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2025-1-10日习题课

约 2556 字大约 9 分钟

2025-02-28

problem

A=(011b2111a)A=\begin{pmatrix} 0 &1 &1\\ b &2 &1\\ 1 &-1 &a \end{pmatrix}

有特征向量

β=(111)\beta=\begin{pmatrix} 1\\1\\-1 \end{pmatrix}

A2022A^{2022}

solution

步骤 1:确定参数 a,ba, b 和特征值 λ\lambda

根据特征向量定义 Aβ=λβA\beta = \lambda\beta,计算得:

Aβ=(01+11+1(1)b1+21+1(1)11+(1)1+a(1))=(0b+1a)A\beta = \begin{pmatrix} 0 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 1 \cdot (-1) \\ b \cdot 1 + 2 \cdot 1 + 1 \cdot (-1) \\ 1 \cdot 1 + (-1) \cdot 1 + a \cdot (-1) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ b + 1 \\ -a \end{pmatrix}

λβ=(λλλ)\lambda\beta = \begin{pmatrix} \lambda \\ \lambda \\ -\lambda \end{pmatrix} 比较得:

{0=λb+1=λa=λ    λ=0, b=1, a=0\begin{cases} 0 = \lambda \\ b + 1 = \lambda \\ -a = -\lambda \end{cases} \implies \lambda = 0,\ b = -1,\ a = 0

结论:a=0a = 0b=1b = -1,矩阵 AA 确定为:

A=(011121110)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{pmatrix}

步骤 2:分析矩阵 AA 的特征值

计算特征多项式:

det(AλI)=λ(λ1)2=0    λ=0 (单根), λ=1 (二重根)\det(A - \lambda I) = -\lambda(\lambda - 1)^2 = 0 \implies \lambda = 0\ (\text{单根}),\ \lambda = 1\ (\text{二重根})

验证几何重数:

  • 对于 λ=0\lambda = 0,几何重数为 11(单根)。
  • 对于 λ=1\lambda = 1,矩阵 AIA - I 的秩为 11,几何重数为 22,满足对角化条件。

结论: 矩阵 AA 可对角化为 A=PDP1A = PDP^{-1},其中 D=diag(0,1,1)D = \text{diag}(0, 1, 1)

步骤 3:计算 A2022A^{2022}

由于 AA 是幂等矩阵(A2=AA^2 = A),可通过直接验证:

A2=(011121110)A=AA^2 = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{pmatrix} \cdot A = A

归纳可得 An=AA^n = A 对任意正整数 nn 成立。

最终答案:

A2022=A=(011121110)A^{2022} = A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{pmatrix}

problem

已知三阶实对称矩阵 AA 的各行元素之和为 3,α1=(1,2,1)T,α2=(0,1,1)T\alpha_1=(-1,2,-1)^T,\alpha_2=(0,-1,1)^TAx=0A\mathbf{x}=0 的两个解。求 AA 的特征值和特征向量,并求正交阵 PP 与对称阵 QQ 使得 P1AP=QP^{-1}AP=Q

solution

特征值与特征向量分析

  1. 各行元素之和为 3v=(1,1,1)T\mathbf{v} = (1, 1, 1)^T,则 Av=3vA\mathbf{v} = 3\mathbf{v},说明 v\mathbf{v}AA 的特征向量,对应特征值 λ3=3\lambda_3 = 3

  2. 零空间解向量的性质 已知 α1=(1,2,1)T\alpha_1 = (-1, 2, -1)^Tα2=(0,1,1)T\alpha_2 = (0, -1, 1)^TAx=0A\mathbf{x} = 0 的解,故它们是 AA 对应特征值 λ=0\lambda = 0 的特征向量。

    • α1\alpha_1α2\alpha_2 线性无关,且 dim(Null(A))=2\text{dim}(\text{Null}(A)) = 2,故 λ1=λ2=0\lambda_1 = \lambda_2 = 0 为二重特征值。
  3. 正交性验证

    • α1v=(1)(1)+2(1)+(1)(1)=0\alpha_1 \cdot \mathbf{v} = (-1)(1) + 2(1) + (-1)(1) = 0
    • α2v=0(1)+(1)(1)+1(1)=0\alpha_2 \cdot \mathbf{v} = 0(1) + (-1)(1) + 1(1) = 0 验证了 α1,α2\alpha_1, \alpha_2v\mathbf{v} 正交。

特征向量的正交化与单位化

  1. λ=0\lambda = 0 的特征向量施密特正交化
    • v1=α1=(1,2,1)Tv_1 = \alpha_1 = (-1, 2, -1)^T
    • 计算 v2=α2α2v1v1v1v1v_2 = \alpha_2 - \frac{\alpha_2 \cdot v_1}{v_1 \cdot v_1} v_1

α2v1=3,v1v1=6    v2=α2+12v1=(12012)\alpha_2 \cdot v_1 = -3,\quad v_1 \cdot v_1 = 6 \implies v_2 = \alpha_2 + \frac{1}{2}v_1 = \begin{pmatrix}-\frac{1}{2}\\ 0\\ \frac{1}{2}\end{pmatrix}

  1. 单位化特征向量
    • e1=v1v1=16(1,2,1)Te_1 = \frac{v_1}{\|v_1\|} = \frac{1}{\sqrt{6}}(-1, 2, -1)^T
    • e2=v2v2=(22022)e_2 = \frac{v_2}{\|v_2\|} = \begin{pmatrix}-\frac{\sqrt{2}}{2}\\ 0\\ \frac{\sqrt{2}}{2}\end{pmatrix}
    • e3=vv=13(1,1,1)Te_3 = \frac{\mathbf{v}}{\|\mathbf{v}\|} = \frac{1}{\sqrt{3}}(1, 1, 1)^T

正交阵 PP 与对称阵 QQ

  1. 正交矩阵 PP 由正交单位特征向量按列排列:

P=[16221326013162213]P = \begin{bmatrix} -\frac{1}{\sqrt{6}} & -\frac{\sqrt{2}}{2} & \frac{1}{\sqrt{3}} \\ \frac{2}{\sqrt{6}} & 0 & \frac{1}{\sqrt{3}} \\ -\frac{1}{\sqrt{6}} & \frac{\sqrt{2}}{2} & \frac{1}{\sqrt{3}} \end{bmatrix}

  1. 对称矩阵 QQ 对应特征值的对角阵:

Q=[000000003]Q = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{bmatrix}

problem

Am,BnA_m,B_n 是复矩阵,AABB 无公共的特征值。若 A,BA,B 可对角化,求证

H=(ACm×n0B)H=\begin{pmatrix} A &C_{m \times n}\\ 0 &B \end{pmatrix}

可对角化。

proof

任取 AA 的特征值 λ0\lambda_0,记其代数重数为 mA(λ0)m_{A}(\lambda_0),几何重数为 tA(λ0)t_{A}(\lambda_0)。首先注意到 A,BA, B 没有公共的特征值,故 λ0\lambda_0 不是 BB 的特征值,又 λIM=λIAλIB|\lambda I-M|=|\lambda I-A||\lambda I-B|,从而 mM(λ0)=mA(λ0)m_{M}(\lambda_0)=m_{A}(\lambda_0)。由于 λ0IB\lambda_0 I-B 是非异阵,故有如下分块矩阵的初等变换:

λ0IM=(λ0IACOλ0IB)(λ0IAOOλ0IB)\lambda_0 I-M=\begin{pmatrix} \lambda_0 I-A & -C \\ O & \lambda_0 I-B \end{pmatrix} \rightarrow\begin{pmatrix} \lambda_0 I-A & O \\ O & \lambda_0 I-B \end{pmatrix}

因为矩阵的秩在分块初等变换下不变,故由矩阵秩的等式可得

r(λ0IM)=r(λ0IA)+r(λ0IB)=r(λ0IA)+n\mathrm{r}(\lambda_0 I-M)=\mathrm{r}(\lambda_0 I-A)+\mathrm{r}(\lambda_0 I-B)=\mathrm{r}(\lambda_0 I-A)+n

于是 tM(λ0)=(m+n)r(λ0IM)=mr(λ0IA)=tA(λ0)t_{M}(\lambda_0)=(m+n)-\mathrm{r}(\lambda_0 I-M)=m-\mathrm{r}(\lambda_0 I-A)=t_{A}(\lambda_0)。因为 AA 可对角化,所以 AA 有完全的特征向量系,从而 mA(λ0)=tA(λ0)m_{A}(\lambda_0)=t_{A}(\lambda_0),于是 mM(λ0)=tM(λ0)m_{M}(\lambda_0)=t_{M}(\lambda_0)。同理可证,对 BB 的任一特征值 μ0\mu_0,成立 mM(μ0)=tM(μ0)m_{M}(\mu_0)=t_{M}(\mu_0)。因此 MM 有完全的特征向量系,从而可对角化。

remark

A,BA,B 可以为实矩阵,结论依旧成立。

problem

D=(AmCm×nCTBn)D=\begin{pmatrix} A_m &C_{m \times n}\\ C^{\mathrm{T}} &B_n \end{pmatrix}

其中 A,B,CA,B,C 均为实矩阵,且 A=A,B=BA=A',B=B'。求证:

  1. DD 正定,则 A,BA,B 可逆。
  2. DD 正定,则 BCTA1CB-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C 也正定。
solution

1) 证明 A,BA,B 可逆

AADDmm 阶顺序主子式,若 DD 正定,则 AA 行列式大于零,因此 AA 可逆。对于 BB,有:

(0Xn)TD(0Xn)=XnTBnXn>0\begin{pmatrix} 0 \\ X_{n} \end{pmatrix}^{\mathrm{T}} D \begin{pmatrix} 0 \\ X_{n} \end{pmatrix}=X_{n}^{\mathrm{T}} B_{n} X_{n}>0

BnB_{n} 正定,因此 BnB_{n} 可逆。

2) 证明 BCTA1CB-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C 正定

DD 进行分块矩阵的合同变换:

(ACIOCTBOI)r2CTA1r1(ACIOOBCTA1CCTA1I)l2l1(A1)T(CT)T(AOIOOBCTA1CCTA1I)\begin{aligned} &\begin{pmatrix} A & C & I & O \\ C^{\mathrm{T}} & B & O & I \end{pmatrix} \xrightarrow{r_2-C^{\mathrm{T}}A^{-1}r_1} \\ &\begin{pmatrix} A & C & I & O \\ O & B-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C & -C^{\mathrm{T}}A^{-1} & I \end{pmatrix} \xrightarrow{l_2-l_1(A^{-1})^{\mathrm{T}}(C^{\mathrm{T}})^{\mathrm{T}}} \\ &\begin{pmatrix} A & O & I & O \\ O & B-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C & -C^{\mathrm{T}}A^{-1} & I \end{pmatrix} \end{aligned}

设右半矩阵的转置为 PP,则:

PTDP=(AOOBCTA1C)=FP^{\mathrm{T}}DP=\begin{pmatrix} A & O \\ O & B-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C \end{pmatrix}=F

其中

P=(IA1COI)P=\begin{pmatrix} I & -A^{-1}C \\ O & I \end{pmatrix}

于是 DDFF 合同,因此 FF 正定。仿照 (1) 的方法,可得 BCTA1CB-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C 正定。

problem

An,Bn0A_n,B_n \not= 0,且有 A2=A,B2+B=0A^2=A,B^2+B=0

  1. 证明 μ=1,λ=1\mu=1,\lambda=-1 分别是 A,BA,B 的特征值。
  2. AB=0=BAAB=0=BAα\alphaAA 关于特征值 1 的特征向量,β\betaBB 关于特征值 -1 的特征向量,证明 α,β\alpha,\beta 线性无关。
proof

1. 由 Cayley-Hamilton 定理易证。

2.Bα=BAα=0=0αB\alpha=BA\alpha=0=0\cdot\alphaα\alphaBB 属于特征值 0 的一个特征向量,故 α,β\alpha,\beta 线性无关。

problem

A=(010101001)A=\begin{pmatrix} 0 &1 &0\\ 1 &0 &1\\ 0 &0 &1 \end{pmatrix}

  1. 证明:An=An2+A2I3,n3A^n=A^{n-2}+A^2-I_3,n \ge 3
  2. A10A^{10}
solution

1. 证明递推公式 An=An2+A2I3A^n = A^{n-2} + A^2 - I_3n3n \ge 3 成立

方法一:数学归纳法

基例 (n=3): 直接计算验证:

A3=(011102001),A+A2I3=(011102001)A^3 = \begin{pmatrix} 0 &1 &1 \\ 1 &0 &2 \\ 0 &0 &1 \end{pmatrix}, \quad A + A^2 - I_3 = \begin{pmatrix} 0 &1 &1 \\ 1 &0 &2 \\ 0 &0 &1 \end{pmatrix}

等式成立。

归纳假设: 假设对 k3k \ge 3,有 Ak=Ak2+A2I3A^k = A^{k-2} + A^2 - I_3

归纳步骤:Ak+1A^{k+1},利用递推式:

Ak+1=AAk=A(Ak2+A2I3)=Ak1+A3AA^{k+1} = A \cdot A^k = A \cdot (A^{k-2} + A^2 - I_3) = A^{k-1} + A^3 - A

由等式知 A3=A2+AI3A^3 = A^2 + A - I_3,代入得:

Ak+1=Ak1+(A2+AI3)A=Ak1+A2I3A^{k+1} = A^{k-1} + (A^2 + A - I_3) - A = A^{k-1} + A^2 - I_3

即递推式对 k+1k+1 成立。

方法二:凯莱-哈密顿定理 矩阵 AA 的特征多项式为:

p(λ)=(λ1)2(λ+1)p(\lambda) = -(\lambda - 1)^2 (\lambda + 1)

根据凯莱-哈密顿定理,AA 满足:

(AI)2(A+I)=0    A3=A2+AI3(A - I)^2 (A + I) = 0 \implies A^3 = A^2 + A - I_3

通过递推可得一般形式 An=An2+A2I3A^n = A^{n-2} + A^2 - I_3

2. 计算 A10A^{10}

递推公式应用: 利用递推式逐步计算:

A10=A8+A2I3=A6+2A22I3=A4+3A23I3=5A24I3\begin{aligned} A^{10}=A^{8}+A^{2}-I_{3}=A^{6}+2A^{2}-2I_{3}=A^{4}+3A^{2}-3I_{3}=5A^2 - 4I_3 \end{aligned}

代入 A2A^2I3I_3 的值: 计算:

5A24I3=(505055005)(400040004)=(105015001)5A^2 - 4I_3 = \begin{pmatrix} 5 & 0 & 5 \\ 0 & 5 & 5 \\ 0 & 0 & 5 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 5 \\ 0 & 1 & 5 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

problem

x31x^3-1x51x^5-1 的最大公因式。

solution

步骤 1:因式分解原多项式x31x^3 - 1x51x^5 - 1 分别因式分解:

x31=(x1)(x2+x+1),x51=(x1)(x4+x3+x2+x+1)\begin{aligned} x^3 - 1 &= (x - 1)(x^2 + x + 1), \\ x^5 - 1 &= (x - 1)(x^4 + x^3 + x^2 + x + 1) \end{aligned}

步骤 2:初步分析公共因式 两多项式均含因式 (x1)(x - 1),需验证是否存在更高次公因式。

步骤 3:应用欧几里得算法

  1. 计算 x51÷x31x^5 - 1 \div x^3 - 1 的余数 商为 x2x^2,余数为:

    x51x2(x31)=x21x^5 - 1 - x^2(x^3 - 1) = x^2 - 1

  2. 计算 x31÷x21x^3 - 1 \div x^2 - 1 的余数 商为 xx,余数为:

    x31x(x21)=x1x^3 - 1 - x(x^2 - 1) = x - 1

  3. 计算 x21÷x1x^2 - 1 \div x - 1 的余数 商为 (x+1)(x + 1),余数为 00,因此最大公因式为 (x1)(x - 1)

步骤 4:验证高次公因式不存在性 检查 x2+x+1x^2 + x + 1x4+x3+x2+x+1x^4 + x^3 + x^2 + x + 1 的公因式: 用长除法验证,x4+x3+x2+x+1x^4 + x^3 + x^2 + x + 1 除以 x2+x+1x^2 + x + 1 的余数为 x+10x + 1 \neq 0,故无更高次公因式。

结论:x31x^3 - 1x51x^5 - 1 的最大公因式为:

x1\boxed{x - 1}

problem

二次型 f(x1,x2,x3)=ax12ax22+(a1)x32+2x1x32x2x3f(x_1,x_2,x_3)=ax_1^2-ax_2^2+(a-1)x_3^2+2x_1x_3-2x_2x_3,则 a=1,0{} a=\underline{1,0} {} 时,在 R\mathbb{R} 上的规范形为 y12y22y_1^2-y_2^2

solution

解答:

要确定参数 aa 使得二次型

f(x1,x2,x3)=ax12ax22+(a1)x32+2x1x32x2x3f(x_1, x_2, x_3) = ax_1^2 - ax_2^2 + (a-1)x_3^2 + 2x_1x_3 - 2x_2x_3

在实数域上的规范形为 y12y22y_1^2 - y_2^2,需满足以下条件:

  • 秩为 2(规范形仅含两个平方项);
  • 正惯性指数为 1负惯性指数为 1(符号差为 0)。

步骤 1:二次型的矩阵表示 对称矩阵为:

A=(a010a111a1)A = \begin{pmatrix} a & 0 & 1 \\ 0 & -a & -1 \\ 1 & -1 & a-1 \end{pmatrix}

步骤 2:秩与行列式分析 矩阵的秩为 2 当且仅当行列式为零。计算行列式:

det(A)=a3+a2=a2(a1)\det(A) = -a^3 + a^2 = -a^2(a - 1)

det(A)=0\det(A) = 0,解得 a=0a = 0a=1a = 1

步骤 3:惯性指数分析

  1. a=1a = 1: 二次型变为:

    f=x12x22+2x1x32x2x3f = x_1^2 - x_2^2 + 2x_1x_3 - 2x_2x_3

    通过非退化替换:

    y1=x1+x3,y2=x2+x3,y3=x3y_1 = x_1 + x_3, \quad y_2 = x_2 + x_3, \quad y_3 = x_3

    化简为规范形 y12y22y_1^2 - y_2^2,满足条件。

  2. a=0a = 0: 二次型变为:

    f=x32+2x1x32x2x3f = -x_3^2 + 2x_1x_3 - 2x_2x_3

    特征值为 1,2,01, -2, 0,正负惯性指数均为 1,规范形亦为 y12y22y_1^2 - y_2^2

贡献者: Ming Wei