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◎学习目标
- 掌握互构定理:给定 \(n\) 阶矩阵 \(A\),可唯一构造 \(V\) 上的双线性函数 \(F(\alpha,\beta)=X^{\top}AY\),其在基 \(\mathcal{G}\) 下的度量矩阵恰为 \(A\);反之,给定双线性函数 \(F\),其在基 \(\mathcal{G}\) 下的度量矩阵 \(A\) 唯一确定 \(F\) 在该基下的表达式。
- 推导并掌握度量矩阵在不同基下的变换公式:若 \(\mathcal{G}\) 到 \(\mathcal{H}\) 的过渡矩阵为 \(C\)(\(C\) 可逆),则
\[ B = C^{\top} A C. \]
- 理解合同关系的定义:\(A,B\) 合同 \(\iff\) 存在可逆矩阵 \(C\) 使得 \(B=C^{\top}AC\);合同是一种等价关系。
- 证明并记忆合同矩阵的秩相等:若 \(A\sim B\)(合同),则 \(\operatorname{rank} A = \operatorname{rank} B\)。
- 对比合同与相似:相似的矩阵是 \(B=C^{-1}AC\)(左 \(C^{-1}\) 右 \(C\));合同的矩阵是 \(B=C^{\top}AC\)(左 \(C^{\top}\) 右 \(C\)),"左边"可逆矩阵的角色从 \(C^{-1}\) 换成了 \(C^{\top}\)。
1互构定理:矩阵与双线性函数的一一对应 ⏱ 01:17
本集开头回顾了 P121 的表达式:\(F(\alpha,\beta)=X^{\top}AY\),其中 \(A\) 是 \(F\) 在基 \(\mathcal{G}\) 下的度量矩阵。⏱ 00:13 接下来丘老师给出了"反向"结论——
证明:验证双线性性(关键步骤)
对第一个位置线性:设 \(\alpha_1+\alpha_2\) 对应的坐标为 \(X_1+X_2\),则
对第二个位置线性:完全类似,利用矩阵乘法的左分配律。故 \(F\) 是双线性函数。⏱ 02:33
度量矩阵恰为 \(A\):度量矩阵的第 \(i\) 行第 \(j\) 列元素为
2度量矩阵在不同基下的变换公式 ⏱ 06:53
设 \(F\) 是 \(V\) 上的双线性函数,\(\mathcal{G}=\alpha_1,\dots,\alpha_n\) 和 \(\mathcal{H}=\beta_1,\dots,\beta_n\) 是 \(V\) 的两组基。由 \(\mathcal{G}\) 到 \(\mathcal{H}\) 的过渡矩阵为 \(C\)(\(C\) 可逆,因为基变换矩阵必可逆),\(F\) 在 \(\mathcal{G}\) 下的度量矩阵为 \(A\),在 \(\mathcal{H}\) 下的度量矩阵为 \(B\)。则⏱ 07:10
证明(丘老师用的方法:矩阵分块乘法)
由基变换关系,\(\beta_j\) 在基 \(\mathcal{G}\) 下的坐标列向量为 \(C\) 的第 \(j\) 列,记为 \(C_j\)。即
于是 \(\beta_i\) 在基 \(\mathcal{G}\) 下的坐标为 \(C_i\)。代入双线性函数表达式 \(F(\alpha,\beta)=X^{\top}AY\)(其中 \(X,Y\) 是基 \(\mathcal{G}\) 下的坐标),⏱ 12:00
将 \(i\) 作为行指标、\(j\) 作为列指标组成矩阵:
3合同关系的定义 ⏱ 17:54
合同关系具有等价关系的三条性质:⏱ 18:24
- 反身性:取 \(C=I\)(单位矩阵),\(A=I^{\top}AI=A\);
- 对称性:若 \(B=C^{\top}AC\),则 \(A=(C^{\top})^{-1} B\, C^{-1} = (C^{-1})^{\top} B\, C^{-1}\)(取 \(C' = C^{-1}\));
- 传递性:若 \(B=C_1^{\top}AC_1\) 且 \(D=C_2^{\top}BC_2\),则 \(D = (C_1C_2)^{\top} A\, (C_1C_2)\)。
4合同的性质:保持秩 ⏱ 20:33
证明
因为 \(B = C^{\top}AC\),且 \(C\) 可逆,所以 \(C\) 和 \(C^{\top}\) 都是可逆矩阵(可逆矩阵的转置仍可逆)。⏱ 21:20
可逆矩阵左乘或右乘一个矩阵不改变其秩(这是秩的基本性质:初等变换不改变秩;可逆矩阵 = 有限次初等变换的复合)。因此
- 不同基下的度量矩阵合同;
- 合同矩阵秩相等;
丘老师特别说明"矩阵秩"与"双线性函数真正的秩"(相应线性函数子空间的维数,即"零化子空间"的维数)的区别留到后续讲;此处"矩阵秩"是暂用的称呼,以后学维分几何时再展开。⏱ 22:30
5合同与相似的类比对照 ⏱ 20:03
丘老师在本集明确将合同与相似做对照,这是理解"基变换与度量矩阵"的核心框架:
| 对象 | 变换 | 公式 | "左边"的矩阵 | "右边"的矩阵 |
|---|---|---|---|---|
| 线性变换在不同基下的矩阵(相似) | 基变换矩阵 \(C\)(可逆) | \(B = C^{-1} A C\) | \(C^{-1}\)(逆矩阵) | \(C\)(原矩阵) |
| 双线性函数在不同基下的度量矩阵(合同) | 基变换矩阵 \(C\)(可逆) | \(B = C^{\top} A C\) | \(C^{\top}\)(转置) | \(C\)(原矩阵) |
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 过渡矩阵 \(C\) 必可逆:基变换矩阵 \(C\) 是可逆矩阵,这是合同关系定义中 \(C\) 可逆的根源。若误用不可逆矩阵,"合同"就退化为一般"等价"而非合同。
- \(B=C^{\top}AC\) 中 \(C\) 的"角色":左边是 \(C^{\top}\)(转置),右边是 \(C\)(原矩阵),不能写成 \(C\,A\,C\) 或 \(C^{-1}AC\)。这是与相似公式的根本区别,写反就错了。
- "合同"与"相似"不等价:合同矩阵未必相似,相似矩阵未必合同。二者是两种不同的等价关系,各自保持不同的不变量(合同保秩;相似保特征值、迹、行列式等)。
- "矩阵秩"不是"双线性函数的秩":丘老师明确说"矩阵秩"是暂用名(\(\operatorname{rank}_M(F)\)),真正的双线性函数秩是相应线性函数子空间的维数,二者关系后续才揭示。不要混淆。
- 互构定理中"给矩阵 \(A\) 构造双线性函数 \(F\) 后,\(F\) 在基 \(\mathcal{G}\) 下的度量矩阵恰为 \(A\)":注意"恰为 \(A\)"的证明需要验证 \(F(\alpha_i,\alpha_j)=a_{ij}\),即代入单位坐标向量 \(e_i,e_j\),得 \(e_i^{\top}Ae_j=a_{ij}\)。
✎自测与作业
- 设 \(A=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix}\),\(C=\begin{pmatrix}1&1\\0&1\end{pmatrix}\)。计算 \(C^{\top}AC\),并验证 \(\operatorname{rank}(C^{\top}AC)=\operatorname{rank}A=2\)。
- 设 \(B=C^{-1}AC\),\(C=\begin{pmatrix}1&2\\1&-1\end{pmatrix}\),\(A=\begin{pmatrix}1&0\\0&2\end{pmatrix}\)。计算 \(B\) 并求 \(\det B\),再计算 \(C^{\top}AC\) 并求其行列式,体会"相似保行列式、合同不保行列式"(合同行列式 \(\times (\det C)^2\))。
- (证明)若 \(A\) 与 \(B\) 合同(\(B=C^{\top}AC\),\(C\) 可逆),证明 \(A\) 与 \(B\) 有相同的行列式值的平方因子关系:\(\det B = (\det C)^2\det A\)。并由此说明:若 \(A\) 可逆,则 \(B\) 也可逆;若 \(A\) 不可逆,则 \(B\) 也不可逆。
- (思考)设 \(V\) 是 \(n\) 维线性空间,\(F\) 是 \(V\) 上的双线性函数,\(\mathcal{G}_1,\mathcal{G}_2\) 是两组基,过渡矩阵为 \(C\)。若 \(F\) 在 \(\mathcal{G}_1\) 下的度量矩阵为 \(A\),求 \(F\) 在 \(\mathcal{G}_2\) 下的度量矩阵。并说明为什么"矩阵秩"与基无关。
- (选做)对比证明:线性变换 \(T\) 在不同基下的矩阵满足 \(B=C^{-1}AC\)(相似);双线性函数 \(F\) 在不同基下的度量矩阵满足 \(B=C^{\top}AC\)(合同)。从"坐标变换"角度解释:为什么一个是 \(C^{-1}\),一个是 \(C^{\top}\)?(提示:行向量 \(X^{\top}\) 在基变换下的行为是关键。)