高等代数 · 课程学习笔记

第 P60 集 · 六:对称矩阵性质、斜反称矩阵、可逆矩阵

Symmetric Matrices, Skew-Symmetric Matrices & Invertible Matrices
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P60 / 151 集 核心概念:对称矩阵子空间 · 斜对称矩阵 · 可逆矩阵定义
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◎学习目标

  1. 理解对称矩阵的定义 \(A^{T} = A\),并掌握所有 \(n\) 阶对称矩阵构成数域 \(K\) 上 \(M_{n \times n}(K)\) 的一个线性子空间;
  2. 理解斜对称(反对称)矩阵的定义 \(A^{T} = -A\),掌握其主对角线元素全为 0、关于主对角线对称位置互为相反数的结构特征;
  3. 理解斜对称矩阵全体也构成 \(M_{n \times n}(K)\) 的一个线性子空间;
  4. 掌握可逆矩阵的定义:存在 \(B\) 使得 \(AB = BA = I_n\),并理解其名称来源于可逆映射;
  5. 理解满足定义的逆矩阵是唯一的,因此 \(A^{-1}\) 记号是良定义的;
  6. 掌握可逆矩阵的一个必要条件:\(\det A \neq 0\)(满秩矩阵);
  7. 了解可逆矩阵与满秩矩阵的关系,为后续判定定理(伴随矩阵法)做铺垫。

1对称矩阵的子空间性质 ⏱ 00:15

对称矩阵是最常见的特殊矩阵之一。定义:

定义 · 对称矩阵 设 \(A\) 为 \(n\) 阶方阵,若满足 \(A^{T} = A\),则称 \(A\) 为对称矩阵。

接下来,丘老师验证所有 \(n\) 阶对称矩阵构成的集合是否构成 \(M_{n \times n}(K)\) 的线性子空间。需要验证三点:非空、对加法封闭、对数乘封闭。⏱ 00:32

证明:对称矩阵全体构成线性子空间

第一步:验证对加法封闭。设 \(A, B\) 都是 \(n\) 阶对称矩阵,即 \(A^{T} = A\),\(B^{T} = B\)。考察 \((A+B)^{T}\):⏱ 00:40

\[(A + B)^{T} = A^{T} + B^{T} = A + B.\]

因此 \(A+B\) 也是对称矩阵,加法封闭。⏱ 00:49

第二步:验证对数乘封闭。设 \(k \in K\),考察 \((kA)^{T}\):⏱ 01:14

\[(kA)^{T} = kA^{T} = kA.\]

因此 \(kA\) 也是对称矩阵,数乘封闭。⏱ 01:19

第三步:验证非空。零矩阵 \(O\) 满足 \(O^{T} = O\),是对称矩阵;单位矩阵 \(I\) 也满足 \(I^{T} = I\),是对称矩阵。故集合非空。⏱ 01:37

结论:所有 \(n\) 阶对称矩阵构成数域 \(K\) 上 \(M_{n \times n}(K)\) 的一个线性子空间。⏱ 02:02

小结 对称矩阵子空间是后面研究矩阵空间结构的基础工具。丘老师强调,这是六种特殊矩阵中的第一种系统讲解的。⏱ 02:08

2斜对称(反对称)矩阵的结构 ⏱ 02:45

定义 · 斜对称矩阵 设 \(A\) 为 \(n\) 阶方阵,若满足 \(A^{T} = -A\),则称 \(A\) 为斜对称矩阵(又称反对称矩阵)。

注:英文 skew-symmetric,"skew" 有"歪、斜"之意,故"斜对称"更贴合英文原意;国内教材多称"反对称",两种叫法等价。

现在分析斜对称矩阵的结构特征。由 \(A^{T} = -A\),比较两边 \((i,j)\) 元:⏱ 03:45

\[a_{ji} = -a_{ij}, \quad \forall\, 1 \le i,j \le n.\]

特别地,取 \(i = j\),得 \(a_{ii} = -a_{ii}\),从而 \(2a_{ii} = 0\),即 主对角线上的元素全为 0。⏱ 05:00

重要结论 斜对称矩阵的主对角线元素全为 0,且关于主对角线对称位置的两个元素互为相反数:
\[A = \begin{pmatrix} 0 & a_{12} & a_{13} & \cdots & a_{1n} \\ -a_{12} & 0 & a_{23} & \cdots & a_{2n} \\ -a_{13} & -a_{23} & 0 & \cdots & a_{3n} \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ -a_{1n} & -a_{2n} & -a_{3n} & \cdots & 0 \end{pmatrix}.\]

类似地,可以验证斜对称矩阵全体也对加法和数乘封闭,且包含零矩阵,因此它也构成 \(M_{n \times n}(K)\) 的一个线性子空间。⏱ 06:50

重要背景 对称矩阵子空间和斜对称矩阵子空间对于研究 \(M_{n \times n}(K)\) 的整体结构起着重要作用。丘老师指出,整个 \(M_{n \times n}(K)\) 可以分解为这两个子空间的直和,这是后续考题的热点。⏱ 07:40

3可逆矩阵的定义与唯一性 ⏱ 08:20

从映射的角度引入可逆矩阵的概念。在映射理论中,可逆映射的定义是:存在反映射,使得复合后得到恒等映射。⏱ 08:28

定义 · 可逆矩阵 设 \(A\) 为数域 \(K\) 上的 \(n\) 阶方阵。若存在 \(K\) 上的 \(n\) 阶方阵 \(B\),使得
\[AB = BA = I_n,\]
则称 \(A\) 为可逆矩阵(invertible matrix),并称 \(B\) 为 \(A\) 的逆矩阵(inverse matrix),记作 \(A^{-1}\)。
逆矩阵的唯一性证明

假设 \(B\) 和 \(C\) 都满足定义中的条件,即:

\[AB = BA = I_n, \quad AC = CA = I_n.\]

则:

\[B = B \cdot I_n = B(AC) = (BA)C = I_n \cdot C = C.\]

因此 \(B = C\),逆矩阵唯一。⏱ 11:05

由唯一性,我们可合法地使用记号 \(A^{-1}\) 表示 \(A\) 的逆矩阵。⏱ 11:25

基本性质 由定义可直接推出:若 \(A\) 可逆,则 \(A^{-1}\) 也可逆,且 \((A^{-1})^{-1} = A\)。⏱ 13:00

4可逆矩阵的必要条件 ⏱ 13:40

现在探讨:若 \(A\) 可逆,它需要满足什么必要条件?

假设 \(A\) 可逆,则存在 \(A^{-1}\) 使得 \(AA^{-1} = I_n\)。两边取行列式:⏱ 14:50

\[\det(AA^{-1}) = \det(I_n) = 1.\]

由行列式乘法公式 \(\det(AB) = \det A \cdot \det B\),得:

\[\det A \cdot \det(A^{-1}) = 1.\]
必要条件 由此立得 \(\det A \neq 0\)。⏱ 16:30

即:\(A\) 可逆 \(\Longrightarrow\) \(\det A \neq 0\)(\(A\) 为满秩矩阵)。

丘老师在课堂上强调,这个结论非常重要,是从三个不同角度刻画同一件事的第一步:

这三个条件在后续定理中将逐一证明等价。⏱ 17:00

注意 上述推导仅证明了必要性(可逆 \(\Longrightarrow\) \(\det A \neq 0\))。充分性(\(\det A \neq 0\) \(\Longrightarrow\) 可逆)将在下一集 P61 中用伴随矩阵方法证明。

★重点回顾

1
对称矩阵子空间:满足 \(A^{T}=A\) 的全体 \(n\) 阶矩阵构成 \(M_{n\times n}(K)\) 的子空间(对加法、数乘封闭,含零矩阵)。
2
斜对称矩阵子空间:满足 \(A^{T}=-A\),主对角线全为 0,关于主对角线对称位置元素互为相反数。也构成子空间。
3
可逆矩阵定义:\(AB = BA = I_n\) 时称 \(A\) 可逆,\(B = A^{-1}\)。逆矩阵唯一,记号 \(A^{-1}\) 良定义。
4
可逆的必要条件:\(A\) 可逆 \(\Longrightarrow\) \(\det A \neq 0\)(即 \(A\) 满秩)。充分性待证。
5
三种刻画角度的统一:可逆性、行列式非零、满秩,三个概念本质相同,后续将严格证明等价。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆对称与斜对称:对称矩阵满足 \(A^T=A\),斜对称满足 \(A^T=-A\),符号一正一负,切勿记反。
  2. 忽略主对角线为0:斜对称矩阵主对角线元素必为 0,这是由 \(a_{ii}=-a_{ii}\) 推出的重要结论,解题时不要忘记检验。
  3. 可逆矩阵不一定是方阵:可逆矩阵必须是方阵(否则无法同时满足左乘和右乘等于单位矩阵),非方阵矩阵不存在逆矩阵。
  4. \(\det A \neq 0\) 只是必要条件:第 P60 集只证明了必要性,充分性需要在第 P61 集用伴随矩阵证明,切勿误认为定义。

✎自测与作业

  1. 验证:若 \(A, B\) 为对称矩阵,则 \(A+B\) 也是对称矩阵;若 \(A\) 为斜对称矩阵,则 \(kA\) 也是斜对称矩阵(\(k\in K\))。
  2. 写出所有 3 阶斜对称矩阵的一般形式,并说明其自由参数的个数(即该子空间的维数)。
  3. 证明:若 \(A\) 可逆,则 \(A^{-1}\) 也可逆,且 \((A^{-1})^{-1} = A\)。
  4. 设 \(A\) 为 \(n\) 阶可逆矩阵,证明 \(\det(A^{-1}) = (\det A)^{-1}\)。
  5. (思考)为什么从 \(AA^{-1}=I_n\) 取行列式能推出 \(\det A\neq 0\)?若 \(\det A=0\) 会发生什么矛盾?
  6. (选做)已知 \(A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}\),验证 \(A\) 是对称矩阵;已知 \(B = \begin{pmatrix} 0 & 3 \\ -3 & 0 \end{pmatrix}\),验证 \(B\) 是斜对称矩阵。
下一集预告 第 P61 集 · 七:可逆矩阵的充要条件、伴随矩阵法求逆矩阵,以及逆矩阵的转置性质 \((A^T)^{-1} = (A^{-1})^T\)。