矩阵理论第4章习题解答
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第四章 习题解答
1. 证明:实对称矩阵A的所有特征值在区间,ab上的充要条件是对任何0a,0AE是正定矩阵;而对任何0a,0AE是负定矩阵.
证:因为A为实对称矩阵,所以存在正交矩阵Q,使得
12,,ndiagTA=QQ,
其中特征值,iab.
010200,,ndiagTA-E=QQ,
所以对于00,0ia知A为正定矩阵;00,0ib知A为负定矩阵.
2. 设A,B都是实对称矩阵, A的一切特征值在区间,ab上, B的一切特征值在区间,cd上. 证明: A+B的特征值必在区间,acbd.
证:设A,B的特征值分别为
12nbAAAa, 12ndBBBc,
又因为A,B为实对称矩阵,所以A,B为Hermite矩阵,由定理18知,A+B的特征值kAB,1,2,,kn. 有
1knkkABABAB.
即
1kknkkkaccdbdAABABABA3 设P是酉矩阵,1,,nAdiagaa,证明PA的特征值满足不等式
mM,
其中,miniima,maxiiMa.
证:因为P是酉矩阵,所以HPPE,又因为HHHHPAPAAPPAAA,所以由Browne定理知,PA的特征值满足不等式
minminmaxmaxHHHHiiiiAAPAPAPAPAAA 而
minminHiiiAAam,maxmaxHiiiAAaM,
所以 mM.
4.用圆盘定理证明9121081110401001A=至少有两个实特征值.
证: A的4个盖尔圆为
1|94Gzz,2|82Gzz,
3|41Gzz,4|11Gzz,
它们构成的两个连通区域部分为1123SGGG, 24SG, 易知1S与2S都关于实轴对称, 因为实矩阵的复特征值必成对共轭出现, 所以2S中含有A的一个特征值, 而1S中至少含有A的一个实特征值, 因此A中至少有两个实特征值.
5 参见课本135页中的例1.
6 用圆盘定理估计
7-168-1678885A=
的特征值和A的谱半径, 然后选取一组正数123,,ppp对A的特征值作更细的估计.
解: A的3个特征值在它的2个盖尔圆
724z,516z得并集中, 且31rA. 因为矩阵A有相同的主对角元素,所以,无法通过选取正数123,,ppp给出更精细的估计.
7证明14141414152515151616361617171737A=的谱半径1rA.
证: 113:||44Sz,223:||55Sz,333:||66Sz,433:||77Sz,故矩阵A的盖尔,圆盘位于单位圆内且只与单位圆交于1,又因为||0EA,所以知1rA. 8. 证明14141414152515151616361617171747A=的谱半径1rA.
证: 113:||44Sz,223:||55Sz,333:||66Sz,443:||77Sz,故矩阵A的盖尔,圆盘位于单位圆内且只与单位圆交于1,又因为det10I-A, 所以1rA.
9.举例说明:
(1)在有两个盖儿圆构成构成的连通部分中,可以在每一个盖儿圆中恰有一个特征值.
(2)不一定每个盖尔圆中必有一个特征值.
解:(1)如122-1A=,故250EA,1,25.
(2)如1-0.80.50A=,故20.40EA,1,2110.6.2i
11.设()n,nijaCA,满足1,2,,ijijjiaain则
(1)A可逆;
(2)1det.niiijjiiaaA
证:(1)因为A为严格对角占优矩阵,由定理4知,A可逆。
(2)设0iiiijjidaa,作
111121112212222212nnnnnnnnnaaadddaaadddaaadddB
则有12detdet.ndddAB 所以B盖儿圆盘1,,nijjjiiiiiiaaSdd,又1iiijjiiaad.又1iiiad并且iS与单位圆相外切,故矩阵B的特征值的模均大于1,所以det1B,即12det1.ndddA 所以1detniiijjiiaaA成立.
12 若,nnCA奇异,则存在某个0i,使0000iiijjiaa.
证:反证法 若对任意的i,均有iiijjiaa,则A为严格对角占优,即A非奇异,这与,nnCA奇异矛盾.
13设,nnCA可逆,为特征值,则1122AA.
证:设A的特征值为,对应的特征向量为0x,则Ax=x.因为22||xx,222AxAx,所以2||A. 又因为-1xAx=,同理可得112A. 所以1122AA成立.
15. 设实对称阵A和B的特征值分别是
12n和12nuuu,
若对单位向量x,恒有T0xBAx, 则1,,.kkukn
证:11T2,,,,minmax1nnknkkxCxxAx,
11T2,,,,minmax1nnknkxCxxBx+,
11T2,,,,minmax1nnknkxCxxBx,+
1,2,,kukn.
同理可得1,2,,kkukn,因此1,,.kkukn