1 & 1 & 0 & 0\\ 1 & \mathop{-}2 & 1 & 0\\ \mathop{-}1 & 3 & \mathop{-}3 & 1\end{pmatrix} .

  6. M=ABAABM=ABAAB .

Optional

  1. (1) Mn×nM_{n \times n} , Mi,j=δi,jmM_{i,j}=\delta_{i,j-m} , 其中 δ\delta 是 Kronecker 函数。

    (2) Mn×nM_{n \times n} , Mi,j=(mji)amj+iM_{i,j}={m \choose j-i}a^{m-j+i} .

    (3) (cosmθsinmθsinmθcosmθ)\left( \begin{matrix} \cos m \theta & -\sin m \theta \\ \sin m \theta & \cos m \theta \end{matrix} \right) .

  2. 证明

    AB=BAAB=BA , 展开矩阵乘法

    Ai,B,j=Bi,A,jA_{i,*} \cdot B_{*,j} = B_{i,*} \cdot A_{*,j}

    展开 AA 的定义

    (0,,di,,0)B,j=(0,,dj,,0)Bi,(0, \cdots, d_i, \cdots, 0) \cdot B_{*,j} = (0, \cdots, d_j, \cdots, 0) \cdot B_{i,*}

    展开内积

    diBi,j=djBi,jd_i B_{i,j} = d_j B_{i,j}

    iji \ne j 时,由题,didjd_i \ne d_j , 则 Bi,j=0B_{i,j} = 0 .

    Bi,j=0 ijB_{i,j} = 0 \space \forall i \ne j , 则 BB 是对角矩阵 \square .

  3. 证明

    AB=BAAB=BA , 展开矩阵乘法

    Ai,B,j=Bi,A,jA_{i,*} \cdot B_{*,j} = B_{i,*} \cdot A_{*,j}

    展开内积

    k=1nAi,kBk,j=k=1nBi,kAk,j\begin{equation} \sum_{k=1}^{n} A_{i,k} B_{k,j} = \sum_{k=1}^n B_{i,k} A_{k,j} \end{equation}

    由于 BB 是任意矩阵,对于任意 x,y:N,1x,ynx,y : \N, 1 \le x,y \le n , 令

    Bi,j={1(x,y)=(i,j)0otherwiseB'_{i,j} = \begin{cases} 1 & (x,y) = (i,j) \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases}

    并对于任意 x,yx,y

    • 考虑 (AB)x,y(AB')_{x,y} .

      由 (1) , 展开 BB' 的定义

      Ax,x=Ay,yA_{x,x} = A_{y,y}

      由于 x,yx,y 任意选取,这表明对角线上的所有元素相等。

    • 考虑 (AB)x,v(AB')_{x,v} , 其中 vyv \ne y .

      由 (1) , 展开 BB' 的定义

      Ay,v=0A_{y,v} = 0

      由于 y,vy,v 任意选取,这表明对于任意 yvy \ne v , Ay,v0A_{y,v} \ne 0 .

      AA 是对角矩阵。

    既然,AA 可以表示成 c1nc \mathbf 1_{n} , 其中 ccAA 相等的对角线元素 \square .

  4. 证明

    (ABBA)T=(AB)T(BA)T=BTATATBT=(B)(A)(A)(B)=(ABBA)\begin{align*} (AB-BA)^\mathrm T \\ & = (AB)^\mathrm T - (BA)^\mathrm T \\ & = B^\mathrm T A^\mathrm T - A^\mathrm T B^\mathrm T \\ & = (-B)(-A) - (-A)(-B) \\ & = - (AB - BA) \end{align*}

    \square .

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