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附录:期末速查与自检

1. 一页公式链

范数与谱

A2=σ1(A),AF2=iσi2,ρ(A)A,ρ(A)=limkAk1/k.

正定与分解

A0λi(A)>0A=RR (R 可逆).A=QΛQ(A=A),A=UΣV(任意 A).

四个子空间

range(A)=ker(A),range(A)=ker(A).

投影与广义逆

PW=QQ,PW2=PW=PW,AA=Prange(A),AA=Prange(A).

变分与逼近

λmin(A)xAxxxλmax(A),minrank(B)kAB2=σk+1(A).

2. 六个高频证明模板

模板 A:把向量展开到标准正交特征基

用于 Rayleigh 商、正定判据、矩阵函数和矩阵幂。写 x=iαiqi 后,交叉项消失。

模板 B:把矩阵问题向量化

用于 Sylvester/Lyapunov 型方程:

vec(AXB)=(BTA)vec(X).

模板 C:先做正交分解

用于最佳逼近、最小二乘与投影。把 x=w+r,其中 wW,rW,再用勾股定理。

模板 D:用极小极大原理比较子空间

用于交错定理、Weyl 不等式与单调性。核心是构造维数足够大的交子空间。

模板 E:相似看谱,合同看符号

遇到换基先判断研究对象:线性算子使用 P1AP;二次型使用 PAP

模板 F:用 SVD 把问题拆成标量

用于广义逆、条件数、低秩逼近和酉不变范数。先把 A 写成 UΣV,利用酉变换不改变 2-范数或 Frobenius 范数。

模板 G:用核空间增长读取 Jordan 结构

dk=dimker(AλI)k。差分 dkdk1 是大小至少为 k 的 Jordan 块数,再做一次差分即可得到大小恰为 k 的块数。

模板 H:把长方形矩阵嵌入 Hermite 矩阵

构造

H(A)=(0AA0),

其非零特征值为 ±σi(A)。这样可以把奇异值的变分与扰动问题转化为 Hermite 特征值问题。

3. 最容易丢分的十件事

  1. ATA 混用。
  2. 忘记注明所在数域,尤其在讨论特征值和 Jordan 形时。
  3. 把几何重数写成大于代数重数。
  4. 把“所有特征值非负”用于非 Hermite 矩阵判断半正定。
  5. 把合同当成相似,误称合同保持特征值。
  6. ABBA 时写 eA+B=eAeB
  7. 默认 (AB)=BA
  8. 把 Frobenius 范数误当作诱导 2-范数。
  9. 看到 A>1 就断言 Neumann 级数发散。
  10. 把元素非负 A0 与半正定 A0 混为一谈。

4. 30 分钟闭卷自检

不看笔记,依次回答:

  1. 写出一个不可对角化矩阵,并给出其极小多项式与 Jordan 形。
  2. 证明 AA0,并说明何时正定。
  3. 从 SVD 推出 A2=σ1(A)
  4. 证明最小二乘残差正交于 range(A)
  5. 说明为什么截断 SVD 是最佳低秩逼近。
  6. 用 Gershgorin 定理证明一个严格对角占优矩阵可逆。
  7. 写出 etJ2(λ)
  8. 给出行随机矩阵的一个必然特征对。
  9. 由一组 dimker(AλI)k 恢复 Jordan 块大小。
  10. 解释不可约随机矩阵为何仍可能因周期性而不收敛。

如果其中三题以上无法在纸上完成,回到对应章节的“自检”再走一遍;如果只是在公式上卡住,优先复习本页第 1 节。

若需要跨章节练习,继续阅读课堂例题与应用