第五章二次型习题答案

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第五章二型习题解答p.232~236

第五章二次型习题解答p.232~2361.(Ⅰ)用非退化线性替换化下列二次型为标准形,并利用矩阵验算所得结果. (1) 323121321224),,(x x x x x x x x x f ++-=解: 先作线性替换⎪⎩⎪⎨⎧=-=+=33212211yx y y x y y x ,.4)(),,(2322231321y y y y x x x f ++--=再令⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==+=3321311)(21zy z y z z y ,得.4),,(232221321z z z x x x f ++-=相应的替换矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=00111100110001000110112121212121T ,则 ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=141AT T T.(2) f (x 1,x 2,x 3)=x 12+2x 1x 2+2x 22+4x 2x 3+4x 23.解： f (x 1,x 2,x 3)=(x 1+x 2)2+x 22+4x 2x 3+4x 23 =(x 1+x 2)2+(x 2+2x 3)2+0令112223332y x x y x x y x =+⎧⎪=+⎨⎪=⎩ 即 11232233322x y y y x y y x y=-+⎧⎪=-⎨⎪=⎩ 则f (x 1,x 2,x 3)==y 12+y 22. 用矩阵验算112110112012122122001024024'--⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎪- ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭100100110110221020⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪=- ⎪⎪ ⎪⎪-⎝⎭⎝⎭100010000⎛⎫ ⎪=⎪ ⎪⎝⎭(3) f (x 1,x 2,x 3)=x 12-3x 22-2x 1x 2+2x 1x 3-6x 2x 3解： f (x 1,x 2,x 3)=(x 1-x 2+x 3)2-(x 2-x 3)2-3x 22-6x 2x 3 =(x 1-x 2+x 3)2-4x 22-4x 2x 3- x 32 =(x 1-x 2+x 3)2-(2x 2+x 3)2.令1123223332y x x x y x x y x=-+⎧⎪=+⎨⎪=⎩ 即11232233313221122x y y y x y y x y ⎧=+-⎪⎪⎪=-⎨⎪=⎪⎪⎩则f (x 1,x 2,x 3)=y 12-y 22验算有：131100*********1110133********13000000131122⎛⎫⎛⎫- ⎪⎪-⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪⎪----=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-⎪⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪-- ⎪⎝⎭⎝⎭(4) f (x 1,x 2,x 3,x 4)=8x 1x 4+2x 3x 4+2x 2x 3+8x 2x 4.解: 令1142233414x y y x y x y x y y =+⎧⎪=⎪⎨=⎪⎪=-⎩f (x 1,x 2,x 3,x 4)=8(y 21-y 24)+2y 3(y 1-y 4)+2y 2y 3+8y 2(y 1-y 2)=8y 21-8y 24+8y 1y 2+2y 1y 3+2y 2y 3-8y 2y 4-2y 3y 42221323423243411118()8()82822828f y y y y y y y y y y y y ∴=++-+-+--222123234343434111118()2(2)2(2)8228448y y y y y y y y y y y y =++--++-+---22123234341118()2(2)4284y y y y y y y y =++--+-令112322343344341128124z y y y z y y y z y y z y y ⎧=++⎪⎪⎪=-+⎨⎪=-⎪⎪=+⎩ 即112342234334434153288978811221122y z z z z y z z z y z zy z z ⎧=--+⎪⎪⎪=+-⎪⎨⎪=+⎪⎪⎪=-+⎩ 则2222123482f z z z z =-+-矩阵验算略222212323434341118()2(2)()()284y y y y y y y y y y =++--++--+(5) f (x 1,x 2,x 3,x 4)=x 1x 2+x 1x 3+x 1x 4+x 2x 3+x 2x 4+x 3x 4解：011110111110121110A ⎛⎫⎪⎪=⎪⎪⎝⎭(2)022242444000202220220100220242020042222042200024200020002122020022002122002000200020*********2Pi A E ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎪⎪⎪--⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪−−−→→→⎪ ⎪ ⎪ ⎪---⎝⎭⎪⎪⎪-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎪4000100004000032121212100210002⎛⎫⎪- ⎪ ⎪- ⎪- ⎪→ ⎪--- ⎪-- ⎪ ⎪- ⎪⎪⎝⎭∴2121212100210002X y ---⎛⎫⎪--⎪= ⎪-⎪⎝⎭则22221234443f y y y y =---.(6) f (x 1,x 2,x 3,x 4)=43423241312122212222442x x x x x x x x x x x x x x +++++++.解 : 由配方法可得.212,)(y )2123()22(.)(21)2123(2)22(2222)22(])22()22(2[),,,(232221444334322432112432432243214342322422243224324321214321y y y f x y x x x x x y x x x x y x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x f +-=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=++=+++=++++-+++=+++++++-++++++=得于是令且非退化的线性替换为.23244433432243211⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-=+-=-+-=y x y y x y y y x y y y y x 故替换矩阵为 ,10001100123101121⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=T 且有 .02121⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=AT T T(7) 22221234122334222f x x x x x x x x x x =++++++ 解： 1100111001110011A ⎛⎫⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭则110010011100010011101110011001110001100010001000010001000010001A E ⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎛⎫ ⎪ ⎪→→ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(3,(1))1001010001002200200010002000020000100010001110001001110010001000110001001200110000101210111P -⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪⎪⎪⎪ ⎪ ⎪−−−−→→→ ⎪ ⎪ ⎪--- ⎪⎪⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪----⎝⎭⎝⎭⎝⎭即令X=1110011001100111Y -⎛⎫⎪-⎪ ⎪⎪--⎝⎭则2222123422f y y y y =+-+.(Ⅱ) 把上述二次型进一步化为规范形，分实系数、复系数两种情形；并写出所作的非退化线性替换。

《线性代数》第5章习题解答(r)new2_1

习题五（P213－215）1．写出下列二次型的矩阵：.)(),,,().4(;),,,().3(;),,,().2(;8223),,().1(211221111122142314321222∑∑∑∑==-=+=-=+=-=++-+-=ni i n i in n i i ini in x xn x x x f x xxx x x f x x x x x x x x f yz xz xy z y x z y x f解:（1）12123111442-⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥⎣⎦；（2）12121212000000000000⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦；（3）1211221122111211111⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦；（4） 111111111n n n ---⎡⎤⎢⎥---⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦。

2.若二次型123(,,)T f x x x X AX =对任意向量123(,,)T x x x 恒有0),,(321=x x x f ,试证明:A 是零矩阵.解:取(1,0,0),(0,1,0),(0,0,1)T T TX X X ===等三个向量代入0,TX AX =则二次型的矩阵⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=333231232221131211a a a a a a a a a A 的所有元素),3,2,1,3,2,1(0===j i a ij 从而有A =0. 3.设B A ,是ｎ阶实对称矩阵，且对任意的ｎ维向量x 有BX X AX X ''=成立，试证明：.B A = 证：设,21][,][,)',,,(n n ij n n ij n b B a A x x x X ⨯⨯=== 则AX X '中的j i x x 的系数BX X a a a ij ji ij ',2=+中j i x x 的系数为,2ij ji ij b b b =+比较j i x x 的系数知),,,2,1,(n j i b a ij ij ==所以.B A = 4．试证明：不可能有实数矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡=d c b a C 使1010,0101TC C ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦即⎥⎦⎤⎢⎣⎡1001与⎥⎦⎤⎢⎣⎡-1001是不合同的. 证:用反证法.若,10011001'⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡d c b a d c b a 则推得,122-=+d b 这是不可能的.所以⎥⎦⎤⎢⎣⎡1001与⎥⎦⎤⎢⎣⎡-1001是不.5. 设D C B A ,,,均为ｎ阶对称矩阵,且B A ,是合同的,D C ,是合同的,试证明:⎥⎦⎤⎢⎣⎡B A 00与⎥⎦⎤⎢⎣⎡D C00也是合同的.证: 设,','D CQ Q B AP P ==则.00000000'⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡D BQ P C A Q P 所以矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡B A 00与矩阵⎥⎦⎤⎢⎣⎡D C00是合同的. 6. 用正交变换法,把下列二次型化为标准形:.32414321242322213231212322212222).2(;4844).1(x x x x x x x x x x x x f x x x x x x x x x f --+++++=---++=解:(1).正交变换矩阵为,032622231322326222⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=Q 标准形为;455232221y y y f -+= (2) 正交变换矩阵为,0000212121212121212121212121⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=Q 标准形为.324232221y y y y f +-+=7. 用配方法,把下列二次型化为标准形:2212121323121323(1).3226;(2).422.f x x x x x x x x f x x x x x x =--+-=-++解:(1).由已知2322321)2()(x x x x x f +-+-=，令,2333223211⎪⎩⎪⎨⎧=+=+-=x y x x y x x x y 则,33321221232322111⎪⎩⎪⎨⎧=-=-+=y x y y x y y y x 可逆线性变换矩阵为,1000121212321⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=C 所以标准形为;2221y y f -=(2).先令⎪⎩⎪⎨⎧=-=+=,33212211yx y y x y y x 则,4)(4232223211y y y y f ++--=再令⎪⎩⎪⎨⎧==-=,33223111yz y z y y z 则⎪⎩⎪⎨⎧=+-=++=,33321212321211z x z z z x z z z x 可逆线性变换矩阵为,10011112121⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=C 所以标准形为.44232221z z z f ++-= 8. 用初等变换法, 把下列二次型化为标准形:.22).2(;6422).1(3221232132********x x x x x x f x x x x x x x x f ++-=+-+-=解：⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--→⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛100101100030001100010001032321211).1(531313E A ，令,10010113531Y X ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-= 则;3233132221y y y f +-= (2).令,110110111Y X ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--= 则.2221y y f -= 9．已知二次型),0(233232232221>+++=a x ax x x x f 通过正交替换QY X =化为标准形,52232221y y y f ++=求参数a 及正交矩阵Q .解: 给定二次型及其标准形的矩阵分别为：,521,3030002⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=B a a A 由,4,10218,22==-=a a B A 得2=a （去舍2-=a ），与特征值 5,2,1321=λ=λ=λ 对应的特征向量分别为,)'1,1,0(,)'0,0,1(,)'1,1,0(321=α=α-=α 因特征向量321,,ααα是相互正交的，将它们单位化后得所求的正交巨阵.0001022222222⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=Q10．求二次型11222121121(,,,)22n n n ini i i i f x x x x xx x x --+===+++∑∑ 的标准形，并指出该二次型的秩和正惯性指数。

《线性代数》第五章相似矩阵及二次型精选习题及解答

6
1 6
即为单位向量。
7
二, 正交向量组 1.向量的正交：
当x, y 0时，称为向量 x 与 y 正交。
显然，零向量与任何向量正交。
1
1
如：a1
1
，a2
2
1
1
由于：a1,a2 a1a2 1 1
a1 与 a2 正交。
1
1 2
0
1
8
2,正交向量组 ⑴ 定义：一组两两正交的非零向量。 ⑵ 定理 1：正交向量组是线性无关组。即：若 n 维向量a1, a2,ar 是一组两两正交的非零
x
x2
令：[ x,
y]
x1
y1
x2
y2
xn
yn
xn
[x, y]称为向量 x 与 y 的内积。
y1
y
y2
yn
例如：x
1 2
,
3 y 1
1
0
x, y= 1 3 21 1 0 5 x, x = 12 22 (1)2 6
3
内积实际上是一种向量的运算
不难看出：X ,Y X Y Y X
向量（正交向量组），则a1, a2,ar 线性无关。证明：设有 1, 2 ,r 使
1a1 2a2 r ar 0 以a1与上式做内积，即以a1 左乘上式两端得：
1 a1 2 0 由于 a1 0 1 0 若以a2 与(1.3) 式做内积，则易知2 0 同理可证：3 4 r 0 a1 a2 ar 线性无关。
则a3
应满足齐次方程组:
Ax
O
即：1 1 1 2
1 x1 0
1
x2 x3
0
10
解此方程组：

线性代数第五章（答案）

线性代数第五章（答案）第五章相似矩阵及二次型一、是非题（正确打√，错误打×）1．若线性无关向量组r αα,,1 用施密特法正交化为r ββ,,1 则对任何),1(r k k ≤≤向量组k αα,,1 与向量组r ββ,,1 等价. ( √ )2. 若向量组r αα,,1 两两正交,则r αα,,1 线性无关. ( √ )3.n 阶正交阵A 的n 个行(列)向量构成向量空间n R 的一个规范正交基. ( √ )4.若A 和B 都是正交阵,则AB 也是正交阵. ( √ )5.若A 是正交阵, Ax y =,则x y =. ( √ )6．若112=n n n n x x A ，则2是n n A ?的一个特征值. ( × )7.方阵A 的特征向量只能对应唯一的特征值,反之亦成立. ( × )8.n 阶矩阵A 在复数范围内有n 个不同的特征值. ( × )9. 矩阵A 有零特征值的充要条件是0=A . ( √ )10.若λ是A 的特征值,则)(λf 是)(A f 的特征值(其中)(λf 是λ的多项式). ( √ )11.设1λ和)(212λλλ≠是A 的特征值, 1x 和2x 为对应特征向量,则21x x +也是A 的特征向量. ( × ) 12. T A 与A 的特征值相同. ( √ )13.n 阶矩阵A 有n 个不同特征值是A 与对角矩阵相似的充分必要条件. ( × )14.若有可逆矩阵P ,使n 阶矩阵A ,B 满足: B PAP =-1,则A 与B 有相同的特征值. ( √ )15.两个对角矩阵的对角元素相同,仅排列位置不同,则这两个对角矩阵相似. ( √ )16.设n 阶矩阵A ,B 均与对角阵相似且有相同的特征值,则A 与B 相似. ( √ )17．实对称矩阵A 的非零特征值的个数等于它的秩. ( √ )18. 若k ααα,,,21 线性无关且都是A 的特征向量，则将它们先正交化，再单位化后仍为A 的特征向量. ( √ )19.实对称阵A 与对角阵Λ相似Λ=-AP P 1，这里P 必须是正交阵。

线性代数 ,高教第二版, 卢刚 ,第五章B ,课后答案

a
X
T
AX 0
j
om
T
ij
xi x j =0。
，有
2 1 A= 1 1
显然A 1 =2>0,A 2 =
1 2 1 1
1 1 1 1 ， 2 1 1 2
其中 ai (i=1,2, … ,n) 为实数。试问：当 ai (i=1,2, … ,n) 满足何种条件时，二次型
f ( x1 , x 2 , , x n ) 为正定二次型。
解：由题设条件知，对于任意的 x1 , x 2 , , x n ，有 f ( x1 , x 2 , , x n ) 0 。其中等号成
w
w
1 0 0 an 0 0
此方程组仅有零解的充分必要条件是其系数行列式
w
所以当 a1 , a 2 , , a n 1 时， f ( x1 , x 2 , , x n ) 为正定二次型。 4、已知 A 为反对称矩阵，试证： E A 为正定矩阵。
T
其中
所以，存在可逆线性变换 X (C 2 C1 )Y ，使得 f ( x1 , x 2 , x3 ) 化为 g ( y1 , y 2 , y 3 ) ，
1
问 A 是否为正定矩阵。
解：设是 A 的任一特征值，对应特征向量 x 0 ，即有 Ax x ，代入已知的等式
有
( A 3 3 A 2 5 A 3E ) x = (3 32 5 3) x 0
x1 a1 x 2 0 x a x 0 2 2 3 x a x 0 n 1 n n 1 x n a n x1 0
= 1 (1) n 1 a1 a 2 a n 0 ，

第5章二次型(解答题)(63题)

1.设二次型()12,,,n f x x x 的矩阵为n 阶三对角对称矩阵110111111011A -⎛⎫ ⎪-- ⎪⎪=- ⎪- ⎪⎪-⎝⎭试写出二次型（二次齐次多项式）的表示式.解：()222121212231,,,222.n n n n f x x x x x x x x x x x x -=+++----2设二次型()212111,,,nnn ii n i i i f x x x axb x x -+===+∑∑ ,写出二次型f 的矩阵.解：设二次型f 的矩阵为A ,当2n m =时,ab a b A b a b a ⎛⎫ ⎪⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭；当21n m =+时,.a b a b A a b b a b a ⎛⎫ ⎪⎪ ⎪ ⎪=+ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭3.证明实二次型211mn ij j i j f a x ==⎛⎫= ⎪⎝⎭∑∑的秩等于矩阵()ij m nA a ⨯=的秩.证：令()()()121211,2,,,,,,,,,ni ijjmnj y a x i m Y y y X x x x =''====∑则Y AX =,而21.mii f yY Y X A AX ='''===∑因此,二次型f 的矩阵是A A ',而秩()A A '=秩()A ,所以f 的秩等于秩.A4．设A,B 是两个复n 阶对称矩阵,则A 与B 合同⇔秩A=秩B证：必要性：因为A 与B 合同,即存在可逆矩阵P 使得设A =秩A P BP '=,故秩A =秩B充分性：设秩A =秩B r =,则A 合同于000r E ⎛⎫ ⎪⎝⎭,B 合同于000rE ⎛⎫⎪⎝⎭,由合同的对称型与传递性知A 合同与B .5.将二次型()2121213233,,,4223n f x x x x x x x x x x =--+ 化为标准型,并写出相应的非退化线性替换.答：初等变换法,对矩阵A E ⎛⎫ ⎪⎝⎭的列,行做同步初等换变换（即设1T 为初等矩阵,则用11T 与1T 左,右乘A ）,将A 化为对角矩阵,即30002110020131130081000010100150011123⎛⎫ ⎪-⎛⎫ ⎪- ⎪- ⎪ ⎪ ⎪⎪-- ⎪→⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭,于是,非退化线性替换1122330010151123x y x y x y ⎛⎫⎪⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪⎝⎭将二次型化为标准型2221231383f y y y =-+.6.用非退化线性替换化下列二次型为标准型（并写出相应的非退化线性替换）；1）21n i i x d -∑+1ni j i j nx x ≤≤≤∑；2）_1ni i j n x x ≤≤≤⎛⎫- ⎪⎝⎭∑,其中,()_121n x x x x n =+++解：1）设原式为f,经过展开配方整理得()22222212123311143212nn i in n n i i n n f x x x x x x x n n n -==⎛⎫⎛⎫+⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+++++++ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭∑∑ . 令2112222311131nii n i i n n nn n y x x y x x y x x n y x ===--⎧=+⎪⎪⎪⎛⎫+⎪ ⎪⎪⎝⎭⎨⎪⎪=+⎪⎪⎪=⎩∑∑ , 则非退化线性替换,112312231111111231111311n n n nn n n n n x y y y y y n nx y y y yn n x y y nx y ----⎧=-----⎪-⎪⎪=----⎪-⎪⎨⎪⎪=-⎪⎪=⎪⎩, 将二次型f 化为标准型()2222121314212n n n n f y y y y n n-+=++++- 2）令112211n n n n y x xy x x y x x y x --=--=-=⎧=-⎪⎪-⎪⎪⎨⎪⎪-⎪⎪⎩, 则11221232111222nii n ii n n i n n i n n x y y x y y yx y y y x y ===--=-==⎧=+⎪⎪⎪⎪++⎪⎨⎪⎪⎪++⎪⎪⎩∑∑∑ , 注意到1nii yx -==∑,故原式22111122211111112n n n n n i n i i i i i j i i i i i i j n f y y y y y y y y ----=====≤≤≤-⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+-=+=+ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭∑∑∑∑∑∑,由1）知,线性替换112312231111112311131n n n n n n y z z z z n y z z zn y z y z ----⎧=----⎪-⎪⎪=---⎪-⎨⎪⎪=⎪⎪=⎩, 将二次型f 化为标准型()2221213221n n f z z z n -=+++- , 由1,2）可得所用非退化线性替换为11223311200013100121410123111123100001n n n n x z x z x z x z n x z n --⎛⎫⎪⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪- ⎪⎝⎭7.已知二次型()2221232323320f x x x ax x a =+++>通过正交替换化为标准形22212325f y y y =++,求出参数a 和相应的正交矩阵.解：二次型矩阵为2000303A a a ⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭因()()222690E A a λλλλ-=--+-=.已知A 的特征值1231,2,5λλλ===.将11λ=代入上式,解得24a =.又0a >,故2a =.分别求出属于特征值1231,2,5λλλ===的特征值()()()1230,1,1,1,0,0,0,1,1ααα'''=-==.123,,ααα两两正交,在单位化得正交矩阵01000Q ⎛⎫⎪ ⎪ =⎝8.设()1234121314232434,,,f x x x x x x x x x x x x x x x x =+++++,分别在实数和复数域上将它化为规范性,并写出相应的非退化线性替换.解：11223344111122111122100120001x y x y x y x y ⎛⎫--- ⎪⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎪-- ⎪ ⎪⎪= ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪-⎝⎭⎝⎭⎪ ⎪⎝⎭, 则二次型化为标准型222212341344f y y y y =--- 1）在实数域上,令11223344,2,,3y z y z y z y z ====,则二次型的规范形为22221234f z z z z =---非退化线性替换为1X C Z =,其中111111311100022020011111110010221001001300020001000C ⎛⎫--- ⎪⎛⎫---⎪⎛⎫⎪ ⎪- ⎪ ⎪--⎪ ⎪ ⎪== ⎪⎪ - ⎪ ⎪ - ⎪⎪⎝⎪⎪⎝⎭⎪⎝⎭.2）在复数域上,令11223344,2,,3y z y iz y iz y ====, 则二次型的规范形为22221234f z z z z =+++.非退化线性替换为1X C Z =,其中211003000i i i i C i i ⎛⎫-- ⎪ ⎪⎪- ⎪⎪= ⎪- ⎪ ⎪⎪⎪⎝⎭.9.设000a b A a c b c ⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭,试求可逆矩阵T,使得T AT '为对角矩阵.解：设以A 为矩阵的二次型是()123121323,,222f x x x T XT ax x bx x cx x '==++当0a b c ===时,A=0,T=E 即为所求. 当,,a b c 不全为0时,不妨设0a ≠,令112233110110,001x y x y x y ⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎪=- ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭, 则()()2222212132313133222222222.22b c b c cb f ay ay a b y y b c y y a y y a y y y a a a ++⎛⎫⎛⎫=++++-=+--- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭令112233102012001b c a y z b c y z a y z +⎛⎫- ⎪⎛⎫⎛⎫⎪- ⎪ ⎪⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭, 则二次型化为标准型222123222bc f az az z a=--.可逆矩阵 1011211011001112001001001b c c a a b c b T a a +⎛⎫⎛⎫-- ⎪ ⎪⎛⎫ ⎪ ⎪- ⎪⎪ ⎪=-=-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,使得22,2,bc T AT diag a a a ⎛⎫'=-- ⎪⎝⎭.10.秩等于r 的对称矩阵可以表成r 个秩等于1的对称矩阵之和证：因为对称矩阵A 的秩为r,于是存在可逆矩阵C,使11200rr d d C AC D D D ⎛⎫⎪ ⎪ ⎪'==+++⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭,这里,()1,2,,i D i r = 表示主对角线上第i 个元素为i d ,其余元素为零的对角矩阵.由此,得()()()11111112r A c D C c D C c D C ------'''=+++ .显然,()11ic DC --'的秩为1,且为对称矩阵,故A 可表成r 个秩为1的对称矩阵之和.11.确定实二次型222212212n n f y y y y -=-++- 的秩和符号差.解：做非退化线性替换112212212122212n n n n n nx y y x y yx y y x y y ---=+⎧⎪=-⎪⎪⎨⎪=+⎪=-⎪⎩ , 则二次型(),,f x y z ayz bxz cxy =++,故其秩为2n,符号差为零.12.设11122122A A A A A ⎛⎫=⎪⎝⎭是一对称矩阵,且110A ≠,则存在0EX T E ⎛⎫= ⎪⎝⎭使得,1100*A T AT ⎛⎫'=⎪⎝⎭,其中*表示阶数与22A 相同的矩阵. 证：取111120EA A T E -⎛⎫-=⎪⎝⎭, 则()11220111,.1011B C f x B B λλ-⎛⎫⎛⎫===+⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭.13.证明12n λλλ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ 与12n i ii λλλ⎛⎫⎪ ⎪⎪⎪ ⎪⎝⎭合同,其中,12,,,n i i i 是1,2, ,n 的一个排列.设两个矩阵分别为A,B 其相应的的二次型分别为2221122,A n n f x x x λλλ=+++ 1222212,n B i i i n f y y y λλλ=+++ 做非退化线性替换,1,2,t t i y x t n == 则B f 化成A f .因此,A,B 合同.14.设B C A C B ⎛⎫=⎪⎝⎭,其中0111,.1011B C -⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭()f x 是实系数多项式,证明：在实数域上存在实数12,λλ和4阶方阵12,,B B 使得1）()1122f x B B λλ=+；2）12210B B B B ==；3）221122,.B B B B ==证：()()()313E A λλλ-=-+,而A 为实对称阵,故存在正交矩阵T ,()1,1,1,3T AT diag '==-,那么()()()()()()()()()()1,1,1,311,1,1,030,0,0,1T f A T diag f f f f f diag f diag '=-=+-令()()()()12121,1,1,0,0,0,0,1.1,3.B Tdiag T B Tdiag T f f λλ''====-则,()1122,f A B B λλ=+12210B B B B ==；3）100A BD CP MP D -⎛⎫-'=⎪⎝⎭.15.设A,B,C,D 为n 阶对称矩阵,A 合同于B,C 合同于D.试问下列结论是否正确？为什么？1）（A+B ）=(C+D);2)00A C ⎛⎫⎪⎝⎭合同于00B D ⎛⎫⎪⎝⎭. 解：1）不正确. 例如,在复数域上,取10101001,,,,01010110A B C D --⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫====⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭则A 与B 合同,C 与D 合同,但是A+B 与B+D 不合同.2 ）正确.因1122,,B Q AQ D Q CQ ''==取可逆矩阵121,1Q Q -⎛⎫ ⎪-⎝⎭则11220000.0000Q Q B A Q Q D C '⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭16.设分块矩阵M=A B C D ⎛⎫⎪⎝⎭是对称矩阵,其中,D 为非奇异矩阵,则矩阵M 合同与矩阵10.0A BD C N D -⎛⎫-=⎪⎝⎭证：由M M '=知,,,.A A B C D D '''===令矩阵10Ep D C E -⎛⎫=⎪⎝⎭,则100A BD CP MP D -⎛⎫-'=⎪⎝⎭,即矩阵M 与N 合同.17.n 阶矩阵是反对称矩阵的充分必要条件是：对任意n 维列向量X ,都有0X AX '=.证明：充分性：若对任意X 有0X AX '=,设(),iji n nA a e ⨯=表示第i 个分量为1其余分量为零的n 维列向量,,i j X e e =+则()()0i jije e A e e '++=,即0.iijj ij ji aa a a +++=当i=j 时,得0ii jj a a ==；当i j ≠时,得ij ji a a =-,故得A 是反对称矩阵.必要性：若,A A '=-则对任意X 有(),X AX X AX X A X X AX ''''''====-移项后,可得0X AX '=18.如果n 阶对称矩阵A 对任意n 维列向量X 都有0,X AX '=那么A=0..证：因为A A '=,对任意n 维列向量X 都有0X AX '=,由第761条知,A A '=-,即20A =,故0A =.19.n 阶实矩阵A 是对称矩阵的充分条件是2A A A '=.证：必要性：显然.下面证明充分性：设(),ijn nA a ⨯=由于2AA A '=,故有2,trAA trA '=即21111n nn nijij ji i j i j aa a =====∑∑∑∑整理得()20ij ji i ja a ≠-=∑因A 是实矩阵,故()()ij ji a a i j =≠即12,,,,n λλλ .20.设A,B 为n 阶实对称矩阵,λ是AB 的一个非实特征值,X 是AB 对应于λ的一个特征向量,则. 0X BX '=证：在ABX X λ=的两边取共轭转置得X BA X λ''=,所以X BABX X BX λ''=.即X BX X BX λλ''=,()0X BX λλ'-=.因λ是非实数,即0λλ-≠,所以0X BX '=.21.设A 为一个n 阶实对称矩阵,且0A <,则必存在实n 维向量0X ≠,使0.XBX < 证：设222211,p p r f y y y y +=++--- 的n 个实特征值为12,,,,n λλλ 则由120n A λλλ=< 知A 至少有一个实特征值为负,不妨设10.λ<由第754条的注,存在0β≠,使得10A ββλ'=<.22.设()12,,,n f x x x X AX '= 是一实二次型,若有n 维实向量12,,X X 使11220,0,X AX X AX ''><则必存在n 维实向量00,X ≠使000.X AX '= 证：设秩A=r,则存在非退化线性替换X=CY ,将二次型化为规范形222211,p p r f y y y y +=++--- 由1,p r ≤<若取1211,0,1,r r y y y y -=====则0.f =取()001,0,,0,1,0,,0,0,Y X CY '==≠ 则000.f X AX '==23.设实二次型()2221122,1n n X AX y y y Y BY X X QY QY Y Y λλλ'''''=+++==== ,矩阵A 的特征值12,n λλλ≤≤≤ 则在条件222121n x x x +++= 下,二次型f 的最小值和最大值分别是1λ和2λ.证：存在正交矩阵Q 使()12,,,n Q AQ diag B λλλ'== .作正交替换X=QY,则2221122n n X AX y y y Y BY λλλ''=+++= ,而()1,n Y Y Y BY X AX Y Y X X QY QY Y Y λλ'''''''≤=≤==,故1n X X X AX X X λλ'''≤≤. （1）条件222121n x x x +++= 即1X X '=,因此1n X AX λλ'≤≤.易知上述不等式里X AX '可达到等号,即f 的最小值和最大值分别是1,.n λλ24.设A 是n 阶实对称矩阵,则存在一正实数c,使对任一实n 维向量X 都有X AX cX X ''≤ 证：由767条（1）式,令c={}12max ,,λλ则.X AX cX X ''≤25.设A,B 是n 阶对称矩阵,12,λλ是0A B λ-=的不同根,并且()()1212,,,,,,,n n X x x x Y y y y ''== 分别是()()120,0A B X A B Y λλ-=-=的解,则0,0.X AY X BY ''==证：因为()()()1111,X BY X BY Y BX Y BX Y AX Y AX X AY X BY λλλλ''''''''''=======而12λλ≠,故0,0X BY X AY ''==.26.一个实二次型可以分解成两个实系数的一次齐次多项式之积的充分必要条件是：它的秩等于2和符号差等于0,或者秩等于1.证：必要性：设()()()11110,,1,2,,n n n n i i f a x a x b x b x a b i n =++++≠= 均为实数.1）若两个一次式系数成比例,即()1,2,,,i i b ka i n == 不妨设0i a ≠,则非退化线性替换()111,1,2,,,n n i i y a x a x y x i n =++⎧⎨==⎩ 化二次型21f ky =,此时f 的秩为1. 2）若两个一次实系数式不成比例,不妨设1212,a a b b ≠则连续进行下列非退化线性替换()111211,,3,,,n n n n i i y a x a x y b x b x y x i n =++⎧⎪=++⎨⎪==⎩ 及()1121,,3,,,n n ii y z z y z z y z i n =+⎧⎪=-⎨⎪==⎩ 化为二次型221212,f y y z z ==-此时f 的秩为2且符号差为0.充分性：1）若f 的秩等于1,则存在非退化线性替换X=CY 化为二次型为()()()()221212121,11,1n n n n f y y y y y y a x a x a x a x =-=-+=++++ .2）若f 的秩等于2,符号差为0,则存在非退化线性替换X=CY 化为二次型为12,,,,n x x x27.设.s p ≤其中()1,2,,i L i p q =+是12,,,n x x x 的一次齐次式,则()12,,,n f x x x 的正惯性指数,p ≤负惯性指数.q ≤证：()11221,2,,,i i i in n L b x b x b x i p q =+++=+ 再设()12,,,n f x x x 的正惯性指数为s,秩为r,则存在非退化线性替换()()11221,2,,,1i i i in n y c x c x c x i n =+++= 使()2222212121222211,,,.n p p p qs s rf x x x L L L L L y y yy +++=+++---=++--- （2）先证.s p ≤用反证法.假设,s p >注意到线性方程组1111111,111,110,0,0,0,n n p pn n s s n n n nn n b x b x b x b x c x c x c x c x ++++=⎧⎪⎪⎪++=⎪⎨++=⎪⎪⎪++=⎪⎩ 的未知量的个数为n,方程个数为,p n s n +-<故次线性方程组存在非零解()12,,,,n a a a 将它代入（2）,得()22221211,,,0.n p p q s f a a a L L y y ++=---=++=22110p p q s L L y y ++======因此,对一组不全为零的数1122,,,,n n x a x a x a === 使得120n y y y ==== ,这与非退化线性替换（1）的条件相矛盾.类似地可证得f 的负惯性指数q ≤.28.任何一个n 阶可逆复对称矩阵必定合同于以下形式的矩阵之一：0,0r rE E ⎛⎫ ⎪⎝⎭若n=2r ；0000,01r r E E ⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⎝⎭若n=2r+1. 证：设A 为n 阶可逆复对称矩阵.由于两个复对称矩阵合同的充分必要条件是其秩相等,故当n=2r 时,秩(A)=秩0,0r r E n E ⎛⎫=⎪⎝⎭因而A 合同于0;0r r E E ⎛⎫⎪⎝⎭当n=2r+1时,秩(A)=秩0000,001r r E E ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭因而A 合同于0000001r rE E ⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎝⎭.29.任何一个n 阶可逆实对称矩阵必合同于以下形式的矩阵之一：2000000r rn r E E E -⎛⎫⎪ ⎪ ⎪⎝⎭或20000.00r r n r E E E -⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭ 证：设A 为n 阶可逆实对称矩阵.当A 的符号差0,≥且-1的个数为r 时,A 合同于2;rrn r E E E -⎛⎫ ⎪- ⎪⎪-⎝⎭当A 的符号差<0,且1的个数为r 时,A 合同于11n n ij i j i j A g x x A===∑∑令2rr r r E E P E E -⎛⎫=⎪-⎝⎭,则00rr r r E E P P E E ⎛⎫⎛⎫'= ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭.故存在可逆矩阵20,0n r PQ E -⎛⎫= ⎪⎝⎭使22,r rrrn r n r E E Q E Q E E E --⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪'-= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭22.r rrrn r n r E E Q E Q E E E --⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪'-= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭30设A 是反对称矩阵,则A 合同于矩阵01100110.011000⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪- ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪- ⎪⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭证：用归纳法,当1n =时, ()0A =,命题显然成立.当n=2时,设1212.0a A a ⎛⎫=⎪-⎝⎭若12a =0,命题成立；若120a ≠,A 的第一行,第一列均乘以112a -,得01,10⎛⎫ ⎪-⎝⎭故A 与0110⎛⎫ ⎪-⎝⎭合同.即当1n =或2时,命题都成立.假定n k ≤时命题成立,往证1n k =+时命题成立.设11,11,11,1,1.00k k k k k k k k a a A a a a a ++++⎛⎫⎪⎪= ⎪- ⎪ ⎪--⎝⎭若最后一行,一列元素全为零,由归纳假定,命题成立；若最后一行,一列元素不全为零,则经过行,列同时对换,假定,10,k k a +≠于是,110,k k a +-≠去乘最后一行,一列,则A 化成11110110k ka b a b ⎛⎫⎪- ⎪ ⎪--⎝⎭由此将最后两行,两列的其他元素化为零,则A 合同于1,11,10.00000010010k k b b --⎛⎫ ⎪ ⎪⎪- ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭经过行,列同时对换,将右下角的0110⎛⎫⎪-⎝⎭移到左上角.再有归纳假定即知命题对1n k =+也真,归纳法完成.31.设n 阶是对称矩阵A 是满秩的,ij A 是()ij A a =中元素ij a 的代数余子式,则二次型11n nij i j i j A g x x A===∑∑和二次型f X AX '=有相同的正,负惯性指数.证：因为A 是满秩的,设AX Y =,则1X A Y -=.于是()()1212.2n n N n ++=+++=其中,()12,,,.n Y y y y '= 而1,A A A*-=因此11111,nnijiji j f Y A Y Y A Y A y y A A-*==''===∑∑即()()1212,,,,,,.nnf x x xg y y y = 由于非退还线性替换不改变二次型的秩和符号差,故f 和g 有相同的正负惯性指数.32.如果n 阶实对称矩阵按合同分类,即两个n 阶实对称矩阵属于同一类当且仅当它们合同,问共有多少类？解：设A 为n 阶实对称矩阵,秩A=r,由742条知,A 仅与下列r+1个对角矩阵之一合同：1220,1,,.00000r r r r E E E E E --⎛⎫⎛⎫-⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪-- ⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭而r 又可以取0,1, ,n 之一,故按合同分类,n 阶实对称矩阵的类数为()()()12121.2n n N n ++=++++=33.设a bi λ=+为n 阶实方阵A 的任一特征值,则11min max ,22i i a μμ≤≤其中,1,,n μμ 为A A '+的全部特征值.证：存在正交矩阵T,使()()1,,n T A A T diag μμ''+= .设β是A 属于λ的特征向量,即,A βλβ=则()()2.A A a ββλλββββ''''+=+=令()12,,,,n Y T y y y β''== 则()1,,2,n Y diag Y aY Y μμ''=21111;n nni iii i i i i j nu y y xx x +==≤≤≤=+∑∑∑()()2211min max ,nni ii i i i y a y μμ==≤≤∑∑210.ni i y =≠∑所以min 2max .i i a μμ≤≤同乘以12即得欲证的不等式.34.设A,B,AB 都是n 阶实对称矩阵,λ是AB 的一个特征根,则存在A 的一个特征根s,和B 的一个特征根t,使得.st λ=证：由A,B 都相似于对角矩阵及(),AB AB B A BA '''==故存在可逆矩阵T,使()()()()()()()()111111111,,,,,,,,,n n n n T AT diag s s T BT diag t t TAB T T A T T B T diag s t s t -----====由于11,,n n s t s t 为AB 的全部特征值,从而即得结论.35.设A 为n 实对称矩阵,A 为正定矩阵的充分必要条件是A 的各阶顺序主子式都大于零.36.判定下列二次型是否正定：（1）211;nnii j i i j nxx x =≤≤≤+∑∑（2）2111;nni i i i i j nx x x +=≤≤≤+∑∑解1）记二次型的矩阵为()ij A a =其中1,;1,2ij i j a i j =⎧⎪=⎨≠⎪⎩设A 的k 阶顺序主子式为,k A 则()110,1,2,,.2kk B k k n ⎛⎫=+>= ⎪⎝⎭由第780条A 为正定矩阵,从而二次型为正定的. 2）记二次型的矩阵为B,并设B 的k 阶顺序主子式为.k B 而110000211100022.10000121000012B ⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎪⎝⎭()110,1,2,,.2kk B k k n ⎛⎫=+>= ⎪⎝⎭因此由第780条知二次型是正定的.37.设0,0B A C ⎛⎫=⎪⎝⎭其中B,C 分别为k 阶和m 阶实对称矩阵,那么1）A 为实对称矩阵；2）B,C 都是正定矩阵⇒A 为正定矩阵；3）B,C 都是半正定矩阵⇒A 为半正定矩阵.证：1）显然.2）()1,,0,n X x x '∀=≠ 其中n=k+m,令()1,,,n X Y Y '''= 其中()()1121,,,,,,k k n Y x x Yx x +''== 则12,Y Y 不全为零,于是11220,X AX Y BY Y CY '''=+>即A 为正定矩阵.3）仿照2）可证.38.当a,b,c 取何值时,二次型223123132ax bx ax cx x +++是负定的？解：设二次型矩阵为A,则0000,00.00a c a c A b A b c a c a --⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪=-=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭由于-A 正定⇔A 负定,-A 正定的条件是()()()220,0,0,a a b b a c->-->-->即当0,0,a b a c <<>时,此二次型为负定.39.设12,,,n a a a 为n 个实数,当12,,,n a a a 满足什么条件时,二次型()()()()()22221112223111,,n n n n n n f x x x a x xa xx a x x a x--=++++++++ 是正定的？解：由于对任意1,,n x x 都有()1,,0n f x x ≥ ,故二次型()1,,n f x x 半正定.()11122231111122,,0100001000010n n n n n n n n f x x x a x x a x x a x x a x a x a x a x --=⇔+=+==+=+⇔⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪= ⎪⎪ ⎪⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭（1）因此f 为正定⇔()1,,0n f x x = 仅有零解⇔方程组（1）仅有零解⇔系数行列式D ()112110.n n a a a +=+-≠ 故当()121.nn a a a ≠- 时,二次型f 正定.40.设A 为正定矩阵,则1）()()1,0,,mA kA k Am Z A -*>∈都是正定矩阵；2）()10,m m g x a x a x a =+++ 其中,又至少有一个为正,则()g A 正定.证：1）设A 的全部特征值为12,,,,n λλλ 则由A 正定知()01,2,,.i i n λ>= 因为1A -是实对称矩阵,它的全部特征值为12111,,,,nλλλ 也全为正,故1A -为正定.同样；kA 实对称,其特征值()12,,0m k k k k λλλ> 全为正,故kA 为正定.m A 实对称,其特征值12,,,,m m m n λλλ 全为正,故m A 正定.因为1,A A A *-=而0,A >由前数述可知m A 正定.2）()g A 的全部特征值为()()()()12,,,,0n g g g k λλλ> 由假设知,他们的全为正,故()g A 为正定.41.设A 是实对称矩阵,则存在实数0,0,αβ>>使得22212.n n n nn b b B b b -⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭为正定矩阵.证：设A 的特征值为12,,,,n λλλ ,令(),g x x a =+则()g A E A α=+的特征值为12,,,.n a a a λλλ+++ 取max{},i αλ>则E A α+的特征值全为正,E A α+正定.取1,βα=则0β>,()1.E A E A βαα+=+由10,E A αα>+正定知E A β+也正定.42.主对角线上全是1的上三角矩阵称为特殊上三角矩阵.1)设A 是一对称矩阵,T 为特殊上三角矩阵,而,B T AT '=则A 与A 对应的顺序主子式有相同的值；2）如果对称矩阵A 的顺序主子式全不为零,那么一定有一特殊上三角矩阵T 使T AT '成对角形；3）利用以上结果证明：如果实对称矩阵A 的各阶顺序主子式全大于零,则A 是正定矩阵.证：1）设,k k A B 分别为A 和B 的k 阶顺序主子矩阵,下证,1,2,,.k k A B k n == 令,0kn k T T T -*⎛⎫= ⎪⎝⎭其中,i T 为特殊上三角矩阵.0,0*****i i ik k k n k n k T T T T A T B T T --⎛⎫⎛⎫''**⎛⎫⎛⎫*== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪'⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭则k k k B T A T '=,两边取行列式,并注意1,k T =得.k k B A =2)设n 阶对称矩阵(),ij A a =因为110,a ≠则对A 的第一行和第一列同时进行相应的第三种初等变换 A,可化为T '其中22212.n n n n n b b B b b -⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭ 由假设及1）的结论知11111222212200.0a a ab a a =≠从而220,b ≠把1n B -看成上面的A,1n B -又可化为2220.0n bB -⎛⎫ ⎪⎝⎭这继续样下去,可以讲A 化为对角矩阵.由于每进行一次行,列的第三种初等变换,相当于右乘特殊上三角矩阵T 而左乘T ',又特殊上三角矩阵之积仍为特殊上三角矩阵,因此即得2）.3）由2）的结论知,存在特殊上三角矩阵使()12,,,,n T AT diag λλλ'= 由1）知11121111221220,0,a a a a a λλλ⎛⎫=>=>⎪⎝⎭从而20.λ>这样继续下去证得一切0,1,2,,.i i n λ>= 考虑实二次型,X AX '令X TY =则()2211,n nX AX Y T AT Y y y λλ'''==++ 因此,当0X ≠时有0Y ≠,从而得知0,X AX '>即A 为正定矩阵.43若()11n nij ijijji i j a x x aa ===∑∑是正定二次型,则f 为负定二次型,其中()111121221,111,,,.0nn nn ij j i i j n nn n na a y a a y f y y A y y a a y y y ==-∑证：令(),ijn nA a ⨯=由第402条知()1,1,,,nn ij j i i j f y y A y y ==-∑ 其中ij A 是ij a 的代数余子式.上式说明二次型f 的相应的矩阵为().A *'-由A 正定知A *正定,这样()A A **'-=-负定.故f 为负定二次型.44.设A 为正定矩阵,则1）1,nn n A a P -≤这里1n P -是A 的n-1阶顺序主子式；2）()1122.nn A a a a ≤证：1）设1,n nnA X A X a -='其中()1112,1,,,,.n n n n n n P A X a a a ---'== 于是111,00n n n nnnnA X A X A X A X a a X ---==+''由第791条知1c o c os 1c o s .c o sc o s 1A B A A C B C --⎛⎫⎪=-- ⎪ ⎪--⎝⎭由A 正定知1n A -正定,从而11n A --正定,1110.n n A X A X ---'>所以1.nn n A a P -≤2）反复利用1）,则2）显然成立45.设()ij T t =是n 阶实可逆矩阵,则()()22211.nij i ni i T t T t t ==≤++∏ 证：因T是n阶实可逆矩阵,所以T T '是正定矩阵,于是21122121*,*n k k nk k nkn k t t T T t ===⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪'=⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭∑∑∑由第792条知()22211.n i ni i T T T t t ='=≤++∏ 46.设A,B,C 为三角形的内三角,则对任意实数x,y,z 有2222cos 2cos 2cos .x y z xy A xz B zy C ++≥++证：考虑二次型()222,,2cos 2cos 2cos .f x y z x y z xy A xz B yz C =++---其矩阵为1cos cos cos 1cos .cos cos 1A B A AC B C --⎛⎫ ⎪=-- ⎪ ⎪--⎝⎭由于A 的全部一阶主子式都等于一,二阶主子式都有形式21c o s ,α-因而221cos sin 0,αα-=≥唯一的三阶主子式22212cos cos cos cos cos cos ,A A B C A B C =----故二次型半正定,所以,对任意实数x,y,z 有(),,0.f x y z ≥故2222cos 2cos 2cos .x y z xy A xz B zy C ++≥++47.t 为何值时,二次型()222123123121323,,5222f x x x tx tx x tx x x x x x =+-+--是半负定的.解：设f 所对应的矩阵为A,则11.115t t A tt --⎛⎫⎪-=-- ⎪ ⎪⎝⎭f 为半负定二次型A ⇔-为半正定矩阵A ⇔-的一切主子式都非负01.5105t t t -≥⎧⇔⇔≤-⎨--≥⎩48.2211nn ii i i n x x ==⎛⎫- ⎪⎝⎭∑∑是半正定二次型.证：1）()2221110.nn i i i j i i i j nn x x x x ==≤≤≤⎛⎫-=-≥ ⎪⎝⎭∑∑∑49.设A,B 都是n n ⨯实对称B,则A-B 与B-A 均为半正定矩阵.A B ⇔= 证：充分性显然必要性,令C=A-B.设C 的n 个特征值为1,,,n λλ 那么A-B=B-A 的n 个值为1,,.n λλ-- 由于C 半正定得0,1,2,,i i n λ≥= 再由-C 半正定得0,1,2,,i i n λ-≥= 故0,1,2,,.i i n λ== 则存在正交矩阵T 使得()11,,0.n T CT diag λλ-== 所以C=A-B=0,即A=B.50.设A,B 和A-B 都是半正定矩阵,则.A B ≥ 1）当0,B =结论显然成立.2)当0,B >时,则B 为正定矩阵,由正定矩阵的充分必要条件易得存在正定矩阵G,使得2B G =.由A-B 是半正定知()11G A B G ---半正定矩阵.令 ()1111.C GA B G G AG E ----=-=-（1）由于11G AG--是实对称矩阵,因此存在正交矩阵T,使()()111,,,n T G AG T diag λλ--'= （2）其中,1,,n λλ 为11G AG --的全部特征值.由（1）,(2)得1111n T CT λλ--⎛⎫⎪= ⎪ ⎪-⎝⎭（3）因为C 是半正定矩阵,由（3）得10,i λ-≥即1,1,2,,.i i n λ≥= （2）式两边取行列式得111 1.n G A G λλ--=≥ 两边乘以B ,并注意2,B G=得.A B ≥51.设半正定矩阵11122122,A A A A A ⎛⎫=⎪⎝⎭其中1122,A A 为方阵,则1122.A A A ≤ 证：由于A 是半正定的,所以1122,A A 也是半正定的.1）若0.A =则结论显然成立.2）若0,A ≠由A 半正定知A 为正定矩阵,从而11A 为正定矩阵.令11112,0EA A T E -⎛⎫-=⎪⎝⎭则111222211120.0A T AT A A A A -⎛⎫'=⎪-⎝⎭(1)两边取行列式得11122221112A A A A A A -=∙-（2）由T AT '半正定知122221112A A A A --半正定,若()()112222221112221112A A A A A A A A ----=,则由798条知12222221112,A A A A A -≥-将它代入（2）式即得结论.52.()hadamard 设()ij A a =为n 阶实方阵,则2211n nij j i A a ==≤∑∏证：令,B A A '=则B 为半正定矩阵,在21122121*,*n k k nkk nnk k a aB a ===⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭∑∑∑的两边取行列式,再由799条得2211.n nij j i A B a ===≤∑∏53.设实对称矩阵A 的特征值全部大于a,实对称矩阵B 的特征值全部大于b,则A+B 的特征值全部大于a+b.证：设A 的特征值为1,,,n λλ 则A-aE 的特征值为1,,,n a a λλ-- 由假设知A-aE 的特征值全为正,故A-aE 正定.同理可证B-bE 也是正定.由于（A+B ）-(a+b)E=（A-aE ）+(B-bE),故知（A+B ）-(a+b)E 正定,则（A+B ）-(a+b)E 的特征值为λ-（a+b ）.从而λ>a+b,即A+B 的特征值全部大于a+b.54.()Schur 设n 阶矩阵()(),ij ij A a B b ==均为正定矩阵,(),ij C c =其中,ij ij ij c a b =则C 为正定矩阵.证：由B 为正定矩阵知,存在可逆矩阵P 使得.B P P '=令(),ij P p =则1.nij kikj k b pp ==∑由于是对任意()1,,0,n X x x '=≠有11111n n n nn ij ij i j ij ki kj i j i j i j k X CX a b x x a p p x x =====⎛⎫'== ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑ ()()()111111111,,,k nnnnnij ki i kj j k kn n k k i j k k k kn n p x a p x p x p x p x A Y AX p x =====⎛⎫ ⎪'=== ⎪ ⎪⎝⎭∑∑∑∑∑ 其中()11,,.k k kn n Y p x p x '= 由0X ≠及P 可逆易知0.s Y ≠由A 正定知0,s s Y AY '>从而0,X CX '>故知C 是正定矩阵.55.设A,B,是正定矩阵,AB 是正定矩阵的充分必要条件AB=BA.证：必要性,显然,下证充分条件.由于A,B 均相似于对角矩阵,且AB=BA,从而存在可逆矩阵T,使()()1111,,,,,.n n T AT diag T BT diag λλμμ--== 由A,B 为正定矩阵知0,0,1,2,,.i i i n λμ>>= 但()()111,,,n n T AB T diag λμλμ-= 所以AB 的特征值11,,n n λμλμ 都大于零,故AB 正定.56.设A 是n 阶正定矩阵,B 是n 阶实对称矩阵,则必存在n 阶可逆矩阵T,使得1T AT E -=,()11,,,n T BT diag μμ-= 其中1,,n μμ 是0A B λ-=的n 个实根.证：因为A 合同于E,故存在可逆矩阵P 使得1,P AP E -=由于B 是实对称矩阵,则1P BP -也是实对称矩阵.从而存在正交矩阵Q 使得()()111,,,n QPBP Q diag μμ--= 其中1,,n μμ 为1P BP -的实特征值.令T=PQ,则1T AT E -=,()11,,,n T BT diag μμ-= ()()11,,.n TA B T diag λλμλμ--=--两边取行列式有()()21,n T A B λλμλμ-=-- 故1,,n μμ 为0A B λ-=的全部实根.57.设A 是n 阶正定矩阵,AB 是n 阶实对称矩阵,则AB 是正定矩阵等价于B 的特征值全大于零.证：必要性：由第805条得知1T AT E -=,()()1,,.n T AB T diag μμ'= 由于合同不改变正定性,故0,1,2,,i i n μ>= .所以()1111T AB T T ATT BT T BT ----==可知B 的特征值全大于零.充分性：有必要性证明知（1）式的1,,n μμ 是B 的特征值,而0,1,2,,i i n μ>= ,所以()1TAB T -正定,因而可知AB 也正定.58.设A 是n 阶是矩阵,C 是n 阶正定矩阵,若存在正定矩阵B 使得 ,AB BA C '+=-则A 的全部特征值全小于零.证：由假设及第805条可知存在可逆矩阵使得,T BT E '=()1,,,n T CT diag c c '= 其中1,,n c c 都大于零.用T '左乘,T右乘,A B B A C '+=-两边得()()11,T A T T BT T BT TAT T CT --'''''''==-()()()()111,,.nT A T T A T diag c c --'''''+=-- 任取A 的一个特征值ia b λλ=+,则知11max min 0.22i i c a c -≤≤-<59.设2111,nnii n i i i f a xb x x -+===+∑∑其中a,b 为实数,问a ,b 满足什么条件时,二次型f 正定的.解：设对应的矩阵为A,k ∆为A 的k 级顺序主子式（k=1,2,...,n ）,由735条知：1）当n=2m时,有()22,1,2,,;,1,2,,.k k km k m k a k m a a b k m -+⎡⎢⎢∆==∆=-=⎣故当a >0,220a b ->时,f 为正定二次型.2）当n=2m+1时,有()()()221,1,2,,;;,1,2,,.kk m m km k m k a k m a b a a b a a b k m -++∆==∆=+∆=⎡⎢⎢⎢⎢⎣+-= , 故当a >0,0,0a b a b ->+>时f 为正定二次型.60.设,A A '=则A 可逆等价于存在矩阵B 使得AB B A '+正定.证：必要性：令1B A -=即可.充分性：由于AB B A '+正定,故对任意n 维列向量00,X ≠有()()()()0000000002.X AB B A X AX BX BX AX AX BX '''''<+=+=由此知,00,A X ≠这就是说0A X =只有零解,故A 可逆.61设A 为n 阶半正定矩阵,则1）当B 是n 阶正定矩阵时,,A B B +≥当且仅当A=0时等号成立；2）当0A ≠时1A E +>.证：1）由第805条,存在可逆矩阵T 使得1T AT E -=,()11,,,n T BT diag μμ-= （1）()()111,,1.n T A B T diag λμμ-+=++ （2）由A 半正定知0,1,2,,.i i n μ>= 于是在（1）,（2）两式两边取行列式可得()()()11110,1,2,,.0.n i i n A μμμ++=⇔==⇔= (3)消去2T即得.A B B +≥由于（3）式成立等号的条件是()()()11110,1,2,,.0.n i i n A μμμ++=⇔==⇔=2)在1）中令B=E 即可.62.设A 是n 阶正定矩阵,B 为n 阶非零半正定矩阵,证明：.A B A B +>+证：由805条知存在可逆矩阵T,使得1T AT E -=,()11,,,n T BT diag μμ-= 其中0,1,2,,.i i n μ≥= 并至少有一个0k μ>不然B 就等于零.于是()0.0,0.A B X A B X X A X X ''+>+=>∀≠两边消去2T ,即得所要证明.63 设A 是n 阶正定矩阵,B 是非零实反对称矩阵,则0.A B +>证：由B 是反对称矩阵及由第761条知0,X BX '=故由假设A 为正定矩阵得()00100,0.X A B X X AX X ''+=>∀≠(1)若0.A B +=则()0A B X +=由非零解0X .于是()000X A B X '+=,这与（1）式矛盾.（2）若0A B +<,则由第765条知存在10X ≠,使得()110X A B X '+<,这也与（1）式矛盾.故原命题成立.。

线性代数第五章答案解析

第五章相似矩阵及二次型1. 试用施密特法把下列向量组正交化:(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛=931421111) , ,(321a a a ;解根据施密特正交化方法,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==11111a b , ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=101],[],[1112122b b b a b a b ,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--=12131],[],[],[],[222321113133b b b a b b b b a b a b .(2)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=011101110111) , ,(321a a a .解根据施密特正交化方法,⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==110111a b ,⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=123131],[],[1112122b b b a b a b ,⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--=433151],[],[],[],[222321113133b b b a b b b b a b a b .2. 下列矩阵是不是正交阵:(1)⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---121312112131211; 解此矩阵的第一个行向量非单位向量, 故不是正交阵.(2)⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------979494949198949891. 解该方阵每一个行向量均是单位向量, 且两两正交, 故为正交阵.3. 设x 为n 维列向量, x T x =1, 令H =E -2xx T , 证明H 是对称的正交阵. 证明因为H T =(E -2xx T )T =E -2(xx T )T =E -2(xx T )T =E -2(x T )T x T =E -2xx T , 所以H 是对称矩阵. 因为H T H =HH =(E -2xx T )(E -2xx T ) =E -2xx T -2xx T +(2xx T )(2xx T ) =E -4xx T +4x (x T x )x T =E -4xx T +4xx T=E , 所以H 是正交矩阵.4. 设A 与B 都是n 阶正交阵, 证明AB 也是正交阵. 证明因为A , B 是n 阶正交阵, 故A -1=A T , B -1=B T ,(AB )T (AB )=B T A T AB =B -1A -1AB =E ,故AB 也是正交阵.5. 求下列矩阵的特征值和特征向量:(1)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----201335212;解 3)1(201335212||+-=-------=-λλλλλE A ,故A 的特征值为λ=-1(三重). 对于特征值λ=-1, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=+000110101101325213~E A ,得方程(A +E )x =0的基础解系p 1=(1, 1, -1)T , 向量p 1就是对应于特征值λ=-1的特征值向量.(2)⎪⎪⎭⎫⎝⎛633312321;解 )9)(1(633312321||-+-=---=-λλλλλλλE A ,故A 的特征值为λ1=0, λ2=-1, λ3=9. 对于特征值λ1=0, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=000110321633312321~A ,得方程A x =0的基础解系p 1=(-1, -1, 1)T , 向量p 1是对应于特征值λ1=0的特征值向量. 对于特征值λ2=-1, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+000100322733322322~E A ,得方程(A +E )x =0的基础解系p 2=(-1, 1, 0)T , 向量p 2就是对应于特征值λ2=-1的特征值向量.对于特征值λ3=9, 由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-00021101113333823289~E A , 得方程(A -9E )x =0的基础解系p 3=(1/2, 1/2, 1)T , 向量p 3就是对应于特征值λ3=9的特征值向量.(3)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛0001001001001000.（和书后答案不同，以书后为主，但解题步骤可以参考）解 22)1()1(01010010100||+-=----=-λλλλλλλE A , 故A 的特征值为λ1=λ2=-1, λ3=λ4=1. 对于特征值λ1=λ2=-1, 由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=+00000000011010011001011001101001~E A , 得方程(A +E )x =0的基础解系p 1=(1, 0, 0, -1)T , p 2=(0, 1, -1, 0)T , 向量p 1和p 2是对应于特征值λ1=λ2=-1的线性无关特征值向量. 对于特征值λ3=λ4=1, 由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=-00000000011010011001011001101001~E A , 得方程(A -E )x =0的基础解系p 3=(1, 0, 0, 1)T , p 4=(0, 1, 1, 0)T , 向量p 3和p 4是对应于特征值λ3=λ4=1的线性无关特征值向量.6. 设A 为n 阶矩阵, 证明A T 与A 的特征值相同. 证明因为|A T -λE |=|(A -λE )T |=|A -λE |T =|A -λE |,所以A T 与A 的特征多项式相同, 从而A T 与A 的特征值相同.7. 设n 阶矩阵A 、B 满足R (A )+R (B )<n , 证明A 与B 有公共的特征值, 有公共的特征向量.证明设R (A )=r , R (B )=t , 则r +t <n .若a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n -r 是齐次方程组A x =0的基础解系, 显然它们是A 的对应于特征值λ=0的线性无关的特征向量.类似地, 设b 1, b 2, ⋅⋅⋅, b n -t 是齐次方程组B x =0的基础解系, 则它们是B 的对应于特征值λ=0的线性无关的特征向量.由于(n -r )+(n -t )=n +(n -r -t )>n , 故a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n -r , b 1, b 2, ⋅⋅⋅, b n -t 必线性相关. 于是有不全为0的数k 1, k 2, ⋅⋅⋅, k n -r , l 1, l 2, ⋅⋅⋅, l n -t , 使k 1a 1+k 2a 2+ ⋅⋅⋅ +k n -r a n -r +l 1b 1+l 2b 2+ ⋅⋅⋅ +l n -r b n -r =0.记γ=k1a1+k2a2+⋅⋅⋅+k n-r a n-r=-(l1b1+l2b2+⋅⋅⋅+l n-r b n-r),则k1,k2,⋅⋅⋅,k n-r不全为0,否则l1,l2,⋅⋅⋅,l n-t不全为0,而l1b1+l2b2+⋅⋅⋅+l n-r b n-r=0,与b1,b2,⋅⋅⋅,b n-t线性无关相矛盾.因此,γ≠0,γ是A的也是B的关于λ=0的特征向量,所以A与B有公共的特征值,有公共的特征向量.8.设A2-3A+2E=O,证明A的特征值只能取1或2.证明设λ是A的任意一个特征值,x是A的对应于λ的特征向量,则(A2-3A+2E)x=λ2x-3λx+2x=(λ2-3λ+2)x=0.因为x≠0,所以λ2-3λ+2=0,即λ是方程λ2-3λ+2=0的根,也就是说λ=1或λ=2.9.设A为正交阵,且|A|=-1,证明λ=-1是A的特征值.证明因为A为正交矩阵,所以A的特征值为-1或1.（需要说明）因为|A|等于所有特征值之积,又|A|=-1,所以必有奇数个特征值为-1,即λ=-1是A 的特征值.10.设λ≠0是m阶矩阵A m⨯n B n⨯m的特征值,证明λ也是n阶矩阵BA的特征值.证明设x是AB的对应于λ≠0的特征向量,则有(AB)x=λx,于是B(AB)x=B(λx),或BA(B x)=λ(B x),从而λ是BA的特征值,且B x是BA的对应于λ的特征向量.11.已知3阶矩阵A的特征值为1, 2, 3,求|A3-5A2+7A|.解令ϕ(λ)=λ3-5λ2+7λ,则ϕ(1)=3,ϕ(2)=2,ϕ(3)=3是ϕ(A)的特征值,故|A 3-5A 2+7A |=|ϕ(A )|=ϕ(1)⋅ϕ(2)⋅ϕ(3)=3⨯2⨯3=18.12. 已知3阶矩阵A 的特征值为1, 2, -3, 求|A *+3A +2E |. 解因为|A |=1⨯2⨯(-3)=-6≠0, 所以A 可逆, 故 A *=|A |A -1=-6A -1, A *+3A +2E =-6A -1+3A +2E .令ϕ(λ)=-6λ-1+3λ+2, 则ϕ(1)=-1, ϕ(2)=5, ϕ(-3)=-5是ϕ(A )的特征值, 故 |A *+3A +2E |=|-6A -1+3A +2E |=|ϕ(A )|=ϕ(1)⋅ϕ(2)⋅ϕ(-3)=-1⨯5⨯(-5)=25.13. 设A 、B 都是n 阶矩阵, 且A 可逆, 证明AB 与BA 相似.证明取P =A , 则P -1ABP =A -1ABA =BA ,即AB 与BA 相似.14. 设矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛=50413102x A 可相似对角化, 求x .解由)6()1(50413102||2---=---=-λλλλλλx E A ,得A 的特征值为λ1=6, λ2=λ3=1.因为A 可相似对角化, 所以对于λ2=λ3=1, 齐次线性方程组(A -E )x =0有两个线性无关的解, 因此R (A -E )=1. 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-00030010140403101)(~x x E A r知当x =3时R (A -E )=1, 即x =3为所求.15. 已知p =(1, 1, -1)T 是矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=2135212b a A 的一个特征向量.(1)求参数a , b 及特征向量p 所对应的特征值; 解设λ是特征向量p 所对应的特征值, 则(A -λE )p =0, 即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------0001112135212λλλb a ,解之得λ=-1, a =-3, b =0.(2)问A 能不能相似对角化？并说明理由. 解由3)1(201335212||--=-------=-λλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=λ2=λ3=1. 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=-00011010111325211~r b E A知R (A -E )=2, 所以齐次线性方程组(A -E )x =0的基础解系只有一个解向量. 因此A 不能相似对角化.16. 试求一个正交的相似变换矩阵, 将下列对称阵化为对角阵:(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛----020212022;解将所给矩阵记为A . 由λλλλ-------=-20212022E A =(1-λ)(λ-4)(λ+2),得矩阵A 的特征值为λ1=-2, λ2=1, λ3=4. 对于λ1=-2, 解方程(A +2E )x =0, 即0220232024321=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----x x x , 得特征向量(1, 2, 2)T , 单位化得T)32 ,32 ,31(1=p .对于λ2=1, 解方程(A -E )x =0, 即0120202021321=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----x x x , 得特征向量(2, 1, -2)T , 单位化得T)32 ,31 ,32(2-=p .对于λ3=4, 解方程(A -4E )x =0, 即0420232022321=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------x x x , 得特征向量(2, -2, 1)T , 单位化得T)31 ,32 ,32(3-=p .于是有正交阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(-2, 1, 4).(2)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----542452222. （和书后答案不同，以书后答案为准，解题步骤可以参考）解将所给矩阵记为A . 由λλλλ-------=-542452222E A =-(λ-1)2(λ-10),得矩阵A 的特征值为λ1=λ2=1, λ3=10. 对于λ1=λ2=1, 解方程(A -E )x =0, 即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----000442442221321x x x , 得线性无关特征向量(-2, 1, 0)T 和(2, 0, 1)T , 将它们正交化、单位化得T 0) 1, ,2(511-=p , T 5) ,4 ,2(5312=p .对于λ3=10, 解方程(A -10E )x =0, 即⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------000542452228321x x x , 得特征向量(-1, -2, 2)T , 单位化得T)2 ,2 ,1(313--=p .于是有正交阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(1, 1, 10).17. 设矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=12422421x A 与⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=Λy 45相似, 求x , y ; 并求一个正交阵P , 使P -1AP =Λ.解已知相似矩阵有相同的特征值, 显然λ=5, λ=-4, λ=y 是Λ的特征值, 故它们也是A 的特征值. 因为λ=-4是A 的特征值, 所以0)4(9524242425|4|=-=---+---=+x x E A ,解之得x =4.已知相似矩阵的行列式相同, 因为100124242421||-=-------=A , y y2045||-=-=Λ,所以-20y =-100, y =5.对于λ=5, 解方程(A -5E )x =0, 得两个线性无关的特征向量(1, 0, -1)T , (1, -2, 0)T . 将它们正交化、单位化得T )1 ,0 ,1(211-=p , T )1 ,4 ,1(2312-=p .对于λ=-4, 解方程(A +4E )x =0, 得特征向量(2, 1, 2)T , 单位化得T )2 ,1 ,2(313=p .于是有正交矩阵⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=23132212343102313221P , 使P -1AP =Λ. 18. 设3阶方阵A 的特征值为λ1=2, λ2=-2, λ3=1; 对应的特征向量依次为p 1=(0, 1, 1)T , p 2=(1, 1, 1)T , p 3=(1, 1, 0)T , 求A .解令P =(p 1, p 2, p 3), 则P -1AP =diag(2, -2, 1)=Λ, A =P ΛP -1. 因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--11011101101111111011P ,所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=Λ=-1101110111000200020111111101P P A ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=244354332. 19. 设3阶对称阵A 的特征值为λ1=1, λ2=-1, λ3=0; 对应λ1、λ2的特征向量依次为p 1=(1, 2, 2)T , p 2=(2, 1, -2)T , 求A .解设⎪⎪⎭⎫⎝⎛=653542321x x x x x x x x x A , 则A p 1=2p 1, A p 2=-2p 2, 即⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++222222122653542321x x x x x x x x x , ---① ⎪⎩⎪⎨⎧=-+-=-+-=-+222122222653542321x x x x x x x x x . ---② 再由特征值的性质, 有x 1+x 4+x 6=λ1+λ2+λ3=0. ---③由①②③解得612131x x --=, 6221x x =, 634132x x -=,642131x x -=, 654132x x +=. 令x 6=0, 得311-=x , x 2=0, 323=x , 314=x , 325=x . 因此⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=022********A . 20. 设3阶对称矩阵A 的特征值λ1=6, λ2=3, λ3=3, 与特征值λ1=6对应的特征向量为p 1=(1, 1, 1)T , 求A .解设⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=653542321x x x x x x x x x A . 因为λ1=6对应的特征向量为p 1=(1, 1, 1)T , 所以有⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1116111A , 即⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++666653542321x x x x x x x x x ---①. λ2=λ3=3是A 的二重特征值, 根据实对称矩阵的性质定理知R (A -3E )=1. 利用①可推出⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-331113333653542653542321~x x x x x x x x x x x x x x x E A .因为R (A -3E )=1, 所以x 2=x 4-3=x 5且x 3=x 5=x 6-3, 解之得x 2=x 3=x 5=1, x 1=x 4=x 6=4.因此⎪⎪⎭⎫⎝⎛=411141114A .21. 设a =(a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n )T , a 1≠0, A =aa T .(1)证明λ=0是A 的n -1重特征值;证明设λ是A 的任意一个特征值, x 是A 的对应于λ的特征向量, 则有 A x =λx ,λ2x =A 2x =aa T aa T x =a T a A x =λa T ax , 于是可得λ2=λa T a , 从而λ=0或λ=a T a .设λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn 是A 的所有特征值, 因为A =aa T 的主对角线性上的元素为a 12, a 22, ⋅ ⋅ ⋅, a n 2, 所以a 12+a 22+ ⋅ ⋅ ⋅ +a n 2=a T a =λ1+λ2+ ⋅ ⋅ ⋅ +λn ,这说明在λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn 中有且只有一个等于a T a , 而其余n -1个全为0, 即λ=0是A 的n -1重特征值.(2)求A 的非零特征值及n 个线性无关的特征向量. 解设λ1=a T a , λ2= ⋅ ⋅ ⋅ =λn =0.因为A a =aa T a =(a T a )a =λ1a , 所以p 1=a 是对应于λ1=a T a 的特征向量.对于λ2= ⋅ ⋅ ⋅ =λn =0, 解方程A x =0, 即aa T x =0. 因为a ≠0, 所以a T x =0, 即a 1x 1+a 2x 2+ ⋅ ⋅ ⋅ +a n x n =0, 其线性无关解为p 2=(-a 2, a 1, 0, ⋅⋅⋅, 0)T , p 3=(-a 3, 0, a 1, ⋅⋅⋅, 0)T ,⋅ ⋅ ⋅,p n =(-a n , 0, 0, ⋅⋅⋅, a 1)T .因此n 个线性无关特征向量构成的矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-=⋅⋅⋅112212100), , ,(a a a aa a a nn n p p p . 22. 设⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=340430241A , 求A 100.解由)5)(5)(1(340430241||+---=----=-λλλλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=5, λ3=-5.对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得特征向量p 1=(1, 0, 0)T . 对于λ1=5, 解方程(A -5E )x =0, 得特征向量p 2=(2, 1, 2)T . 对于λ1=-5, 解方程(A +5E )x =0, 得特征向量p 3=(1, -2, 1)T . 令P =(p 1, p 2, p 3), 则P -1AP =diag(1, 5, -5)=Λ, A =P ΛP -1, A 100=P Λ100P -1. 因为Λ100=diag(1, 5100, 5100),⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--1202105055112021012111P , 所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=12021050555112021012151100100100A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=1001001005000501501.23. 在某国, 每年有比例为p 的农村居民移居城镇, 有比例为q 的城镇居民移居农村, 假设该国总人口数不变, 且上述人口迁移的规律也不变. 把n 年后农村人口和城镇人口占总人口的比例依次记为x n 和y n (x n +y n =1).(1)求关系式⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛++n n n n y x A y x 11中的矩阵A ;解由题意知x n +1=x n +qy n -px n =(1-p )x n +qy n , y n +1=y n +px n -qy n = px n +(1-q )y n , 可用矩阵表示为⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛++n n n n y x q p q p y x 1111,因此⎪⎭⎫⎝⎛--=q p q p A 11.(2)设目前农村人口与城镇人口相等, 即⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛5.05.000y x , 求⎪⎭⎫ ⎝⎛n n y x .解由⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛++n n n n y x A y x 11可知⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛00y x A y x n n n . 由)1)(1(11||q p q p qp E A ++--=----=-λλλλλ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=r , 其中r =1-p -q .对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得特征向量p 1=(q , p )T . 对于λ1=r , 解方程(A -rE )x =0, 得特征向量p 2=(-1, 1)T .令⎪⎭⎫⎝⎛-==11) ,(21p q P p p , 则P -1AP =diag(1, r )=Λ, A =P ΛP -1, A n =P Λn P -1. 于是11100111-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-=p q r p q A nn⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=q p r p q q p n 11001111 ⎪⎭⎫ ⎝⎛+--++=n n n n qr p pr p qr q pr q q p 1, ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+--++=⎪⎭⎫ ⎝⎛5.05.01n n n n n n qr p pr p qr q pr q q p y x ⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-++=n n r p q p r q p q q p )(2)(2)(21.24. (1)设⎪⎭⎫ ⎝⎛--=3223A , 求ϕ(A )=A 10-5A 9; 解由)5)(1(3223||--=----=-λλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=5.对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得单位特征向量T )1 ,1(21. 对于λ1=5, 解方程(A -5E )x =0, 得单位特征向量T )1 ,1(21-.于是有正交矩阵⎪⎭⎫ ⎝⎛-=111121P , 使得P -1AP =diag(1, 5)=Λ, 从而A =P ΛP -1, A k =P Λk P -1. 因此ϕ(A )=P ϕ(Λ)P -1=P (Λ10-5Λ9)P -1 =P [diag(1, 510)-5diag(1, 59)]P -1 =P diag(-4, 0)P -1⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1111210004111121⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛----=111122222.(2)设⎪⎪⎭⎫⎝⎛=122221212A , 求ϕ(A )=A 10-6A 9+5A 8.解求得正交矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=20223123161P , 使得P -1AP =diag(-1, 1, 5)=Λ, A =P ΛP -1. 于是 ϕ(A )=P ϕ(Λ)P -1=P (Λ10-6Λ9+5Λ8)P -1 =P [Λ8(Λ-E )(Λ-5E )]P -1=P diag(1, 1, 58)diag(-2, 0, 4)diag(-6, -4, 0)P -1 =P diag(12, 0, 0)P -1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=222033211001220223123161 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=4222112112.25. 用矩阵记号表示下列二次型: (1) f =x 2+4xy +4y 2+2xz +z 2+4yz ;解⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=z y x z y x f 121242121) , ,(.(2) f =x 2+y 2-7z 2-2xy -4xz -4yz ; 解⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------=z y x z y x f 722211211) , ,(.(3) f =x 12+x 22+x 32+x 42-2x 1x 2+4x 1x 3-2x 1x 4+6x 2x 3-4x 2x 4.解⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=432143211021013223111211) , , ,(x x x x x x x x f . 26. 写出下列二次型的矩阵: (1)x x x ⎪⎭⎫ ⎝⎛=1312)(T f ; 解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛=1222A . (2)x x x ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=987654321)(T f .解二次型的矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=975753531A .27. 求一个正交变换将下列二次型化成标准形: (1) f =2x 12+3x 22+3x 33+4x 2x 3;解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛=320230002A . 由)1)(5)(2(320230002λλλλλλλ---=---=-E A ,得A 的特征值为λ1=2, λ2=5, λ3=1. 当λ1=2时, 解方程(A -2E )x =0, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-0001002101202100002~E A ,得特征向量(1, 0, 0)T . 取p 1=(1, 0, 0)T . 当λ2=5时, 解方程(A -5E )x =0, 由⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-0001100012202200035~E A ,得特征向量(0, 1, 1)T . 取T )21 ,21,0(2=p .当λ3=1时, 解方程(A -E )x =0, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-000110001220220001~E A ,得特征向量(0, -1, 1)T . 取T )21 ,21 ,0(3-=p .于是有正交矩阵T =(p 1, p 2, p 3)和正交变换x =T y , 使f =2y 12+5y 22+y 32.(2) f =x 12+x 22+x 32+x 42+2x 1x 2-2x 1x 4-2x 2x 3+2x 3x 4.解二次型矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=1101111001111011A . 由2)1)(3)(1(1101111001111011--+=--------=-λλλλλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=-1, λ2=3, λ3=λ4=1.当λ1=-1时, 可得单位特征向量T )21 ,21 ,21 ,21(1--=p .当λ2=3时, 可得单位特征向量T)21 ,21 ,21 ,21(2--=p .当λ3=λ4=1时, 可得线性无关的单位特征向量T )0 ,21 ,0 ,21(3=p , T )21 ,0 ,21 ,0(4=p .于是有正交矩阵T =( p 1, p 2, p 3, p 4)和正交变换x =T y , 使f =-y 12+3y 22+y 32+y 42.28. 求一个正交变换把二次曲面的方程3x 2+5y 2+5z 2+4xy -4xz -10yz =1化成标准方程.解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=552552223A .由)11)(2(552552223||---=-------=-λλλλλλλE A , 得A 的特征值为λ1=2,λ2=11, λ3=0, .对于λ1=2, 解方程(A -2E )x =0, 得特征向量(4, -1, 1)T , 单位化得)231 ,231 ,234(1-=p .对于λ2=11, 解方程(A -11E )x =0, 得特征向量(1, 2, -2)T , 单位化得)32 ,32 ,31(2-=p .对于λ3=0, 解方程A x =0, 得特征向量(0, 1, 1)T , 单位化得)21 ,21,0(3=p . 于是有正交矩阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(2, 11, 0), 从而有正交变换⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛w v u z y x 21322312132231031234,使原二次方程变为标准方程2u 2+11v 2=1.29. 明: 二次型f =x T A x 在||x ||=1时的最大值为矩阵A 的最大特征值. 证明 A 为实对称矩阵, 则有一正交矩阵T , 使得TAT -1=diag(λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn )=Λ成立, 其中λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn 为A 的特征值, 不妨设λ1最大. 作正交变换y =T x , 即x =T T y , 注意到T -1=T T , 有 f =x T A x =y T TAT T y =y T Λy =λ1y 12+λ2y 22+ ⋅ ⋅ ⋅ +λn y n 2. 因为y =T x 正交变换, 所以当||x ||=1时, 有||y ||=||x ||=1, 即y 12+y 22+ ⋅ ⋅ ⋅ +y n 2=1.因此f =λ1y 12+λ2y 22+ ⋅ ⋅ ⋅ +λn y n 2≤λ1,又当y 1=1, y 2=y 3=⋅ ⋅ ⋅=y n =0时f =λ1, 所以f max =λ1.30. 用配方法化下列二次形成规范形, 并写出所用变换的矩阵. (1) f (x 1, x 2, x 3)=x 12+3x 22+5x 32+2x 1x 2-4x 1x 3; 解 f (x 1, x 2, x 3)=x 12+3x 22+5x 32+2x 1x 2-4x 1x 3=(x 1+x 2-2x 3)2+4x 2x 3+2x 22+x 32 =(x 1+x 2-2x 3)2-2x 22+(2x 2+x 3)2.令 ⎪⎩⎪⎨⎧+==-+=323223211222x x y x y x x x y , 即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-==+-=323223211221225y y x y x y y y x , 二次型化为规范形f =y 12-y 22+y 32,所用的变换矩阵为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=12002102251C .(2) f (x 1, x 2, x 3)=x 12+2x 32+2x 1x 3+2x 2x 3; 解 f (x 1, x 2, x 3)=x 12+2x 32+2x 1x 3+2x 2x 3 =(x 1+x 3)2+x 32+2x 2x 3; =(x 1+x 3)2-x 22+(x 2+x 3)2.令 ⎪⎩⎪⎨⎧+==+=32322311x x y x y x x y , 即⎪⎩⎪⎨⎧+-==-+=323223211y y x y x y y y x ,二次型化为规范形f =y 12-y 22+y 32,所用的变换矩阵为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=110010111C .(3) f (x 1, x 2, x 3)=2x 12+x 22+4x 32+2x 1x 2-2x 2x 3. 解 f (x 1, x 2, x 3)=2x 12+x 22+4x 32+2x 1x 2-2x 2x 3.3223222212421)21(2x x x x x x -+++=232322212)2(21)21(2x x x x x +-++=.令 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-=+=333222112)2(21)21(2x y x x y x x y , 即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=--=33322321121222212121y x y y x yy y x , 二次型化为规范形f =y 12+y 22+y 32,所用的变换矩阵为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=10022011121C . 31. 设f =x 12+x 22+5x 32+2ax 1x 2-2x 1x 3+4x 2x 3为正定二次型, 求a .解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=5212111a a A , 其主子式为a 11=1, 2111a a a -=, )45(5212111+-=--a a a a .因为f 为正主二次型, 所以必有1-a 2>0且-a (5a +4)>0, 解之得054<<-a .32. 判别下列二次型的正定性: (1) f =-2x 12-6x 22-4x 32+2x 1x 2+2x 1x 3;解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=401061112A . 因为0211<-=a , 0116112>=--, 038||<-=A ,所以f 为负定.(2) f =x 12+3x 22+9x 32+19x 42-2x 1x 2+4x 1x 3+2x 1x 4-6x 2x 4-12x 3x 4.解二次型的矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=19631690230311211A . 因为 0111>=a , 043111>=--, 06902031211>=--, 024>=A ,所以f 为正定.33. 证明对称阵A 为正定的充分必要条件是: 存在可逆矩阵U , 使A =U T U , 即A 与单位阵E 合同.证明因为对称阵A 为正定的, 所以存在正交矩阵P 使P T AP =diag(λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn )=Λ, 即A =P ΛP T ,其中λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn 均为正数. 令), , ,diag(211n λλλ⋅⋅⋅=Λ, 则Λ=Λ1Λ1, A =P Λ1Λ1T P T .再令U =Λ1T P T , 则U 可逆, 且A =U T U .。

第五章二次型自测题及答案

第五章二次型自测题姓名学号一、填空题1. 实二次型112222(,)41x x x x ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭的矩阵为，秩为，正惯性指数为，规范形为 .2. 与对称矩阵合同的矩阵只能是矩阵.3. 复二次型12(,,,)n f x x x 的规范形由所唯一确定.4. 实二次型222121122(,,,)n n n f x x x d x d x d x =+++正定i d ⇔ ，i=1,2,…,n .5. 二次型12121312321(,,,)(222)(22)2n n n n n f x x x x x x x x x x x x x x x -=++++++++的矩阵 .6. 写出实对称矩阵1032150225302⎛⎫- ⎪ ⎪⎪⎪ ⎪ ⎪- ⎪⎝⎭所确定的二次型123(,,)f x x x = . 7. 两个复二次型等价充分必要条件是 . 8. 两个实二次型等价充分必要条件是 . 二、判断题1. 设A 、B 为n 阶方阵，若存在n 阶方阵C ，使C AC B '=，则A 与B 合同.（）2. 若A 为正定矩阵，则A 的主对角线上的元素皆大于零. （）3. 若A 为负定矩阵，则必有0A <. （）4. 实对称矩阵A 半正定当且仅当A 的所有顺序主子式全大于或等于零. （）5. 若A 负定，则A 的所有顺序主子式全小于零. （）6. 非退化线性替换把不定二次型变为不定二次型. （）7. 若实二次型1211(,,,)n nn ij i j i j f x x x a x x ===∑∑的符号差为s ，令i j i jb a =-，则二次型1211(,,,)nnn ij i j i j g x x x b x x ===∑∑的符号差为－s. （）三、选择题1. 已知二次型22123121223(,,)244f x x x x x x x x x =+--，试对它作如下非退化线性替换11223311120111002x y x y x y ⎛⎫- ⎪⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎪⎝⎭结果为（）. A. 2221231231(,,)2f x x x y y y =-+ B. 222123123(,,)42f x x x y y y =+-C. 2221231231(,,)22f x x x y y y =-+D. 2221231239(,,)4f x x x y y y =-+ 2. 下列矩阵合同于单位矩阵的是（）.A. 111111111⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭B. 101010101⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭C. 121271118⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⎝⎭ D. 21231323242⎛⎫⎪- ⎪ ⎪-- ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭3. 下面的说法正确的是（）.A. 设,A B 为n 级对称矩阵，若存在n 级矩阵C ，使C AC B '=，则A 与B 合同；B. 两个对称矩阵一定合同；C. 矩阵1001⎛⎫ ⎪⎝⎭与矩阵1001⎛⎫⎪-⎝⎭在复数域上不合同；D. 矩阵1001⎛⎫ ⎪⎝⎭与矩阵1001⎛⎫⎪-⎝⎭在实数域上不合同.4. 下面的说法不正确．．．的是（）. A. 若A 为反对称矩阵，则2A 是反对称矩阵； B. 若A 为可逆对称矩阵，则A 与1A -合同；C. 若A 为实n 级可逆矩阵，A 与A -合同，则n 必为偶数；D. 令1200AA A ⎛⎫= ⎪⎝⎭，1200B B B ⎛⎫= ⎪⎝⎭，如果1A 与1B 合同，2A 与2B 合同，则A 与B 合同. 5. 与二次型212311223(,,)22f x x x x x x x x =-+相对应的实对称矩阵是（）.A. 110102020-⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭B.110101010-⎛⎫⎪- ⎪ ⎪⎝⎭C. 111100100-⎛⎫⎪- ⎪ ⎪⎝⎭D. 101001110-⎛⎫⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭6. 二次型22(,)43f x y x xy y =-+的矩阵A =（）.A. 1223-⎛⎫ ⎪-⎝⎭B.1223⎛⎫⎪⎝⎭ C. 1223⎛⎫⎪-⎝⎭ D. 1223-⎛⎫⎪⎝⎭7. 二次型123(,,)f x x x X AX '=，113100301A -⎛⎫⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭，则这个二次型应是（）.A. 221121233x x x x x x -+-B. 2211213326x x x x x x -+- C. 221121332262x x x x x x -+- D. 22112123262x x x x x x -+-+8. 复数域中二次型222123123121323(,,)22242f x x x x x x x x x x x x =-++++的规范形为（）. A. 222123123(,,)f x x x z z z =++ B. 222123123(,,)f x x x z z z =-+C. 2212312(,,)f x x x z z =+ D. 21231(,,)f x x x z =9. 二次型222123123121323(,,)55266f x x x x x cx x x x x x x =++-+-的秩为2，则c =（）. A. 4 B. 3 C. 2 D. 110. 设,A B 均为n 级矩阵，且A 与B 合同，则（）.A. ,A B 相似B. A B =C. ()()r A r B =D. ,A B 有相同的特征值11. 实二次型22123121223(,,)222f x x x x x x x x x =++-的规范形为（）. A. 222123123(,,)f x x x z z z =++ B. 222123123(,,)f x x x z z z =-+C. 222123123(,,)f x x x z z z =--D. 2212312(,,)f x x x z z =+12. 下列二次型正惯性指数等于2的是（）.A. 221231232(,,)()2f x x x x x x x =++-B. 222123123121323(,,)5622f x x x x x x x x x x x x =++--+C. 22212312312(,,)f x x x x x x x x =++- D. 222123123121323(,,)222f x x x x x x x x x x x x =++-+-13. 实二次型2221231231213(,,)56444f x x x x x x x x x x =--+++的秩与符号差为（）. A. 3,1- B. 3,1 C. 2,1- D. 2,114. 对称矩阵110121010A ⎛⎫⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭的秩和负惯性指数等于（）.A. 3,1-B. 3,1C. 2,1-D. 2,115. n 级复数对称矩阵按合同分类，即两个n 实级对称矩阵属于同一类当且仅当他们合同，共有几类？（）.A. 1n +B. nC. 2n +D. 1n - 16. 如果任意120,0,,0n x x x ≠≠≠（即12,,,n x x x 全不为0）代入实二次型12(,,,)n f x x x 中都有0f >，则12(,,,)n f x x x 是（）.A. 正定B. 负定C. 不是正定D. 不一定正定 17. 下列二次型属于正定的是（）.A. 2212312(,,)f x x x x x =+B. 22212312312(,,)2f x x x x x x x x =+++ C. 2221231231213(,,)436f x x x x x x x x x x =++-- D. 222123123121323(,,)222f x x x x x x x x x x x x =+++++ 18. 实二次型22ax bxy cy ++是正定的当且仅当（）. A. 0a >且240ac b -> B. 0a >或240ac b -> C. 0a > D. 240ac b -> 四、计算题求二次型22123121223(,,)326f x x x x x x x x x =---的标准形，并写出所作的非退化线性替换. 五、证明题1. 证明：若 A 为负定矩阵，则存在可逆矩阵 P ，使A ＋P ´P ＝0.2. 实二次型1211(,,,),()nnn ij i j i j f x x x a x x X AX A A ==''===∑∑，且秩(A)＝n . 二次型1211(,,,)n nij n i j i j A g x x x x x A===∑∑，证明：f 与g 具有相同的符号差，因而有相同的正负惯性指数.第五章二次型自测题答案一、填空题1. 实二次型112222(,)41x x x x ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭的矩阵为，秩为，正惯性指数为，标准形为，规范形为 .答案：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-1332，2，1，22212112x x -，2221x x - 2. 与对称矩阵合同的矩阵只能是矩阵. 答案：对称3. 复二次型12(,,,)n f x x x 的规范形由所唯一确定.答案：它的秩4. 实二次型222121122(,,,)n n n f x x x d x d x d x =+++正定i d ⇔ ，i=1,2,…,n .答案：>05. 二次型12121312321(,,,)(222)(22)2n n n n n f x x x x x x x x x x x x x x x -=++++++++的矩阵 .答案：0111101111011110⎛⎫ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭6. 写出实对称矩阵1032150225302⎛⎫- ⎪ ⎪ ⎪⎪⎪ ⎪-⎪⎝⎭所确定的二次型123(,,)f x x x = . 答案：12132365x x x x x x -+7. 两个复二次型等价充分必要条件是 . 答案：秩相等8. 两个实二次型等价充分必要条件是 . 答案：秩相等，正惯性指数相同二、判断题1. 设A 、B 为n 阶方阵，若存在n 阶方阵C ，使C AC B '=，则A 与B 合同.（ F ）2. 若A 为正定矩阵，则A 的主对角线上的元素皆大于零. （ T ）解析：由A 正定,则对任一x≠0,x T Ax > 0.取x=εi ,第i 个分量为1,其余分量都是0.则 εi T Aεi = a ii > 0,i=1,2,...,n 所以 A 的对角线上的元素都大于零.3. 若A 为负定矩阵，则必有0A <. （ F ）4. 实对称矩阵A 半正定当且仅当A 的所有顺序主子式全大于或等于零. （ F ）5. 若A 负定，则A 的所有顺序主子式全小于零. （ F ）6. 非退化线性替换把不定二次型变为不定二次型. （ T ）7. 若实二次型1211(,,,)n nn ij i j i j f x x x a x x ===∑∑的符号差为s ，令i j i jb a =-，则二次型1211(,,,)nnn ij i j i j g x x x b x x ===∑∑的符号差为－s. （ T ）三、选择题1. 已知二次型22123121223(,,)244f x x x x x x x x x =+--，试对它作如下非退化线性替换11223311011121200x y x y x y ⎛⎫- ⎪⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎪⎝⎭结果为（）. A. 2221231231(,,2)f x x x y y y =-+ B. 222123123(,,)42f x x x y y y =+-C. 2221231231(,,)22f x x x y y y =-+D. 2221231239(,,)4f x x x y y y =-+ 答案：A2. 下列矩阵合同于单位矩阵的是（）.A. 111111111⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭B. 101010101⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭C. 121271118⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⎝⎭ D. 21231323242⎛⎫ ⎪- ⎪⎪-- ⎪ ⎪ ⎪--⎝⎭答案：C3. 下面的说法正确的是（）.A. 设,A B 为n 级对称矩阵，若存在n 级矩阵C ，使C AC B '=，则A 与B 合同；B. 两个对称矩阵一定合同；C. 矩阵1001⎛⎫ ⎪⎝⎭与矩阵1001⎛⎫⎪-⎝⎭在复数域上不合同；D. 矩阵1001⎛⎫ ⎪⎝⎭与矩阵1001⎛⎫⎪-⎝⎭在实数域上不合同.答案：D4. 下面的说法不正确．．．的是（）. A. 若A 为反对称矩阵，则2A 是反对称矩阵； B. 若A 为可逆对称矩阵，则A 与1A -合同；C. 若A 为实n 级可逆矩阵，A 与A -合同，则n 必为偶数；D. 令1200A A A ⎛⎫= ⎪⎝⎭，1200B B B ⎛⎫= ⎪⎝⎭，如果1A 与1B 合同，2A 与2B 合同，则A 与B 合同.答案：A5. 与二次型212311223(,,)22f x x x x x x x x =-+相对应的实对称矩阵是（）.A. 110102020-⎛⎫ ⎪- ⎪ ⎪⎝⎭B.110101010-⎛⎫⎪- ⎪ ⎪⎝⎭C. 111100100-⎛⎫⎪- ⎪ ⎪⎝⎭ D. 101001110-⎛⎫⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭答案：B6. 二次型22(,)43f x y x xy y =-+的矩阵A =（）.A. 1223-⎛⎫ ⎪-⎝⎭B. 1223⎛⎫ ⎪⎝⎭ C. 1223⎛⎫ ⎪-⎝⎭ D. 1223-⎛⎫ ⎪⎝⎭ 答案：A7. 二次型123(,,)f x x x X AX '=，113100301A -⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭，则这个二次型应是（）.A. 221121233x x x x x x -+-B. 2211213326x x x x x x -+-C. 221121332262x x x x x x -+-D. 22112123262x x x x x x -+-+ 答案：B8. 复数域中二次型222123123121323(,,)22242f x x x x x x x x x x x x =-++++的规范形为（）. A. 222123123(,,)f x x x z z z =++ B. 222123123(,,)f x x x z z z =-+C. 2212312(,,)f x x x z z =+ D. 21231(,,)f x x x z = 答案：A9. 二次型222123123121323(,,)55266f x x x x x cx x x x x x x =++-+-的秩为2，则c =（）. A. 4 B. 3 C. 2 D. 1 答案：B10. 设,A B 均为n 级矩阵，且A 与B 合同，则（）.A. ,A B 相似B. A B =C. ()()r A r B =D. ,A B 有相同的特征值答案：C11. 实二次型22123121223(,,)222f x x x x x x x x x =++-的规范形为（）. A. 222123123(,,)f x x x z z z =++ B. 222123123(,,)f x x x z z z =-+ C. 222123123(,,)f x x x z z z =-- D. 2212312(,,)f x x x z z =+答案：B12. 下列二次型正惯性指数等于2的是（）.A. 221231232(,,)()2f x x x x x x x =++- B.222123123121323(,,)5622f x x x x x x x x x x x x =++--+C. 22212312312(,,)f x x x x x x x x =++- D. 222123123121323(,,)222f x x x x x x x x x x x x =++-+- 答案：B13. 实二次型2221231231213(,,)56444f x x x x x x x x x x =--+++的秩与符号差为（）. A. 3,1- B. 3,1 C. 2,1- D. 2,1 答案：A14. 对称矩阵110121010A ⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭的秩和负惯性指数等于（）.A. 3,1-B. 3,1C. 2,1-D. 2,1答案：B15. n 级复数对称矩阵按合同分类，即两个n 实级对称矩阵属于同一类当且仅当他们合同，共有几类？（）.A. 1n +B. nC. 2n +D. 1n - 答案：A16. 如果任意120,0,,0n x x x ≠≠≠（即12,,,n x x x 全不为0）代入实二次型12(,,,)n f x x x 中都有0f >，则12(,,,)n f x x x 是（）.A. 正定B. 负定C. 不是正定D. 不一定正定答案：D17. 下列二次型属于正定的是（）.A. 2212312(,,)f x x x x x =+B. 22212312312(,,)2f x x x x x x x x =+++ - C. 2221231231213(,,)436f x x x x x x x x x x =++-- D. 222123123121323(,,)222f x x x x x x x x x x x x =+++++ 答案：C18. 实二次型22ax bxy cy ++是正定的当且仅当（）.A. 0a >且240ac b ->B. 0a >或240ac b ->C. 0a >D. 240ac b -> 答案：A四、计算题1. 求二次型22123121223(,,)326f x x x x x x x x x =---的标准形，并写出所作的非退化线性替换.解：经过非退化线性替换⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛32132110043104311y y y x x x ，标准形为.494232221x x x +-五、证明题1. 证明：若 A 为负定矩阵，则存在可逆矩阵 P ，使A ＋P ´P ＝0. 证明：因为A 是负定矩阵，所以存在可逆矩阵Q 使得Q T AQ=-E, 则 A=-(Q T )-1Q -1, 令P=Q -1为所求.2. 实二次型1211(,,,),()nnn ij i j i j f x x x a x x X AX A A ==''===∑∑，且秩(A)＝n. 二次型1211(,,,)n nij n i j i j A g x x x x x A===∑∑，证明：f 与g 具有相同的符号差，因而有相同的正负惯性指数证明：f 的矩阵为A, g 的矩阵为.||1*-=A A A 设⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=q p T E E AP P 00, 则⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==----q p T T E E P A P AP P 00)()(1111，所以结论成立.。

线性代数第五章习题答案

则 H 是正交阵. 综上得证 H 是对称的正交阵.
4 . 设 A 与 B 都是正交阵, 证明 AB 也是正交阵.
证明: 因为 A, B 是正交阵, 故 A−1 = AT , B −1 = B T .
(AB ) (AB ) = B T AT AB = B −1 A−1 AB = E .
T
故 AB 也是正交阵.
9 . 设 A 为正交阵, 且 |A| = −1, 证明 λ = −1 是 A 的特征值.
证明: 即需证明 λ = −1 满足特征方程 |A − λE | = 0, 即 |A + E | = 0. 因为
|A + E | = A + AT A = E + AT |A| = − AT + E = − (A + E )T = − |A + E | , (|A| = −1) (A 为正交阵)
(A2 − 3A + 2E )p = (λ2 − 3λ + 2)p.
又由 A2 − 3A + 2E = O , 代入上式得
(λ2 − 3λ + 2)p = 0.
而特征向量 p = 0, 所以
λ 2 − 3λ + 2 = 0 .
解得 λ = 1 或 2. 得证 A 的特征值只能取 1 或 2. 一个有缺陷的证明: 由 A2 − 3A + 2E = O , 得 (A − 2E )(A − E ) = O . 两边取行列式得
的全部特征值向量.
−1 0 1 1 0 0
0 1 −1
−1 1 0 0 0 2 0
0 , −1
得基础解系 p3 = 1 , 故 k3 p3 (k3 = 0) 是对应于 λ3 = 9 的全部特征值向量. 2 (3) 由 −λ |A − λE | = 0 1

线性代数第五章答案

线性代数第五章答案第五章相似矩阵及二次型1. 试用施密特法把下列向量组正交化:(1)=931421111) , ,(321a a a ;解根据施密特正交化方法,==11111a b ,-=-=101],[],[1112122b b b a b a b ,-=--=12131],[],[],[],[222321113133b b b a b b b b a b a b .(2)---=011101110111) , ,(321a a a .解根据施密特正交化方法,-==110111a b ,-=-=123131],[],[1112122b b b a b a b , ?-=--=433151],[],[],[],[222321113133b b b a b b b b a b a b . 2. 下列矩阵是不是正交阵:(1)---121312112131211;解此矩阵的第一个行向量非单位向量, 故不是正交阵.(2)------979494949198949891.解该方阵每一个行向量均是单位向量, 且两两正交, 故为正交阵.3. 设x 为n 维列向量, x T x =1, 令H =E -2xx T , 证明H 是对称的正交阵. 证明因为H T =(E -2xx T )T =E -2(xx T )T =E -2(xx T )T =E -2(x T )T x T =E -2xx T , 所以H 是对称矩阵. 因为H T H =HH =(E -2xx T )(E -2xx T ) =E -2xx T -2xx T +(2xx T )(2xx T ) =E -4xx T +4x (x T x )x T =E -4xx T +4xx T =E , 所以H 是正交矩阵.4. 设A 与B 都是n 阶正交阵, 证明AB 也是正交阵. 证明因为A ,B 是n 阶正交阵, 故A -1=A T , B -1=B T ,(AB )T (AB )=B T A T AB =B -1A -1AB =E ,故AB 也是正交阵.5. 求下列矩阵的特征值和特征向量:(1)----201335212;解 3)1(201335212||+-=-------=-λλλλλE A ,故A 的特征值为λ=-1(三重). 对于特征值λ=-1, 由----=+000110101101325213~E A ,得方程(A +E )x =0的基础解系p 1=(1, 1, -1)T , 向量p 1就是对应于特征值λ=-1的特征值向量.(2)633312321;解 )9)(1(633312321||-+-=---=-λλλλλλλE A ,故A 的特征值为λ1=0, λ2=-1, λ3=9. 对于特征值λ1=0, 由=000110321633312321~A ,得方程A x =0的基础解系p 1=(-1, -1, 1)T , 向量p 1是对应于特征值λ1=0的特征值向量. 对于特征值λ2=-1, 由=+000100322733322322~E A ,得方程(A +E )x =0的基础解系p 2=(-1, 1, 0)T , 向量p 2就是对应于特征值λ2=-1的特征值向量. 对于特征值λ3=9, 由--???? ??---=-00021101113333823289~E A ,得方程(A -9E )x =0的基础解系p 3=(1/2, 1/2, 1)T , 向量p 3就是对应于特征值λ3=9的特征值向量.(3)0001001001001000.（和书后答案不同，以书后为主，但解题步骤可以参考）解22)1()1(001010010100||+-=----=-λλλλλλλE A ,故A 的特征值为λ1=λ2=-1, λ3=λ4=1. 对于特征值λ1=λ2=-1,由=+00000000011010011001011001101001~E A , 得方程(A +E )x =0的基础解系p 1=(1, 0, 0, -1)T , p 2=(0, 1, -1, 0)T , 向量p 1和p 2是对应于特征值λ1=λ2=-1的线性无关特征值向量.对于特征值λ3=λ4=1, 由------=-00000000011010011001011001101001~E A , 得方程(A -E )x =0的基础解系p 3=(1, 0, 0, 1)T , p 4=(0, 1, 1, 0)T , 向量p 3和p 4是对应于特征值λ3=λ4=1的线性无关特征值向量.6. 设A 为n 阶矩阵, 证明A T 与A 的特征值相同. 证明因为|A T -λE |=|(A -λE )T |=|A -λE |T =|A -λE |,所以A T 与A 的特征多项式相同, 从而A T 与A 的特征值相同.7.设n阶矩阵A、B满足R(A)+R(B)<n,证明a与b有公共的特征值,有公共的特征向量.< p="">证明设R(A)=r,R(B)=t,则r+t<n.< p="">若a1,a2,,a n-r是齐次方程组A x=0的基础解系,显然它们是A的对应于特征值λ=0的线性无关的特征向量.类似地,设b1,b2,,b n-t是齐次方程组B x=0的基础解系,则它们是B的对应于特征值λ=0的线性无关的特征向量.由于(n-r)+(n-t)=n+(n-r-t)>n,故a1,a2,,a n-r,b1,b2,,b n-t 必线性相关.于是有不全为0的数k1,k2,,k n-r,l1,l2,,l n-t,使k1a1+k2a2++k n-r a n-r+l1b1+l2b2++l n-r b n-r=0.记γ=k1a1+k2a2++k n-r a n-r=-(l1b1+l2b2++l n-r b n-r),则k1,k2,,k n-r不全为0,否则l1,l2,,l n-t不全为0,而l1b1+l2b2++l n-r b n-r=0,与b1,b2,,b n-t线性无关相矛盾.因此,γ≠0,γ是A的也是B的关于λ=0的特征向量,所以A与B有公共的特征值,有公共的特征向量.8.设A2-3A+2E=O,证明A的特征值只能取1或2.证明设λ是A的任意一个特征值,x是A的对应于λ的特征向量,则(A2-3A+2E)x=λ2x-3λx+2x=(λ2-3λ+2)x=0.因为x≠0,所以λ2-3λ+2=0,即λ是方程λ2-3λ+2=0的根,也就是说λ=1或λ=2.9.设A为正交阵,且|A|=-1,证明λ=-1是A的特征值.证明因为A为正交矩阵,所以A的特征值为-1或1.（需要说明）因为|A|等于所有特征值之积,又|A|=-1,所以必有奇数个特征值为-1,即λ=-1是A的特征值.10.设λ≠0是m阶矩阵A m?n B n?m的特征值,证明λ也是n阶矩阵BA的特征值.证明设x是AB的对应于λ≠0的特征向量,则有(AB)x=λx,于是B(AB)x=B(λx),或BA(B x)=λ(B x),从而λ是BA的特征值,且B x是BA的对应于λ的特征向量.11.已知3阶矩阵A的特征值为1, 2, 3,求|A3-5A2+7A|.解令?(λ)=λ3-5λ2+7λ, 则?(1)=3, ?(2)=2, ?(3)=3是?(A )的特征值, 故 |A 3-5A 2+7A |=|?(A )|=?(1)??(2)??(3)=3?2?3=18.12. 已知3阶矩阵A 的特征值为1, 2, -3, 求|A *+3A +2E |. 解因为|A |=1?2?(-3)=-6≠0, 所以A 可逆, 故 A *=|A |A -1=-6A -1, A *+3A +2E =-6A -1+3A +2E .令?(λ)=-6λ-1+3λ+2, 则?(1)=-1, ?(2)=5, ?(-3)=-5是?(A )的特征值, 故 |A *+3A +2E |=|-6A -1+3A +2E |=|?(A )|=?(1)??(2)??(-3)=-1?5?(-5)=25.13. 设A 、B 都是n 阶矩阵, 且A 可逆, 证明AB 与BA 相似.证明取P =A , 则P -1ABP =A -1ABA =BA ,即AB 与BA 相似.14. 设矩阵=50413102x A 可相似对角化, 求x .解由)6()1(50413102||2---=---=-λλλλλλx E A ,得A 的特征值为λ1=6, λ2=λ3=1.因为A 可相似对角化, 所以对于λ2=λ3=1, 齐次线性方程组(A -E )x =0有两个线性无关的解, 因此R (A -E )=1. 由-???? ??=-00030010140403101)(~x x E A r知当x =3时R (A -E )=1, 即x =3为所求.15. 已知p =(1, 1, -1)T 是矩阵---=2135212b a A 的一个特征向量.(1)求参数a , b 及特征向量p 所对应的特征值;解设λ是特征向量p 所对应的特征值, 则(A -λE )p =0, 即=???? ??-???? ??------0001112135212λλλb a ,解之得λ=-1, a =-3, b =0.(2)问A 能不能相似对角化？并说明理由. 解由3)1(201335212||--=-------=-λλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=λ2=λ3=1. 由-???? ??----=-00011010111325211~r b E A知R (A -E )=2, 所以齐次线性方程组(A -E )x =0的基础解系只有一个解向量. 因此A 不能相似对角化.16. 试求一个正交的相似变换矩阵, 将下列对称阵化为对角阵:(1)----020212022;解将所给矩阵记为A . 由λλλλ-------=-20212022E A =(1-λ)(λ-4)(λ+2),得矩阵A 的特征值为λ1=-2, λ2=1, λ3=4. 对于λ1=-2, 解方程(A +2E )x =0, 即0220232024321=----x x x , 得特征向量(1, 2, 2)T , 单位化得T)32 ,32 ,31(1=p .对于λ2=1, 解方程(A -E )x =0, 即0120202021321=-----x x x , 得特征向量(2, 1, -2)T , 单位化得T )32 ,31 ,32(2-=p . 对于λ3=4, 解方程(A -4E )x =0, 即0420232022321=-------x x x , 得特征向量(2, -2, 1)T , 单位化得T )31 ,32 ,32(3-=p . 于是有正交阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(-2, 1, 4).(2)----542452222. （和书后答案不同，以书后答案为准，解题步骤可以参考）解将所给矩阵记为A . 由λλλλ-------=-542452222E A =-(λ-1)2(λ-10),得矩阵A 的特征值为λ1=λ2=1, λ3=10. 对于λ1=λ2=1, 解方程(A -E )x =0, 即=???? ?????? ??----000442442221321x x x , 得线性无关特征向量(-2, 1, 0)T 和(2, 0, 1)T , 将它们正交化、单位化得T 0) 1, ,2(511-=p , T 5) ,4 ,2(5312=p .对于λ3=10, 解方程(A -10E )x =0, 即=???? ?????? ??-------000542452228321x x x ,得特征向量(-1, -2, 2)T , 单位化得T )2 ,2 ,1(313--=p . 于是有正交阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(1, 1, 10).17. 设矩阵------=12422421x A 与-=Λy 45相似, 求x , y ; 并求一个正交阵P , 使P -1AP =Λ.解已知相似矩阵有相同的特征值, 显然λ=5, λ=-4, λ=y 是Λ的特征值, 故它们也是A 的特征值. 因为λ=-4是A 的特征值, 所以0)4(9524242425|4|=-=---+---=+x x E A ,解之得x =4.已知相似矩阵的行列式相同, 因为100124242421||-=-------=A , y y2045||-=-=Λ,所以-20y =-100, y =5.对于λ=5, 解方程(A -5E )x =0, 得两个线性无关的特征向量(1, 0, -1)T , (1, -2, 0)T . 将它们正交化、单位化得T )1 ,0 ,1(211-=p , T )1 ,4 ,1(2312-=p .对于λ=-4, 解方程(A +4E )x =0, 得特征向量(2, 1, 2)T , 单位化得T )2 ,1 ,2(313=p .于是有正交矩阵?--=23132212343102313221P , 使P -1AP =Λ. 18. 设3阶方阵A 的特征值为λ1=2, λ2=-2, λ3=1; 对应的特征向量依次为p 1=(0, 1, 1)T , p 2=(1, 1, 1)T , p 3=(1,1, 0)T , 求A .解令P =(p 1, p 2, p 3), 则P -1AP =diag(2, -2, 1)=Λ, A =P ΛP -1.因为---=???? ??=--11011101101111111011P ,所以---???? ??-???? ??=Λ=-1101110111000200020111111101P P A------=244354332. 19. 设3阶对称阵A 的特征值为λ1=1, λ2=-1, λ3=0; 对应λ1、λ2的特征向量依次为p 1=(1, 2, 2)T , p 2=(2, 1, -2)T , 求A .解设=653542321x x x x x x x x x A , 则A p 1=2p 1, A p 2=-2p 2, 即 =++=++=++222222122653542321x x x x x x x x x , ---① =-+-=-+-=-+222122222653542321x x x x x x x x x . ---② 再由特征值的性质, 有x 1+x 4+x 6=λ1+λ2+λ3=0. ---③由①②③解得612131x x --=, 6221x x =, 634132x x -=,642131x x -=, 654132x x +=. 令x 6=0, 得311-=x , x 2=0, 323=x ,314=x , 325=x . 因此-=022********A . 20. 设3阶对称矩阵A 的特征值λ1=6, λ2=3, λ3=3, 与特征值λ1=6对应的特征向量为p 1=(1, 1, 1)T , 求A .解设=653542321x x x x x x x x x A .因为λ1=6对应的特征向量为p 1=(1, 1, 1)T , 所以有=???? ??1116111A , 即?=++=++=++666653542321x x x x x x x x x ---①. λ2=λ3=3是A 的二重特征值, 根据实对称矩阵的性质定理知R (A -3E )=1. 利用①可推出--???? ??---=-331113333653542653542321~x x x x x x x x x x x x x x x E A .因为R (A -3E )=1, 所以x 2=x 4-3=x 5且x 3=x 5=x 6-3, 解之得x 2=x 3=x 5=1, x 1=x 4=x 6=4.因此=411141114A .21. 设a =(a 1, a 2, , a n )T , a 1≠0, A =aa T . (1)证明λ=0是A 的n -1重特征值;证明设λ是A 的任意一个特征值, x 是A 的对应于λ的特征向量, 则有A x =λx ,λ2x =A 2x =aa T aa T x =a T a A x =λa T ax , 于是可得λ2=λa T a , 从而λ=0或λ=a T a .设λ1, λ2, ? ? ?, λn 是A 的所有特征值, 因为A =aa T 的主对角线性上的元素为a 12, a 22, ? ? ?, a n 2, 所以a 12+a 22+ ? ? ? +a n 2=a T a =λ1+λ2+ ? ? ? +λn ,这说明在λ1, λ2, ? ? ?, λn 中有且只有一个等于a T a , 而其余n -1个全为0, 即λ=0是A 的n -1重特征值.(2)求A 的非零特征值及n 个线性无关的特征向量. 解设λ1=a Ta , λ2= ? ? ? =λn =0.因为A a =aa T a =(a T a )a =λ1a , 所以p 1=a 是对应于λ1=a T a 的特征向量.对于λ2= ? ? ? =λn =0, 解方程A x =0, 即aa T x =0. 因为a ≠0, 所以a T x =0, 即a 1x 1+a 2x 2+ ? ? ? +a n x n =0, 其线性无关解为p 2=(-a 2, a 1, 0, , 0)T ,p 3=(-a 3, 0, a 1, , 0)T , ? ? ?,p n =(-a n , 0, 0, , a 1)T .因此n 个线性无关特征向量构成的矩阵为--=112212100), , ,(a a a aa a a nn n p p p . 22. 设-=340430241A , 求A 100. 解由)5)(5)(1(340430241||+---=----=-λλλλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=5, λ3=-5.对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得特征向量p 1=(1, 0, 0)T . 对于λ1=5, 解方程(A -5E )x =0, 得特征向量p 2=(2, 1, 2)T . 对于λ1=-5, 解方程(A +5E )x =0, 得特征向量p 3=(1, -2, 1)T . 令P =(p 1, p 2, p 3), 则P -1AP =diag(1, 5, -5)=Λ, A =P ΛP -1, A 100=P Λ100P -1. 因为Λ100=diag(1, 5100, 5100),--=???? ??-=--1202105055112021012111P ,所以--???? ?????? ??-=12021050555112021012151100100100A-=1001001005000501501.23. 在某国, 每年有比例为p 的农村居民移居城镇, 有比例为q 的城镇居民移居农村, 假设该国总人口数不变, 且上述人口迁移的规律也不变. 把n 年后农村人口和城镇人口占总人口的比例依次记为x n 和y n (x n +y n =1).(1)求关系式??=??++n n n n y x A y x 11中的矩阵A ;解由题意知x n +1=x n +qy n -px n =(1-p )x n +qy n , y n +1=y n +px n -qy n = px n +(1-q )y n , 可用矩阵表示为--=??? ??++n n n n y x q p q p y x 1111,因此--=q p q p A 11.(2)设目前农村人口与城镇人口相等, 即??? ??=??? ??5.05.000y x , 求?n n y x .解由??=??++n n n n y x A y x 11可知??=??00y x A y x n n n . 由)1)(1(11||q p q p qp E A ++--=----=-λλλλλ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=r , 其中r =1-p -q .对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得特征向量p 1=(q , p )T . 对于λ1=r ,解方程(A -rE )x =0, 得特征向量p 2=(-1, 1)T . 令??-==11) ,(21p q P p p , 则 P -1AP =diag(1, r )=Λ, A =P ΛP -1, A n =P Λn P -1.于是 11100111-??-??? ????? ??-=p q r p q A n n-??? ????? ??-+=q p r p q q p n 11001111+--++=n n n n qr p pr p qr q pr q q p 1,+--++=??? ??5.05.01n n n n n n qr p pr p qr q pr q q p y x ??-+-++=n n r p q p r q p q q p )(2)(2)(21.24. (1)设??--=3223A , 求?(A )=A 10-5A 9; 解由)5)(1(3223||--=----=-λλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=5.对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得单位特征向量T )1 ,1(21. 对于λ1=5, 解方程(A -5E )x =0, 得单位特征向量T )1 ,1(21-.于是有正交矩阵?-=111121P , 使得P -1AP =diag(1, 5)=Λ,从而A =P ΛP -1, A k =P Λk P -1. 因此?(A )=P ?(Λ)P -1=P (Λ10-5Λ9)P -1 =P [diag(1, 510)-5diag(1, 59)]P -1 =P diag(-4, 0)P -1-??? ??-??? ??-=1111210004111121-=??? ??----=111122222.(2)设=122221212A , 求?(A )=A 10-6A 9+5A 8.解求得正交矩阵为---=20223123161P , 使得P -1AP =diag(-1, 1, 5)=Λ, A =P ΛP -1. 于是?(A )=P ?(Λ)P -1=P (Λ10-6Λ9+5Λ8)P -1 =P [Λ8(Λ-E )(Λ-5E )]P -1=P diag(1, 1, 58)diag(-2, 0, 4)diag(-6, -4, 0)P -1 =P diag(12, 0,0)P -1---???? ?---=222033*********223123161----=4222112112. 25. 用矩阵记号表示下列二次型: (1) f =x 2+4xy +4y 2+2xz +z 2+4yz ; 解=z y x z y x f 121242121) , ,(.(2) f =x 2+y 2-7z 2-2xy -4xz -4yz ; 解-------=z y x z y x f 722211211) , ,(.(3) f =x 12+x 22+x 32+x 42-2x 1x 2+4x 1x 3-2x 1x 4+6x 2x 3-4x 2x 4.解------=432143211021013223111211) , , ,(x x x x x x x x f .26. 写出下列二次型的矩阵: (1)x x x ?=1312)(T f ;解二次型的矩阵为=1222A .(2)x x x=987654321)(T f .解二次型的矩阵为=975753531A .27. 求一个正交变换将下列二次型化成标准形: (1) f =2x 12+3x 22+3x 33+4x 2x 3;解二次型的矩阵为=320230002A . 由)1)(5)(2(320230002λλλλλλλ---=---=-E A ,得A 的特征值为λ1=2, λ2=5, λ3=1. 当λ1=2时, 解方程(A -2E )x =0, 由=-0001002101202100002~E A ,得特征向量(1, 0, 0)T . 取p 1=(1, 0, 0)T . 当λ2=5时, 解方程(A -5E )x =0, 由-???? ??---=-0001100012202200035~E A ,得特征向量(0, 1, 1)T . 取T )21 ,21,0(2=p .当λ3=1时, 解方程(A -E )x =0, 由=-000110001220220001~E A ,得特征向量(0, -1, 1)T . 取T )21 ,21 ,0(3-=p .于是有正交矩阵T =(p 1, p 2, p 3)和正交变换x =T y , 使f =2y 12+5y 22+y 32.(2) f =x 12+x 22+x 32+x 42+2x 1x 2-2x 1x 4-2x 2x 3+2x 3x 4.解二次型矩阵为----=1101111001111011A . 由2)1)(3)(1(1101111001111011--+=--------=-λλλλλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=-1, λ2=3, λ3=λ4=1.当λ1=-1时, 可得单位特征向量T )21 ,21 ,21 ,21(1--=p .当λ2=3时, 可得单位特征向量T )21 ,21 ,21 ,21(2--=p . 当λ3=λ4=1时, 可得线性无关的单位特征向量T )0 ,21 ,0 ,21(3=p , T )21 ,0 ,21 ,0(4=p .于是有正交矩阵T =( p 1, p 2, p 3, p 4)和正交变换x =T y , 使f =-y 12+3y 22+y 32+y 42.28. 求一个正交变换把二次曲面的方程3x 2+5y 2+5z 2+4xy -4xz -10yz =1化成标准方程.解二次型的矩阵为----=552552223A .由)11)(2(552552223||---=-------=-λλλλλλλE A , 得A 的特征值为λ1=2,λ2=11, λ3=0, .对于λ1=2, 解方程(A -2E )x =0, 得特征向量(4, -1, 1)T , 单位化得)231 ,231 ,234(1-=p .对于λ2=11, 解方程(A -11E )x =0, 得特征向量(1, 2, -2)T , 单位化得)32 ,32 ,31(2-=p . 对于λ3=0, 解方程A x =0, 得特征向量(0, 1, 1)T , 单位化得)21 ,21,0(3=p .于是有正交矩阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(2, 11, 0), 从而有正交变换--=???? ??w v u z y x 21322312132231031234,使原二次方程变为标准方程2u 2+11v 2=1.29. 明: 二次型f =x T A x 在||x ||=1时的最大值为矩阵A 的最大特征值. 证明 A 为实对称矩阵, 则有一正交矩阵T , 使得TAT -1=diag(λ1, λ2, ? ? ?, λn )=Λ成立, 其中λ1, λ2, ? ? ?, λn 为A 的特征值, 不妨设λ1最大. 作正交变换y =T x , 即x =T T y , 注意到T -1=T T , 有 f =x T A x =y T TAT T y =y T Λy =λ1y 12+λ2y 22+ ? ? ? +λn y n 2. 因为y =T x 正交变换, 所以当||x ||=1时, 有||y ||=||x ||=1, 即y 12+y 22+ ? ? ? +y n 2=1.因此f =λ1y 12+λ2y 22+ ? ? ? +λn y n 2≤λ1,又当y 1=1, y 2=y 3=? ? ?=y n =0时f =λ1, 所以f max =λ1.30. 用配方法化下列二次形成规范形, 并写出所用变换的矩阵. (1) f (x 1, x 2, x 3)=x 12+3x 22+5x 32+2x 1x 2-4x 1x 3;解 f (x 1, x 2, x 3)=x 12+3x 22+5x 32+2x 1x 2-4x 1x 3 =(x 1+x 2-2x 3)2+4x 2x 3+2x 22+x 32 =(x 1+x 2-2x 3)2-2x 22+(2x 2+x 3)2.令 ??+==-+=323223211222x x y x y x x x y , 即+-==+-=323223211221225y y x y x y y y x , 二次型化为规范形f =y 12-y 22+y 32,所用的变换矩阵为--=12002102251C .(2) f (x 1, x 2, x 3)=x 12+2x 32+2x 1x 3+2x 2x 3; 解 f (x 1, x 2, x 3)=x 12+2x 32+2x 1x 3+2x 2x 3 =(x 1+x 3)2+x 32+2x 2x 3; =(x 1+x 3)2-x 22+(x 2+x 3)2.令 +==+=32322311x x y x y x x y , 即+-==-+=3 23223211y y x y x y y y x ,二次型化为规范形f =y 12-y 22+y 32,所用的变换矩阵为--=110010111C .(3) f (x 1, x 2, x 3)=2x 12+x 22+4x 32+2x 1x 2-2x 2x 3. 解 f (x 1, x 2, x 3)=2x 12+x 22+4x 32+2x 1x 2-2x 2x 3.</n.<></n,证明a与b有公共的特征值,有公共的特征向量.<>。

线性代数第五章习题答案

习题 5-11．把下列二次型化为矩阵形式：（1）322121321255),,(x x x x x x x x f +-=；（2）),,(321x x x f 323121233284434x x x x x x x x +-+-=；（3）4332312143212),,,(x x x x x x x x x x x x f ++-=；（4）433231232121432142232),,,(x x x x x x x x x x x x x x f ++-++=．解：（1）⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=321321*********50255),,(),,(x x x x x x x x x f （2）⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=321321321342442220),,(),,(x x x x x x x x x f （3）⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=4321432143210210021012101021021210),,,(),,,(x x x x x x x x x x x x f （4）⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=4321432143210200231101010111),,,(),,,(x x x x x x x x x x x x f 2．写出下列二次型的矩阵，并求二次型矩阵的秩：（1）2221212124),(x x x x x x f ++=；（2）3222312121321664),,(x x x x x x x x x x x f --++=．解：（1）二次型),(21x x f 的矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛=2221A ∵02≠-=A ，∴∵02≠-=A ，2)(=A R（2）二次型),,(321x x x f 的矩阵⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=033312321A∵036≠-=A ，∴3)(=A R3．写出下列矩阵所代表的二次型：（1）⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=510142021A ；（2）⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=0111101111011110A ．4．已知二次型32312123222132166255),,(x x x x x x ax x x x x x f -+-++= 的秩为2，求参数a 及此二次型对应的矩阵．解：二次型的矩阵⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=a A 33351315对应的行列式722445459925-=---++=a a a A有由于矩阵2)(=A R ，所以0=A ，即3=a∴二次型的矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=333351315A习题 5-21．用配方法化下列二次型为标准形，并写出所作的可逆线性变换：（1）31212221321222),,(x x x x x x x x x f -++=；（2）32312123222132162252),,(x x x x x x x x x x x x f +++++=；（3）213232221321)()()(),,(x x x x x x x x x f -+-+-=．解：（1）31212221321222),,(x x x x x x x x x f -++=312221222122x x x x x x x -+++=222332233212212])(2)[(x x x x x x x x x x +-+++-+= 23233222232122)(x x x x x x x x -+++-+=2323223212)()(x x x x x x -++-+=令 333223211x y x x y x x x y =+=++= 即⎪⎩⎪⎨⎧=-=-=33322211yx y y x y y x二次型化标准型 232221y y y f ++= 可逆线性变换为 ⎪⎩⎪⎨⎧=-=-=33322211yx y y x y y x（2）32312123222132162252),,(x x x x x x x x x x x x f +++++=2332222332312221214422)2(x x x x x x x x x x x x x ++++++++= 232332321233222233212210)2()(44])(2)[(xx x x x x x x x x x x x x x x ⋅+++++=+++++++=令 3332232112x y x x y x x x y =+=++= 二次型化标准型 2221y y f +=可逆线性变换为 ⎪⎩⎪⎨⎧=-=--=3332232112yx y y x y y y x（3）213232221321)()()(),,(x x x x x x x x x f -+-+-=233132222121222222x x x x x x x x x +--+-=()2332222332122212123313222222121223412121241222223)41(2x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x +-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=+--++-=()23223321221232121212212x x x x x x x x -+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛-=()23223212321212x x x x x -+⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=令 3332232112121x y x x y x x x y =-=--= 则二次型化标准型 2221232y y f += 可逆线性变换为 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=++=33322321121yx y y x y y y x2．求一个正交变换化下列二次型为标准形：（1）322322213214332),,(x x x x x x x x f +++=；（2）3231212322213214844),,(x x x x x x x x x x x x f ---++=；（3）32312123222132184444),,(x x x x x x x x x x x x f -+-++=；（4）4321432122),,,(x x x x x x x x f -=；（5）4342324131214321222222),,,(x x x x x x x x x x x x x x x x f ++-+=－．解：（1）二次型的矩阵⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=320230002A它的特征多项式为)1)(5)(2(32230002λλλλλλλ---=---=-E A于是A 的特征值为152321===λλλ当2=λ时⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-0001000101202100002E A 得基础解系⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0011q ，已单位化11q p =当5=λ时⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-0001100012202200035E A 得基础解系⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=1102q ，将其单位化得⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=110212p当1=λ时⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-000110001220220001E A得基础解系⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1103q ，将其单位化得⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=110213p于是所求得正交变换为Py x =，其中⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=2121021210001P且标准型为23222152y y y f ++=。

梁保松《线性代数》习题五解答本人亲自求解

170习题五1.判断下列命题是否正确并说明理由.（1）向量的内积仍是向量；错误，向量的内积是数量；（2）正交向量组一定是线性无关的向量组；正确，见本章定理1；（3）若α与12,αα正交，则α与12,αα的任一线性组合也正交；正确，因α与12,αα正交，即()()12,,0αααα==，则()()()()()112211221122,,,,,0ααααααααααα+=+=+=k k k k k k （4）n 维向量空间中的正交向量组所包含向量的个数至多等于n ；正确，因为正交向量组是线性无关的向量组，其逆否命题是：线性相关的向量组一定不是正交向量组，而对于n 维向量组来说，1n +个n 维向量必定线性相关，因此n 维向量空间中的正交向量组至多含有n 个向量.（5）TT12(cos ,sin ),(sin ,cos )θθθθεε=-=是2R 中的标准正交基；正确，()12,0εε=，121εε==，故12,εε正交且长度为1，故是2R 中的标准正交基；（6）正交矩阵行列式的值只能是1±；正确，正交矩阵A 满足TA A =E ，2T T1A A =AA A E ===，则1=A 或1-；（7）若A 是正交矩阵，则T1,-A A 及A 的伴随矩阵*A 也是正交矩阵；正确，()()()()TTTTT T T 1111T 1,,AA AA A A A A A A -----=====E E ()()()2**11111A A A A A A AA A ----===⋅=TTTE E .（8）正交矩阵的行向量组和列向量组都是标准正交向量组.正确,见正交矩阵的性质5.3.设,n∈R αβ，证明：（1）()22222++-=+αβαβαβ；（2）=αβ，则(),0+-=αβαβ.()()()()()()()()()()()()()()()()()22221,,,,,,,,,,,,,,2,,2αβαβαβαβαβαβαβααββαβααββααβααβββααβααβββααββαβ++-=+++--=++++---=++++--+=+=+⎡⎤⎣⎦证（）()()()()()()()()()222,,,,,,,,,0αβαβαβααββααβααβββααββαβ+-=+-+=+--=-=-=（）5.设A 是实反对称矩阵，证明()()1--+E A E A 是正交矩阵.证T =A A -,则171()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()11111111111+++=E A E A E A E A E A E A E A E A E A E A E A E A E A E A E A E E A E A E A E A E A E A E A E A E A E EA E A E A A ------------+-⎡⎤⎡⎤-+-+=-++-⎣⎦⎣⎦⎡⎤⎡⎤=-++-=-++-⎣⎦⎣⎦=--=--⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎣⎦=--TTTT TTTTT6.证明（1）设A 是正交矩阵，若1=-A ,则A 一定有特征值1-；（2）设A 是奇数阶正交矩阵，若1=A ,则A 一定有特征值1.证（1）因T T (1),E A AA A A A E A A E E A --=--=--=--=---故0E A --=.（2）T T n (1),E A AA A A A E A A E A E E A -=-=-=-=-=--故20.E A -=10.求齐次线性方程组1234123412340,30,230.x x x x x x x x x x x x --+=⎧⎪-+-=⎨⎪--+=⎩解空间的一组标准正交基.解（1）因系数矩阵111111011113001211230000----⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪--→- ⎪ ⎪⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭，则原方程等价于124340,20.--=⎧⎨-=⎩x x x x x 分别令()()()24,1,0,0,1x x =得基础解系()()121,1,0,0,1,0,2,1TTξξ==;(2)将基础解系正交标准化：()111,1,0,0,Tβξ==()()()()2122111,1111,0,2,11,1,0,0,,2,1,222TT Tξββξβββ⎛⎫=-=-=- ⎪⎝⎭，)1111,1,0,0,,0,0||22βηβ⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭TT，22211,,2,1.||22βηβ⎫==-=⎪⎭TT12,ηη为其解空间的一组标准正交基.11.判断下列命题是否正确并说明理由.（1）2212121212(,)2345f x x x x x x x x =++++是二次型；错误，二次型是二次齐次多项式；（2）A 是3阶实对称矩阵，T123(,,)x x x =X ，则TX AX 是二次型；正确，二次型与实对称方阵是一一对应的；（3）等价的矩阵有相同的秩，但相似的矩阵以及合同的矩阵未必有相同的秩；错误，相似、合同变换都是初等变换，初等变换不改变矩阵的秩；（4）相似或合同的矩阵必等价；正确，相似、合同变换都是初等变换，经初等变换的矩阵是等价的；（5）合同的矩阵未必相似，相似的矩阵也未必合同；172正确，T1,P AP P AP -==B B 不能相互推得；（6）合同变换把实对称矩阵仍变为实对称矩阵；正确，这是合同不变性；（7）n 阶方阵经相似变换未必能化为对角矩阵，而n 阶实对称矩阵必能通过相似变换化为对角矩阵；正确（8）任一实对称矩阵必合同于对角矩阵，即任一二次型都可以通过可逆线性变换化为标准形；正确（9）可逆线性变换不改变二次型的秩；正确，可逆矩阵不改变二次型矩阵的秩，即可逆线性变换不改变二次型的秩；（10）二次型通过不同的可逆线性变换化成的标准形是唯一的.错误，二次型通过不同的可逆线性变换化成的规范形是唯一的15.判断下列命题是否正确并说明理由.（1）正交变换不改变向量的长度但会改变向量间的夹角；错误，正交变换不改变向量的内积，也就不会改变向量的长度、夹角；（2）对于任一实对称矩阵A ，必存在正交矩阵P ，使T 1-==P AP P AP Λ，即实对称矩阵A 既合同又相似于对角矩阵；正确，正交矩阵P 满足1P -=T P 满足；（3）任一n 阶方阵的不同的特征值所对应的特征向量线性无关，而n 阶实对称矩阵的不同的特征值所对应的特征向量线性无关且正交；正确，见有关定理；（4）若二次型T f =X AX 对于某一非零的n 维向量X ，有T0f ==X AX ，则该二次型既不是正定也不是负定的.正确，正定（负定）要求对于任一非零的n 维向量X ，T()0X AX =><f ；（5）一个二次型，若不正定则必负定；错误，除正定、负定外，还有半正定（T0X AX ≥）、半负定（T0X AX ≤）、不定等情形；（6）n 元实二次型正定的充要条件是其负惯性指标等于0；错误，n 元实二次型正定的充要条件是其正惯性指标等于n ，这与负惯性指标等于0的意义不同；（7）n 元实二次型正定的充要条件是其正惯性指标等于二次型的秩.错误，n 元实二次型正定的充要条件是其正惯性指标等于n ，而二次型的矩阵不一定满秩；（8）n 阶实对称矩阵A 正定的充要条件是其n 个特征值非负；错误，n 阶实对称矩阵A 正定的充要条件是其n 个特征值大于零，而不是非负；（9）若0≤A ，则A 必不正定；正确，因为A 正定，则0A >，其逆否命题为：0≤A ，则A 必不正定；（10）若A 主对角线上的元素不全为正，则A 必不正定.正确，因A 正定，其主对角线上的元素大于零；其逆否命题为：A 主对角线上的元素不全为正，则A 必不正定.18.把曲线22121261x x x x ++=用正交变换化为标准曲线，并指出该曲线的类型.解()1221212122136,31⎛⎫⎛⎫=++== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭Tx f x x x x x x X AX x ，173（1）()()134231E A λλλλλ--==-+-,特征值124,2λλ==-；（2）对于特征值14λ=，因()331143300E A ⎛⎫⎛⎫-=→ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，解120.+=x x 得基础解系T1(1,1)=-ξ；对于特征值22λ=-，因()331123300E A --⎛⎫⎛⎫--=→ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭，解120.-=x x 得其基础解系T2(1,1)=ξ；（3）12,ξξ正交，将其单位化.1111),||22ξηξ⎛⎫==-=- ⎪ ⎪⎝⎭TT，)2221,1,,||22ξηξ⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭得正交矩阵2222Q ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪- ⎪⎝⎭.(4)即经过正交变换X QY =，将二次型化为标准形221242y y -，即把曲线22121261x x x x ++=化为2212421y y -=，此为双曲线.19.三阶实对称矩阵A 的特征值是1,1,1-，特征值1-对应的特征向量为T(0,1,1),求矩阵A 及特征值1对应的特征向量.解设矩阵A 的属于1λ=的特征向量为T123(,,),x x x ξ=由于实对称矩阵的不同特征值所对应的特征向量正交，故有T1230.x x ξξ=+=解此方程组得到的解向量TT23(1,0,0),(0,1,1)ξξ==-是矩阵A 的属于1λ=的线性无关的特征向量.由1122331,1,1A A A ξξξξξξ=-==，得123123(,,)(,,)ξξξξξξ=-A ，因123,,ξξξ线性无关，知123(,,)ξξξ可逆，得1123123(,,)(,,)ξξξξξξ-=-A 01001212100101100001.10101212010⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪ ⎪=-=- ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪----⎝⎭⎝⎭⎝⎭22.t 取何值时，矩阵1121020t t ⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⎝⎭是正定的？解讨论矩阵的各阶顺序主子式：()12311211110,10,1050120∆==>∆==->∆==->t t t t tt，得5t >.23.求t 的取值范围，使二次型222123123121323(,,)44224f x x x x x x tx x x x x x =+++-+为正定二次型.174解11231232311(,,)(,,)42124-⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪== ⎪⎪ ⎪⎪-⎝⎭⎝⎭T t x f x x x x x x t x X AX x ，讨论A 的各阶顺序主子式：()()2123111110,40,4242104124-∆==>∆==->∆==+->-t t t t t t t ，得21t -<<.24.设A 是n 阶正定矩阵，证明：（1）1-A 是正定矩阵；（2）若M 是n 阶可逆方阵，则TM AM 也是正定矩阵.证（1）A 正定，故A 为实对称矩阵且||0A ≠，因而1TT 11()(),A A A ---==即1A -为实对称矩阵.设A 的特征值为λ，则1A -的特征值为1/λ.由A 正定，A 的特征值0,λ>则1A -的特征值1/0,λ>故1A -正定.（2）因A 正定，故TA A =，从而()TTT M AMM AM =,T M AM 为实对称矩阵；因M 可逆，作可逆线性变换,Y MX =则由X O ≠时，有.Y O ≠于是由A 正定，得到()T T T T ()()0.X M AM X MX A MX Y AY ==>故实二次型()TTXMAM X 正定，从而T M AM 为正定矩阵.25.设()ij a =A 是n 阶正定矩阵，证明0,1,2,,ii a i n >= .证A 为正定矩阵，则对任意向量12(,,,),X O =≠ n x x x 均有T0.X AX >取()T11,0,,0X e == ，则有()()111212122211121111211001,0,,0,,,00n n n n n nn a a a a a a a a a a a a a ⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪==⎪⎪⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 可见，分别取()T0,,1,,0i X e == ,可得到0>ii a （1,2,,= i n ）.。

《线性代数》第五章相似矩阵及二次型精选习题及解答解析

∴ AT A = E − 4 aaT + 4 aaT = E
(aTa)
(aTa)
故 A 是正交矩阵.
例 5.2 已知向量 α 1 = (1,1, 0, 0)T , α 2 = (1, 01, 0)T , α 3 = (−1, 0, 0,1)T 是线性无关向
量组，求与之等价的正交单位向量组. 解法一先正交化，再单位化
[α , β ]2 ≤ α 2 β 2 ；
3.
两向量的夹角计算公式：θ
= arc cos
[α, β ]
αβ
,0 ≤θ
≤π
.
4. 两向量正交：[α, β ] = 0 ；
5. 向量组的有关结论 (1) 正交向量组必为线性无关组； (2) 若向量 β 与
α 1 ,α 2 ,L ,α s 中的每个向量都正交，则 β 与α 1 ,α 2 ,L ,α s 的任一线性组合也正交.
5.3 例题分析
例 5.1 设 a 是 n 阶列向量，E 是 n 阶单位矩阵，证明 A = E − 2 aaT 是正交矩阵.
(aTa)
4
证明先证明 AT = A ，然后根据正交矩阵的定义证明 AAT = E
Q
AT
= {E
−
2 (aTa)
aa T }T
=
E
−
2 (aTa)
aaT
=
A
∴
AT
A
=
AA
=
对方阵；特征值与特征向量不一定唯一；
( ) (2) 设 n 阶方阵 A = aij 的全部特征值为 λ1, λ2 ,L, λn ，则有 λ1λ2 Lλn = A ；

二次型测试题答案

第五章、二次型
一、选择题 1、【答案】 D. 【解析】B E i, j AE i, j ,因 E i, j 等价,合同． 2、【答案】 B. 【解析】因奇数阶顺序主子式为负,偶数阶顺序主子式为正,故 A 是负定的． 3、【答案】 C. 【解析】因为 R( A) R( B) ,故 A 与 B 等价；
3
在 B. 中,由于 a33 6 ,易知 f 0, 0,1 6 即有 X 0 0, 0,1 0 ,而 X 0 AX 0 0 ,与
T
T
正定的定义不符；在 D. 中,由于 a33 0 ,易知 f 0, 0,1 0 ,与 X 0 , X T AX 0 相矛盾；二次型正定的充分必要条件是顺序主子式全大于零,在 A. 中,二阶主子式因此 A.B.D. 均不是正定矩阵．二、填空题 1、【答案】 2
2
当 A 为正定时 ,应有 2 k 0 且 k k k 2 0 , 解此不等式组得 k 应满足的条件为 1 k 0 ． 8、【答案】 2 【解析】利用二次型的正惯性指数是其矩阵的正特征值的个数,

2

1 0 0 1 0 0 2 因为 A 0 0 1 , E A 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1
,
i i 1
【解析】实对称矩阵 A 必合同于对角阵 diag 1,1, 1, , 1, 0, 0 ,其中 1 的个数为
p , 1 的个数为 r p ,0 的个数为 n r ,由合同的传递性知： A 合同于 B A 、 B 的
秩及正惯性指数相等,故选 D. 20、【答案】 C. 【解析】二次型正定的必要条件是： aii 0

第五章二次型习题答案

第五章二次型本章课后习题全解习题（P232-P234）1．（Ⅰ）用非退化线性替换化下列二次型为标准形，并利用矩阵验算所得结果： 1）323121224x x x x x x ++-；2）23322221214422x x x x x x x ++++；（Ⅱ）把上述二次型进一步化为规范形，分实系数、复系数两种情形；并写出所作的非退化线性替换．解（Ⅰ）1）设()323121321224,,x x x x x x x x x f ++-=，此二次型不含有平方项，故作非退化线性替换11221233,,,x y y x y y x y =+⎧⎪=-⎨⎪=⎩ 并配方，得到()312221321444,,y y y y x x x f ++-=2223233121444y y y y y y ++-+-= 2221332(2)4y y y y =--++，再作非退化线性替换11322332,,.z y y z y z y =-⎧⎪=⎨⎪=⎩ 即 113223311,22,.y z z y z y z ⎧=+⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩于是，原二次型的标准形为()2322213214,,z z z x x x f ++-=，并且，所经过的非退化线性替换为112321233311,2211,22,x z z z x z z z x z ⎧=++⎪⎪⎪=-+⎨⎪=⎪⎪⎩写成矩阵形式即为=X CY ，其中1112211122001⎛⎫ ⎪ ⎪⎪=- ⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭C ．根据矩阵验算，得11111022********1111010110402211110001001122⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪--⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪'=---= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭C AC ．2）设123(,,)f x x x =23322221214422x x x x x x x ++++．解法1 配方法．对原二次型进行配方，得()222222123112222331223,,(2)(44)()(2)f x x x x x x x x x x x x x x x =++++=+++，于是，令11222333,2,,y x x y x x y x =+⎧⎪=+⎨⎪=⎩ 则原二次型的标准形为2212312(,,)f x x x y y =+，且所作的非退化线性替换为1123223332,2,.x y y y x y y x y =-+⎧⎪=-⎨⎪=⎩ 相应的替换矩阵为112012001-⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪⎝⎭C ，验算，得100110112100110122012010221024001000-⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪⎪ ⎪'=--= ⎪⎪⎪ ⎪ ⎪⎪⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭C AC ．解法2 矩阵的合同变换法（见本章教材内容全解之标准形的求法）．对⎛⎫⎪ ⎪⎝⎭A E 施行初等变换，得110100100122012010024024000100110112010010012001001001⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎛⎫⎛⎫=→→= ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪--⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭A E C Λ．则原二次型的标准形为2212312(,,)f x x x y y '==+Y Y Λ，所作的非退化线性替换为=X CY ，即1123223332,2,.x y y y x y y x y =-+⎧⎪=-⎨⎪=⎩ 矩阵验证同解法１．（Ⅱ）1）根据（Ⅰ）已求得二次型()323121321224,,x x x x x x x x x f ++-=的标准形为()2322213214,,z z z x x x f ++-=，且非退化线性替换为112321233311,2211,22,x z z z x z z z x z ⎧=++⎪⎪⎪=-+⎨⎪=⎪⎪⎩①在实数域上，再作非退化线性替换132231,1,2,z w z w z w =⎧⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩ 则有1123212331111,222111,222,x w w w x w w w x w ⎧=++⎪⎪⎪=-+⎨⎪=⎪⎪⎩可得原二次型的规范形为222123123(,,)f x x x w w w =+-． ②在复数域上，再作非退化线性替换112233,1,2,z iw z w z w =⎧⎪⎪=⎨⎪=⎪⎩ 则有112321233311,22211,222,i x w w w i x w w w x w ⎧=++⎪⎪⎪=-+⎨⎪=⎪⎪⎩可得原二次型的规范形为222123123(,,)f x x x w w w =++． 2）根据（Ⅰ）已求得二次型()321,,x x x f 23322221214422x x x x x x x ++++=的标准形为 ()2212312,,f x x x y y =+，且非退化线性替换为1123223332,2,.x y y y x y y x y =-+⎧⎪=-⎨⎪=⎩ 此时，该非退化线性替换已将原二次型化为实数域上的规范形和复数域上的规范形()2212312,,f x x x y y =+．『特别提醒』这个题目使用了化二次型为标准形的两种常用的方法：配方法和矩阵合同变换法．3．证明：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛n λλλ21 与 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛n i ii λλλ21 合同，其中12n i i i 是1,2,,n 的一个排列．证法１设两个关于12,,,n x x x 和12,,,n y y y 的n 元二次型如下：222121122(,,,)n n n f x x x x x x λλλ=+++ ，122221212(,,,)n n i i i ng y y y y y y λλλ=+++ ．那么12(,,,)n f x x x 和12(,,,)n g y y y 的矩阵即为题目中的两个矩阵．构造非退化的线性替换1212,,,n i i ni y x y x y x =⎧⎪=⎪⎨⎪⎪=⎩ 则这个线性替换可以将二次型12(,,,)n g y y y 可化成12(,,,)n f x x x ．由于经过一次非退化的线性替换，新旧的两个二次型的矩阵是合同的，故题目中的两个矩阵是合同的．证法２设12n λλλ⎛⎫⎪⎪= ⎪ ⎪⎝⎭A 与 12n i ii λλλ⎛⎫⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭B ．对A 交换,i j 两行，再交换,i j 两列，相当于对A 左乘和右乘初等矩阵(,)(,)i j i j '=P P 和(,)i j P ，而(,)(,)i j i j 'P AP即为将A 中的i λ和j λ交换位置得到的对角矩阵．于是，总可以通过这样的一系列的对调变换，将A 的主对角线上的元素12,,,n λλλ 变成12,,,n i i i λλλ ，这也相当于存在一系列初等矩阵12,,,s Q Q Q ，使得2112ss '''= Q Q Q AQ Q Q B ，令12s = Q Q Q Q ，则有'=Q AQ B ，即A 与B 合同．『方法技巧』证法１利用经过非退化线性替换前后两个二次型的矩阵是合同的这一性质；证法２利用了矩阵的合同变换，直接进行了证明． 7．判断下列二次型是否正定：1）2332223121217160130481299x x x x x x x x x +-++-； 2）23322231212128224810x x x x x x x x x +-+++； 3）jnj i ini ixx x∑∑≤<≤=+112；『解题提示』利于教材中的定理7进行判别，即利用二次型的矩阵的顺序主子式进行判别．解 1）该二次型的矩阵为99624613030243071-⎛⎫ ⎪=-- ⎪ ⎪-⎝⎭A ，由于顺序主子式1990P =>， 29960,6130P -=>- 37558740P ==>A ，故原二次型为正定二次型．2）该二次型的矩阵为10412421412141⎛⎫ ⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭A ，由于A 的行列式1041242143588012141=-=-<-A ，故原二次型非正定．3）设二次型的矩阵为1111a a a a a a a a a a a a ⎛⎫⎪⎪⎪ ⎪⎪ ⎪⎝⎭，其中12a =．由于A 的任意k 阶顺序主子式k P 所对应的矩阵k A 与A 为同类型的对称矩阵，且11[(1)1](1)(1)02kk k k P k a a k -⎛⎫==-+-=+> ⎪⎝⎭A ，1,2,,k n = ，故原二次型为正定二次型．8．t 取什么值时，下列二次型是正定的：1）3231212322214225x x x x x tx x x x +-+++； 2）32312123222161024x x x x x tx x x x +++++．解 1）该二次型的矩阵为1112125t t -⎛⎫⎪= ⎪ ⎪-⎝⎭A ，其各阶顺序主子式为110P =>，22111tP t t ==-，()311||1245125t P t t t -===-+-A ．当顺序主子式全大于零，即210,(45)0t t t ⎧->⎨-+>⎩时，原二次型是正定的．解上面不等式组，可得054<<-t ．于是，当054<<-t 时，原二次型是正定的． 2）该二次型的矩阵为1543531t t ⎛⎫ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭A ，其各阶顺序主子式为110P =>，22144tP t t ==-，23154330105531t P t t t ===-+-A ，当顺序主子式全大于零，即2240,301050t t t ⎧->⎪⎨-+->⎪⎩时，原二次型是正定的．但此不等式组无解，于是，不存在t 值使原二次型为正定．『方法技巧』对于具体的二次型，利用其矩阵的顺序主子式判别二次型是否正定是比较常用的．10．设A 是实对称矩阵，证明：当实数t 充分大之后，t +E A 是正定矩阵．证明设A 是一个n 级实对称矩阵，12(),(),,()n P t P t P t 是t +E A 的全部顺序主子式．显然t +E A 也是一个实对称矩阵，且其顺序主子式12(),(),,()n P t P t P t 都是首项系数为１的实系数多项式．由实函数的理论可知，存在充分大的M ，使得当t M >时，12(),(),,()n P t P t P t 全大于零．于是，当实数t 充分大之后，t +E A 是正定矩阵．11．证明：如果A 是正定矩阵，那么1-A 也是正定矩阵．证法1 由于A 是正定矩阵，从而A 是对称矩阵，则111()()---''==A A A，即1-A 也是实对称矩阵．又因为A 是正定矩阵，故'X AX 是正定二次型，作非退化线性替换Y A X 1-=，得到11111()()()-----''''===X AX A Y A A Y Y A AA Y Y A Y ，根据非退化线性替换不改变二次型的正定性，所以1-'Y A Y 为正定二次型，从而1-A 是正定矩阵．证法2 由于A 是正定矩阵，从而A 是对称矩阵，则111()()---''==A A A，即1-A 也是实对称矩阵．又因为A 是正定矩阵，故A 与单位矩阵E 是合同的，即存在可逆矩阵C ，使得''==A C EC C C ，从而11111111()()()(())()--------''''''====A C C C C C C C E C ，即A 也与单位矩阵E 是合同的．于是1-A 也是正定矩阵．『方法技巧』证法１利用了正定二次型与正定矩阵的对应，以及非退化线性替换不改变矩阵的正定性；证法２根据正定矩阵的等价条件直接进行了证明．13．如果,A B 都是n 级正定矩阵，证明：+A B 也是正定矩阵．证明因为,A B 为正定矩阵，故,A B 都是n 级实对称矩阵，从而+A B 也是n 级实对称矩阵．设12(,,,)n x x x '= X 是任意一个非零列向量，根据,A B 是正定的可知()0'''+=+>X A B X X AX X BX ，故+A B 也是正定矩阵．『方法技巧』对正定矩阵和正定二次型的定义的考查．。

线代第五章答案

第五章二次型一、温习巩固1、写出下列二次型的矩阵1）3111A -⎛⎫= ⎪-⎝⎭2）1112133223112A ⎛⎫- ⎪⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪-- ⎪⎝⎭ 3）1110213302231102000A ⎛⎫- ⎪⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪-- ⎪ ⎪⎝⎭4）2112132********233a a a a a A a a a a a a a a a a ⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭5）2221A ⎛⎫= ⎪⎝⎭ 6）135357579A ⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭1. 写出下列矩阵对应的二次型1）2123213(,,)2f x x x x x x =+ 2）222123123(,,)32f x x x x x x =-+3）222123123121323(,,)23246f x x x x x x x x x x x x =+++++ 4）2221234123121323(,,,)23246f x x x x x x x x x x x x x =+++++ 2. 判定下列二次型的正定性1）解： 2221231132233(,,)3648f x x x x x x x x x x =++-+的矩阵为303012328A ⎛⎫⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭，130A =>，2303001A ==>，330301230328A A ==-=>-，所以123(,,)f x x x 为正定2）解: 此二次型的矩阵为320222021A ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦顺序主子式3203233,20,22240.22021==>=-<所以此二次型不是正定二次型.3）22212312233(,,)(1)6f x x x x x x x x λλλ=-+-+，当λ取何值时，二次型f 为正定．解 123(,,)f x x x 的矩阵为1000303A λλλ-⎛⎫⎪=- ⎪ ⎪-⎝⎭，110A λ=->，()210100A λλλλ-==->，()()23190A A λλ==-->3λ>从而，故当3λ>时，二次型f 为正定．二、练习提高1.求一正交变换X PY =，把二次型2123132(,,)2f x x x x x x =+化为标准型。

第五章二型基础练习及参考答案

第五章二次型基础练习及参考答案一. 填空题1、实二次型112222(,)41x x x x ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭的矩阵为，秩为，正惯性指数为，规范形为 .2、与对称矩阵合同的矩阵只能是矩阵.3、复二次型12(,,,)n f x x x 的规范形由所唯一确定.4、实二次型222121122(,,,)n n n f x x x d x d x d x =+++正定i d ⇔ ，i=1,2,…,n.5、写出3级实对称矩阵所有可能的规范形：，，，，，，，，， . 6. 实二次型12(,,,)n f x x x =AX X T 正定.二. 判断题1、设A 、B 为n 阶方阵，若存在n 阶方阵C ，使T C AC B =，则A 与B 合同. （）2、若A 为正定矩阵，则A 的主对角线上的元素皆大于零. （）3、若A 为负定矩阵，则必有0A <. （）4、实对称矩阵A 半正定当且仅当A 的所有顺序主子式全大于或等于零. （）5、若A 负定，则A 的所有顺序主子式全小于零. （）6、非退化线性替换把不定二次型变为不定二次型. （）7、若实二次型1211(,,,)nnn ij i j i j f x x x a x x ===∑∑的符号差为s ，令ij ij b a =-，则二次型1211(,,,)n nn ij i j i j g x x x b x x ===∑∑的符号差为－s. （）三. 求二次型22123121223(,,)326f x x x x x x x x x =---的标准形，并写出所作的非退化线性替换.四. 证明题1. 证明：若 A 为负定矩阵，则存在可逆矩阵 P ，使0=+P P A T .2. 设A, B 都是正定矩阵, 证明A+B 也是正定矩阵.3. 如果A 是正定矩阵, 证明1-A 也是正定矩阵.第五章二次型基础练习及参考答案一. 填空题1、实二次型112222(,)41x x x x ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭的矩阵为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-1332，秩为 2，正惯性指数为 1 ，标准形为22212112x x -，规范形为2221x x -. 二次型的矩阵必须是对称矩阵.2、与对称矩阵合同的矩阵只能是对称矩阵.设A 是对称矩阵, A 与B 合同, 则AC C B T =, 其中C 是可逆矩阵, 于是AC C C A C AC C B T T T T T T ===)(, 所以B 也是对称矩阵.3、复二次型12(,,,)n f x x x 的规范形由它的秩所唯一确定.因为复二次型的规范形为22221r y y y +++ , 其中r 是二次型的秩. 4、实二次型222121122(,,,)n n n f x x x d x d x d x =+++正定i d ⇔ >0，i=1,2,…,n.该二次型的矩阵为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛n d d d21, 二次型正定的充要条件是其矩阵的顺序主子式都大于零, 于是有0,0211>>d d d , 得0,03212>>d d d d 又, 得03>d ,…, 依次下去得所有n i d i ,...,2,1,0=>.反之,若n i d i ,...,2,1,0=>,则对于任意的nn Rc c c ∈),...,,(21,0),...,,(222221121>+++=n n n c d c d c d c c c f , 所以二次型正定.5、写出3级实对称矩阵所有可能的规范形：0 ， E ， -E ， E 11，-E 11 , E 11+E 22 , -(E 11+E 22) , E 11-E 22 ，E 11+E 22-E 33， E 11-E 22+E 33 6. 实二次型12(,,,)n f x x x =AX X T 正定|A|的顺序主子式均大于零对任意的n n R c c c ∈),...,,(21, 0),...,,(21>n c c c f .二. 判断题1. 设A 、B 为n 阶方阵，若存在n 阶方阵C ，使C AC B '=，则A 与B 合同. （ F ）应该是存在可逆矩阵.2、若A 为正定矩阵，则A 的主对角线上的元素皆大于零. （ T ）3、若A 为负定矩阵，则必有0A <. （ F ）当A 是奇数阶矩阵时, 结论成立.4、实对称矩阵A 半正定当且仅当A 的所有顺序主子式全大于或等于零. （ T ）5、若A 负定，则A 的所有顺序主子式全小于零. （ F ）正确答案应该是奇数阶的顺序主子式小于零, 偶数阶的顺序主子式大于零. 6、非退化线性替换把不定二次型变为不定二次型. （ T ）非退化的线性替换不会改变二次型惯性指数.7、若实二次型1211(,,,)n nn ij i j i j f x x x a x x ===∑∑的符号差为s ，令ij ij b a =-，则二次型1211(,,,)nnn ij i j i j g x x x b x x ===∑∑的符号差为－s. （ T ）这是因为1211(,,,)n nn ij i j i j g x x x b x x ===∑∑=1211(,,,)n nn ij i j i j f x x x a x x ===∑∑, 所以它们的秩相等, 正负惯性指数互为相反数.三. 求二次型22123121223(,,)326f x x x x x x x x x =---的标准形，并写出所作的非退化线性替换. 写出该二次型的秩, 正惯性指数和符号差. 这是一个什么二次型(正定,负定,不定)解法1：用合同变换把二次型的矩阵化为对角形:⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---−−−→−--⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---−−→−++⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛100431043114900040001434310001001103034000110001000103033101123231212r r c c r r c c E A . 经过非退化线性替换⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛32132110043104311y y y x x x ，标准形为.494232221x x x +- 解法2. (配方法) 22123121223(,,)326f x x x x x x x x x =---=23232221322222149)43(4)(64)(x x x x x x x x x x ++--=--- 令⎪⎩⎪⎨⎧=+=-=3332221143x y x x y x x y , 即⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=-=-+=3332232114343y x y y x y y y x , 则二次型化为标准形:222221231212231239(,,)32644f x x x x x x x x x y y y =---=-+. 该二次型的秩为3, 正惯性指数是2, 符号差为1. 这是一个不定二次型.四. 证明题1、证明：若 A 为负定矩阵，则存在可逆矩阵 P ，使A ＋P ´P ＝0.证明：因为A 是负定矩阵，所以A 是正定矩阵, 于是存在可逆矩阵Q 使得Q T (-A)Q=-E, 则A= --(Q T )-1Q -1, 令P=Q -1为所求.2. 设A, B 都是正定矩阵, 证明A+B 也是正定矩阵.证明: 由于A, B 都是正定矩阵, 所以AX X X f T =)(, BX X X g T =)(都是正定二次型, 所以对任意的n T n R c c c ∈=),...,,(21α,0)(,0)(>=>=ααααααB g A f TT0)(>+=+ααααααB A B A T T T , 所以A+B 也是正定矩阵.3. 如果A 是正定矩阵, 证明*A 和1-A 也是正定矩阵.证明: 因为A A A A A T T ==-1, 所以A 与1-A 合同, 由A 正定, 得1-A 正定. 对于*A , 因为1*||1-=A A A , 由A 正定得|A|>0, 所以0||1>A . 再由1-A 正定得1-A 的所以顺序主子式均大于零, 而*A 的k 阶顺序主子式等于kA ||1乘以1-A 的一个相应的k 阶顺序主子式, 所以*A 的所有k 阶顺序主子式大于零. *A 正定.。

工程数学--线性代数课后题答案_第五版5

工程数学--线性代数课后题答案_第五版第五章相似矩阵及二次型1. 试用施密特法把下列向量组正交化:(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛=931421111) , ,(321a a a ;解根据施密特正交化方法,⎪⎪⎭⎫⎝⎛==11111a b ,⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-=101],[],[1112122b b b a b a b ,⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=--=12131],[],[],[],[222321113133b b b a b b b b a b a b .(2)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=011101110111) , ,(321a a a .解根据施密特正交化方法,⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==110111a b ,⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-=123131],[],[1112122b b b a b a b ,⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=--=433151],[],[],[],[222321113133b b b a b b b b a b a b .2. 下列矩阵是不是正交阵:(1)⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---121312112131211;解此矩阵的第一个行向量非单位向量, 故不是正交阵.(2)⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------979494949198949891.解该方阵每一个行向量均是单位向量, 且两两正交, 故为正交阵.3. 设x 为n 维列向量, x T x =1, 令H =E -2xx T , 证明H 是对称的正交阵. 证明因为H T =(E -2xx T )T =E -2(xx T )T =E -2(xx T )T=E -2(x T )T x T =E -2xx T ,所以H 是对称矩阵. 因为H T H =HH =(E -2xx T )(E -2xx T ) =E -2xx T -2xx T +(2xx T )(2xx T ) =E -4xx T +4x (x T x )x T =E -4xx T +4xx T =E , 所以H 是正交矩阵.4. 设A 与B 都是n 阶正交阵, 证明AB 也是正交阵. 证明因为A , B 是n 阶正交阵, 故A -1=A T , B -1=B T ,(AB )T (AB )=B T A T AB =B -1A -1AB =E ,故AB 也是正交阵.5. 求下列矩阵的特征值和特征向量:(1)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----201335212;解3)1(201335212||+-=-------=-λλλλλE A ,故A 的特征值为λ=-1(三重). 对于特征值λ=-1, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=+000110101101325213~E A ,得方程(A +E )x =0的基础解系p 1=(1, 1, -1)T , 向量p 1就是对应于特征值λ=-1的特征值向量.(2)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛633312321;解)9)(1(633312321||-+-=---=-λλλλλλλE A ,故A 的特征值为λ1=0, λ2=-1, λ3=9. 对于特征值λ1=0, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=000110321633312321~A , 得方程A x =0的基础解系p 1=(-1, -1, 1)T , 向量p 1是对应于特征值λ1=0的特征值向量. 对于特征值λ2=-1, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+000100322733322322~E A ,得方程(A +E )x =0的基础解系p 2=(-1, 1, 0)T , 向量p 2就是对应于特征值λ2=-1的特征值向量. 对于特征值λ3=9, 由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-00021101113333823289~E A ,得方程(A -9E )x =0的基础解系p 3=(1/2, 1/2, 1)T , 向量p 3就是对应于特征值λ3=9的特征值向量.(3)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛0001001001001000. 解22)1()1(001010010100||+-=----=-λλλλλλλE A ,故A 的特征值为λ1=λ2=-1, λ3=λ4=1. 对于特征值λ1=λ2=-1, 由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=+00000000011010011001011001101001~E A , 得方程(A +E )x =0的基础解系p 1=(1, 0, 0, -1)T , p 2=(0, 1, -1, 0)T , 向量p 1和p 2是对应于特征值λ1=λ2=-1的线性无关特征值向量. 对于特征值λ3=λ4=1, 由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=-0000000001101001101011001101001~E A , 得方程(A -E )x =0的基础解系p 3=(1, 0, 0, 1)T , p 4=(0, 1, 1, 0)T , 向量p 3和p 4是对应于特征值λ3=λ4=1的线性无关特征值向量.6. 设A 为n 阶矩阵, 证明A T 与A 的特征值相同. 证明因为|A T-λE|=|(A-λE)T|=|A-λE|T=|A-λE|,所以A T与A的特征多项式相同,从而A T与A的特征值相同.7.设n阶矩阵A、B满足R(A)+R(B)<n,证明A与B有公共的特征值,有公共的特征向量.证明设R(A)=r,R(B)=t,则r+t<n.若a1,a2,⋅⋅⋅,a n-r是齐次方程组A x=0的基础解系,显然它们是A的对应于特征值λ=0的线性无关的特征向量.类似地,设b1,b2,⋅⋅⋅,b n-t是齐次方程组B x=0的基础解系,则它们是B的对应于特征值λ=0的线性无关的特征向量.由于(n-r)+(n-t)=n+(n-r-t)>n,故a1,a2,⋅⋅⋅,a n-r,b1,b2,⋅⋅⋅,b n-t 必线性相关.于是有不全为0的数k1,k2,⋅⋅⋅,k n-r,l1,l2,⋅⋅⋅,l n-t,使k1a1+k2a2+⋅⋅⋅+k n-r a n-r+l1b1+l2b2+⋅⋅⋅+l n-r b n-r=0.记γ=k1a1+k2a2+⋅⋅⋅+k n-r a n-r=-(l1b1+l2b2+⋅⋅⋅+l n-r b n-r),则k1,k2,⋅⋅⋅,k n-r不全为0,否则l1,l2,⋅⋅⋅,l n-t不全为0,而l1b1+l2b2+⋅⋅⋅+l n-r b n-r=0,与b1,b2,⋅⋅⋅,b n-t线性无关相矛盾.因此,γ≠0,γ是A的也是B的关于λ=0的特征向量,所以A 与B有公共的特征值,有公共的特征向量.8.设A2-3A+2E=O,证明A的特征值只能取1或2.证明设λ是A的任意一个特征值,x是A的对应于λ的特征向量,则(A2-3A+2E)x=λ2x-3λx+2x=(λ2-3λ+2)x=0.因为x≠0,所以λ2-3λ+2=0,即λ是方程λ2-3λ+2=0的根,也就是说λ=1或λ=2.9.设A为正交阵,且|A|=-1,证明λ=-1是A的特征值.证明因为A为正交矩阵,所以A的特征值为-1或1.因为|A|等于所有特征值之积,又|A|=-1,所以必有奇数个特征值为-1,即λ=-1是A的特征值.10.设λ≠0是m阶矩阵A m⨯n B n⨯m的特征值,证明λ也是n阶矩阵BA的特征值.证明设x是AB的对应于λ≠0的特征向量,则有(AB)x=λx,于是B(AB)x=B(λx),或BA(B x)=λ(B x),从而λ是BA的特征值,且B x是BA的对应于λ的特征向量.11.已知3阶矩阵A的特征值为1, 2, 3,求|A3-5A2+7A|.解令ϕ(λ)=λ3-5λ2+7λ,则ϕ(1)=3,ϕ(2)=2,ϕ(3)=3是ϕ(A)的特征值,故|A3-5A2+7A|=|ϕ(A)|=ϕ(1)⋅ϕ(2)⋅ϕ(3)=3⨯2⨯3=18.12.已知3阶矩阵A的特征值为1, 2,-3,求|A*+3A+2E|.解因为|A|=1⨯2⨯(-3)=-6≠0,所以A可逆,故A*=|A|A-1=-6A-1,A*+3A+2E=-6A-1+3A+2E.令ϕ(λ)=-6λ-1+3λ2+2, 则ϕ(1)=-1, ϕ(2)=5, ϕ(-3)=-5是ϕ(A )的特征值, 故|A *+3A +2E |=|-6A -1+3A +2E |=|ϕ(A )|=ϕ(1)⋅ϕ(2)⋅ϕ(-3)=-1⨯5⨯(-5)=25. 13. 设A 、B 都是n 阶矩阵, 且A 可逆, 证明AB 与BA 相似.证明取P =A , 则P -1ABP =A -1ABA =BA ,即AB 与BA 相似. 14.设矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛=50413102x A 可相似对角化,求x .解由)6()1(50413102||2---=---=-λλλλλλx E A ,得A 的特征值为λ1=6, λ2=λ3=1.因为A 可相似对角化, 所以对于λ2=λ3=1, 齐次线性方程组(A -E )x =0有两个线性无关的解, 因此R (A -E )=1. 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-00030010140403101)(~x x E A r知当x =3时R (A -E )=1, 即x =3为所求.15. 已知p =(1, 1, -1)T是矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=2135212b a A 的一个特征向量.(1)求参数a , b 及特征向量p 所对应的特征值; 解设λ是特征向量p 所对应的特征值, 则 (A -λE )p =0,即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------0001112135212λλλb a ,解之得λ=-1, a =-3, b =0.(2)问A 能不能相似对角化？并说明理由. 解由3)1(201335212||--=-------=-λλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=λ2=λ3=1. 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=-00011010111325211~r b E A知R (A -E )=2, 所以齐次线性方程组(A -E )x =0的基础解系只有一个解向量. 因此A 不能相似对角化.16. 试求一个正交的相似变换矩阵, 将下列对称阵化为对角阵:(1)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----020212022;解将所给矩阵记为A . 由λλλλ-------=-20212022E A =(1-λ)(λ-4)(λ+2),得矩阵A 的特征值为λ1=-2, λ2=1, λ3=4. 对于λ1=-2, 解方程(A +2E )x =0, 即0220232024321=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----x x x , 得特征向量(1, 2, 2)T , 单位化得T )32 ,32 ,31(1=p .对于λ2=1, 解方程(A -E )x =0, 即0120202021321=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----x x x , 得特征向量(2, 1, -2)T , 单位化得T )32 ,31 ,32(2-=p .对于λ3=4, 解方程(A -4E )x =0, 即0420232022321=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------x x x , 得特征向量(2, -2, 1)T , 单位化得T )31 ,32 ,32(3-=p .于是有正交阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(-2, 1, 4).(2)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----542452222.解将所给矩阵记为A . 由λλλλ-------=-542452222E A =-(λ-1)2(λ-10),得矩阵A 的特征值为λ1=λ2=1, λ3=10. 对于λ1=λ2=1, 解方程(A -E )x =0, 即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----000442442221321x x x , 得线性无关特征向量(-2, 1, 0)T 和(2, 0, 1)T , 将它们正交化、单位化得T 0) 1, ,2(511-=p , T 5) ,4 ,2(5312=p .对于λ3=10, 解方程(A -10E )x =0, 即⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------000542452228321x x x , 得特征向量(-1, -2, 2)T , 单位化得T )2 ,2 ,1(313--=p .于是有正交阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(1, 1, 10). 17.设矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=12422421x A 与⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=Λy 45相似,求x , y ; 并求一个正交阵P , 使P -1AP =Λ.解已知相似矩阵有相同的特征值, 显然λ=5, λ=-4, λ=y 是Λ的特征值, 故它们也是A 的特征值. 因为λ=-4是A 的特征值, 所以0)4(9524242425|4|=-=---+---=+x x E A ,解之得x =4.已知相似矩阵的行列式相同, 因为100124242421||-=-------=A , y y2045||-=-=Λ,所以-20y =-100, y =5.对于λ=5, 解方程(A -5E )x =0, 得两个线性无关的特征向量(1, 0, -1)T , (1, -2, 0)T . 将它们正交化、单位化得T )1 ,0 ,1(211-=p , T )1 ,4 ,1(2312-=p . 对于λ=-4, 解方程(A +4E )x =0, 得特征向量(2, 1, 2)T , 单位化得T )2 ,1 ,2(313=p .于是有正交矩阵⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=23132212343102313221P , 使P -1AP =Λ. 18. 设3阶方阵A 的特征值为λ1=2, λ2=-2, λ3=1; 对应的特征向量依次为p 1=(0, 1, 1)T , p 2=(1, 1, 1)T , p 3=(1, 1, 0)T , 求A . 解令P =(p 1, p 2, p 3), 则P -1AP =diag(2, -2, 1)=Λ, A =P ΛP -1. 因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--11011101101111111011P ,所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=Λ=-1101110111000200020111111101P P A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=244354331.19. 设3阶对称阵A 的特征值为λ1=1, λ2=-1, λ3=0; 对应λ1、λ2的特征向量依次为p 1=(1, 2, 2)T , p 2=(2, 1, -2)T , 求A .解设⎪⎪⎭⎫⎝⎛=653542321x x x x x x x x x A , 则A p 1=2p 1, A p 2=-2p 2,即⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++222222122653542321x x x x x x x x x , ---① ⎪⎩⎪⎨⎧=-+-=-+-=-+222122222653542321x x x x x x x x x . ---② 再由特征值的性质, 有x 1+x 4+x 6=λ1+λ2+λ3=0. ---③由①②③解得612131x x --=, 6221x x =, 634132x x -=,642131x x -=, 654132x x +=.令x 6=0, 得311-=x , x 2=0, 323=x , 314=x , 325=x .因此⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=022********A .20. 设3阶对称矩阵A 的特征值λ1=6, λ2=3, λ3=3, 与特征值λ1=6对应的特征向量为p 1=(1, 1, 1)T , 求A .解设⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=653542321x x x x x x x x x A .因为λ1=6对应的特征向量为p 1=(1, 1, 1)T , 所以有⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1116111A , 即⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++666653542321x x x x x x x x x ---①. λ2=λ3=3是A 的二重特征值, 根据实对称矩阵的性质定理知R (A -3E )=1. 利用①可推出⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-331113333653542653542321~x x x x x x x x x x x x x x x E A .因为R (A -3E )=1, 所以x 2=x 4-3=x 5且x 3=x 5=x 6-3, 解之得x 2=x 3=x 5=1, x 1=x 4=x 6=4.因此⎪⎪⎭⎫⎝⎛=411141114A .21. 设a =(a 1, a 2, ⋅⋅⋅, a n )T , a 1≠0, A =aa T .(1)证明λ=0是A的n-1重特征值;证明设λ是A的任意一个特征值,x是A的对应于λ的特征向量,则有A x=λx,λ2x=A2x=aa T aa T x=a T a A x=λa T ax,于是可得λ2=λa T a,从而λ=0或λ=a T a.设λ1,λ2,⋅⋅⋅,λn是A的所有特征值,因为A=aa T的主对角线性上的元素为a12,a22,⋅⋅⋅,a n2,所以a12+a22+⋅⋅⋅+a n2=a T a=λ1+λ2+⋅⋅⋅+λn,这说明在λ1,λ2,⋅⋅⋅,λn中有且只有一个等于a T a,而其余n-1个全为0,即λ=0是A的n-1重特征值.(2)求A的非零特征值及n个线性无关的特征向量.解设λ1=a T a,λ2=⋅⋅⋅=λn=0.因为A a=aa T a=(a T a)a=λ1a,所以p1=a是对应于λ1=a T a的特征向量.对于λ2=⋅⋅⋅=λn=0,解方程A x=0,即aa T x=0.因为a≠0,所以a T x=0,即a1x1+a2x2+⋅⋅⋅+a n x n=0,其线性无关解为p2=(-a2,a1, 0,⋅⋅⋅, 0)T,p3=(-a3, 0,a1,⋅⋅⋅, 0)T,⋅⋅⋅,p n=(-a n, 0, 0,⋅⋅⋅,a1)T.因此n个线性无关特征向量构成的矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-=⋅⋅⋅112212100), , ,(a a aa a a a n n n p p p . 22.设⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=340430241A ,求A 100.解由)5)(5)(1(340430241||+---=----=-λλλλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=5, λ3=-5.对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得特征向量p 1=(1, 0, 0)T . 对于λ1=5, 解方程(A -5E )x =0, 得特征向量p 2=(2, 1, 2)T . 对于λ1=-5, 解方程(A +5E )x =0, 得特征向量p 3=(1, -2, 1)T . 令P =(p 1, p 2, p 3), 则P -1AP =diag(1, 5, -5)=Λ, A =P ΛP -1,A 100=P Λ100P -1. 因为Λ100=diag(1, 5100, 5100), ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--1202105055112021012111P , 所以⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=12021050555112021012151100100100A⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1001001005000501501.23. 在某国, 每年有比例为p 的农村居民移居城镇, 有比例为q 的城镇居民移居农村, 假设该国总人口数不变, 且上述人口迁移的规律也不变. 把n 年后农村人口和城镇人口占总人口的比例依次记为x n 和y n (x n +y n =1). (1)求关系式⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫⎝⎛++n n n n y x A y x 11中的矩阵A ; 解由题意知x n +1=x n +qy n -px n =(1-p )x n +qy n , y n +1=y n +px n -qy n = px n +(1-q )y n , 可用矩阵表示为⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛++n n n n y x q pq py x 1111, 因此 ⎪⎭⎫⎝⎛--=q p qp A 11.(2)设目前农村人口与城镇人口相等, 即⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛5.05.000y x , 求⎪⎭⎫⎝⎛n n y x . 解由⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛++n n n n y x A y x 11可知⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛00y x A y x n n n . 由)1)(1(11||q p q p qp E A ++--=----=-λλλλλ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=r , 其中r =1-p -q .对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得特征向量p 1=(q , p )T . 对于λ1=r , 解方程(A -rE )x =0, 得特征向量p 2=(-1, 1)T . 令⎪⎭⎫⎝⎛-==11) ,(21p q P p p , 则 P -1AP =diag(1, r )=Λ, A =P ΛP -1, A n =P Λn P -1. 于是 11100111-⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫⎝⎛-=p q r p q A nn ⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=q p r p q q p n 11001111⎪⎭⎫⎝⎛+--++=n n n n q r p p r p q r q p r q q p 1,⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+--++=⎪⎭⎫⎝⎛5.05.01n n n n n n qr p pr p qr q pr q q p y x ⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-++=n n r p q p r q p q q p )(2)(2)(21.24. (1)设⎪⎭⎫ ⎝⎛--=3223A , 求ϕ(A )=A 10-5A 9;解由)5)(1(3223||--=----=-λλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=1, λ2=5.对于λ1=1, 解方程(A -E )x =0, 得单位特征向量T )1 ,1(21.对于λ1=5, 解方程(A -5E )x =0, 得单位特征向量T )1 ,1(21-.于是有正交矩阵⎪⎭⎫⎝⎛-=111121P , 使得P -1AP =diag(1, 5)=Λ,从而A =P ΛP -1, A k =P Λk P -1. 因此 ϕ(A )=P ϕ(Λ)P -1=P (Λ10-5Λ9)P -1 =P [diag(1, 510)-5diag(1, 59)]P -1 =P diag(-4, 0)P -1⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1111210004111121 ⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛----=111122222.(2)设⎪⎪⎭⎫⎝⎛=122221212A ,求ϕ(A )=A 10-6A 9+5A 8.解求得正交矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=20223123161P , 使得P -1AP =diag(-1, 1, 5)=Λ, A =P ΛP -1. 于是 ϕ(A )=P ϕ(Λ)P -1=P (Λ10-6Λ9+5Λ8)P -1=P [Λ8(Λ-E )(Λ-5E )]P -1=P diag(1, 1, 58)diag(-2, 0, 4)diag(-6, -4, 0)P -1=P diag(12, 0, 0)P -1⎪⎪⎭⎫⎝⎛---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=222033211001220223123161⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=4222112112.25. 用矩阵记号表示下列二次型: (1) f =x 2+4xy +4y 2+2xz +z 2+4yz ; 解⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=z y x z y x f 121242121) , ,(.(2) f =x 2+y 2-7z 2-2xy -4xz -4yz ; 解⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------=z y x z y x f 722211211) , ,(.(3) f =x 12+x 22+x 32+x 42-2x 1x 2+4x 1x 3-2x 1x 4+6x 2x 3-4x 2x 4.解 ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=432143211021013223111211) , , ,(x x x x x x x x f . 26. 写出下列二次型的矩阵:(1)x x x ⎪⎭⎫⎝⎛=1312)(T f ;解二次型的矩阵为⎪⎭⎫ ⎝⎛=1312A .(2)x x x ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=987654321)(T f .解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛=987654321A .27. 求一个正交变换将下列二次型化成标准形: (1) f =2x 12+3x 22+3x 33+4x 2x 3; 解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛=320230002A .由)1)(5)(2(320230002λλλλλλλ---=---=-E A ,得A 的特征值为λ1=2, λ2=5, λ3=1. 当λ1=2时, 解方程(A -2E )x =0, 由⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-0001002101202100002~E A ,得特征向量(1, 0, 0)T . 取p 1=(1, 0, 0)T . 当λ2=5时, 解方程(A -5E )x =0, 由⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-0001100012202200035~E A ,得特征向量(0, 1, 1)T . 取T )21 ,21 ,0(2=p .当λ3=1时, 解方程(A -E )x =0, 由⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-000110001220220001~E A ,得特征向量(0, -1, 1)T . 取T )21 ,21 ,0(3-=p .于是有正交矩阵T =(p 1, p 2, p 3)和正交变换x =T y , 使f =2y 12+5y 22+y 32.(2) f =x 12+x 22+x 32+x 42+2x 1x 2-2x 1x 4-2x 2x 3+2x 3x 4. 解二次型矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=111111001111011A . 由 2)1)(3)(1(1101111001111011--+=--------=-λλλλλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=-1, λ2=3, λ3=λ4=1.当λ1=-1时, 可得单位特征向量T )21 ,21 ,21 ,21(1--=p .当λ2=3时, 可得单位特征向量T )21 ,21 ,21 ,21(2--=p .当λ3=λ4=1时, 可得线性无关的单位特征向量T )0 ,21 ,0 ,21(3=p , T)21 ,0 ,21 ,0(4=p . 于是有正交矩阵T =( p 1, p 2, p 3, p 4)和正交变换x =T y , 使f =-y 12+3y 22+y 32+y 42.28. 求一个正交变换把二次曲面的方程3x 2+5y 2+5z 2+4xy -4xz -10yz =1化成标准方程. 解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=552552223A .由)11)(2(552552223||---=-------=-λλλλλλλE A ,得A 的特征值为λ1=2, λ2=11, λ3=0, .对于λ1=2, 解方程(A -2E )x =0, 得特征向量(4, -1, 1)T , 单位化得)231 ,231 ,234(1-=p .对于λ2=11, 解方程(A -11E )x =0, 得特征向量(1, 2, -2)T , 单位化得)32 ,32 ,31(2-=p .对于λ3=0, 解方程A x =0, 得特征向量(0, 1, 1)T , 单位化得)21 ,21,0(3=p . 于是有正交矩阵P =(p 1, p 2, p 3), 使P -1AP =diag(2, 11, 0), 从而有正交变换⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛w v u z y x 21322312132231031234, 使原二次方程变为标准方程2u 2+11v 2=1.29. 明: 二次型f =x T A x 在||x ||=1时的最大值为矩阵A 的最大特征值.证明 A 为实对称矩阵, 则有一正交矩阵T , 使得TAT -1=diag(λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn )=Λ成立, 其中λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn 为A 的特征值, 不妨设λ1最大. 作正交变换y =T x , 即x =T T y , 注意到T -1=T T , 有 f =x T A x =y T TAT T y =y T Λy =λ1y 12+λ2y 22+ ⋅ ⋅ ⋅ +λn y n 2. 因为y =T x 正交变换, 所以当||x ||=1时, 有||y ||=||x ||=1, 即y 12+y 22+ ⋅ ⋅ ⋅ +y n 2=1.因此f =λ1y 12+λ2y 22+ ⋅ ⋅ ⋅ +λn y n 2≤λ1,又当y 1=1, y 2=y 3=⋅ ⋅ ⋅=y n =0时f =λ1, 所以f max =λ1.30. 用配方法化下列二次形成规范形, 并写出所用变换的矩阵.(1) f (x 1, x 2, x 3)=x 12+3x 22+5x 32+2x 1x 2-4x 1x 3; 解 f (x 1, x 2, x 3)=x 12+3x 22+5x 32+2x 1x 2-4x 1x 3 =(x 1+x 2-2x 3)2+4x 2x 3+2x 22+x 32 =(x 1+x 2-2x 3)2-2x 22+(2x 2+x 3)2.令⎪⎩⎪⎨⎧+==-+=323223211222x x y x y x x x y , 即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-==+-=323223211221225y y x y x yy y x ,二次型化为规范形f =y 12-y 22+y 32,所用的变换矩阵为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=12002102251C .(2) f (x 1, x 2, x 3)=x 12+2x 32+2x 1x 3+2x 2x 3; 解 f (x 1, x 2, x 3)=x 12+2x 32+2x 1x 3+2x 2x 3 =(x 1+x 3)2+x 32+2x 2x 3;=(x 1+x 3)2-x 22+(x 2+x 3)2. 令⎪⎩⎪⎨⎧+==+=32322311x x y x y x x y , 即⎪⎩⎪⎨⎧+-==-+=323223211y y x y x y y y x , 二次型化为规范形f =y 12-y 22+y 32,所用的变换矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=110010111C . (3) f (x 1, x 2, x 3)=2x 12+x 22+4x 32+2x 1x 2-2x 2x 3. 解 f (x 1, x 2, x 3)=2x 12+x 22+4x 32+2x 1x 2-2x 2x 3. 3223222212421)21(2x x x x x x -+++=232322212)2(21)21(2x x x x x +-++=.令⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-=+=333222112)2(21)21(2x y x x y x x y , 即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=--=33322321121222212121y x y y x y y y x , 二次型化为规范形f =y 12+y 22+y 32,所用的变换矩阵为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=10022011121C .31. 设f =x 12+x 22+5x 32+2ax 1x 2-2x 1x 3+4x 2x 3为正定二次型, 求a . 解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=5212111a a A ,其主子式为a 11=1,2111a a a-=, )45(5212111+-=--a a a a .因为f 为正主二次型, 所以必有1-a 2>0且-a (5a +4)>0, 解之得054<<-a .32. 判别下列二次型的正定性:(1) f =-2x 12-6x 22-4x 32+2x 1x 2+2x 1x 3; 解二次型的矩阵为⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=401061112A .因为0211<-=a ,0116112>=--, 038||<-=A , 所以f 为负定.(2) f =x 12+3x 22+9x 32+19x 42-2x 1x 2+4x 1x 3+2x 1x 4-6x 2x 4-12x 3x 4. 解二次型的矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=19631690230311211A . 因为 0111>=a ,043111>=--, 06902031211>=--, 024>=A , 所以f 为正定.33. 证明对称阵A 为正定的充分必要条件是: 存在可逆矩阵U , 使A =U T U , 即A 与单位阵E 合同.证明因为对称阵A 为正定的, 所以存在正交矩阵P 使P T AP =diag(λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn )=Λ, 即A =P ΛP T ,其中λ1, λ2, ⋅ ⋅ ⋅, λn 均为正数. 令), , ,diag(211n λλλ⋅⋅⋅=Λ, 则Λ=Λ1Λ1, A =P Λ1Λ1T P T .再令U =Λ1T P T , 则U 可逆, 且A =U T U .。

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