线性代数第四章练习题答案

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线性代数第四章练习题答案

第一篇:线性代数第四章练习题答案

第四章

练习4、1

1、写出下列二次型的矩阵

2(1)f(x1,x2,x3)=2x12x24x1x32x2x3;

(2)f(x1,x2,x3,x4)=2x1x22x1x32x1x42x3x4。

解:(1)因为

2

f(x1,x2,x3)=(x1,x2,x3)022所以二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为:02011011210x1x2x3, 21。0(2)因为

0f(x1,x2,x3,x4)=(x1,x2,x3,x4)1101所以二次型f(x1,x2,x3,x4)的矩阵为:11***11010x1x2x3x4,10。10

2、写出下列对称矩阵所对应的二次型: 11(1)2121201212;

(2)21201211212112012012。12102

T解:(1)设X(x1,x2,x3),则

1f(x1,x2,x3)=XTAX=(x1,x2,x3)21212021222x1x2x3 

=x122x32x1x2x1x34x2x3。(2)设X(x1,x2,x3,x4)T,则

01

f(x1,x2,x3,x4)=XTAX=(x1,x2,x3,x4)2101211212112012012121x1x2x3x4 

2=x2x4x1x22x1x3x2x3x2x4x3x4。 练习4、2

1、用正交替换法将下列二次型化为标准形,并写出所作的线性替换。

22(1)f(x1,x2,x3)=2x1x24x1x24x2x3;

(2)f(x1,x2,x3)=2x1x22x2x3;

222(3)f(x1,x2,x3)=x12x23x34x1x24x2x3。

解:(1)二次型f(x1,x2,x3)的矩阵 2

A=2021202。0A的特征方程为

det(EA)=

20202=(2)(254)=0,12由此得到A的特征值12,21,34。

对于12,求其线性方程组(2EA)X0,可解得基础解系为

1(1,2,2)T。

对于21,求其线性方程组(EA)X0,可解得基础解系为:

2(2,1,2)T。

对于34,求其线性方程组(4EA)X0,可解得基础解系为:

3(2,2,1)T。

将1,2,3单位化,得

11111(,122T,),3332123T

2212(,3323),3令

33(,21T,),33132

P=(1,2,3)=323231323232,3132则

PTAP=diag(-2,1,4)=0001000。4作正交替换X=PY,即

122xyyy3121333212

x2y1y2y3,333x2y2y1y3123333二次型f(x1,x2,x3)可化为标准形:

222

2y1y24y3。

(2)类似题(1)方法可得:

12 P=0121212121201T,PAP=020120200,202即得标准形:2y222y3。

(3)类似题(1)的方法可得: 2

P=3231323232322T,PAP=0301305000,1222即得标准形:2y15y2y3。

2、用配方法将下列二次型化为标准形:

222(1)f(x1,x2,x3)=x12x25x32x1x22x1x36x2x3;

(2)f(x1,x2,x3)=2x1x24x1x3;

(3)f(x1,x2,x3)=4x1x22x1x32x2x3。解:(1)先将含有x1的项配方。

f(x1,x2,x3)=x1+2x1(x2x3)+(x2x3)-(x2x3)+2x2+6x2x3+5x3

22=(x1x2x3)+x2+4x2x3+4x3,22222再对后三项中含有x2的项配方,则有

22222

f(x1,x2,x3)=(x1x2x3)+x2+4x2x3+4x3=(x1x2x3)+(x22x3)。

1TT设Y=(y1,y2,y3),X=(x1,x2,x3),B=002211012,0令Y=BX,则可将原二次型化为标准形y1y2。

(2)此二次型没有平方项,只有混合项。因此先作变换,使其有平方项,然后按题(1)的方法进行配方。令

x1y1y2x11

x2y1y2,即x2=1xyx0333110001y1y2。y3则原二次型化为

f(x1,x2,x3)=2(y1y2)(y1y2)+4(y1y2)y3 =2y12-2y2+4y1y3+4y2y3

=2(y1y3)2-2(y2y3)2,1TT设Y=(y1,y2,y3),Z=(z1,z2,z3),B=0001011,02令Z=BY,则可将原二次型化为标准形2z122z2。

(3)类似题(2)的方法,可将原二次型化为标准形: 4z14z2z3。

2223、用初等变换法将下列二次型化为标准形:

222(1)f(x1,x2,x3)=x12x24x32x1x24x2x3;

222(2)f(x1,x2,x3)=x13x2x32x1x22x1x36x2x3;

(3)f(x1,x2,x3)=4x1x22x1x36x2x3。(此题与课本貌似而已,注意哈)解:(1)二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为 1

A=1012202。4112010024001100100012110024001100100010110000。221于是

110AE=100122010024001100100令

1

C=0011022,1作可逆线性变换X=CY,原二次型可化为标准形:f(x1,x2,x3)=y12y2。

(2)类似题(1)的方法,原二次型可化为标准形:

2f(x1,x2,x3)= y124y2y3。

(3)类似题(1)的方法,原二次型可化为标准形:

f(x1,x2,x3)= 2y12

4、已知二次型

22cx32x1x26x1x36x2xf(x1,x2,x3)=5x125x212y26y3。

22的秩为2。求参数c的值,并将此二次型化为标准形。

解:二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为 5

A=1315333。c因为A的秩为2,令detA=0,可得c=3。

222即

f(x1,x2,x3)=5x15x23x32x1x26x1x36x2x3

也就是

5A= 1315333,322通过初等变换法,即可将其化为标准形:4y29y3。

5、设2n元二次型 f(x1,x2,,x2n)=x1x2nx2x2n1xnxn1 试用可逆线性替换法将其化为标准形。

解:令 x1y1y2n1x2y2y2n10xnynyn

1,P=xn1ynyn1xyy2n122n101xyy12n2n01011110111010,01即作正交变换X=CY,二次型f(x1,x2,,x2n)可化为标准型:

22y12ynyn1y2n。

223x32ax2x3(a>0)通过正交变换化为标准

6、已知二次型f(x1,x2,x3)=2x123x2225y3,求a的值及所作的正交替换矩阵。型fy122y2222解:因为原二次型可化为fy12y25y3,可知原二次型的矩阵的特征值为

1,2和5。

而原二次型的矩阵为 2

A=0003a0a。3故A的特征方程为

det(EA)=

0000a3a=(2)(69a)=0。

223因此将此特征方程的解1,2,5代入得:a=2。

对于11,求其线性方程组(EA)X0,可解得基础解系为

1(0,1,1)。

T对于22,求其线性方程组(2EA)X0,可解得基础解系为:

2(1,0,0)。

对于35,求其线性方程组(5EA)X0,可解得基础解系为:

T

3(0,1,1)。

T将1,2,3单位化,得

11111(0,12,12),T

2212(1,0,0),1212T

3故正交替换矩阵为:

33(0,),T0P=(1,2,3)=21210001。212练习4、3

1、判别下列二次型是否为正定二次型:

222(1)f(x1,x2,x3)=5x16x24x34x1x24x2x3;

222(2)f(x1,x2,x3)=10x12x2x38x1x224x1x328x2x3;

2222(3)f(x1,x2,x3,x4)=x1x24x37x46x1x34x1x44x2x3

2x2x44x3x4。解:(1)二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为 5

A=205226262002。45262由于5>0,=26>0,202=84>0, 4即A的一切顺序主子式都大于零,故此二次型为正定的。

(2)二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为

10

A=41242141214。1由于

1042141214=-3588<0,|A|=412故此二次型不为正定的。

(3)二次型f(x1,x2,x3,x4)的矩阵为: 10

A=320122324222。27由于

101232=-9<0,03故此二次型不为正定的。

2、当t为何值时,下列二次型为正定二次型:

222(1)f(x1,x2,x3)=x14x2x32tx1x210x1x36x2x3;

222(2)f(x1,x2,x3)=x1x25x32tx1x22x1x34x2x3;

222(3)f(x1,x2,x3)=2x1x2x32x1x2tx2x3。

解:(1)二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为: 1

A=t5t4353。1由于

1tt412=4t,tt4353=t230t105,15但易知不等式组

24t0

2

t30t1050无解,因此,不论t取何值,此二次型都不是正定的。