考研必备 - 2012年考研数学公式大全

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高等数学公式

导数公式：

2(tgx)??secx(arcsinx)??211?x2(ctgx)???cscx(secx)??secx?tgx(cscx)???cscx?ctgx(a)??alna(logaxx(arccosx)???(arctgx)??11?x211?x2x)??1xlna(arcctgx)???11?x2基本积分表：

?tgxdx??lncosx?C?ctgxdx?lnsinx?C?secxdx?lnsecx?tgx?C?cscxdx?lncscx?ctgx?C?a?x?a?dx2?cos?sindx2xx???secxdx?tgx?C?cscxdx??ctgx?C??cscx?C?C22dx2?secxx?tgxdx?secx?C?xdx?adx?xdx22???1a1arctglnlnxa?C?C?C?cscx?ctgxdx?adx?axx?ax?aa?xa?xxalna222a12a?shxdx?chxdx??2?chx?C?shx?C?ln(x?x?a)?C2222a?x2?arcsin?Cdxx?a22?2In??sin02nxdx??cosxdx?0nn?1naaa2In?2x?a)?Cx?axa?C2222???2u1?ux?adx?x?adx?a?xdx?22222x2x2x2x?a?x?a?a?x?22222222ln(x?lnx?arcsin22?C2三角函数的有理式积分： sinx?，　cosx?21?u1?u2，　u?tg2x2，　dx?2du1?u2

一些初等函数：两个重要极限：

e?e2e?e2shxchx2x?xx?x双曲正弦:shx?双曲余弦:chx?双曲正切:thx?arshx?ln(x?archx??ln(x?arthx?12ln1?x1?xlimsinxx1xx?0?1)?e?2.7182818284x

lim(1?x??59045...?e?ee?exx?x?xx?1）x?1)2三角函数公式： ·诱导公式：

函数角A -α 90°-α 90°+α 180°-α 180°+α 270°-α 270°+α 360°-α 360°+α sin cos tg -tgα ctgα ctg -ctgα tgα -ctgα ctgα tgα -sinα cosα cosα cosα sinα sinα -sinα -ctgα -tgα -cosα -tgα -sinα -cosα tgα -cosα -sinα ctgα -cosα sinα -sinα cosα sinα cosα -ctgα -tgα -tgα -ctgα tgα ctgα

·和差角公式： ·和差化积公式：

sin(???)?sin?cos??cos?sin?cos(???)?cos?cos??sin?sin?tg(???)?tg??tg?1?tg??tg?ctg??ctg??1ctg??ctg?sin??sin??2sinsin??sin??2cos???2cossin???2???2???2cos??cos??2coscos??cos??2sin???2cossin???2ctg(???)????2???2

·倍角公式： sin2??2sin?cos?cos2??2cos??1?1?2sin??cos??sin?ctg2??tg2??ctg??12ctg?2tg?1?tg?222222sin3??3sin??4sin?cos3??4cos??3cos?tg3??3tg??tg?1?3tg?2333

·半角公式：

sintg?2????1?cos?21?cos?1?cos?asinA　　　　　　　　　　1?cos?sin?bsinB?　　cos　　ctg?2??1?cos?21?cos?1?cos?22

?1?cos?sin?2?2??csin?1?cos??2???sin?1?cos?·正弦定理：

?sinC?2R ·余弦定理：c?a?b?2abcosC

·反三角函数性质：arcsinx??2?arccosx　　　arctgx??2?arcctgx

高阶导数公式——莱布尼兹（Leibniz）公式：

n(uv)?u(n)??Ck?0knu(n?k)v(k)(n)v?nu(n?1)v??n(n?1)2!u(n?2)v?????n(n?1)?(n?k?1)k!

u(n?k)v(k)???uv(n)中值定理与导数应用：

拉格朗日中值定理：柯西中值定理：f(b)?f(a)?f?(?)(b?a)?f?(?)F?(?)拉格朗日中值定理。f(b)?f(a)F(b)?F(a)

当F(x)?x时，柯西中值定理就是曲率：弧微分公式：平均曲率：K?ds????s21?y?dx,其中y??tg?.??:从M点到M?点，切线斜率的倾角变???sd?dsy??(1?y?)23化量；?s：MM?弧长。M点的曲率：直线：K?0;K?lim?s?0??.

半径为a的圆：K?1a.3

定积分的近似计算：

b矩形法：?f(x)?abb?an(y0?y1???yn?1)梯形法：?f(x)?abb?a1[(y0?yn)?y1???yn?1]n2b?a3n[(y0?yn)?2(y2?y4???yn?2)?4(y1?y3???yn?1)]

抛物线法：?f(x)?a定积分应用相关公式：

功：W?F?s水压力：F?p?A引力：F?km1m2r2,k为引力系数1b?ab

函数的平均值：y?1b?af(x)dx均方根：?b?aaf(t)dt2空间解析几何和向量代数：空间2点的距离：向量在轴上的投影：d?M1M2?(x2?x1)?(y2?y1)?(z2?z1)222PrjuAB?AB?cos?,?是AB与u轴的夹角。????Prju(a1?a2)?Prja1?Prja2????a?b?a?bcos??axbx?ayby?azbz,是一个数量两向量之间的夹角：cos??k,axbx?ayby?azbzax?ay?az?bx?by?bz222222i???c?a?b?axbxjayby???az,c?a?bsin?.例：线速度：bzaybycyazbzcz???v?w?r.ax??????向量的混合积：[abc]?(a?b)?c?bxcx代表平行六面体的体积。????a?b?ccos?,?为锐角时，

平面的方程：1、点法式：?A(x?x0)?B(y?y0)?C(z?z0)?0，其中n?{A,B,C},M0(x0,y0,z0)Ax?By?Cz?D?0xa?yb?zc?1d?Ax0?By0?Cz0?DA?B?C空间直线的方程：2222、一般方程：3、截距世方程：平面外任意一点到该平面的距离：?x?x0?mtx?x0y?y0z?z0?????t,其中s?{m,n,p};参数方程：?y?y0?ntmnp?z?z?pt0?2222二次曲面：1、椭球面：2、抛物面：3、双曲面：单叶双曲面：双叶双曲面：xaxa2222xa222??yb?2zc?1xy2p2q?z（,p,q同号）??ybyb2222??zczc2222?1?（马鞍面）1

多元函数微分法及应用全微分：dz??z?xdx??z?ydy　　　du??u?xdx??u?ydy??u?zdz全微分的近似计算：多元复合函数的求导法?z?dz?fx(x,y)?x?fy(x,y)?y：dz?z?u?z?vz?f[u(t),v(t)]　　　????　dt?u?t?v?t?z?z?u?z?vz?f[u(x,y),v(x,y)]　　　?　????x?u?x?v?x当u?u(x,y)，v?v(x,y)时，du??u?xdx??u?ydy　　　dv??v?xdx??v?ydy　隐函数的求导公式：FFFdydy??dy隐函数F(x,y)?0，　　??x，　　2?(?x)＋(?x)?dxFy?xFy?yFydxdxFyF?z?z隐函数F(x,y,z)?0，　??x，　　???xFz?yFz5

?F?F(x,y,u,v)?0?(F,G)隐函数方程组：?　　　J???u?G?(u,v)?G(x,y,u,v)?0?u?u?x?u?y????1?(F,G)?v1?(F,G)?　　　　???J?(x,v)?xJ?(u,x)1?(F,G)?v1?(F,G)?　　　　???J?(y,v)?yJ?(u,y)?F?v?Fu?GGu?vFvGv

微分法在几何上的应用：

?x??(t)x?x0y?y0z?z0?空间曲线?y??(t)在点M(x0,y0,z0)处的切线方程：????(t0)??(t0)??(t0)?z??(t)?在点M处的法平面方程：若空间曲线方程为：??(t0)(x?x0)???(t0)(y?y0)???(t0)(z?z0)?0FzGzGz,FzFxGx,FxGxFyGy??Fy?F(x,y,z)?0,则切向量T?{?Gy??G(x,y,z)?0}曲面F(x,y,z)?0上一点M(x0,y0,z0)，则：?1、过此点的法向量：n?{Fx(x0,y0,z0),Fy(x0,y0,z0),Fz(x0,y0,z0)}2、过此点的切平面方程3、过此点的法线方程：：Fx(x0,y0,z0)(x?x0)?Fy(x0,y0,z0)(y?y0)?Fz(x0,y0,z0)(z?z0)?0x?x0Fx(x0,y0,z0)?y?y0Fy(x0,y0,z0)?z?z0Fz(x0,y0,z0)方向导数与梯度：

函数z?f(x,y)在一点p(x,y)沿任一方向其中?为x轴到方向l的转角。函数z?f(x,y)在一点p(x,y)的梯度：gradf(x,y)?它与方向导数的关系是单位向量。是gradf(x,y)在l上的投影。?l多元函数的极值及其求法：

设fx(x0,y0)?fy(x0,y0)?0，令：fxx(x0,y0)?A,　fxy(x0,y0)?B,　fyy(x0,y0)?C??A?0,(x0,y0)为极大值2AC?B?0时，???A?0,(x0,y0)为极小值??2则：值?AC?B?0时，　　　　　　无极?AC?B2?0时,　　　　　　　不确定???6

l的方向导数为：?f?l??f?xcos???f?ysin??f??f?i?j?x?y???f??：?gradf(x,y)?e，其中e?cos??i?sin??j，为l方向上的?l

??f

重积分及其应用：

??Df(x,y)dxdy???D?f(rcos?,rsin?)rdrd???z??z??1???????x???y2曲面z?f(x,y)的面积A???Dx???dxdy?MMy2平面薄片的重心：x?MM??x?(x,y)d??D???DDy?(x,y)d????(x,y)d?D,　　y????(x,y)d???xD2

平面薄片的转动惯量：平面薄片（位于Fx?f对于x轴Ix???Dy?(x,y)d?,　　对于y轴Iy?2?(x,y)d?xoy平面）对z轴上质点M(0,0,a),(a?0)的引力：F?{Fx,Fy,Fz}，其中：，　　Fy?f3??D?(x,y)xd?222??D?(x,y)yd?222，　　Fz??fa??3D?(x,y)xd?3(x?y?a)2(x?y?a)2(x?y?a)2222柱面坐标和球面坐标：

?x?rcos??柱面坐标：?y?rsin?,　　　???f(x,y,z)dxdydz???z?z?其中：F(r,?,z)?f(rcos?,rsin?,z)?x?rsin?cos??2球面坐标：?y?rsin?sin?，　　dv?rd??rsin??d??dr?rsin?drd?d??z?rcos??2?????F(r,?,z)rdrd?dz,

sin?drM?x?22?r(?,?)2????f(x,y,z)dxdydz?1M????F(r,?,?)rsin?drd?d??1M2?d??d??F(r,?,?)r000重心：x?转动惯量：????x?dv,　　y?????y?dv,　　z?1M2????z?dv，　　其中?????dvIx????(y?2?z)?dv，　　Iy?2???(x?2?z)?dv，　　Iz????(x??y)?dv曲线积分：

第一类曲线积分（对弧长的曲线积分）：?x??(t)设f(x,y)在L上连续，L的参数方程为：?,　　(??t??),则：?y??(t)??Lf(x,y)ds????x?t22f[?(t),?(t)]??(t)???(t)dt　　(???)　　特殊情况：??y??(t)7

第二类曲线积分（对坐设L的参数方程为标的曲线积分）：?x??(t)，则：??y??(t)??P(x,y)dx?Q(x,y)dy??{P[?(t),?(t)]??(t)?Q[?(t),?(t)]??(t)}dtL?两类曲线积分之间的关L上积分起止点处切向量格林公式：??(D系：?Pdx?Qdy?L?(Pcos?L?Qcos?)ds，其中?和?分别为的方向角。)dxdy??Q?x??P?y?Pdx?Qdy格林公式：??(LD?Q?x??P?y)dxdy?12?PdxL?Qdy?Q?P当P??y,Q?x，即：??2时，得到D的面积：A??x?y·平面上曲线积分与路径1、G是一个单连通区域；2、P(x,y)，Q(x,y)在G内具有一阶连续偏导数减去对此奇点的积分，·二元函数的全微分求积在?Q?x＝?P?y注意方向相反！：，且?Q?x无关的条件：??Ddxdy??xdyL?ydx＝?P?y。注意奇点，如(0,0)，应

时，Pdx?Qdy才是二元函数u(x,y)的全微分，其中：(x,y)u(x,y)??P(x,y)dx?Q(x,y)dy，通常设(x0,y0)x0?y0?0。曲面积分：对面积的曲面积分：对坐标的曲面积分：????f(x,y,z)ds???Dxyf[x,y,z(x,y)]1?zx(x,y)?zy(x,y)dxdy22??P(x,y,z)dydzDxy?Q(x,y,z)dzdx?R(x,y,z)dxdy，其中：号；??R(x,y,z)dxdy?????R[x,y,z(x,y)]dxdy，取曲面的上侧时取正????P[x(y,z),y,z]dydz，取曲面的前侧时取正Dyz

号；号。?Qcos??Rcos?)ds??P(x,y,z)dydz???Q(x,y,z)dzdx?????Q[x,y(z,x),z]dzdx，取曲面的右侧时取正Dzx两类曲面积分之间的关系：??Pdydz?Qdzdx?Rdxdy????(Pcos??高斯公式：

????(?P?x??Q?y??R?z)dv???Pdydz??Qdzdx?Rdxdy???(Pcos???Qcos??Rcos?)ds高斯公式的物理意义——通量与散度：?div??0,则为消失...??P?Q?R散度：div????,即：单位体积内所产生的流体质量，若?x?y?z??通量：??A?nds???Ands???(Pcos??Qcos??Rcos?)ds，???因此，高斯公式又可写成：?????divAdv???A?nds斯托克斯公式——曲线积分与曲面积分的关系：

???(?R?y??Q?z)dydz?(?P?z??R?x)dzdx?(dzdx??yQ?Q?x??P?y)dxdy?cos???xP?Pdx??Qdy?Rdzcos???zR上式左端又可写成：???dydz??xPdxdy??zR?R?y?????cos???yQ空间曲线积分与路径无i??xPj??yQ关的条件：k??zR?Q?P?R?Q?P，　?，　??z?z?x?x?y

?旋度：rotA??向量场A沿有向闭曲线?的环流量：?Pdx?Qdy?Rdz??????A?tds常数项级数：

等比数列：1?q?q???q等差数列：1?2?3???n?调和级数：1?12?13???1n2n?1?1?qn1?q(n?1)n2

是发散的级数审敛法：

1、正项级数的审敛法——根植审敛法（柯西判别法）：???1时，级数收敛?un，则???1时，级数发散???1时，不确定?设：??limnn??2、比值审敛法：???1时，级数收敛Un?1?设：??lim，则???1时，级数发散n??Un???1时，不确定?3、定义法：sn?u1?u2???un;limsn存在，则收敛；否则发n??

散。交错级数u1?u2?u3?u4??(或?u1?u2?u3??,un?0)的审敛法如果交错级数满足??un?un?1?limu?0，那么级数收敛且其和??n??n——莱布尼兹定理：

s?u1,其余项rn的绝对值rn?un?1。绝对收敛与条件收敛：

(1)u1?u2???un??，其中un为任意实数；(2)u1?u2?u3???un??如果(2)收敛，则(1)肯定收敛，且称为绝对如果(2)发散，而(1)收敛，则称调和级数：?　　级数：?1nn发散，而收敛；ｐ?１时发散　　p?1时收敛收敛级数；(1)为条件收敛级数。n

?(?1)n收敛；12　　p级数：?1np幂级数：

1?x?x?x???x??　　23nx?1时，收敛于x?1时，发散11?x对于级数(3)a0?a1x　?a2x???anx??，如果它不是仅在原点x?R时收敛数轴上都收敛，则必存在R，使2n收敛，也不是在全x?R时发散，其中R称为收敛半径。x?R时不定 1??0时，R?求收敛半径的方法：设liman?1an??，其中an，an?1是(3)的系数，则?n????0时，R???????时，R?0函数展开成幂级数：

函数展开成泰勒级数：余项：Rn?f(n?1)f(x)?f(x0)(x?x0)?(x?x0)n?1f??(x0)2!(x?x0)???2f(n)(x0)n!(x?x0)??n(?)(n?1)!,f(x)可以展开成泰勒级数的f??(0)2!2充要条件是：limRn?0n??

x0?0时即为麦克劳林公式：f(x)?f(0)?f?(0)x?x???f(n)(0)n!x??n一些函数展开成幂级数： (1?x)m?1?mx?x3m(m?1)2!x???n?12m(m?1)?(m?n?1)n!x??　　　(?1?x?1)nsinx?x?3!?x55!???(?1)x2n?1

(2n?1)!??　　　(???x???)欧拉公式：

ix?ix?e?e?cosx??2?cosx?isinx　　　或? ix?ix?sinx?e?e?2?eix三角级数：

?f(t)?A0??An?1nsin(n?t??n)?a02???(an?1ncosnx?bnsinnx)其中，a0?aA0，an?Ansin?n，bn?Ancos?n，?t?x。正交性：1,sinx,cosx,sin2x,cos2x?sinnx,cosnx?任意两个不同项的乘积上的积分＝0。在[??,?]

傅立叶级数：

f(x)?a02???(an?1ncosnx?bnsinnx)，周期?2??1a??n??其中?1?bn????1?　122????f(x)cosnxdx　　　(n?0,1,2?)????f(x)sinnxdx　　　(n?1,2,3?)13?2?142152???162?281?1222??1332??1442????????26（相加）?????2241?2?1212122（相减）12正弦级数：an?0，bn??2?0f(x)sinnxdx　　n?1,2,3?　f(x)??ba02nsinnx是奇函数?余弦级数：bn?0，an???0f(x)cosnxdx　　n?0,1,2?　f(x)???ancosnx是偶函数

周期为2l的周期函数的傅立叶级数：

f(x)?a02???n?1(ancosn?xl?bnsinn?xl)，周期?2ll?1n?xa?f(x)cosdx　　　(n?0,1,2?)?n?ll??l其中?l1n?x?bn??f(x)sindx　　　(n?1,2,3?)?l?ll?

微分方程的相关概念：

一阶微分方程：y??f(x,y)　或　P(x,y)dx?Q(x,y)dy?0：一阶微分方程可以化为g(y)dy?f(x)dx的形式，解法：可分离变量的微分方程?g(y)dy??yxf(x)dx　　得：G(y)?F(x)?C称为隐式通解。程可以写成dudx，u?dudxdydx?f(x,y)??(x,y)，即写成dxx?duyx的函数，解法：yx齐次方程：一阶微分方设u?，则dydx?u?x

??(u)，??(u)?u分离变量，积分后将代替u，即得齐次方程通解。一阶线性微分方程： 1、一阶线性微分方程：dydx?P(x)y?Q(x)?P(x)dxy?Ce?当Q(x)?0时,为齐次方程，当Q(x)?0时，为非齐次方程，2、贝努力方程：dydxy?(?Q(x)e?nP(x)dxdx?C)e??P(x)dx

?P(x)y?Q(x)y，(n?0,1)全微分方程：

如果P(x,y)dx?Q(x,y)dy?0中左端是某函数的全微du(x,y)?P(x,y)dx?Q(x,y)dy?0，其中：?u(x,y)?C应该是该全微分方程的通解。?u分方程，即：?u?P(x,y)，?Q(x,y) ?x?y二阶微分方程： dydx22?P(x)dydx?Q(x)y?f(x)，f(x)?0时为齐次f(x)?0时为非齐次

二阶常系数齐次线性微分方程及其解法： (*)y???py??qy?0，其中p,q为常数；求解步骤：1、写出特征方程：(?)r?pr?q?0，其中r，r的系数及常数项恰好是2、求出(?)式的两个根r1,r213

22(*)式中y??,y?,y的系数；

3、根据r1,r2的不同情况，按下表写r1，r2的形式出(*)式的通解：

(*)式的通解两个不相等实根(p2?4q?0) 两个相等实根(p2?4q?0) 一对共轭复根(p2?4q?0) r1???i?，r2???i?y?c1er1x?c2er2x y?(c1?c2x)ey?e?xr1x(c1cos?x?c2sin?x) ???p2，??4q?p22 二阶常系数非齐次线性微分方程 y???py??qy?f(x)，p,q为常数f(x)?ePm(x)型，?为常数；f(x)?e[Pl(x)cos?x?Pn(x)sin?x]型?x?x

概率公式整理

1．随机事件及其概率

A????A???A吸收律：A???AA?(AB)?A A????A?(A?B)?A

A?B?AB?A?(AB)

反演律：A?B?AB AB?A?B

nninini

?Ai?1??Ai?1

?Ai?1??Ai?1i

2．概率的定义及其计算

P(A)?1?P(A)

若A?B ?P(B?A)?P(B)?P(A)

对任意两个事件A, B, 有 P(B?A)?P(B)?P(AB)

加法公式：对任意两个事件A, B, 有

P(A?B)?P(A)?P(B)?P(AB) P(A?B)?P(A)?P(B)

nnniP(?Ai)?i?1?P(Ai?1)??P(A1?i?j?niAj)??P(A1?i?j?k?niAjAk)???(?1)n?1P(A1A2?An)

3．条件概率

P?BA??

P(AB)P(A)

乘法公式

P(AB)?P(A)P?BA?(P(A)?0)P(A1A2?An)?P(A1)P?A2

A1??P?AnA1A2?An?1?(P(A1A2?An?1)?0)

全概率公式

nniP(A)??P(ABi?1) ??P(B)?P(Aii?1Bi)

Bayes公式 P(BkA)?P(ABk)P(A) ?P(Bk)P(ABk)n

?P(B)P(Aii?1Bi)

4．随机变量及其分布

分布函数计算

P(a?X?b)?P(X?b)?P(X?a)?F(b)?F(a)

5．离散型随机变量

(1) 0 – 1 分布

P(X?k)?pk(1?p)1?k,k?0,1

(2) 二项分布 B(n,p) 若P ( A ) = p

P(X?k)?Ckkn?knp(1?p),k?0,1,?,n

* Possion定理

limnpn???0

n??k有

limCkpk(1?pn?kn??nnn)?e???k!

k?0,1,2,?

(3) Poisson 分布 P(?)

kP(X?k)?e???k!,k?0,1,2,?

6．连续型随机变量

(1) 均匀分布 U(a,b) ?1f(x)???a,a?x?b?b

??0,其他?0,?F(x)???x?ab?a,

???1

(2) 指数分布 E(?)

?f(x)???e??x,x?0?

??0,其他16

?0,F(x)????x?1?e,x?0x?0

(3) 正态分布 N (? , ? 2 ) f(x)?12???(x??)2?22e???x???

2F(x)?12???x?(t??)2?2??edt

*N (0,1) — 标准正态分布

?(x)?12?12?e?x22???x???

2 ?(x)??x??e?t2dt???x???

7.多维随机变量及其分布

二维随机变量( X ,Y )的分布函数 F(x,y)?????xy??f(u,v)dvdu

边缘分布函数与边缘密度函数 FX(x)?????x????f(u,v)dvdu

fX(x)?FY(y)?fY(y)??????yf(x,v)dv

????????f(u,v)dudv

?????f(u,y)du

连续型二维随机变量

(1) 区域G 上的均匀分布，U ( G )

?1?,f(x,y)??A??0,(x,y)?G其他

(2)

二维正态分布

?2?(x??)2(x??1)(y??2)(y??2)1?2???1??f(x,y)?12(1??2)???212??1?21??2?e???x???,???y???

9.二维随机变量的条件分布

f(x,y)?fX(x)fYX(yx)fX(x)?0 ?fY(y)fXY(xy)fY(y)?0

fX(x)??????f(x,y)dy??????fXY(xy)fY(y)dyfY(y)????f(x,y)dx????????fYX(yx)fX(x)dx

fXY(xy) ?f(x,y)f ?fYX(yx)fX(x)Y(y)fY(y)

ff(x,y)Y(y)YX(yx) ?fX(x) ?fXY(xy)ffX(x)

10.

随机变量的数字特征

数学期望

??E(X)??xkpk

k?1E(X)??????xf(x)dx

随机变量函数的数学期望

X 的 k 阶原点矩

E(Xk)

X 的 k 阶绝对原点矩

E(|X|k)

??21?22??

X 的 k 阶中心矩

E((X?E(X))k)

X 的方差

E((X?E(X))2)?D(X)

X ,Y 的 k + l 阶混合原点矩

E(XkYl)

X ,Y 的 k + l 阶混合中心矩

E?(X?E(X))k(Y?E(Y))l?

X ,Y 的二阶混合原点矩

E(XY)

X ,Y 的二阶混合中心矩 X ,Y 的协方差 E?(X?E(X))(Y?E(Y))?

X ,Y 的相关系数

E??(X?E(X))(Y?E(Y))???D(X)D(Y)???XY ??

X 的方差

D (X ) = E ((X - E(X))2)

D(X)?E(X2)?E2(X)

协方差

cov(X,Y)?E?(X?E(X))(Y?E(Y))?

?E(XY)?E(X)E(Y)

??12?D(X?Y)?D(X)?D(Y)?相关系数

?cov(X,Y)XY?D(X)D(Y)

线性代数部分

梳理：条理化，给出一个系统的，有内在有机结构的理论体系。沟通：突出各部分内容间的联系。

充实提高：围绕考试要求，介绍一些一般教材上没有的结果，教给大家常见问题的实用而简捷的方法。

大家要有这样的思想准备：发现我的讲解在体系上和你以前学习的有所不同，有的方法是你不知道的。但是我相信，只要你对它们了解了，掌握了，会提高你的解题能力的。

基本运算

①A?B?B?A

②?A?B??C?A??B?C?

③c?A?B??cA?cB ?c?d?A?cA?dA ④c?dA???cd?A

⑤cA?0?c?0或A?0。 ?AT?T?A

T ?A?B??AT?BT

?cA?TT?cA??。

T ?AB??BTAT

??n?n?1??21??Cn?2n?n?1?2

D?a21A21?a22A22???a2nA2n

转置值不变AT?A

?1逆值变A?1A

cA?cA

n?,?1??2,???,?1,???,?2,?

A???1,?2,?3?，3阶矩阵 B???1,?2,?3?

A?B?A?B

A?B???1??1,?2??2,?3??3?

A?B??1??1,?2??2,?3??3

A0?BA?0B?AB

?E?i,j?c???1

有关乘法的基本运算

Cij?ai1b1j?ai2b2j???ainbnj 线性性质 ?A1?A2?B?A1B?A2B， A?B1?B2??AB1?AB2 ?cA?B?c?AB??A?cB? 结合律 ?AB?C?A?BC? ?AB??BTAT

TAB?AB

AkAl?Ak?l ?Ak??Akl

lkk ?AB??AB不一定成立！

kAE?A，EA?A

A?kE??kA，?kE?A?kA

AB?E?BA?E

与数的乘法的不同之处

kk ?AB??AB不一定成立！

k无交换律因式分解障碍是交换性

一个矩阵A的每个多项式可以因式分解，例如 A?2A?3E??A?3E??A?E?

2 无消去律（矩阵和矩阵相乘）当AB?0时??A?0或B?0 由A?0和AB?0??B?0

由A?0时AB?AC??B?C（无左消去律）特别的设A可逆，则A有消去律。

左消去律：AB?AC?B?C。

右消去律：BA?CA?B?C。

如果A列满秩，则A有左消去律，即

①AB?0?B?0 ②AB?AC?B?C

可逆矩阵的性质 i）当A可逆时，

AT也可逆，且?AT??1??A?1?T。

Ak也可逆，且?Ak??1??A?1?k。

数c?0，cA也可逆，?cA??1?11cA?。

ii）A，B是两个n阶可逆矩阵?AB也可逆，且?AB??1?B?1A?1。

推论：设A，B是两个n阶矩阵，则AB?E?BA?E 命题：初等矩阵都可逆，且 ?E?i,j???1?E?i,j?

?E?i?c????1?E???1???i?????? ?c? ?E?i,j?c????1?E?i,j??c??

命题：准对角矩阵

A11000A?111A?0A220000?0可逆?每个Aii都可逆，记A?1?00000Akk0

伴随矩阵的基本性质：

00A?12200?00000A?1kk

AA*?A*A?AE

A*A?1 当A可逆时， A?E 得A?A*A，（求逆矩阵的伴随矩阵法）

且得：?A*? 伴随矩阵的其他性质

①A*?An?1?1?AA?A??1???1? ?A*?A?1A?1???????1A?? ?A??, A*?AAT?1

②?AT?*??A*?, ③?cA?*?cn?1A*, ④?AB?*?B*A*,

⑤?Ak?*??A*?，

k ⑥?A*?*?An?2?aA。 n?2时， ?A*?*?A A*????c??b?? d?? 关于矩阵右上肩记号：T，k，?1，*

i) 任何两个的次序可交换，如?AT?*??A*?，

T ?A*??1?A??1?*等

?1 ii) ?AB??BTAT, ?AB?T?B?1A?1，

?AB?*?B*A*

kk 但?AB??BA不一定成立！ k

线性表示

0??1,?2,?,?s

?i??1,?2,?,?s

???1,?2,?,?s?x1?1?x2?2???xs?s??有解 ???1,?2,?,?s?x??有解x??x1,?,xs?23

?T?

Ax??有解，即?可用A的列向量组表示 AB?C??r1,r2,?,rs?，A???1,?2,?,?n?，则r1,r2,?,rs??1,?2,?,?n。 ?1,?2,?,?t??1,?2,?,?s，

则存在矩阵C，使得??1,?2,?,?t????1,?2,?,?s?C

线性表示关系有传递性当?1,?2,?,?t??1,?2,?,?s?r1,r2,?,rp，则?1,?2,?,?t?r1,r2,?,rp。等价关系：如果?1,?2,?,?s与

?1,?2,?,?t互相可表示

?1,?2,?,?s???1,?2,?,?t

记作?1,?2,?,?s??1,?2,?,?t。

线性相关

s?1，单个向量?，x??0 ?相关???0

s?2，?1,?2相关?对应分量成比例 ?1,?2相关?a1:b1?a2:b2???an:bn

①向量个数s=维数n，则?1,?,?n线性相（无）关??1??n????0 A???1,?2,?,?n?，Ax?0有非零解?A?0

如果s?n，则?1,?2,?,?s一定相关

Ax?0的方程个数n?未知数个数s ②如果?1,?2,?,?s无关，则它的每一个部分组都无关

③如果?1,?2,?,?s无关，而?1,?2,?,?s,?相关，则???1,?2,?,?s

证明：设c1,?,cs,c不全为0，使得c1?1???cs?s?c??0

则其中c?0，否则c1,?,cs不全为0，c1?1???cs?s?0，与条件?1,?,?s无关矛

c1ccsc盾。于是????1????s。

④当???1,?,?s时，表示方式唯一??1??s无关

（表示方式不唯一??1??s相关）

⑤若?1,?,?t??1,?,?s，并且t?s，则?1,?,?t一定线性相关。

证明：记A???1,?,?s?，B???1,?,?t?，

则存在s?t矩阵C，使得 B?AC。

Cx?0有s个方程，t个未知数，s?t，有非零解?，C??0。

则B??AC??0，即?也是Bx?0的非零解，从而?1,?,?t线性相关。

各性质的逆否形式

①如果?1,?2,?,?s无关，则s?n。

②如果?1,?2,?,?s有相关的部分组，则它自己一定也相关。

③如果?1??s无关，而????1,?,?s，则?1,?,?s?无关。

⑤如果?1??t??1??s，?1??t无关，则t?s。

推论：若两个无关向量组?1??s与?1??t等价，则s?t。

极大无关组

一个线性无关部分组?I?，若#?I?等于秩?1,?2,?4,?6??I?，?I?就一定是极大无关组 ①?1,?2,?,?s无关?? ??1,?2,?,?s??s

②???1,?2,?,?s? ? ??1,?2,?,?s,???? ??1,?,?s? 另一种说法：取?1,?2,?,?s的一个极大无关组?I?

?I?也是?1,?2,?,?s,?的极大无关组??I?,?相关。证明：???1,?,?s????I???I?,?相关。 ?? ??1,?,?s?,???1??s ? ??1,?,?s,???? /?1,?,?s?? ??1,?,?s??1,?? ③?可用?1,?,?s唯一表示?? ??1,?,?s,?? ?? ??1,?,?s??s ④?1,?,?t??1,?,?s?? ??1,?,?s,?1,?,?t??? ??1,?,?s?

?? ??1,?,?t??? ??1,?,?s?

⑤?1,?,?s??1,?,?t?? ??1,?,?s??? ??1??s,?1??t??? ??1,?,?t?

矩阵的秩的简单性质 0?r?A??min?m,n? r?A??0?A?0 A行满秩：r?A??m A列满秩：r?A??n n阶矩阵A满秩：r?A??n

A满秩?A的行（列）向量组线性无关 ?A?0 ?A可逆

?Ax?0只有零解，Ax??唯一解。

矩阵在运算中秩的变化

初等变换保持矩阵的秩

①r?AT??r?A?

②c?0时，r?cA??r?A? ③r?A?B??r?A??r?B? ④r?AB??min?r?A?,r?B??

⑤A可逆时，r?AB??r?B?

弱化条件：如果A列满秩，则??AB????B? 证：下面证ABx?0与Bx?0同解。 ?是ABx?0的解?AB??0

?B??0??是Bx?0的解

B可逆时，r?AB??r?A?

⑥若AB?0，则r?A??r?B??n（A的列数，B的行数） ⑦A列满秩时r?AB??r?B? B行满秩时r?AB??r?A?

⑧r?AB??n?r?A??r?B?

解的性质

1．Ax?0的解的性质。

如果?1,?2,?,?e是一组解，则它们的任意线性组合c1?1?c2?2???ce?e一定也是解。

?i,A?i?0?A?c1?1?c2?2???ce?e??0 2．Ax?????0?

①如果?1,?2,?,?e是Ax??的一组解，则

c1?1?c2?2???ce?e也是Ax??的解?c1?c2???ce?1 c1?1?c2?2???ce?e是Ax?0的解?c1?c2???ce?0 A?i????i

A?c1?1?c2?2???ce?e??c1A?1?c2A?2???ceA?e ??c1?c2???ce??

特别的：当?1,?2是Ax??的两个解时，?1??2是Ax?0的解

②如果?0是Ax??的解，则n维向量?也是Ax??的解????0是Ax?0的解。解的情况判别

方程：Ax??，即x1?1?x2?2???xn?n?? 有解????1,?2,?,?n

???A|?????A?????1,?2,?,?n,??????1,?2,?,?n?

无解???A|?????A? 唯一解???A|?????A??n

无穷多解???A|?????A??n 方程个数m：

??A|???m,??A??m

①当??A??m时，??A|???m，有解

②当m?n时，??A??n，不会是唯一解对于齐次线性方程组Ax?0，

只有零解???A??n（即A列满秩）（有非零解???A??n）

特征值特征向量

?是A的特征值??是A的特征多项式xE?A的根。

两种特殊情形：

（1）A是上（下）三角矩阵，对角矩阵时，特征值即对角线上的元素。 ?? 1? A??0?0?**???? ? 3??? 2028

x?? 1?*x?? 20?*??x?? 3??x?? 1??x?? 2??x?? 3?

xE?A?00 （2）r?A??1时：A的特征值为0,0,?,0,tr?A? 特征值的性质

命题：n阶矩阵A的特征值?的重数?n?r?? E?A? 命题：设A的特征值为? 1,? 2,?,? n，则 ①? 1? 2?? n?A ②? 1?? 2???? n?tr?A? 命题：设?是A的特征向量，特征值为?，即A????，则 ①对于A的每个多项式f?A?，f?A???f?x??

②当A可逆时，A???11??，A*??|A|??

命题：设A的特征值为? 1,? 2,?,? n，则

①f?A?的特征值为f?? 1?,f?? 2?,?,f?? n?

②A可逆时，A?1的特征值为

1,1,?,1? 1? 2? n

A*的特征值为

|A||A||A| ,,?,? 1? 2? n ③AT的特征值也是? 1,? 2,?,? n 特征值的应用

①求行列式|A|?? 1,? 2,?,? n ②判别可逆性

?是A的特征值?? E?A?0?A?? E不可逆 A?? E可逆??不是A的特征值。

当f?A??0时，如果f?c??0，则A?cE可逆

若?是A的特征值，则f???是f?A?的特征值?f????0。

f?c??0?c不是A的特征值?AcE可逆。 n阶矩阵的相似关系

当AU?UA时，B?A，而AU?UA时，B?A。相似关系有i）对称性：A~B?B~A U?1AU?B，则A?UBU?1

ii）有传递性：A~B，B~C，则A~C

U?1AU?B，V?1BV?C，则

?V?1 ?UV??1A?UV??V?1U?1AUVBV?C

命题当A~B时，A和B有许多相同的性质 ①A?B

②??A????B?

③A，B的特征多项式相同，从而特征值完全一致。

A与B的特征向量的关系：?是A的属于?的特征向量?U?1?是B的属于?的特征向量。

A?????BU??1?????U???1 ? ?U?1

AUU?1A???U??U?1?1????U???1

正定二次型与正定矩阵性质与判别

可逆线性变换替换保持正定性

f?x1,x2,?,xn?变为g?y1,y2,?,yn?，则它们同时正定或同时不正定

A~?B，则A，B同时正定，同时不正定。

T 例如B?CAC。如果A正定，则对每个x?0

TTT xBx?xCACx??Cx?TACx?0

（C可逆，x?0，?Cx?0！）我们给出关于正定的以下性质 A正定?A~?E

T ?存在实可逆矩阵C，A?CC。

?A的正惯性指数?n。 ?A的特征值全大于0。

?A的每个顺序主子式全大于0。

判断A正定的三种方法： ①顺序主子式法。 ②特征值法。 ③定义法。

基本概念

对称矩阵AT?A。反对称矩阵AT??A。

简单阶梯形矩阵：台角位置的元素都为1 ，台角正上方的元素都为0。如果A是一个n阶矩阵，A是阶梯形矩阵?A是上三角矩阵，反之不一定矩阵消元法：（解的情况）

①写出增广矩阵?A??，用初等行变换化?A??为阶梯形矩阵?B??。 ②用?B??判别解的情况。

i）如果?B??最下面的非零行为?0,?,0d?，则无解，否则有解。 ii）如果有解，记?是?B??的非零行数，则 ? ?n时唯一解。 ??n时无穷多解。

iii）唯一解求解的方法（初等变换法）

去掉?B??的零行，得?B0 ?0?，它是n??n?c?矩阵，B0是n阶梯形矩阵，从而是上三角矩阵。

则bn n?0?bn?1 n?1?0??bii都不为0。 ???Br?????E?? ?就是解。 ?A???行行31

a11a12a22?an2????a1na2n?anna21?an1一个n阶行列式的值：

①是n!项的代数和

②每一项是n个元素的乘积，它们共有n!项 a1ja2j?anj其中j1j2?jn是1,2,?,n的一个全

12n排列。

③a1j?anj 前面乘的应为??1?1n??j1j2?jn? ??j1j2?jn?的逆序数

????1?j1j2?jn??j1j2?jn?a1j1a2j2?anjn

??n?n?1??21??Cn?2n?n?1?2

代数余子式

Mij为aij的余子式。 Aij???1?i?jMij

定理：一个行列式的值D等于它的某一行（列），各元素与各自代数余子式乘积之和。 D?a21A21?a22A22???a2nA2n

一行（列）的元素乘上另一行（列）的相应元素代数余子式之和为0。

范德蒙行列式

11a1??1an?

a1?(ai?jj?ai) Cn个

乘法相关

AB的?i,j?位元素是A的第i行和B的第j列对应元素乘积之和。 Cij?ai1b1j?ai2b2j???ainbnj

乘积矩阵的列向量与行向量

（1）设m?n矩阵A???1,?2,?,?n?，n维列向量???b1,b2,?,bn?，则

A??b1?1?b2?2???bn?n 矩阵乘法应用于方程组方程组的矩阵形式

Ax??，???b1,b2,?,bm? 方程组的向量形式

x1?1?x2?2???xn?n?? （2）设AB?C，

AB??A?1,A?2,?,A?s?

ri?A?i?b1i?1?b2i?2???bni?n

AB的第i个列向量是A的列向量组的线性组合，组合系数是B的第i个列向量的各分量。

AB的第i个行向量是B的行向量组的线性组合，组合系数是A的第i个行向量的各分量。

矩阵分解

当矩阵C的每个列向量都是A的列向量的线性组合时，可把C分解为A与一个矩阵B的乘积

特别的在有关对角矩阵的乘法中的若干问题

??1??0 ??1,?2,?,?n??0??0?000?00??0? ???1?1,?2?2,?,?n?n? ?0??n???T?

?200 对角矩阵从右侧乘一矩阵A，即用对角线上的元素依次乘A的各列向量

对角矩阵从左侧乘一矩阵A，即用对角线上的元素依次乘A的各行向量于是AE?A，EA?A A?kE??kA，?kE?A?kA

两个对角矩阵相乘只须把对角线上对应元素相乘

对角矩阵的k次方幂只须把每个对角线上元素作k次方幂

对一个n阶矩阵A，规定tr?A?为A的对角线上元素之和称为A的迹数。于是 ???T?k?????Tk?1??T?tr????T??k?1TT?? ???tr???T?

其他形式方阵的高次幂也有规律 ?1? 例如：A??0?1?0201??0? 1??初等矩阵及其在乘法中的作用

（1）E?i,j?：交换E的第i,j两行或交换E的第i,j两列（2）E?i(c)?：用数c??0?乘E的第i行或第i列

（3）E?i,j(c)?：把E的第j行的c倍加到第i行上，或把E的第i列的c倍加到第j列上。初等矩阵从左（右）侧乘一个矩阵A等同于对A作一次相当的初等行（列）变换

乘法的分块法则一般法则：在计算两个矩阵A和B的乘积时，可以先把A和B用纵横线分割成若干小矩阵来进行，要求A的纵向分割与B的横向分割一致。

两种常用的情况（1）A,B都分成4块

?A11 A???A?21A12??B11?，B???BA22???21B12?? B22??

其中Ai1的列数和B1j的行数相等，Ai2的列数和B2j的行数相关。 ?A11B11?A12B21 AB???AA?AB2221?2111A11B12?A12B22??

A21B12?A22B22?? （2）准对角矩阵

?A11??0 ???0???? ????A110?000A2200A22????????0??0?? ?Akk??0??B11??0??0??????Akk???00B22?0????0??A11B11??0??0???????Bkk???00A22B220???AkkBkk00???? ???

矩阵方程与可逆矩阵

两类基本的矩阵方程（都需求A是方阵，且A?0）

?I?Ax?B ?II?xA?B （I）的解法：

?AB?????Ex?

行（II）的解法，先化为ATxT?BT。

ATBT?ExT。通过逆求解：Ax?B，x?A?1B

可逆矩阵及其逆矩阵

定义：设A是n阶矩阵，如果存在n阶矩阵H，使得AH?E，且HA?E，则称A是可逆矩阵，称H是A的逆矩阵，证作A?1。定理：n阶矩阵A可逆?A?0 求A?1的方程（初等变换法）

行?1 ?AE?? ??EA??????

伴随矩阵

??? A*?????A11A12?A1nA21A22?A2n????An1??An2???Aij???Ann???T

线性表示

?可以用?1,?2,?,?s线性表示，即?可以表示为?1,?2,?,?s的线性组合，

也就是存在c1,c2,?,cs使得 c1?1?c2?2???cs?s?? 记号：???1,?2,?,?s

线性相关性

线性相关：存在向量?i可用其它向量?1,?,?i?1,?i?1,?,?s线性表示。线性无关：每个向量?i都不能用其它向量线性表示

定义：如果存在不全为0的c1,c2,?,cs，使得c1?1?c2?2???cs?s?0则称

?1,?2,?,?s线性相关，否则称?1,?2,?,?s线性无关。

即：?1,?2,?,?s线性相（无）关?x1?1???xs?s?0有（无）非零解

???1,?2,?,?s?x?0有（无）非零解

极大无关组和秩

定义：?1,?2,?,?s的一个部分组?I?称为它的一个极大无关组，如果满足：

i）?I?线性无关。

ii）?I?再扩大就相关。

?I?? ?II???1??s??I? ??1,?2,?,?s定义：规定?1,?2,?,?s的秩? ??1,?2,?,?s??#?I?。

如果?1,?2,?,?s每个元素都是零向量，则规定其秩为0。

0?? ??1,?,?s??min?n,s?

有相同线性关系的向量组

定义：两个向量若有相同个数的向量：?1,?2,?,?s,?1,?2,?,?s，并且向量方程 x1,?1?x2?2???xs?s?0与x1?1?x2?2???xs?s?0同解，则称它们有相同的线性关系。

①对应的部分组有一致的相关性。 ?1,?2,?4的对应部分组?1,?2,?4，

若?1,?2,?4相关，有不全为0的c1,c2,c4使得 c1?1?c2?2?c4?4?0，

即?c1,c2,0,c4,0,?,0?是x1?1?x2?2???xs?s?0的解，

从而也是x1?1?x2?2???xs?s?0的解，则有 c1?1?c2?2?c4?4?0， ?1,?2,?3也相关。 ②极大无关组相对应，从而秩相等。 ③有一致的内在线表示关系。

设：A???1,?2,?,?s?，B???1,?2,?,?s?，则 x1?1?x2?2???xs?s?0 即 Ax?0， x1?1?x2?2???xs?s?0 即 Bx?0。

?1,?2,?,?s与?1,?2,?,?s有相同的线性关系即Ax?0与Bx?0同解。反之，当Ax?0与Bx?0同解时，A和B的列向量组有相同的线性关系。

矩阵的秩

定理：矩阵A的行向量组的秩=列向量组的秩规定r?A??行（列）向量组的秩。

r?A?的计算：用初等变换化A为阶梯形矩阵B，则B的非零行数即r?A?。命题：r?A??A的非零子式阶数的最大值。

方程组的表达形式

?a11x1?a12x2???a1nxn?b1??a21x1?a22x2???a2nxn?b2 1．?

???ax?ax???ax?bm22mnnm?m11 2．Ax?? ?是解?A???

3．x1?1?x2?2???xn?n?? 有解????1,?2,?,?n

基础解系和通解

1．Ax?0有非零解时的基础解系

?1,?2,?,?e是Ax?0的基础解系的条件： ①每个?i都是Ax?0的解

②?1,?2,?,?e线性无关

③Ax?0的每个解???1,?2,?,?e

③l?n???A?

通解

①如果?1,?2,?,?e是Ax?0的一个基础解系，则Ax?0的通解为

c1?1?c2?2???ce?e，ci任意

②如果?0是Ax?????0?的一个解，?1,?2,?,?e是Ax?0的基础解系，则Ax??的通解为

?0?c1?1?c2?2???ce?e，ci任意

特征向量与特征值

定义：如果??0，并且A?与?线性相关，则称?是A的一个特征向量。此时，有数?，使得A????，称?为?的特征值。

设A是数量矩阵?E，则对每个n维列向量?，A????，于是，任何非零列向量都是?E的特征向量，特征值都是?。

①特征值有限特征向量无穷多

若A????，A?c???cA??c?????c??

A?1???1? ??A?c1?1?c2?2??c1A?1?c2A?2???c1?1?c2?2?

A?2???2? ②每个特征向量有唯一特征值，而有许多特征向量有相同的特征值。 ③计算时先求特征值，后求特征向量。

特征向量与特征值计算

A????,??0

???E?A???0,??0

??是??E?A?x?0的非零解命题：①?是A的特征值?? E?A?0

②?是属于?的特征向量??是?? E?A?x?0的非零解称多项式xE?A为A的特征多项式。

?是A的特征值??是A的特征多项式xE?A的根。 ?的重数：?作为xE?A的根的重数。

n阶矩阵A的特征值有n个：? 1,? 2,?,? n，可能其中有的不是实数，有的是多重的。计算步骤：

①求出特征多项式xE?A。 ②求xE?A的根，得特征值。

③对每个特征值? i，求?? iE?A?x?0的非零解，得属于? i的特征向量。

n阶矩阵的相似关系

设A，B是两个n阶矩阵。如果存在n阶可逆矩阵U，使得U记作A~B。

n阶矩阵的对角化

基本定理 A可对角化?A有n个线性无关的特征向量。设可逆矩阵U???1,?2,?,?n?，则 ??1??0?1 UAU??0??0?000?00??0? ?0??n??000?00??0????1?1,?2?2,?,?n?n? ?0??n???1AU?B，则称A与B相似，

?200??1??0???A?,?,?,??U 12n?0??0?39

?200

?A?i??i?i，i?1,2,?,n 判别法则

A可对角化?对于A的每个特征值?，?的重数?n????E?A?。

计算：对每个特征值?i，求出??iE?A?x?0的一个基础解系，把它们合在一起，得到n个线性无关的特征向量，?1,?,?n。令U???1,?2,?,?n?，则 ??1??0?1 UAU??0??0?000?00??0?，其中?i为?i的特征值。 0???n???200

二次型（实二次型）二次型及其矩阵

一个n元二次型的一般形式为 f?x1,x2,?,xn??n?ai?1iixi?2?aijxixj

i?j2 只有平方项的二次型称为标准二次型。

形如：x1?x2???xp?xp?1???xp?q的n元二次型称为规范二次型。对每个n阶实矩阵A，记x??x1,x2,?,xn?，则xTAx是一个二次型。

TT f?x1,x2,?,xn??xAx

22222 称A的秩??A?为这个二次型的秩。标准二次型的矩阵是对角矩阵。规范二次型的矩阵是规范对角矩阵。

可逆线性变量替换

设有一个n元二次型f?x1,x2,?,xn?，引进新的一组变量y1,y2,?,yn，并把x1,x2,?,xn用它们表示。

?x1?c11y1?c12y2???c1nyn?c11???x2?c21y1?c22y2???c2nyn?c21 ? （并要求矩阵C???????c?x?cy?cy???cy?n1n11n22nnn?n40

c12c22?cn2????c1n??c2n?是可逆矩阵） ???cnn??

代入f?x1,x2,?,xn?，得到y1,?,yn的一个二次型g?y1,?,yn?这样的操作称为对f?x1?xn?作了一次可逆线性变量替换。

设Y??y1,y2,?,yn?，则上面的变换式可写成

T x?CY 则f?x1?xn??xTAx?YTCTACY?g?y1,?,yn? 于是g?y1,?yn?的矩阵为CTAC ?CTAC??CTATCT?CTAC

实对称矩阵的合同

两个n阶实对称矩阵A和B，如果存在n阶实可逆矩阵C，值得CTAC?B。称A与B合同，记作A~?B。

T 命题：二次型f?x1?xn??xAx可用可逆线性变换替换化为

g?y1?yn??YTBY?A~?B

二次型的标准化和规范化

1．每个二次型都可以用可逆线性变量替换化为标准二次型和规范二次型。也就是每个实对称矩阵都会同于对角矩阵和规范对角矩阵。设A是一个实对称矩阵，则存在正交矩阵Q，使得D?Q QAQ?QT?1?1AQ是对角矩阵。

AQ?D A~D，A~?D

2．标准化和规范化的方法

①正交变换法 ② 配方法

3．惯性定理与惯性指数

定理：一个二次型用可逆线性变换替换化出的标准形的各个平方项的系数中，大于0的个数和小于0的个数是由原二次型所决定的，分别称为原二次型的正、负惯性指数。

一个二次型化出的规范二次型在形式上是唯一的，也即相应的规范对角矩阵是唯一的。用矩阵的语言来说：一个实对称矩阵A合同于唯一规范对角矩阵。

定理：二次型的正、负惯性指数在可逆线性变量替换下不变；两个二次型可互相转化的充要条件是它们的正、负惯性指数相等。

实对称矩阵的正（负）惯性指数就等于正（负）特征值的个数。

正定二次型与正定矩阵

定义：一个二次型f?x1,x2,?,xn?称为正定二次型，如果当x1,?,xn不全为0时，

f?x1,x2,?,xn??0。

22 例如，标准二次型f?x1,x2,?,xn??d1x12?d2x2???dnxn正定?di?0，

i?1,?,n

（必要性“?”，取x1?1，x2???xx?0，此时f?1,0,?,0??d1?0同样可证每个di?0）

实对称矩阵正定即二次型xTAx正定，也就是：当x?0时，xTAx?0。 ?? 1??0 例如实对角矩阵?0??0?000?00??0?正定?? i?0，i?1,?,n ?0?? n??? 200 定义：设A是一个n阶矩阵，记Ar是A的西北角的r阶小方阵，称Ar为A的第r个顺序主子式（或r阶顺序主子式）。

附录一内积，正交矩阵，实对称矩阵的对角化

一．向量的内积 1．定义

两个n维实向量?,?的内积是一个数，记作??,??，规定为它们对应分量乘积之和。 ?a1??a2 设??????a?n??b1??????b2?T,?????,??ab?ab???ab??? ，则 1122nn?????????b???n? 2．性质

①对称性：??,?????,??

②双线性性质：??1??2,?????1,?????2,?? ??,?1??2????,?1????,?2? ?c?,???c??,?????,c??

③正交性：??,???0，且??,???0???0 ??,??? 3．长度与正交向量?的长度??n?ai?12i

??,????ai2i?1n

??0???0 c??c?

单位向量：长度为1的向量

?2??1??0??2???? ?0?，?1?，?0?0??0??2???????2?????， ???? 若??0，则

??是单位向量，称为?的单位化。

???1???1

两个向量?,?如果内积为0：??,???0，称它们是正交的。

如果n维向量组?1,?2,?,?s两两正交，并且每个都是单位向量，则称为单位正交向量组。例1．如果向量组?1,?2,?,?s两两正交，并且每个向量都不为零向量，则它们线性无关。证：记A?? ?1,?2,?,?s?，则 ???1?0T AA???0?0?2002000?2000?0?s2???? ???T 则r?AA??s,?r?A??s即r??1,?,?s??s。

例2．若A是一个实的矩阵，则r?AA??r?A?。

T 二．正交矩阵

一个实n阶矩阵A如果满足AAT?E，就称为正交矩阵。AT?A?1 定理 A是正交矩阵?A的行向量组是单位正交向量组。 ?A的列向量组是单位正交向量组。例3．正交矩阵A保持内积，即

?A?,A?????,?? A???

证：?A?,A????TATA???T????,??

?1????1，求Ax??0?的解。

?0??? 例4．（04）A是3阶正交矩阵，并且a11 三．施密特正交化方法

这是把一个线性无关的向量组改造为与之等价的单位正交向量组的方法。

?2????1???c? 设?1,?2,?3线性无关 ①正交化：令?1??1 ?2??2???1,?2??

??1,?1?1 （设?2??2?k?1，??2,?1????2,?1??k??1,?1? 当k???2,?1?时，?2,?1正交。）

??1,?1???1,?3??1??1,?1??1?1? ?3??3???2,?3??2

??2,?2??2?2 ②单位化：令?1?，?2?，?3??3?3

则?1,?2,?3是与?1,?2,?3等价的单位正交向量组。四．实对称矩阵的对角化设A是一个实的对称矩阵，则 ①A的每个特征值都是实数。

②对每个特征值?，重数?n?r??E?A?。即A可以对角化。 ③属于不同特征值的特征向量互相正交。

于是：存在正交矩阵Q，使得Q?1AQ是对角矩阵。

对每个特征值?，找??E?A?x?0的一个单位正交基础的解，合在一起构造正交矩阵。设A是6阶的有3个特征值?1（二重），?2（三重），?1（一重）找?1的2个单位正交特征向量?1,?2。找?2的3个单位正交特征向量?3,?4,?5。找?3的一个单位特征向量?6。 Q???1,?2,?3,?4,?5,?6?

例5．（04）A是3阶实对称矩阵，r?A??2，6是它的一个二重特征值， ?1??2??1??????? ?1?，?1?和??2?都是属于6的特征向量。

?0??1??3??????? （1）求A的另一个特征值。（2）求A。

解：（1）另一个特征值为0。 ?x1? （2）设?x2?x?3???是属于0的特征向量，则 ???x1?x2?0? ?2x1?x2?x3?0

?x?2x?3x?023?1 此方程组n?3，r?A??2，n?r?A??1，基础解系包含一个解，任何两个解都相关。于是，每个非零解都是属于0的特征向量。 ?1? ?2?1??1?A ?1?0?11?22110??1??1???0?03???1??6???1???6??1???001012661??1?????1? ????1?是一个解。

??1?0????0??0? 0??45

?1? ?2??111?106112?10660?10???6???0??0??001004021224?22???2?

?4??4? A??2?2?24?22???2? 4??

附录二向量空间

1．n维向量空间及其子空间

记为Rn由全部n维实向量构成的集合，这是一个规定了加法和数乘这两种线性运算的集合，我们把它称为n维向量空间。

设V是Rn的一个子集，如果它满足

（1）当?1,?2都属于V时，?1??2也属于V。（2）对V的每个元素?和任何实数c，c?也在V中。则称V为Rn的一个子空间。

例如n元齐次方程组AX?0的全部解构成Rn的一个子空间，称为AX?0的解空间。但是非齐次方程组AX??的全部解则不构成Rn的子空间。

对于Rn中的一组元素?1,?2,?,?s，记它们的全部线性组合的集合为

L??1,?2,?,?s???c1?1?c2?2???cs?sci任意?，它也是Rn的一个子空间。

2．基，维数，坐标