![![[Pasted image 20251126050803.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/82c28f683aa546d9b1976f831980f0c7.png)
解:(I) 设B=(11−111−1−1−11), 则A=B+(α−1)E, B的特征值为0,0,3.A的特征值为α−1, α−1, α+2.(−110), (101)为α−1的两个特征向量;(11−1)为α+2的特征向量.注:用施密特正交化法令ξ1=(−110), ξ2=ξ2−(ξ1,ξ2)(ξ1,ξ1)ξ1=(101)−−12(−110)=(12121). \begin{aligned} &\text{解:(I) 设}\boldsymbol{B} = \begin{pmatrix} 1 & 1 & -1 \\ 1 & 1 & -1 \\ -1 & -1 & 1 \end{pmatrix},\ \text{则}\boldsymbol{A} = \boldsymbol{B} + (\alpha - 1)\boldsymbol{E},\ \boldsymbol{B}\text{的特征值为}0,0,3. \\ &\boldsymbol{A}\text{的特征值为}\alpha - 1,\ \alpha - 1,\ \alpha + 2. \\ &\begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix},\ \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}\text{为}\alpha - 1\text{的两个特征向量;}\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ -1 \end{pmatrix}\text{为}\alpha + 2\text{的特征向量.} \\ & \\ &\text{注:用施密特正交化法} \\ &\text{令}\boldsymbol{\xi}_1 = \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix},\ \boldsymbol{\xi}_2 = \boldsymbol{\xi}_2 - \frac{(\boldsymbol{\xi}_1,\boldsymbol{\xi}_2)}{(\boldsymbol{\xi}_1,\boldsymbol{\xi}_1)}\boldsymbol{\xi}_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} - \frac{-1}{2}\begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{1}{2} \\ \frac{1}{2} \\ 1 \end{pmatrix}. \end{aligned} 解:(I) 设B=11−111−1−1−11, 则A=B+(α−1)E, B的特征值为0,0,3.A的特征值为α−1, α−1, α+2.−110, 101为α−1的两个特征向量;11−1为α+2的特征向量.注:用施密特正交化法令ξ1=−110, ξ2=ξ2−(ξ1,ξ1)(ξ1,ξ2)ξ1=101−2−1−110=21211.
(ξ1,ξ2)=(−1)×12+1×12+0×1=−12+12=0,说明ξ1和ξ2已正交,施密特正交化成功。 \begin{aligned} &(\boldsymbol{\xi}_1, \boldsymbol{\xi}_2) = (-1) \times \frac{1}{2} + 1 \times \frac{1}{2} + 0 \times 1 = -\frac{1}{2} + \frac{1}{2} = 0, \\ &\text{说明} \boldsymbol{\xi}_1 \text{和} \boldsymbol{\xi}_2 \text{已正交,施密特正交化成功。} \end{aligned} (ξ1,ξ2)=(−1)×21+1×21+0×1=−21+21=0,说明ξ1和ξ2已正交,施密特正交化成功。
单位化: 12(−110), 16(112),令 P=(−121613121613026−13),PTAP 为对角阵. \begin{aligned} &\text{单位化:}\ \frac{1}{\sqrt{2}}\begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix},\ \frac{1}{\sqrt{6}}\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix}, \\ &\text{令}\ \boldsymbol{P} = \begin{pmatrix} -\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6}} & \frac{1}{\sqrt{3}} \\ \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6}} & \frac{1}{\sqrt{3}} \\ 0 & \frac{2}{\sqrt{6}} & -\frac{1}{\sqrt{3}} \end{pmatrix}, \\ &\boldsymbol{P}^T\boldsymbol{A}\boldsymbol{P}\ \text{为对角阵}. \end{aligned} 单位化: 21−110, 61112,令 P=−212106161623131−31,PTAP 为对角阵.
解:(Ⅱ) 令D=(α+3)E−A=(3−11−131113), D的特征值为1,4,4.法1:PTDP=(400040001), D=P(400040001)PT=C2.令C=P(200020001)PT,C2=P(200020001)PTP(200020001)PT=P(200020001)2PT=D.又C的特征值全为正,且CT=C, 故C为正定矩阵.C=P(200020001)PT=P((00000000−1)+2E)PT=13(5−11−151115). \begin{aligned} &\text{解:(Ⅱ) 令}\boldsymbol{D}=(\alpha+3)\boldsymbol{E}-\boldsymbol{A}=\begin{pmatrix} 3 & -1 & 1 \\ -1 & 3 & 1 \\ 1 & 1 & 3 \end{pmatrix},\ \boldsymbol{D}\text{的特征值为}1,4,4. \\ &\text{法1:}\boldsymbol{P}^T\boldsymbol{D}\boldsymbol{P}=\begin{pmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix},\ \boldsymbol{D}=\boldsymbol{P}\begin{pmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\boldsymbol{P}^T=\boldsymbol{C}^2. \\ &\text{令}\boldsymbol{C}=\boldsymbol{P}\begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\boldsymbol{P}^T, \\ &\boldsymbol{C}^2=\boldsymbol{P}\begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\boldsymbol{P}^T\boldsymbol{P}\begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\boldsymbol{P}^T \\ &=\boldsymbol{P}\begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}^2\boldsymbol{P}^T=\boldsymbol{D}. \\ &\text{又}\boldsymbol{C}\text{的特征值全为正,且}\boldsymbol{C}^T=\boldsymbol{C},\ \text{故}\boldsymbol{C}\text{为正定矩阵.} \\ &\boldsymbol{C}=\boldsymbol{P}\begin{pmatrix} 2 & 0 & 0 \\ 0 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}\boldsymbol{P}^T=\boldsymbol{P}\left(\begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & -1 \end{pmatrix}+2\boldsymbol{E}\right)\boldsymbol{P}^T=\frac{1}{3}\begin{pmatrix} 5 & -1 & 1 \\ -1 & 5 & 1 \\ 1 & 1 & 5 \end{pmatrix}. \end{aligned} 解:(Ⅱ) 令D=(α+3)E−A=3−11−131113, D的特征值为1,4,4.法1:PTDP=400040001, D=P400040001PT=C2.令C=P200020001PT,C2=P200020001PTP200020001PT=P2000200012PT=D.又C的特征值全为正,且CT=C, 故C为正定矩阵.C=P200020001PT=P00000000−1+2EPT=315−11−151115.
法2:设 B=(11−111−1−1−11) ,Bn=(tr(B))n−1B,B2=3BA=B+(α−1)E. \begin{aligned} &\text{法2:设}\ \boldsymbol{B} = \begin{pmatrix} 1 & 1 & -1 \\ 1 & 1 & -1 \\ -1 & -1 & 1 \end{pmatrix}\ , \\ &\boldsymbol{B}^n = (\text{tr}(\boldsymbol{B}))^{n-1}\boldsymbol{B},\boldsymbol{B}^2 = 3\boldsymbol{B} \\ &\boldsymbol{A} = \boldsymbol{B} + (\alpha - 1)\boldsymbol{E}. \end{aligned} 法2:设 B=11−111−1−1−11 ,Bn=(tr(B))n−1B,B2=3BA=B+(α−1)E.
C2=(α+3)E−(B+(α−1)E)=4E−B=4E−43B+13B=4E−43B+B29=(B3−2E)2,4E−xB−(1−x)B=4E−xB−1−x3B2,Δ=x2+163(1−x)=0,3x2−16x+16=0,(3x−4)(x−4)=0,x=4 或 x=43. \begin{aligned} \boldsymbol{C}^2 &= (\alpha + 3)\boldsymbol{E} - (\boldsymbol{B} + (\alpha - 1)\boldsymbol{E}) = 4\boldsymbol{E} - \boldsymbol{B} \\ &= 4\boldsymbol{E} - \frac{4}{3}\boldsymbol{B} + \frac{1}{3}\boldsymbol{B} = 4\boldsymbol{E} - \frac{4}{3}\boldsymbol{B} + \frac{\boldsymbol{B}^2}{9} = \left(\frac{\boldsymbol{B}}{3} - 2\boldsymbol{E}\right)^2, \\ \\ 4\boldsymbol{E} - x\boldsymbol{B} - (1 - x)\boldsymbol{B} &= 4\boldsymbol{E} - x\boldsymbol{B} - \frac{1 - x}{3}\boldsymbol{B}^2, \\ \\ \Delta &= x^2 + \frac{16}{3}(1 - x) = 0, \\ 3x^2 - 16x + 16 &= 0, \\ (3x - 4)(x - 4) &= 0, \\ x &= 4\ \text{或}\ x = \frac{4}{3}. \end{aligned} C24E−xB−(1−x)BΔ3x2−16x+16(3x−4)(x−4)x=(α+3)E−(B+(α−1)E)=4E−B=4E−34B+31B=4E−34B+9B2=(3B−2E)2,=4E−xB−31−xB2,=x2+316(1−x)=0,=0,=0,=4 或 x=34.
令C=2E−B3=(53−1313−135313131353) \text{令}\boldsymbol{C} = 2\boldsymbol{E} - \frac{\boldsymbol{B}}{3} = \begin{pmatrix} \frac{5}{3} & -\frac{1}{3} & \frac{1}{3} \\ -\frac{1}{3} & \frac{5}{3} & \frac{1}{3} \\ \frac{1}{3} & \frac{1}{3} & \frac{5}{3} \end{pmatrix} 令C=2E−3B=35−3131−313531313135
又C的特征值全为正,且CT=C, 故C为正定矩阵.\begin{aligned} \\ &\text{又}\boldsymbol{C}\text{的特征值全为正,且}\boldsymbol{C}^T=\boldsymbol{C},\ \text{故}\boldsymbol{C}\text{为正定矩阵.}\end{aligned} 又C的特征值全为正,且CT=C, 故C为正定矩阵.
公式推导
tr(B)=1, B=αβT,Bn=αβT⋅αβT⋅…⋅αβT,=α⋅tr(B)⋅tr(B)⋅…⋅tr(B)⋅βT,=(tr(B))n−1αβT=(tr(B))n−1B. \begin{aligned} &\text{tr}(\boldsymbol{B}) = 1,\ \boldsymbol{B} = \alpha\boldsymbol{\beta}^T, \\ &\boldsymbol{B}^n = \alpha\boldsymbol{\beta}^T \cdot \alpha\boldsymbol{\beta}^T \cdot \ldots \cdot \alpha\boldsymbol{\beta}^T, \\ &= \alpha \cdot \text{tr}(\boldsymbol{B}) \cdot \text{tr}(\boldsymbol{B}) \cdot \ldots \cdot \text{tr}(\boldsymbol{B}) \cdot \boldsymbol{\beta}^T, \\ &= (\text{tr}(\boldsymbol{B}))^{n-1} \alpha\boldsymbol{\beta}^T = (\text{tr}(\boldsymbol{B}))^{n-1} \boldsymbol{B}. \end{aligned} tr(B)=1, B=αβT,Bn=αβT⋅αβT⋅…⋅αβT,=α⋅tr(B)⋅tr(B)⋅…⋅tr(B)⋅βT,=(tr(B))n−1αβT=(tr(B))n−1B.
【小结】运用本题的方法可以将任何一个正定矩阵化为另一个正定矩阵的平方,思路有两个:① 利用正交变换;② 利用因式分解,凑成完全平方式。 \begin{aligned} &\text{【小结】运用本题的方法可以将任何一个正定矩阵化为另一个正定矩阵的平方,思路有两个:} \\ &①\ \text{利用正交变换;} \\ &②\ \text{利用因式分解,凑成完全平方式。} \end{aligned} 【小结】运用本题的方法可以将任何一个正定矩阵化为另一个正定矩阵的平方,思路有两个:① 利用正交变换;② 利用因式分解,凑成完全平方式。
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(A)等价(B)相似(C)=QΛQT 相似且合同QT=Q−1(D)合同 \begin{aligned} &(\text{A})\quad \text{等价} \\ &(\text{B})\quad \text{相似} \\ &(\text{C})\quad =Q\Lambda Q^T\ \text{相似且合同}\quad Q^T=Q^{-1} \\ &(\text{D})\quad \text{合同} \end{aligned} (A)等价(B)相似(C)=QΛQT 相似且合同QT=Q−1(D)合同
解:(A) 若A的特征值为1,−1,0,则A可以相似对角化.r(A)=2,r(Λ)=2,故A与Λ等价.若存在可逆阵P,Q,使得A=PΛQ,则A与Λ等价, 不能得到A的特征值与Λ的特征值相同.反例:A=(100010000),r(A)=2.但A的特征值不是1,−1,0.必要非充分 \begin{aligned} &\text{解:(A) 若}A\text{的特征值为}1,-1,0,\text{则}A\text{可以相似对角化}.r(A)=2, \\ &r(\Lambda)=2,\text{故}A\text{与}\Lambda\text{等价}. \\ &\text{若存在可逆阵}P,Q,\text{使得}A=P\Lambda Q,\text{则}A\text{与}\Lambda\text{等价, 不能得到} \\ &A\text{的特征值与}\Lambda\text{的特征值相同}. \\ &\text{反例:}A=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&0\end{pmatrix},r(A)=2.\text{但}A\text{的特征值不是}1,-1,0.\\&必要非充分 \end{aligned} 解:(A) 若A的特征值为1,−1,0,则A可以相似对角化.r(A)=2,r(Λ)=2,故A与Λ等价.若存在可逆阵P,Q,使得A=PΛQ,则A与Λ等价, 不能得到A的特征值与Λ的特征值相同.反例:A=100010000,r(A)=2.但A的特征值不是1,−1,0.必要非充分
(B) A的特征值为1,−1,0,故A可相似对角化.则由于Λ的特征值均为1,−1,0,故A与Λ相似若A与Λ相似,则A与Λ的特征值相同.故A的特征值为1,−1,0. 选(B) \begin{aligned} &(\text{B})\ A\text{的特征值为}1,-1,0,\text{故}A\text{可相似对角化}. \\ &\text{则由于}\Lambda\text{的特征值均为}1,-1,0,\text{故}A\text{与}\Lambda相似 \\ &\text{若}A\text{与}\Lambda\text{相似,则}A\text{与}\Lambda\text{的特征值相同}. \\ &\text{故}A\text{的特征值为}1,-1,0.\ \text{选}(\text{B}) \end{aligned} (B) A的特征值为1,−1,0,故A可相似对角化.则由于Λ的特征值均为1,−1,0,故A与Λ相似若A与Λ相似,则A与Λ的特征值相同.故A的特征值为1,−1,0. 选(B)
(C) 若存在正交矩阵Q,使得A=QΛQ−1,则A与Λ相似,Λ的特征值为1,−1,0,故A的特征值为1,−1,0.若A的特征值为1,−1,0,只能说明存在可逆矩阵P使得A=PΛP−1,不一定存在一个正交矩阵Q满足A=QΛQ−1.若A为实对称矩阵,则一定存在一个正交矩阵Q使得A=QΛQ−1.若A不是实对称矩阵,则一定不存在一个正交矩阵Q使得A=QΛQ−1.若存在一个正交矩阵Q,且QQT=E, QT=Q−1,使得A=QΛQ−1=QΛQT,AT=(QΛQT)T=(QT)TΛTQT=QΛQT=A,A为实对称矩阵. \begin{aligned} &(C)\ \text{若存在正交矩阵}Q,\text{使得}A=Q\Lambda Q^{-1},\text{则}A\text{与}\Lambda\text{相似}, \\ &\Lambda\text{的特征值为}1,-1,0,\text{故}A\text{的特征值为}1,-1,0. \\ &\text{若}A\text{的特征值为}1,-1,0,\text{只能说明存在可逆矩阵}P \\ &\text{使得}A=P\Lambda P^{-1},\text{不一定存在一个正交矩阵}Q\text{满足}A=Q\Lambda Q^{-1}. \\ \\ &\text{若}A\text{为实对称矩阵,则一定存在一个正交矩阵}Q\text{使得}A=Q\Lambda Q^{-1}. \\ &\text{若}A\text{不是实对称矩阵,则一定不存在一个正交矩阵}Q\text{使得}A=Q\Lambda Q^{-1}. \\ \\ &\text{若存在一个正交矩阵}Q,\text{且}Q Q^T=E,\ Q^T=Q^{-1}, \\ &\text{使得}A=Q\Lambda Q^{-1}=Q\Lambda Q^T, \\ &A^T=(Q\Lambda Q^T)^T=(Q^T)^T\Lambda^T Q^T=Q\Lambda Q^T=A, \\ &A\text{为实对称矩阵}. \end{aligned} (C) 若存在正交矩阵Q,使得A=QΛQ−1,则A与Λ相似,Λ的特征值为1,−1,0,故A的特征值为1,−1,0.若A的特征值为1,−1,0,只能说明存在可逆矩阵P使得A=PΛP−1,不一定存在一个正交矩阵Q满足A=QΛQ−1.若A为实对称矩阵,则一定存在一个正交矩阵Q使得A=QΛQ−1.若A不是实对称矩阵,则一定不存在一个正交矩阵Q使得A=QΛQ−1.若存在一个正交矩阵Q,且QQT=E, QT=Q−1,使得A=QΛQ−1=QΛQT,AT=(QΛQT)T=(QT)TΛTQT=QΛQT=A,A为实对称矩阵.
(D) A的特征值为1,−1,0,则不一定存在可逆矩阵P,使得A=PΛPT.若存在可逆矩阵P使得A=PΛPT, A为实对称矩阵.若存在可逆矩阵P使得A=PΛPT,得不到A的任何特征值.P=(100011021), A=(100011021)(1000−10000)(100011021)=(1000−1−20−2−4).tr(A)=−4, tr(Λ)=0, A与Λ不相似. \begin{aligned} &(\text{D})\ A\text{的特征值为}1,-1,0,\text{则不一定存在可逆矩阵}P, \\ &\text{使得}A=P\Lambda P^T. \\ &\text{若存在可逆矩阵}P\text{使得}A=P\Lambda P^T,\ A\text{为实对称矩阵}. \\ &\text{若存在可逆矩阵}P\text{使得}A=P\Lambda P^T,\text{得不到}A\text{的任何特征值}. \\ \\ &P=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&1\\0&2&1\end{pmatrix},\ A=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&1\\0&2&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&1\\0&2&1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&-2\\0&-2&-4\end{pmatrix}. \\ &\text{tr}(A)=-4,\ \text{tr}(\Lambda)=0,\ A\text{与}\Lambda\text{不相似}. \end{aligned} (D) A的特征值为1,−1,0,则不一定存在可逆矩阵P,使得A=PΛPT.若存在可逆矩阵P使得A=PΛPT, A为实对称矩阵.若存在可逆矩阵P使得A=PΛPT,得不到A的任何特征值.P=100012011, A=1000120111000−10000100012011=1000−1−20−2−4.tr(A)=−4, tr(Λ)=0, A与Λ不相似.
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选A
B是充要条件
C是伪命题
D不一定正交
实对称矩阵与正定矩阵分析
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