25 ,
(1)设A= ,
求φ(A)=A10-5A9
(2)设A= ,
求φ(A)=A10-6A9+5A8
解:(1)
解题思路
为了计算矩阵的高次幂 A¹⁰ 和 A⁹,直接逐次乘法计算效率低下。
更高效的方法是利用矩阵的对角化(如果可能),将矩阵表示为 A =
PDP⁻¹,
其中 D 是对角矩阵。
这样,Aⁿ = PDⁿP⁻¹,而 Dⁿ 的计算非常简单。
步骤1:求矩阵A的特征值和特征向量
首先,计算矩阵A的特征值:
特征方程为 det(A - λI)
=
得
接下来,求对应的特征向量:
1. 对于 λ₁ =
5:
可以得到 v₁ =
-v₂,因此一个特征向量是
2. 对于 λ₁
=1:
可以得到 v₁ =
v₂,因此一个特征向量是
步骤 2:矩阵的对角化
构造矩阵 P
和D:,得
验证 A =
PDP⁻¹
步骤3: 计算 Aⁿ
利用对角化:
计算 A¹⁰ 和 A⁹:
步骤4:计算φ(A) = A¹⁰ - 5A⁹
将A¹⁰和5A⁹代入:
注意到 5¹⁰ = 5⋅5⁹,因此:
(2)解题思路
为了计算矩阵的高次幂 A¹⁰、A⁹ 和 A⁸,直接逐次乘法计算效率低下。
更高效的方法是利用矩阵的对角化(如果可能),
将矩阵表示为 A = PΛP⁻¹,其中 Λ 是对角矩阵。
这样,Aⁿ = PΛⁿP⁻¹,而 Λⁿ 的计算非常简单。
步骤1:求矩阵A的特征值
|A-λE|===0
于是A的特征值
步骤 2:求特征向量
1. 对于 λ₁ =
1:,解 (A - I)v =
0:得特征向量
2. 对于 λ2 =
5:,解 (A - 5I)v =
0:得特征向量
3. 对于 λ3 =
-1:,解 (A + I)v =
0:得特征向量
步骤3: 计算A
由特征值和特征向量得:
,
A =
PΛP⁻¹
步骤4: 计算 Aⁿ
步骤5:计算 A¹⁰、6A⁹和5A8:
5A8=5
步骤6: 计算A¹⁰ - 6A⁹ + 5A⁸
A¹⁰ - 6A⁹ + 5A⁸ = P·Λ¹⁰·P⁻¹ - P·6Λ⁹·P⁻¹ + P·5Λ⁸·P⁻¹ = P·(Λ¹⁰ - 6Λ⁹ +
5Λ⁸)·P⁻¹
26.用矩阵记号表示二次型:
(1) f=x2+4xy+4y2+2xz+z2+4yz
(2) f=x2+y2-7z2-2xy-4xz -4yz
(3)f=++-2x1x2+6x2x3
解: (1)
设 x
=
,二次型矩阵𝐴的元素𝑎ᵢⱼ(𝑖,𝑗=1,2,3)确定规则为:
𝑥ᵢ²的系数为𝑎ᵢᵢ,𝑥ᵢ𝑥ⱼ(𝑖≠𝑗)系数的一半分别为𝑎ᵢⱼ和𝑎ⱼᵢ。
对角线元素(平方项系数):
𝑥² 的系数为 1 ⇒ 𝑎₁₁ = 1
𝑦² 的系数为 4 ⇒ 𝑎₂₂ = 4
𝑧² 的系数为 1 ⇒ 𝑎₃₃ = 1
非对角线元素(交叉项系数的一半):
𝑥𝑦 的系数为 4 ⇒ 𝑎₁₂ = 𝑎₂₁
==
2
𝑥𝑧 的系数为 2 ⇒ 𝑎₁₃ = 𝑎₃₁
==
1
𝑦𝑧 的系数为 4 ⇒ 𝑎₂₃ = 𝑎₃₂ =
= 2
那么二次型的矩阵A= ,
用矩阵记号表示为
(2) 对于 f = x² + y² - 7z² - 2xy - 4xz - 4yz
设 x
=,按照上述规则确定矩阵A的元素:
x²的系数为1,所以 a₁₁ = 1;
y²的系数为1,所以 a₂₂ = 1;
z²的系数为-7,所以 a₃₃ = -7;
xy系数为-2,则 a₁₂ = a₂₁ =
= -1;
xz系数为-4,则 a₁₃ = a₃₁ =
= -2;
yz系数为-4,则 a₂₃ = a₃₂ =
=
-2。
那么二次型的矩阵A= ,
用矩阵记号表示为
(3) 对于 f = x₁² + x₂² + x₃² - 2x₁x₂ + 6x₂x₃
设 x =
,确定矩阵A的元素:
x₁²的系数为1,所以 a₁₁ = 1;
x₂²的系数为1,所以 a₂₂ = 1;
x₃²的系数为1,所以 a₃₃ = 1;
x₁x₂系数为-2,则 a₁₂ = a₂₁ =
= -1;
x₁x₃系数为0,则 a₁₃ = a₃₁ = 0= 0;
x₂x₃系数为6,则 a₂₃ = a₃₂ =
= 3。
那么二次型的矩阵A= ,
用矩阵记号表示为
27 , 写出下列二次型的矩阵:(方阵对称化)
(1)
f(x)=xTx (2)
f(x)=xTx
解: (1)
记x= , 则f(x)=(x1 ,
x2)
=2++x1x2+3x2x1=2++4x1x2=(x1
,
x2)
故二次型f的矩阵为
(2)记x= ,
则f(x)=
= x₁² + 5x₂² + 9x₃² + 6x₁x₂ + 10x₁x₃ + 14x₂x₃
=
故二次型f的矩阵为