problem
设
A = ( 0 1 1 b 2 1 1 − 1 a ) A=\begin{pmatrix} 0 &1 &1\\ b &2 &1\\ 1 &-1 &a \end{pmatrix} A = 0 b 1 1 2 − 1 1 1 a
有特征向量
β = ( 1 1 − 1 ) \beta=\begin{pmatrix} 1\\1\\-1 \end{pmatrix} β = 1 1 − 1
求 A 2022 A^{2022} A 2022 。
solution 步骤 1:确定参数 a , b a, b a , b 和特征值 λ \lambda λ
根据特征向量定义 A β = λ β A\beta = \lambda\beta A β = λ β ,计算得:
A β = ( 0 ⋅ 1 + 1 ⋅ 1 + 1 ⋅ ( − 1 ) b ⋅ 1 + 2 ⋅ 1 + 1 ⋅ ( − 1 ) 1 ⋅ 1 + ( − 1 ) ⋅ 1 + a ⋅ ( − 1 ) ) = ( 0 b + 1 − a ) 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} A β = 0 ⋅ 1 + 1 ⋅ 1 + 1 ⋅ ( − 1 ) b ⋅ 1 + 2 ⋅ 1 + 1 ⋅ ( − 1 ) 1 ⋅ 1 + ( − 1 ) ⋅ 1 + a ⋅ ( − 1 ) = 0 b + 1 − a
与 λ β = ( λ λ − λ ) \lambda\beta = \begin{pmatrix} \lambda \\ \lambda \\ -\lambda \end{pmatrix} λ β = λ λ − λ 比较得:
{ 0 = λ b + 1 = λ − a = − 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 ⎩ ⎨ ⎧ 0 = λ b + 1 = λ − a = − λ ⟹ λ = 0 , b = − 1 , a = 0
结论: a = 0 a = 0 a = 0 ,b = − 1 b = -1 b = − 1 ,矩阵 A A A 确定为:
A = ( 0 1 1 − 1 2 1 1 − 1 0 ) A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{pmatrix} A = 0 − 1 1 1 2 − 1 1 1 0
步骤 2:分析矩阵 A A A 的特征值
计算特征多项式:
det ( A − λ I ) = − λ ( λ − 1 ) 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}) det ( A − λ I ) = − λ ( λ − 1 ) 2 = 0 ⟹ λ = 0 ( 单根 ) , λ = 1 ( 二重根 )
验证几何重数:
对于 λ = 0 \lambda = 0 λ = 0 ,几何重数为 1 1 1 (单根)。 对于 λ = 1 \lambda = 1 λ = 1 ,矩阵 A − I A - I A − I 的秩为 1 1 1 ,几何重数为 2 2 2 ,满足对角化条件。 结论: 矩阵 A A A 可对角化为 A = P D P − 1 A = PDP^{-1} A = P D P − 1 ,其中 D = diag ( 0 , 1 , 1 ) D = \text{diag}(0, 1, 1) D = diag ( 0 , 1 , 1 ) 。
步骤 3:计算 A 2022 A^{2022} A 2022
由于 A A A 是幂等矩阵(A 2 = A A^2 = A A 2 = A ),可通过直接验证:
A 2 = ( 0 1 1 − 1 2 1 1 − 1 0 ) ⋅ A = A A^2 = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{pmatrix} \cdot A = A A 2 = 0 − 1 1 1 2 − 1 1 1 0 ⋅ A = A
归纳可得 A n = A A^n = A A n = A 对任意正整数 n n n 成立。
最终答案:
A 2022 = A = ( 0 1 1 − 1 2 1 1 − 1 0 ) A^{2022} = A = \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ -1 & 2 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \end{pmatrix} A 2022 = A = 0 − 1 1 1 2 − 1 1 1 0
problem
已知三阶实对称矩阵 A A A 的各行元素之和为 3,α 1 = ( − 1 , 2 , − 1 ) T , α 2 = ( 0 , − 1 , 1 ) T \alpha_1=(-1,2,-1)^T,\alpha_2=(0,-1,1)^T α 1 = ( − 1 , 2 , − 1 ) T , α 2 = ( 0 , − 1 , 1 ) T 是 A x = 0 A\mathbf{x}=0 A x = 0 的两个解。求 A A A 的特征值和特征向量,并求正交阵 P P P 与对称阵 Q Q Q 使得 P − 1 A P = Q P^{-1}AP=Q P − 1 A P = Q 。
solution 特征值与特征向量分析
各行元素之和为 3 设 v = ( 1 , 1 , 1 ) T \mathbf{v} = (1, 1, 1)^T v = ( 1 , 1 , 1 ) T ,则 A v = 3 v A\mathbf{v} = 3\mathbf{v} A v = 3 v ,说明 v \mathbf{v} v 是 A A A 的特征向量,对应特征值 λ 3 = 3 \lambda_3 = 3 λ 3 = 3 。
零空间解向量的性质 已知 α 1 = ( − 1 , 2 , − 1 ) T \alpha_1 = (-1, 2, -1)^T α 1 = ( − 1 , 2 , − 1 ) T 和 α 2 = ( 0 , − 1 , 1 ) T \alpha_2 = (0, -1, 1)^T α 2 = ( 0 , − 1 , 1 ) T 是 A x = 0 A\mathbf{x} = 0 A x = 0 的解,故它们是 A A A 对应特征值 λ = 0 \lambda = 0 λ = 0 的特征向量。
α 1 \alpha_1 α 1 与 α 2 \alpha_2 α 2 线性无关,且 dim ( Null ( A ) ) = 2 \text{dim}(\text{Null}(A)) = 2 dim ( Null ( A )) = 2 ,故 λ 1 = λ 2 = 0 \lambda_1 = \lambda_2 = 0 λ 1 = λ 2 = 0 为二重特征值。正交性验证
α 1 ⋅ v = ( − 1 ) ( 1 ) + 2 ( 1 ) + ( − 1 ) ( 1 ) = 0 \alpha_1 \cdot \mathbf{v} = (-1)(1) + 2(1) + (-1)(1) = 0 α 1 ⋅ v = ( − 1 ) ( 1 ) + 2 ( 1 ) + ( − 1 ) ( 1 ) = 0 α 2 ⋅ v = 0 ( 1 ) + ( − 1 ) ( 1 ) + 1 ( 1 ) = 0 \alpha_2 \cdot \mathbf{v} = 0(1) + (-1)(1) + 1(1) = 0 α 2 ⋅ v = 0 ( 1 ) + ( − 1 ) ( 1 ) + 1 ( 1 ) = 0 验证了 α 1 , α 2 \alpha_1, \alpha_2 α 1 , α 2 与 v \mathbf{v} v 正交。特征向量的正交化与单位化
对 λ = 0 \lambda = 0 λ = 0 的特征向量施密特正交化 取 v 1 = α 1 = ( − 1 , 2 , − 1 ) T v_1 = \alpha_1 = (-1, 2, -1)^T v 1 = α 1 = ( − 1 , 2 , − 1 ) T 计算 v 2 = α 2 − α 2 ⋅ v 1 v 1 ⋅ v 1 v 1 v_2 = \alpha_2 - \frac{\alpha_2 \cdot v_1}{v_1 \cdot v_1} v_1 v 2 = α 2 − v 1 ⋅ v 1 α 2 ⋅ v 1 v 1 α 2 ⋅ v 1 = − 3 , v 1 ⋅ v 1 = 6 ⟹ v 2 = α 2 + 1 2 v 1 = ( − 1 2 0 1 2 ) \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} α 2 ⋅ v 1 = − 3 , v 1 ⋅ v 1 = 6 ⟹ v 2 = α 2 + 2 1 v 1 = − 2 1 0 2 1
单位化特征向量 e 1 = v 1 ∥ v 1 ∥ = 1 6 ( − 1 , 2 , − 1 ) T e_1 = \frac{v_1}{\|v_1\|} = \frac{1}{\sqrt{6}}(-1, 2, -1)^T e 1 = ∥ v 1 ∥ v 1 = 6 1 ( − 1 , 2 , − 1 ) T e 2 = v 2 ∥ v 2 ∥ = ( − 2 2 0 2 2 ) e_2 = \frac{v_2}{\|v_2\|} = \begin{pmatrix}-\frac{\sqrt{2}}{2}\\ 0\\ \frac{\sqrt{2}}{2}\end{pmatrix} e 2 = ∥ v 2 ∥ v 2 = − 2 2 0 2 2 e 3 = v ∥ v ∥ = 1 3 ( 1 , 1 , 1 ) T e_3 = \frac{\mathbf{v}}{\|\mathbf{v}\|} = \frac{1}{\sqrt{3}}(1, 1, 1)^T e 3 = ∥ v ∥ v = 3 1 ( 1 , 1 , 1 ) T 正交阵 P P P 与对称阵 Q Q Q
正交矩阵 P P P 由正交单位特征向量按列排列:P = [ − 1 6 − 2 2 1 3 2 6 0 1 3 − 1 6 2 2 1 3 ] 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} P = − 6 1 6 2 − 6 1 − 2 2 0 2 2 3 1 3 1 3 1
对称矩阵 Q Q Q 对应特征值的对角阵:Q = [ 0 0 0 0 0 0 0 0 3 ] Q = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 3 \end{bmatrix} Q = 0 0 0 0 0 0 0 0 3
problem
设 A m , B n A_m,B_n A m , B n 是复矩阵,A A A 与 B B B 无公共的特征值。若 A , B A,B A , B 可对角化,求证
H = ( A C m × n 0 B ) H=\begin{pmatrix} A &C_{m \times n}\\ 0 &B \end{pmatrix} H = ( A 0 C m × n B )
可对角化。
proof 任取 A A A 的特征值 λ 0 \lambda_0 λ 0 ,记其代数重数为 m A ( λ 0 ) m_{A}(\lambda_0) m A ( λ 0 ) ,几何重数为 t A ( λ 0 ) t_{A}(\lambda_0) t A ( λ 0 ) 。首先注意到 A , B A, B A , B 没有公共的特征值,故 λ 0 \lambda_0 λ 0 不是 B B B 的特征值,又 ∣ λ I − M ∣ = ∣ λ I − A ∣ ∣ λ I − B ∣ |\lambda I-M|=|\lambda I-A||\lambda I-B| ∣ λ I − M ∣ = ∣ λ I − A ∣∣ λ I − B ∣ ,从而 m M ( λ 0 ) = m A ( λ 0 ) m_{M}(\lambda_0)=m_{A}(\lambda_0) m M ( λ 0 ) = m A ( λ 0 ) 。由于 λ 0 I − B \lambda_0 I-B λ 0 I − B 是非异阵,故有如下分块矩阵的初等变换:
λ 0 I − M = ( λ 0 I − A − C O λ 0 I − B ) → ( λ 0 I − A O O λ 0 I − B ) \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} λ 0 I − M = ( λ 0 I − A O − C λ 0 I − B ) → ( λ 0 I − A O O λ 0 I − B )
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 ( λ 0 I − M ) = r ( λ 0 I − A ) + r ( λ 0 I − B ) = r ( λ 0 I − A ) + 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 r ( λ 0 I − M ) = r ( λ 0 I − A ) + r ( λ 0 I − B ) = r ( λ 0 I − A ) + n
于是 t M ( λ 0 ) = ( m + n ) − r ( λ 0 I − M ) = m − r ( λ 0 I − A ) = t A ( λ 0 ) t_{M}(\lambda_0)=(m+n)-\mathrm{r}(\lambda_0 I-M)=m-\mathrm{r}(\lambda_0 I-A)=t_{A}(\lambda_0) t M ( λ 0 ) = ( m + n ) − r ( λ 0 I − M ) = m − r ( λ 0 I − A ) = t A ( λ 0 ) 。因为 A A A 可对角化,所以 A A A 有完全的特征向量系,从而 m A ( λ 0 ) = t A ( λ 0 ) m_{A}(\lambda_0)=t_{A}(\lambda_0) m A ( λ 0 ) = t A ( λ 0 ) ,于是 m M ( λ 0 ) = t M ( λ 0 ) m_{M}(\lambda_0)=t_{M}(\lambda_0) m M ( λ 0 ) = t M ( λ 0 ) 。同理可证,对 B B B 的任一特征值 μ 0 \mu_0 μ 0 ,成立 m M ( μ 0 ) = t M ( μ 0 ) m_{M}(\mu_0)=t_{M}(\mu_0) m M ( μ 0 ) = t M ( μ 0 ) 。因此 M M M 有完全的特征向量系,从而可对角化。
remark
A , B A,B A , B 可以为实矩阵,结论依旧成立。
problem
设
D = ( A m C m × n C T B n ) D=\begin{pmatrix} A_m &C_{m \times n}\\ C^{\mathrm{T}} &B_n \end{pmatrix} D = ( A m C T C m × n B n )
其中 A , B , C A,B,C A , B , C 均为实矩阵,且 A = A ′ , B = B ′ A=A',B=B' A = A ′ , B = B ′ 。求证:
若 D D D 正定,则 A , B A,B A , B 可逆。 若 D D D 正定,则 B − C T A − 1 C B-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C B − C T A − 1 C 也正定。 solution 1) 证明 A , B A,B A , B 可逆
A A A 为 D D D 的 m m m 阶顺序主子式,若 D D D 正定,则 A A A 行列式大于零,因此 A A A 可逆。对于 B B B ,有:
( 0 X n ) T D ( 0 X n ) = X n T B n X n > 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 ( 0 X n ) T D ( 0 X n ) = X n T B n X n > 0
故 B n B_{n} B n 正定,因此 B n B_{n} B n 可逆。
2) 证明 B − C T A − 1 C B-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C B − C T A − 1 C 正定
对 D D D 进行分块矩阵的合同变换:
( A C I O C T B O I ) → r 2 − C T A − 1 r 1 ( A C I O O B − C T A − 1 C − C T A − 1 I ) → l 2 − l 1 ( A − 1 ) T ( C T ) T ( A O I O O B − C T A − 1 C − C T A − 1 I ) \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} ( A C T C B I O O I ) r 2 − C T A − 1 r 1 ( A O C B − C T A − 1 C I − C T A − 1 O I ) l 2 − l 1 ( A − 1 ) T ( C T ) T ( A O O B − C T A − 1 C I − C T A − 1 O I )
设右半矩阵的转置为 P P P ,则:
P T D P = ( A O O B − C T A − 1 C ) = F P^{\mathrm{T}}DP=\begin{pmatrix} A & O \\ O & B-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C \end{pmatrix}=F P T D P = ( A O O B − C T A − 1 C ) = F
其中
P = ( I − A − 1 C O I ) P=\begin{pmatrix} I & -A^{-1}C \\ O & I \end{pmatrix} P = ( I O − A − 1 C I )
于是 D D D 与 F F F 合同,因此 F F F 正定。仿照 (1) 的方法,可得 B − C T A − 1 C B-C^{\mathrm{T}}A^{-1}C B − C T A − 1 C 正定。
problem
设 A n , B n ≠ 0 A_n,B_n \not= 0 A n , B n = 0 ,且有 A 2 = A , B 2 + B = 0 A^2=A,B^2+B=0 A 2 = A , B 2 + B = 0 。
证明 μ = 1 , λ = − 1 \mu=1,\lambda=-1 μ = 1 , λ = − 1 分别是 A , B A,B A , B 的特征值。 若 A B = 0 = B A AB=0=BA A B = 0 = B A ,α \alpha α 是 A A A 关于特征值 1 的特征向量,β \beta β 是 B B B 关于特征值 -1 的特征向量,证明 α , β \alpha,\beta α , β 线性无关。 proof 1. 由 Cayley-Hamilton 定理易证。
2. 由 B α = B A α = 0 = 0 ⋅ α B\alpha=BA\alpha=0=0\cdot\alpha B α = B A α = 0 = 0 ⋅ α 知 α \alpha α 为 B B B 属于特征值 0 的一个特征向量,故 α , β \alpha,\beta α , β 线性无关。
problem
设
A = ( 0 1 0 1 0 1 0 0 1 ) A=\begin{pmatrix} 0 &1 &0\\ 1 &0 &1\\ 0 &0 &1 \end{pmatrix} A = 0 1 0 1 0 0 0 1 1
证明:A n = A n − 2 + A 2 − I 3 , n ≥ 3 A^n=A^{n-2}+A^2-I_3,n \ge 3 A n = A n − 2 + A 2 − I 3 , n ≥ 3 。 求 A 10 A^{10} A 10 。 solution 1. 证明递推公式 A n = A n − 2 + A 2 − I 3 A^n = A^{n-2} + A^2 - I_3 A n = A n − 2 + A 2 − I 3 对 n ≥ 3 n \ge 3 n ≥ 3 成立
方法一:数学归纳法
基例 (n=3): 直接计算验证:
A 3 = ( 0 1 1 1 0 2 0 0 1 ) , A + A 2 − I 3 = ( 0 1 1 1 0 2 0 0 1 ) 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} A 3 = 0 1 0 1 0 0 1 2 1 , A + A 2 − I 3 = 0 1 0 1 0 0 1 2 1
等式成立。
归纳假设: 假设对 k ≥ 3 k \ge 3 k ≥ 3 ,有 A k = A k − 2 + A 2 − I 3 A^k = A^{k-2} + A^2 - I_3 A k = A k − 2 + A 2 − I 3 。
归纳步骤: 对 A k + 1 A^{k+1} A k + 1 ,利用递推式:
A k + 1 = A ⋅ A k = A ⋅ ( A k − 2 + A 2 − I 3 ) = A k − 1 + A 3 − A A^{k+1} = A \cdot A^k = A \cdot (A^{k-2} + A^2 - I_3) = A^{k-1} + A^3 - A A k + 1 = A ⋅ A k = A ⋅ ( A k − 2 + A 2 − I 3 ) = A k − 1 + A 3 − A
由等式知 A 3 = A 2 + A − I 3 A^3 = A^2 + A - I_3 A 3 = A 2 + A − I 3 ,代入得:
A k + 1 = A k − 1 + ( A 2 + A − I 3 ) − A = A k − 1 + A 2 − I 3 A^{k+1} = A^{k-1} + (A^2 + A - I_3) - A = A^{k-1} + A^2 - I_3 A k + 1 = A k − 1 + ( A 2 + A − I 3 ) − A = A k − 1 + A 2 − I 3
即递推式对 k + 1 k+1 k + 1 成立。
方法二:凯莱-哈密顿定理 矩阵 A A A 的特征多项式为:
p ( λ ) = − ( λ − 1 ) 2 ( λ + 1 ) p(\lambda) = -(\lambda - 1)^2 (\lambda + 1) p ( λ ) = − ( λ − 1 ) 2 ( λ + 1 )
根据凯莱-哈密顿定理,A A A 满足:
( A − I ) 2 ( A + I ) = 0 ⟹ A 3 = A 2 + A − I 3 (A - I)^2 (A + I) = 0 \implies A^3 = A^2 + A - I_3 ( A − I ) 2 ( A + I ) = 0 ⟹ A 3 = A 2 + A − I 3
通过递推可得一般形式 A n = A n − 2 + A 2 − I 3 A^n = A^{n-2} + A^2 - I_3 A n = A n − 2 + A 2 − I 3 。
2. 计算 A 10 A^{10} A 10
递推公式应用: 利用递推式逐步计算:
A 10 = A 8 + A 2 − I 3 = A 6 + 2 A 2 − 2 I 3 = A 4 + 3 A 2 − 3 I 3 = 5 A 2 − 4 I 3 \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} A 10 = A 8 + A 2 − I 3 = A 6 + 2 A 2 − 2 I 3 = A 4 + 3 A 2 − 3 I 3 = 5 A 2 − 4 I 3
代入 A 2 A^2 A 2 和 I 3 I_3 I 3 的值: 计算:
5 A 2 − 4 I 3 = ( 5 0 5 0 5 5 0 0 5 ) − ( 4 0 0 0 4 0 0 0 4 ) = ( 1 0 5 0 1 5 0 0 1 ) 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} 5 A 2 − 4 I 3 = 5 0 0 0 5 0 5 5 5 − 4 0 0 0 4 0 0 0 4 = 1 0 0 0 1 0 5 5 1
problem
求 x 3 − 1 x^3-1 x 3 − 1 与 x 5 − 1 x^5-1 x 5 − 1 的最大公因式。
solution 步骤 1:因式分解原多项式 将 x 3 − 1 x^3 - 1 x 3 − 1 和 x 5 − 1 x^5 - 1 x 5 − 1 分别因式分解:
x 3 − 1 = ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) , x 5 − 1 = ( x − 1 ) ( x 4 + x 3 + x 2 + 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} x 3 − 1 x 5 − 1 = ( x − 1 ) ( x 2 + x + 1 ) , = ( x − 1 ) ( x 4 + x 3 + x 2 + x + 1 )
步骤 2:初步分析公共因式 两多项式均含因式 ( x − 1 ) (x - 1) ( 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
计算 x 5 − 1 ÷ x 3 − 1 x^5 - 1 \div x^3 - 1 x 5 − 1 ÷ x 3 − 1 的余数 商为 x 2 x^2 x 2 ,余数为:
x 5 − 1 − x 2 ( x 3 − 1 ) = x 2 − 1 x^5 - 1 - x^2(x^3 - 1) = x^2 - 1 x 5 − 1 − x 2 ( x 3 − 1 ) = x 2 − 1
计算 x 3 − 1 ÷ x 2 − 1 x^3 - 1 \div x^2 - 1 x 3 − 1 ÷ x 2 − 1 的余数 商为 x x x ,余数为:
x 3 − 1 − x ( x 2 − 1 ) = x − 1 x^3 - 1 - x(x^2 - 1) = x - 1 x 3 − 1 − x ( x 2 − 1 ) = x − 1
计算 x 2 − 1 ÷ x − 1 x^2 - 1 \div x - 1 x 2 − 1 ÷ x − 1 的余数 商为 ( x + 1 ) (x + 1) ( x + 1 ) ,余数为 0 0 0 ,因此最大公因式为 ( x − 1 ) (x - 1) ( x − 1 ) 。
步骤 4:验证高次公因式不存在性 检查 x 2 + x + 1 x^2 + x + 1 x 2 + x + 1 和 x 4 + x 3 + x 2 + x + 1 x^4 + x^3 + x^2 + x + 1 x 4 + x 3 + x 2 + x + 1 的公因式: 用长除法验证,x 4 + x 3 + x 2 + x + 1 x^4 + x^3 + x^2 + x + 1 x 4 + x 3 + x 2 + x + 1 除以 x 2 + x + 1 x^2 + x + 1 x 2 + x + 1 的余数为 x + 1 ≠ 0 x + 1 \neq 0 x + 1 = 0 ,故无更高次公因式。
结论: x 3 − 1 x^3 - 1 x 3 − 1 和 x 5 − 1 x^5 - 1 x 5 − 1 的最大公因式为:
x − 1 \boxed{x - 1} x − 1
problem
二次型 f ( x 1 , x 2 , x 3 ) = a x 1 2 − a x 2 2 + ( a − 1 ) x 3 2 + 2 x 1 x 3 − 2 x 2 x 3 f(x_1,x_2,x_3)=ax_1^2-ax_2^2+(a-1)x_3^2+2x_1x_3-2x_2x_3 f ( x 1 , x 2 , x 3 ) = a x 1 2 − a x 2 2 + ( a − 1 ) x 3 2 + 2 x 1 x 3 − 2 x 2 x 3 ,则 a = 1 , 0 ‾ {} a=\underline{1,0} {} a = 1 , 0 时,在 R \mathbb{R} R 上的规范形为 y 1 2 − y 2 2 y_1^2-y_2^2 y 1 2 − y 2 2 。
solution 解答:
要确定参数 a a a 使得二次型
f ( x 1 , x 2 , x 3 ) = a x 1 2 − a x 2 2 + ( a − 1 ) x 3 2 + 2 x 1 x 3 − 2 x 2 x 3 f(x_1, x_2, x_3) = ax_1^2 - ax_2^2 + (a-1)x_3^2 + 2x_1x_3 - 2x_2x_3 f ( x 1 , x 2 , x 3 ) = a x 1 2 − a x 2 2 + ( a − 1 ) x 3 2 + 2 x 1 x 3 − 2 x 2 x 3
在实数域上的规范形为 y 1 2 − y 2 2 y_1^2 - y_2^2 y 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 = ( a 0 1 0 − a − 1 1 − 1 a − 1 ) A = \begin{pmatrix} a & 0 & 1 \\ 0 & -a & -1 \\ 1 & -1 & a-1 \end{pmatrix} A = a 0 1 0 − a − 1 1 − 1 a − 1
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 ) = − a 3 + a 2 = − a 2 ( a − 1 ) \det(A) = -a^3 + a^2 = -a^2(a - 1) det ( A ) = − a 3 + a 2 = − a 2 ( a − 1 )
令 det ( A ) = 0 \det(A) = 0 det ( A ) = 0 ,解得 a = 0 a = 0 a = 0 或 a = 1 a = 1 a = 1 。
步骤 3:惯性指数分析
当 a = 1 a = 1 a = 1 : 二次型变为:
f = x 1 2 − x 2 2 + 2 x 1 x 3 − 2 x 2 x 3 f = x_1^2 - x_2^2 + 2x_1x_3 - 2x_2x_3 f = x 1 2 − x 2 2 + 2 x 1 x 3 − 2 x 2 x 3
通过非退化替换:
y 1 = x 1 + x 3 , y 2 = x 2 + x 3 , y 3 = x 3 y_1 = x_1 + x_3, \quad y_2 = x_2 + x_3, \quad y_3 = x_3 y 1 = x 1 + x 3 , y 2 = x 2 + x 3 , y 3 = x 3
化简为规范形 y 1 2 − y 2 2 y_1^2 - y_2^2 y 1 2 − y 2 2 ,满足条件。
当 a = 0 a = 0 a = 0 : 二次型变为:
f = − x 3 2 + 2 x 1 x 3 − 2 x 2 x 3 f = -x_3^2 + 2x_1x_3 - 2x_2x_3 f = − x 3 2 + 2 x 1 x 3 − 2 x 2 x 3
特征值为 1 , − 2 , 0 1, -2, 0 1 , − 2 , 0 ,正负惯性指数均为 1,规范形亦为 y 1 2 − y 2 2 y_1^2 - y_2^2 y 1 2 − y 2 2 。