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◎学习目标
- 确认合同矩阵保持秩:若 \(B=C^{\top}AC\)(\(C\) 可逆),则 \(\operatorname{rank} B = \operatorname{rank} A\);
- 理解合同是 \(n\) 阶矩阵集合上的一个等价关系(反身、对称、传递),并掌握合同等价类(合同类)的概念;
- 掌握双线性函数 \(F\) 的矩阵秩 \(\operatorname{rank}_M(F)\) 的定义:\(F\) 在任一基下度量矩阵的秩(与基无关的不变量);
- 理解"矩阵秩"与"真正的双线性函数秩"(相应线性函数子空间的维数)的区别,后者在维分几何中更自然;
- 掌握双线性函数的左根(\(V\) 中) \(\operatorname{rad}_L^V(F)\) 与右根(\(V\) 中) \(\operatorname{rad}_R^V(F)\) 的定义;
- 掌握非退化双线性函数的定义:左根与右根都是 \(\{0\}\);并记住充要条件:在任一基下的度量矩阵满秩(即矩阵秩 \(=n\))。
1合同矩阵秩的不变性(回顾) ⏱ 00:08
本集开头回顾上一集结论:合同的矩阵有相同的秩。即若 \(B=C^{\top}AC\)(\(C\) 可逆),则
由此,对于 \(V\) 上的双线性函数 \(F\),虽然在不同基下的度量矩阵一般不同,但它们都是合同的,因此秩相等。这个不变量就是 \(F\) 的矩阵秩,见第 3 节。
2合同是等价关系 ⏱ 00:18
合同是"找得到可逆矩阵 \(C\) 使得 \(B=C^{\top}AC\)"这一性质定义的等价关系。⏱ 00:22
- 反身性:\(A\) 与自身合同,取 \(C=I\)(单位矩阵),\(A=I^{\top}AI=A\);
- 对称性:若 \(B=C^{\top}AC\),取 \(C'=C^{-1}\)(仍为可逆矩阵),则 \(A=(C')^{\top}B\,C'\);
- 传递性:若 \(B=C_1^{\top}AC_1\) 且 \(D=C_2^{\top}BC_2\),令 \(C=C_1C_2\)(可逆),则 \(D=C^{\top}AC\)。
因此合同关系是 \(n\) 阶矩阵集合上的一个等价关系,把矩阵划分为若干个合同等价类(合同类);同一合同类中的矩阵秩相等。⏱ 00:40
3双线性函数的"矩阵秩" ⏱ 00:48
- 同一 \(F\) 在不同基下的度量矩阵合同;
- 合同矩阵有相同的秩;
4合同 ⇔ 同一双线性函数在不同基下的度量矩阵 ⏱ 03:08
证明思路(丘老师严谨版)
第一步:给定矩阵 \(A\),令 \(V=F^n\),取标准基 \(\alpha_1,\dots,\alpha_n\),构造双线性函数
第二步:由合同条件 \(B=C^{\top}AC\),\(C\) 可逆。令
第三步:由 P122 的基变换公式,\(F\) 在基 \(\mathcal{H}=\beta_1,\dots,\beta_n\) 下的度量矩阵为
5左根与右根(radical) ⏱ 08:55
- 零向量 \(\mathbf{0}\) 属于左根:\(F(\mathbf{0},\beta)=0\) 对一切 \(\beta\) 成立;
- 对加法封闭:若 \(\alpha_1,\alpha_2\in\operatorname{rad}_L^V(F)\),则 \(F(\alpha_1+\alpha_2,\beta)=F(\alpha_1,\beta)+F(\alpha_2,\beta)=0\);
- 对数量乘法封闭:若 \(\alpha\in\operatorname{rad}_L^V(F)\),则 \(F(k\alpha,\beta)=kF(\alpha,\beta)=0\)。
6非退化双线性函数及其充要条件 ⏱ 11:27
证明(丘老师的完整推导,关键步骤)
准备工作:取 \(V\) 的基 \(\mathcal{G}=\alpha_1,\dots,\alpha_n\),\(F\) 在该基下的度量矩阵为 \(A\)。设 \(\alpha\) 的坐标列向量为 \(X\),\(\beta\) 的坐标列向量为 \(Y\),则 \(F(\alpha,\beta)=X^{\top}AY\)。⏱ 14:08
必要性(左根 \(=\{0\}\) ⇒ \(A\) 满秩): 设 \(\alpha\in\operatorname{rad}_L^V(F)\),即 \(F(\alpha,\beta)=0\) 对一切 \(\beta\in V\) 成立,等价于
左根 \(=\{0\}\) ⇔ 该齐次方程组只有零解 \(X=0\) ⇔ 系数矩阵 \(A^{\top}\) 满秩 ⇔ \(A\) 满秩(\(\operatorname{rank}A=\operatorname{rank}A^{\top}=n\))。⏱ 18:30
充分性(\(A\) 满秩 ⇒ 左根 \(=\{0\}\)):反过来,若 \(A\) 满秩,则 \(A^{\top}X=0\) 只有零解 \(X=0\),即 \(\alpha=\mathbf{0}\),故左根为零子空间。⏱ 18:45
右根同理:完全类似地可证,右根 \(=\{0\}\) ⇔ \(A\) 满秩(此时用的是 \(AX=0\),\(X\) 是 \(\alpha\) 的坐标)。⏱ 18:55
合起来:\(F\) 非退化 ⇔ 左根 \(=\) 右根 \(=\{0\}\) ⇔ \(A\) 满秩(秩 \(=n\))⇔ \(\operatorname{rank}_M(F)=n\)。⏱ 19:55
★重点回顾
⚠易错点提醒
- "矩阵秩" \(\neq\) "双线性函数真正的秩":本集的"矩阵秩"是暂时使用的称呼,真正的双线性函数秩是"左根 / 右根对应线性函数子空间的维数",二者关系丘老师明确推迟到后续讨论。不要在当前阶段把两者等同。
- 左根 / 右根的定义方向:左根 = 固定第一个位置(左边)的 \(\alpha\),对所有 \(\beta\) 都满足 \(F(\alpha,\beta)=0\);右根 = 固定第二个位置(右边)的 \(\beta\),对所有 \(\alpha\) 都满足 \(F(\alpha,\beta)=0\)。方向弄反会得到不同的子空间(对一般双线性函数,左根与右根不必相等)。
- 非退化要求左根和右根都为零子空间:只验证左根 \(=\{0\}\) 是不够的,必须同时验证右根 \(=\{0\}\)(对非对称双线性函数,二者可能不同)。对称双线性函数时,左根 = 右根,只需验证其一。
- "满秩"要求 \(A\) 是 \(n\) 阶方阵且秩 \(=n\):只有满秩(\(A\) 可逆)时 \(F\) 才非退化;若 \(\operatorname{rank}A < n\),则存在非零向量 \(\alpha\) 使 \(F(\alpha,\beta)=0\) 对所有 \(\beta\),即 \(F\) 退化。
- 合同与相似混淆:合同 \(B=C^{\top}AC\)(左是转置);相似 \(B=C^{-1}AC\)(左是逆)。二者不可互换:一般情形下 \(C^{\top}\neq C^{-1}\)。
✎自测与作业
- 设 \(V=\mathbb{R}^3\),双线性函数 \(F(\alpha,\beta)=\alpha_1\beta_2-\alpha_2\beta_1\)(其余项为 0)。写出其在标准基下的度量矩阵 \(A\),计算 \(\operatorname{rank}_M(F)\),并求左根 \(\operatorname{rad}_L^V(F)\) 和右根 \(\operatorname{rad}_R^V(F)\)。判断 \(F\) 是否非退化。
- 设 \(A=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&0\end{pmatrix}\) 是 \(\mathbb{R}^3\) 上某双线性函数 \(F\) 在标准基下的度量矩阵。证明 \(F\) 退化,并给出非零向量 \(\alpha\) 属于左根(即 \(F(\alpha,\beta)=0\) 对所有 \(\beta\))。
- (证明)设 \(A,B\) 是 \(F\) 上的 \(n\) 阶矩阵,且 \(B=C^{\top}AC\)(\(C\) 可逆)。证明 \(\operatorname{rank}A=\operatorname{rank}B\),并由此证明:双线性函数 \(F\) 的矩阵秩 \(\operatorname{rank}_M(F)\) 与基无关。
- (充要条件的应用)设 \(V\) 是 \(\mathbb{R}^2\),双线性函数 \(F(\alpha,\beta)=\alpha_1\beta_1+\alpha_2\beta_2\)。写出度量矩阵,验证 \(F\) 非退化,并说明 \(F\) 的对称性(即 \(F(\alpha,\beta)=F(\beta,\alpha)\))如何帮助简化验证。
- (思考)对非对称双线性函数,左根与右根是否一定相等?举一个左根 \(=\{0\}\) 但右根 \(=\{\beta_0\}\neq\{0\}\)(或相反)的例子,说明"非退化"必须同时要求左根和右根都为零子空间。
- (选做)设 \(F\) 是 \(\mathbb{R}^n\) 上的对称双线性函数,度量矩阵为 \(A\)(对称)。若 \(F\) 非退化(\(A\) 满秩),证明由 \(F\) 产生的线性函数族 \(\{\alpha_L\mid\alpha\in V\}\) 张成 \(V^*\) 的整个空间(维数 \(=n\))。(这解释了为什么"对称 + 非退化"是引进内积的充分条件。)