112 年 國立成功大學電機工程學系碩士班已組《線性代數》
第 1 題30 分
- (30 pts) Make each statement True or False and JUSTIFY each answer. (3 pts for each question. Correct answer for 2 pts and suitable justification for 1 pts.)
(a) A is an matrix. The determinant of A is the product of the pivots in any echelon form U of A, multiplied by , where is the number of row interchanges made during row reduction from A to U.
(b) If a set spans a finite-dimensional vector space V and if T is a set of more than p vectors in V, then T is linearly dependent.
(c) B and C are bases for a vector space V. If , , and , then row reduction of to produces a matrix P that satisfies for all in V.
(d) A is an matrix. A row replacement operation on A does not change the eigenvalues.
(e) A, B, C are matrices. If B is similar to A and C is similar to A, then B is similar to C.
(f) The Gram-Schmidt process produces from a linearly independent set an orthogonal set with the property that for each , the vectors span the same subspace as that spanned by .
(g) A is an matrix and is in . A least-squares solution of is a list of weights that, when applied to the columns of A, produces the orthogonal projection of onto Col A.
(h) If , where and D is a diagonal matrix, then B is a symmetric matrix.
(i) The maximum value of , subject to the constraint , is .
(j) A is an matrix with a singular value decomposition , where U is an orthogonal matrix, is an "diagonal" matrix with r positive entries and no negative entries, and V is an orthogonal matrix. If P is an orthogonal matrix, then PA has the same singular values as A.
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核心觀念
本題涵蓋:
- 列運算與行列式
- 線性獨立、張成與基底
- 座標變換矩陣
- 特徵值與相似矩陣
- Gram–Schmidt 正交化
- 最小平方法與正交投影
- 正交對角化與對稱矩陣
- Rayleigh 商與二次型
- 奇異值分解
(a)
答案:錯誤(False)
列交換會使行列式變號,列替換不改變行列式;若只使用列交換與列替換,則
然而,對一般列梯形式 而言, 不一定等於所有 pivot 的乘積。只有當 是上三角矩陣時,才有
例如取
此矩陣本身已是列梯形式,只有一個 pivot,即 ,且沒有列交換,因此題目敘述給出的值為
但實際上
因此敘述錯誤。
技巧: 判斷此類敘述時,要區分「pivot 的乘積」與「對角線元素的乘積」。只有上三角矩陣才能直接使用後者計算行列式。
(b)
答案:正確(True)
若 張成 ,則 的維度滿足
題目中的集合 含有超過 個向量,因此
有限維向量空間中,任何包含超過 個向量的集合必定線性相依。因此 線性相依。
也可直接利用交換定理:既然 個向量已經張成 ,再加入超過 個向量時,不可能全部維持線性獨立。
(c)
答案:錯誤(False)
令基底矩陣為
將增廣矩陣
列簡化為
等同於左乘 ,所以
對任意 ,有
由 可得
因此
題目卻聲稱
方向相反。正確關係應為
若要將 -座標轉換成 -座標,應使用
技巧: 矩陣 得到的是 ,因此 將 -座標轉成 -座標。
(d)
答案:錯誤(False)
列替換通常不保留特徵值,因為列替換不是相似變換。特徵值在相似變換下才必定保持不變。
取
其特徵多項式為
所以特徵值為 。
對第二列加上第一列,得到
此時
其特徵值為
與原矩陣不同。
因此列替換不保證保留特徵值。
(e)
答案:正確(True)
因為 與 相似,存在可逆矩陣 使得
又因為 與 相似,存在可逆矩陣 使得
由 ,代入 :
令
則 ,因此
所以 與 相似。
核心定理: 矩陣相似具有傳遞性:
(f)
答案:正確(True)
Gram–Schmidt 過程定義為
以及對 ,
其中
第 2 題20 分
- (20 pts) Let have the inner product given by evaluation at -3, -1, 1, and 3. Let , , and .
(a) (10 pts) Compute the orthogonal projection of onto the subspace spanned by and .
(b) (10 pts) Find a polynomial that is orthogonal to and such that is an orthogonal basis for span. Scale the polynomial so that its vector of values at (-3, -1, 1, 3) is (1, -1, -1, 1).
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核心觀念
在 中,題目所給的內積為
正交投影到子空間 可利用正交基底計算:
本題中 與 彼此正交,因為對稱取值使得奇次項總和為 。
解題方法
(a) 求 在 上的正交投影
先計算相關內積。
計算
計算
計算
計算
因此
所以, 的正交投影為
(b) 求正交於 的多項式
第 3 題15 分
- (15 pts) Find a factorization .
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核心觀念
本題考查矩陣的 QR 分解。若矩陣 的欄向量為
Gram–Schmidt 正交化可將欄向量轉換成標準正交向量 ,並令
其中 為正交矩陣, 為上三角矩陣。
本題的三個欄向量為
解題方法:Gram–Schmidt 正交化
第一步:求
先取
因此
第二步:求
先計算 在 上的投影:
所以
代入得
其長度為
因此
第三步:處理
先扣除 在 上的投影:
因此
這表示 扣除前兩個方向後完全為零。再扣除 的投影後,
第 4 題35 分
- (35 pts, 7 pts each) Let A and its reduced echelon form be given as:
We already know that is an eigenvalue of A, and is an eigenvector of A.
(a) Find a basis for the eigenspace for .
(b) What is the eigenvalue for the eigenvector u?
(c) Notice that the second and fourth rows of A are the same. Does that imply we have a certain eigenvalue? Find a basis for its eigenspace. To save you some time, we have included the reduced echelon form of A.
(d) What is the characteristic polynomial of A?
(e) Show that A is diagonalizable by finding an appropriate P and D.
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核心觀念
本題主要考查:
- 特徵值與特徵向量的定義:
- 特徵空間:
- 矩陣可逆性與零特徵值的關係:
- 列簡化不改變齊次方程組的解,因此可利用 求 。
- 若一個 矩陣有 個線性獨立的特徵向量,則矩陣可對角化。
(a) 求 的特徵空間基底
特徵空間為
計算
令 ,由 得
取第二式除以 、第四式除以 ,得到
第一式與第四式化簡後,可推出
再代回可得
利用第一式:
因此
於是
所以
因此
(b) 求特徵向量 所對應的特徵值
已知
直接計算:
由 ,可知
(c) 由第二、四列相同可知的特徵值,以及其特徵空間基底
題目中是第二列與第四列相同,因此矩陣的列向量線性相依,故
因此 不可逆,而
對應的特徵空間為
因為 是 的列簡化形, 與 的齊次方程組具有相同解集,所以解
令 ,由 得
令
則
因此
所以