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数学
题目

对于线性方程组Ax=b,下列说法正确的是(多选 少选均不得分)A. 若系数矩阵A的各阶顺序主子式不为0,则可用高斯消去或LU分解法求解线性方程组的解B. 若A非奇异,则存在置换矩阵P使得A=PLUC. 若A为实对称正定矩阵,则可分解为 A=LL^T,且L为单位下三角矩阵

对于线性方程组Ax=b,下列说法正确的是(多选 少选均不得分)

A. 若系数矩阵A的各阶顺序主子式不为0,则可用高斯消去或LU分解法求解线性方程组的解

B. 若A非奇异,则存在置换矩阵P使得A=PLU

C. 若A为实对称正定矩阵,则可分解为 $A=LL^{T}$,且L为单位下三角矩阵

题目解答

答案

AB
A. 若系数矩阵A的各阶顺序主子式不为0,则可用高斯消去或LU分解法求解线性方程组的解
B. 若A非奇异,则存在置换矩阵P使得A=PLU

解析

本题主要考查线性方程组求解方法以及矩阵分解相关知识,下面对每个选项进行详细分析:

选项A

  • 考查知识点:高斯消去法和LU分解法的适用条件。
  • 解题思路:当系数矩阵$A$的各阶顺序主子式不为$0$时,意味着在进行高斯消去法的过程中,主元不会为$0$,这样就可以顺利地将矩阵$A$化为上三角矩阵,从而求解线性方程组$Ax = b$。同时,由于主元不为$0$,矩阵$A$可以进行LU分解,即$A = LU$,其中$L$为单位下三角矩阵,$U$为上三角矩阵,进而也可以通过LU分解法求解线性方程组。
  • 解析:高斯消去法的核心是通过一系列的初等行变换将增广矩阵$[A|b]$化为上三角矩阵$[U|c]$,然后回代求解。若$A$的各阶顺序主子式不为$0$,则在消元过程中不会出现主元为$0$的情况,消元可以正常进行。对于LU分解,根据矩阵分解的理论,当$A$的各阶顺序主子式不为$0$时,存在单位下三角矩阵$L$和上三角矩阵$U$,使得$A = LU$。将$Ax = b$转化为$LUx = b$,令$Ux = y$,则先求解$Ly = b$,再求解$Ux = y$,从而得到原方程组的解。所以选项A正确。

选项B

  • 考查知识点:矩阵的PLU分解。
  • 解题思路:若矩阵$A$非奇异,即$\vert A\vert\neq 0$,在进行高斯消去法时,可能会遇到主元为$0$的情况,此时需要通过行交换来避免。而行交换可以通过置换矩阵$P$来实现,经过一系列的行交换和消元操作后,可以将矩阵$A$分解为$A = PLU$的形式,其中$P$为置换矩阵,$L$为单位下三角矩阵,$U$为上三角矩阵。
  • 解析:设$A$是一个$n\times n$的非奇异矩阵。在高斯消去过程中,若某一步的主元$a_{ii}^{(k)} = 0$($k$表示消元的步骤),则可以选择第$i$行以下某一行$j$($j > i$),使得$a_{ji}^{(k)}\neq 0$,将第$i$行和第$j$行交换,这一操作可以用置换矩阵$P_{ij}$表示,即$P_{ij}A$表示对$A$进行第$i$行和第$j$行的交换。经过若干次这样的行交换和消元操作后,最终可以得到$PA = LU$,其中$P$是若干个置换矩阵的乘积,仍然是置换矩阵,$L$是单位下三角矩阵,$U$是上三角矩阵,即$A = PLU$。所以选项B正确。

选项C

  • 考查知识点:实对称正定矩阵的Cholesky分解。
  • 解题思路:若$A$为实对称正定矩阵,则存在唯一的单位下三角矩阵$L$,使得$A = LL^{T}$,这就是Cholesky分解。但原选项中说$L$为单位下三角矩阵是错误的,应该是下三角矩阵,不一定是单位下三角矩阵。
  • 解析:设$A$是实对称正定矩阵,根据Cholesky分解定理,存在下三角矩阵$L$,使得$A = LL^{T}$。例如,对于$2\times 2$的实对称正定矩阵$A=\begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{12}&a_{22}\end{pmatrix}$,其中$a_{11}>0$,$a_{22}-a_{12}^{2}/a_{11}>0$,其Cholesky分解为$L=\begin{pmatrix}\sqrt{a_{11}}&0\\a_{12}/\sqrt{a_{11}}&\sqrt{a_{22}-a_{12}^{2}/a_{11}}\end{pmatrix}$,一般情况下$L$不是单位下三角矩阵。所以选项C错误。

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