有关矩阵级数的一道高代考研题试解

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:An,n1,:
ln(det(I−A)=−∑k=1∞1ktr(Ak)ln(det(I-A)=-\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k}tr(A^k) ln(det(IA)=k=1k1tr(Ak)
ProofProofProof:
\qquad\quad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nAT,线An
\qquad\quad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nP使
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) P1AP=λ100λ20λn
\qquad\quad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nnA,nPn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.T,使A=P1TP.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.n=1,.
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,n1,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An,vA,v≠0v\ne0v̸=0,Av=λv.Av=\lambda v.Av=λv.取Rn取\mathbb{R}^nRn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,v,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) S1AS=λ00A0
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_0Sn.,n1A0,存在某个存在某个n−1n-1n1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_0S0使S01A0S0=T0.令令
S1=(10⋯00⋮S00) S_1=\left( \begin{matrix} 1& 0& \cdots& 0\\ 0& & & \\ \vdots& & S_0& \\ 0& & & \\ \end{matrix} \right) S1=1000S00
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) S11=1000S010
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) S11(S1AS)S1=S11λ00A0S1               =λ00T0
\qquad\quad证明完毕.证明完毕..

\qquad\quad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)}      T=λ100λ2λn   Tk=λ1k00λ2kλnk k=0k!Tk=eλ100eλ2eλndet(k=0k!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
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=eP1TP=k=0k!(P1TP)k=P1eTP\qquad\quad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(P1eTP)=det(eT)=etr(T)=etr(A)\qquad\quad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(IA)=det(eln(IA))=det(exp(k=1kAk))                                      =k=1det(exp(kAk))                            =k=1exp(trkAk)                            =exp(ktrAk)

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