此题系中山大学2017年高代考研题,由网友水清浅向我提问…个人试解如下
ProblemProblemProblem:
设A是一个n阶实矩阵,其有n个绝对值小于1的实特征值,证明:设A是一个n阶实矩阵,其有n个绝对值小于1的实特征值,证明:设A是一个n阶实矩阵,其有n个绝对值小于1的实特征值,证明:
ln(det(I−A)=−∑k=1∞1ktr(Ak)ln(det(I-A)=-\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k}tr(A^k) ln(det(I−A)=−k=1∑∞k1tr(Ak)
ProofProofProof:
\qquad\quad首先证明如下引理首先证明如下引理首先证明如下引理:
\qquad\quad任意n阶方阵A必相似于上三角阵T,其主对角线元素是A的n个特征任意n阶方阵A必相似于上三角阵T,其主对角线元素是A的n个特征任意n阶方阵A必相似于上三角阵T,其主对角线元素是A的n个特征
\qquad\quad值:值:值:λ1,⋯ ,λn\lambda _1,\cdots ,\lambda _nλ1,⋯,λn,即存在n阶可逆方阵P使得即存在n阶可逆方阵P使得即存在n阶可逆方阵P使得
P−1AP=(λ1∗∗∗0λ2⋯∗⋮⋮⋱⋮00⋯λn)
P^{-1}AP=\left( \begin{matrix}
\lambda _1& *& *& *\\
0& \lambda _2& \cdots& *\\
\vdots& \vdots& \ddots& \vdots\\
0& 0& \cdots& \lambda _n\\
\end{matrix} \right)
P−1AP=⎝⎜⎜⎜⎛λ10⋮0∗λ2⋮0∗⋯⋱⋯∗∗⋮λn⎠⎟⎟⎟⎞
\qquad\quad证明如下:证明如下:证明如下:
\qquad\quad只需要证明对于任意n阶方阵A,存在n阶可逆方阵P和n只需要证明对于任意n阶方阵A,存在n阶可逆方阵P和n只需要证明对于任意n阶方阵A,存在n阶可逆方阵P和n阶上三角方阶上三角方阶上三角方\quad阵T,使得A=P−1TP.阵T,使得A=P^{-1}TP.阵T,使得A=P−1TP.采用数学归纳法.采用数学归纳法.采用数学归纳法.
101^010,当n=1时,结论显然成立.当n=1时,结论显然成立.当n=1时,结论显然成立.
202^020,设对于n−1阶方阵结论成立,设对于n-1阶方阵结论成立,设对于n−1阶方阵结论成立,A是任一n阶方阵,设v是A的一个特征向量A是任一n阶方阵,设v是A的一个特征向量A是任一n阶方阵,设v是A的一个特征向量,v≠0v\ne0v̸=0,Av=λv.Av=\lambda v.Av=λv.取Rn取\mathbb{R}^n取Rn的一组基,以v为第一个基向量的一组基,以v为第一个基向量的一组基,以v为第一个基向量,于是有于是有于是有
S−1AS=(λ∗⋯∗0⋮A00)
S^{-1}AS=\left( \begin{matrix}
\lambda& *& \cdots& *\\
0& & & \\
\vdots& & A_0& \\
0& & & \\
\end{matrix} \right)
S−1AS=⎝⎜⎜⎜⎛λ0⋮0∗⋯A0∗⎠⎟⎟⎟⎞
其中S是某个n阶可逆方阵.依归纳假设,对于n−1阶方阵A0其中S是某个n阶可逆方阵.依归纳假设,对于n-1阶方阵A_0其中S是某个n阶可逆方阵.依归纳假设,对于n−1阶方阵A0,存在某个存在某个存在某个n−1n-1n−1阶可逆方阵S0使得S0−1A0S0=T0阶可逆方阵S_0使得S_0^{-1}A_0S_0=T_0阶可逆方阵S0使得S0−1A0S0=T0.令令令
S1=(10⋯00⋮S00)
S_1=\left( \begin{matrix}
1& 0& \cdots& 0\\
0& & & \\
\vdots& & S_0& \\
0& & & \\
\end{matrix} \right)
S1=⎝⎜⎜⎜⎛10⋮00⋯S00⎠⎟⎟⎟⎞
因而因而因而
S1−1=(10⋯00⋮S0−10)
S_{1}^{-1}=\left( \begin{matrix}
1& 0& \cdots& 0\\
0& & & \\
\vdots& & S_{0}^{-1}& \\
0& & & \\
\end{matrix} \right)
S1−1=⎝⎜⎜⎜⎛10⋮00⋯S0−10⎠⎟⎟⎟⎞
故故故
S1−1(S−1AS)S1=S1−1(λ∗⋯∗0⋮A00)S1 =(λ∗⋯∗0⋮T00)
S_{1}^{-1}\left( S^{-1}AS \right) S_1=S_{1}^{-1}\left( \begin{matrix}
\lambda& *& \cdots& *\\
0& & & \\
\vdots& & A_0& \\
0& & & \\
\end{matrix} \right) S_1
\\
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\left( \begin{matrix}
\lambda& *& \cdots& *\\
0& & & \\
\vdots& & T_0& \\
0& & & \\
\end{matrix} \right)
S1−1(S−1AS)S1=S1−1⎝⎜⎜⎜⎛λ0⋮0∗⋯A0∗⎠⎟⎟⎟⎞S1 =⎝⎜⎜⎜⎛λ0⋮0∗⋯T0∗⎠⎟⎟⎟⎞
\qquad\quad证明完毕.证明完毕.证明完毕.
\qquad\quad下面证明本题:下面证明本题:下面证明本题:
考虑T=(λ1∗⋯∗0λ2⋯∗⋮⋮⋱⋮0⋯⋯λn) 则Tk=(λ1k∗⋯∗0λ2k⋯∗⋮⋮⋱⋮0⋯⋯λnk) 从而∑k=0∞Tkk!=(eλ1∗⋯∗0eλ2⋯∗⋮⋮⋱⋮0⋯⋯eλn)det(∑k=0∞Tkk!)=eλ1+λ2+⋯λn det(eT)=etr(T)
\ \ \ \ \ 考虑 T=\left( \begin{matrix}
\lambda _1& *& \cdots& *\\
0& \lambda _2& \cdots& *\\
\vdots& \vdots& \ddots& \vdots\\
0& \cdots& \cdots& \lambda _n\\
\end{matrix} \right)
\\
\ \ \ 则T^k=\left( \begin{matrix}
\lambda _{1}^{k}& *& \cdots& *\\
0& \lambda _{2}^{k}& \cdots& *\\
\vdots& \vdots& \ddots& \vdots\\
0& \cdots& \cdots& \lambda _{n}^{k}\\
\end{matrix} \right) \
\\
从而\sum_{k=0}^{\infty}{\frac{T^k}{k!}}=\left( \begin{matrix}
e^{\lambda _1}& *& \cdots& *\\
0& e^{\lambda _2}& \cdots& *\\
\vdots& \vdots& \ddots& \vdots\\
0& \cdots& \cdots& e^{\lambda _n}\\
\end{matrix} \right)
\\
\det \left( \sum_{k=0}^{\infty}{\frac{T^k}{k!}} \right) =e^{\lambda _1+\lambda _2+\cdots \lambda _n}
\\
\ \ \ \det \left( e^T \right) =e^{tr\left( T \right)}
考虑T=⎝⎜⎜⎜⎛λ10⋮0∗λ2⋮⋯⋯⋯⋱⋯∗∗⋮λn⎠⎟⎟⎟⎞ 则Tk=⎝⎜⎜⎜⎛λ1k0⋮0∗λ2k⋮⋯⋯⋯⋱⋯∗∗⋮λnk⎠⎟⎟⎟⎞ 从而k=0∑∞k!Tk=⎝⎜⎜⎜⎛eλ10⋮0∗eλ2⋮⋯⋯⋯⋱⋯∗∗⋮eλn⎠⎟⎟⎟⎞det(k=0∑∞k!Tk)=eλ1+λ2+⋯λn det(eT)=etr(T)
\qquad\quad由引理及上述讨论知由引理及上述讨论知由引理及上述讨论知
eA=eP−1TP=∑k=0∞(P−1TP)kk!=P−1eTPe^A=e^{P^{-1}TP}=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{(P^{-1}TP)^k}{k!}=P^{-1}e^TPeA=eP−1TP=k=0∑∞k!(P−1TP)k=P−1eTP\qquad\quad因而因而因而
det(eA)=det(P−1eTP)=det(eT)=etr(T)=etr(A)det(e^A)=det(P^{-1}e^TP)=det(e^T)=e^{tr(T)}=e^{tr(A)}det(eA)=det(P−1eTP)=det(eT)=etr(T)=etr(A)\qquad\quad故故故
det(I−A)=det(eln(I−A))=det(exp(−∑k=1∞Akk)) =∏k=1∞det(−exp(Akk)) =∏k=1∞exp(−trAkk) =exp(∑−trAkk)det\left( I-A \right) =det\left( e^{ln\left( I-A \right)} \right) =det\left( \exp \left( -\sum_{k=1}^{\infty}{\frac{A^k}{k}} \right) \right)
\\
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\prod_{k=1}^{\infty}{\det \left( -\exp \left( \frac{A^k}{k} \right) \right)}
\\
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\prod_{k=1}^{\infty}{\exp \left( -tr\frac{A^k}{k} \right)}
\\
\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ =\exp \left( \sum{-\frac{trA^k}{k}} \right)
det(I−A)=det(eln(I−A))=det(exp(−k=1∑∞kAk)) =k=1∏∞det(−exp(kAk)) =k=1∏∞exp(−trkAk) =exp(∑−ktrAk)