反对称矩阵的性质及应用毕业论文.doc
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1、本 科 毕 业 论 文论文题目: 反对称矩阵的性质及应用 学生姓名: 200800820244 学号: * 专业: 信息与计算科学 指导教师: 肖新玲 学 院: 数学科学学院 2012 年 5 月 20 日 毕业论文(设计)内容介绍论文(设计)题 目 反对称矩阵的性质及应用选题时间2011.11完成时间2012.5论文(设计)字数6530关 键 词 反对称矩阵;性质;秩;特征值论文(设计)题目的来源、理论和实践意义:反对称矩阵是矩阵论中经常用到的特殊矩阵,在高等代数和线性代数中占有重要的地位。学习反对称矩阵有助于更全面地掌握矩阵的相关知识,有助于对高等代数、线性代数和其它后继课程的学习研究。论
2、文(设计)的主要内容及创新点:本文主要描述反对称矩阵的定义,研究反对称矩阵的性质及应用.包括反对称矩阵的基本性质,反对称矩阵秩的性质,特征值及特征向量的性质以及反对称矩阵在求矩阵特征值及秩,线性变换和欧式空间问题中的应用等。本文中例子的分析及归纳出的注意事项和小结即是本文的创新点附:论文(设计)本人签名: 年 月 日 目 录中文摘要:1英文摘要11.引言22反对称矩阵的基本性质22.1反对称矩阵的定义22.2反对称矩阵的基本性质及证明32.3基本性质的应用举例63.反对称矩阵秩的性质83.1反对称矩阵的秩的性质及证明83.2秩的性质的应用举例94.反对称矩阵特征值的性质104.1 反对称矩阵特
3、征值的性质及证明104.2特征值性质的应用举例105.反对称矩阵在欧式空间线性变换上的应用举例116.总结11参考文献12 反对称矩阵的性质及应用摘要:矩阵是高等数学中一个极其重要的概念并且有广泛的应用,如线性方程组的一些重要性质反映在它的系数矩阵和增广矩阵的性质上,并且解方程组的过程也表现为变换这些矩阵的过程.这就使矩阵成为线性代数的一个主要研究对象.作为矩阵的一种特殊类型,反对称矩阵有很多特殊性质,是研究线性空间和线性变换问题的有利工具。本文主要描述反对称矩阵的定义,研究反对称矩阵的性质及应用.包括反对称矩阵的基本性质,反对称矩阵秩的性质,特征值的性质以及反对称矩阵在求矩阵特征值及秩,线性
4、变换和欧式空间问题中的应用等.关键词:反对称矩阵;性质;秩;特征值 Abstract: Matrix is a very important concepts in higher mathematics and its application is extensive, such as some important properties of linear equations is reflected in the nature of its coefficient matrix and augmented matrix, and the process of solution of equa
5、tions is to the process of transform these matrices,which makes the matrix become a main object of study of linear algebra. as a special type of matrix, antisymmetric matrix has a lot of the special nature which makes it become a powerful tool in study problem of the linear space and linear transfor
6、mation. The article mainly elaborates the definitions of antisymmetric matrix and discusses properties and applications of it, including the basic properties of antisymmetric matrices, the properties of antisymmetric matrix rank, the properties of characteristic value,and the applications of antisym
7、metric matrix in the solution of matrix eigenvalue and rank of matrix, linear transformations and Euclidean space problems etc.Keywords: Antisymmetric matrix; Nature; Rank; Characteristic value1.引言 反对称矩阵是矩阵论中经常用到的特殊矩阵,在高等代数和线性代数中占有重要的地位。学习反对称矩阵有助于更全面地掌握矩阵的相关知识,有助于对高等代数、线性代数和其它后继课程的学习研究,也为读者系统地学习矩阵论提
8、供参考。反对称矩阵在高等代数和线性代数中占有很重要的地位,因此,很多学者都对反对称矩阵做了比较深入的研究。如张海山在反对称矩阵的若干性质一文中,详细地介绍了反对称矩阵的基本性质、秩的性质和特征值与特征向量的性质;谢良金在反对称矩阵行列式的性质一文中对反对称矩阵的行列式性质提出了自己的独到见解;贾周与上官灵喜合写的关于反对称矩阵,讨论了反对称矩阵的行列式、特征值、合同标准型一级秩等方面的性质和一些重要结果;何承源关注对反对称矩阵,发表了反对称矩阵的性质和证明。虽然前人对这方面的内容都做了些研究,时至今日,进一步开展这方面的研究将大有可为。2反对称矩阵的基本性质 在我们的学习中发现,对称矩阵中的特
9、殊类型反对称矩阵经常出现,以下首先介绍其基本概念。2.1反对称矩阵的定义定义 设A,若AT=-A,则称A为反对称矩阵(也称斜对称矩阵)。当A为实对称矩阵时,反对称矩阵就称为实反对称矩阵。显然,反对称矩阵A=()的元素有如下特征:命题1.1 设n阶矩阵A=(),如果,则A是一个反对称矩阵。 下面就反对称矩阵的一些基本性质展开讨论:2.2反对称矩阵的基本性质及证明性质1: 任一nn矩阵都可表为一对称矩阵与一反对称矩阵之和。证明: 设A为nn矩阵,A=(A+AT)+ (A-AT),由于(A+AT)T=(AT+(AT)T)=AT+A,则A+AT是对称矩阵,即(A+AT)是对称矩阵,(A-AT)T=(A
10、T-A)=- (A-AT),则(A-AT)是反对称矩阵。性质2: 若A是反对称矩阵,则其主对角线上元素全为零。证明: 由定义1可知成立。性质3: 设A,B为n阶反对称矩阵,k为常数,为正整数,则:(1) ,kA,AB-BA为反对称矩阵。(2) AB为对称矩阵的充要条件为AB=BA。(3) 当为奇数时,为反对称矩阵;当为偶数时,为对称矩阵。证明: 利用对称矩阵与反对称矩阵的定义直接验证即可。性质4: 设A是任一n阶矩阵,则A-AT必为反对称矩阵。证明: 因为(A-AT)T=AT-A=- (A-AT),所以A-AT为反对称矩阵。性质5: 设A是奇数阶的反对称矩阵,则|A|=0.证明: 因为|A|=
11、|AT|=|-A|=-|A|, 所以|A|=0.性质6: 设A 是n阶反对称矩阵,B是n阶对称矩阵,则AB+BA是n阶反对称矩阵。证明: 由定义直接验证即可。性质7: 设A是n阶实矩阵,则A是反对称矩阵的充要条件是对任意n维列向量X,均有XTAX=0.证明: 充分性:令,取X=+,其中表示第i个分量是1,其余分量为0的n元列向量。则XTAX=(+)A (+)=A+ A + A+A = A + A = + =0.所以, =- ,i,j=1,2,,n.从而A为反对称矩阵。必要性:因为A是反对称矩阵,所以XTAX=XT(-A)X=-(XTAX)T=-XTAX,从而XTAX=0。性质8: 设A为n阶反
12、对称矩阵,A*为其伴随矩阵,则n为偶数时,A*为反对称矩阵;n为奇数时,A*为对称矩阵。证明: 由伴随矩阵定义可知(A*)T=(AT)*,且对任意数k,有(kA)*=kn-1A*。又A为反对称矩阵,所以(A*)T=(AT)*=(-A)*=(-1)n-1A*,从而,当n为奇数时,(A*)T=A*,即A为对称矩阵。从而,当A为偶数时,(A*)T=-A*,即A为反对称矩阵。性质9: 若A为反对称矩阵,则A与如下形式的矩阵合同: (*)证明: 因为A是一个反对称矩阵,可设 现在对n用数学归纳法来证明。(1) 当n=1时,结论显然成立。当n=2时,若,结论显然也成立。 若取,则,所以A与合同。(2) 假
13、定对于阶数小于n时的反对称矩阵,结论成立。 现在证明对n(n3)的反对称矩阵A结论也成立。10 若A的第一行全为零,即(0,, )=(0,0,,0)时,则,此处B是n-1阶反对称矩阵。由归纳假定可知,存在一n-1阶可逆矩阵Q使: 令,则 再令,此处是n-1阶单位矩阵,则 取,则 具有(*)的形式。20 若矩阵A的第一行不全为零,不妨设.这时我们可对A施行如下的初等变换:以乘以A的第一行,再以乘以A的第一列,把和-化为1和-1,然后以-(j=3,4,,n)乘以第二行分别加到第3,4,,n行,又以(j=3,4,,n)乘第二列分别加到第3,4,,n列,得到与A合同的矩阵 此处B是n-2阶的反对称矩阵
14、,即存在着可逆矩阵Q1使 因B是n-2阶的反对称矩阵,按归纳假定,存在着n-2阶可逆矩阵S1,使 令此处是2阶单位矩阵,则令,于是具有矩阵(*)的形式。2.3基本性质的应用举例根据上面讨论,下面举例说明:例1. 设A为n阶可逆反对称矩阵,则n为偶数,且A-1也是反对称矩阵。证明: 由性质5可知,n为偶数。因为A-1=A*/|A|,由性质8和性质4可知A-1也是反对称矩阵。注意:一个n阶反对称矩阵可逆的必要条件是n为偶数。n为偶数是n阶反对称矩阵可逆的必要条件而非充分条件,例如零矩阵是反对称矩阵,其行列式为0,因而不可逆,特别地,当n为偶数时,是不可逆的。例2. 设A是n阶可逆的反对称矩阵,是n
15、维列向量,则是可逆矩阵的充要条件是k0.证明: 因A是n阶反对称矩阵,由题1知A-1也是反对称矩阵。根据性质7有=0.又A是可逆的,故=,所以=,因此可逆=0 k0.例3. 设A且A为反对称矩阵,求证I+A可逆,且U=(A+I)-1(A-I)为正交阵。证法1: 若|I+A|=0,则齐次线性方程组(I+A)x=0必有非零解x,即(I+A)x=0。于是,xT(I+A)x=0 (1).由于A为实反对称矩阵,故xT Ax=0.所以由(1)可知xT x=0 矛盾。故I+A必可逆。UUT=(A+I)-1(A-I)(A-I) T (A+I) -1 T =(A+I)-1(A-I)(-A-I)(A+I) -1
16、T =(A+I)-1(I-A)(I+A)(A+I) -1 T =(A+I)-1(I+A)(I-A)(AT+I)-1 =(I-A)(I-A)-1=I.故U为正交阵。证法2: 因A是实反对称矩阵,故A的特征根为0或纯虚数,从而-1不是A的特征根,即|-I-A|0,从而,|I+A|0,即I+A可逆。 关于U为正交阵的证明同证法1.小结:(1)求一个A矩阵是否可逆有两种方法,一种是Ax=0只有零解,另一种是|A| 0。(2)在求反对称矩阵的相关题目时,性质7,即A为实反对称矩阵,故xT Ax=0经常被用到.3.反对称矩阵秩的性质3.1反对称矩阵的秩的性质及证明引理12: 设A为n阶矩阵(n2),那么秩
17、(A*)=性质10: 设A是n阶反对称矩阵,且A中有一个r阶主子式0,且含的r+2阶主子式均为零,则r(A)=r.证明: 因反对称矩阵的任一主子阵仍为反对称矩阵,故当A有一个r阶主子式0时,r必为偶数,从而A的任r+1阶主子式全为0.不妨设位于A的左上角(否则可同时调换行与相应的列,使之位于左上角,这不影响行列式的值为0与否),记加A中第i行与第j列元素所成的加边行列式为=.考虑r+2阶主子式C=.|C|是含的一个r+2阶主子式,据已知,|C|=0,进而知r(C*)1,故C*的2阶主子式=0-=0,但与均是A的含的r+1阶主子式,都为0;另一方面,=-;故|2=0=0.这样,A的含的任一加边子
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