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一、相似关系的判断与计算

小题​

  1. 【1999-3-3分】 设 , 为 阶矩阵,且 与 相似, 为 阶单位矩阵,则( )。
A.    B. 与 有相同的特征值和特征向量
C. 与 都相似于一个对角矩阵    D. 对任意常数 , 与 相似
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答案: D

解析: 由 与 相似,存在可逆矩阵 ,使得

于是对任意常数 ,有

所以 与 相似,D 正确。

  • A:相似矩阵不一定相等,因此一般不能推出 。
  • B:相似矩阵具有相同的特征值,但它们的特征向量通常不同;若 ,则 才是 的相应特征向量。
  • C:相似不等于一定可以对角化;两个不可对角化的矩阵也可能彼此相似。

  1. 【2003-4-4分】 设矩阵

已知矩阵 相似于 ,则 与 之和等于( )。

A.    B.    C.    D.
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答案: C

解析: 因为 与 相似,所以对任意常数 ,矩阵 与 相似,故二者秩相同。

先考察 。它表示交换第一、第三个坐标,容易验证

因此 的特征值为 。

由于 不是 的特征值, 可逆,从而

而特征值 的特征空间维数为 ,故

由秩—零度定理得

所以


  1. 【2009-3-4分】 设 ,,矩阵 相似于

则 _________。

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答案:

解析: 相似矩阵的迹相等。对列向量 ,有

这里

另一方面,所给对角矩阵的迹为 。因此

解得

相关知识点:秩为 的矩阵 的非零特征值为 ;本题也可由相似矩阵特征值相同直接得到结论。


  1. 【2009-2-4分】 设 , 为3维列向量, 为 的转置,若矩阵 相似于

则 _________。

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答案:

解析: 利用迹在相似变换下保持不变,有

又由迹的循环性质,

其中 是一个一阶矩阵,即一个数。因此


  1. 【2016-123-4分】 设 , 是可逆矩阵,且 与 相似,则下列结论错误的是( )。
A. 与 相似    B. 与 相似
C. 与 相似    D. 与 相似
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答案: C

解析: 设

其中 可逆。

对于 A,转置后有

所以 与 相似,A 正确。

对于 B,取逆得

所以 与 相似,B 正确。

对于 D,有

所以 D 正确。

但一般有

这两项通常不是由同一个相似变换矩阵作用得到的,故不能推出 与 相似。

例如取

则

此时

而

两矩阵行列式不同,不可能相似。因此错误的是 C。


  1. 【2017-123-4分】 已知矩阵

则( )。

A. 与 相似, 与 相似    B. 与 相似, 与 不相似
C. 与 不相似, 与 相似    D. 与 不相似, 与 不相似
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答案: B

解析: 三个矩阵的特征值均为 ,但具有相同特征值并不足以保证相似,还要比较其 Jordan 结构或各特征空间维数。

对 ,

方程 等价于 ,故特征值 的特征空间维数为 。特征值 的特征空间维数为 ,所以 有3个线性无关的特征向量,可以对角化,且

对 ,

方程 给出 ,所以特征值 的特征空间只有1维,小于其代数重数2。故 不可对角化,而 可对角化,因此 与 不相似。

综上,选 B。


  1. 【2018-123-4分】 下列矩阵中,与矩阵

相似的为( )。

A.    B.
C.    D.
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答案: A

解析: 令

则

因此 的 Jordan 形由一个3阶 Jordan 块组成。候选矩阵均只有特征值 ,故只需比较其减去单位矩阵后所得幂零矩阵的秩与幂零指数。

对 A,令

有

所以 与 具有相同的 Jordan 结构,从而 A 中矩阵与 相似。

对 B、C、D,相应的 均只有1个线性无关的非零行,即秩为 ,并且平方为零。它们的 Jordan 结构是一个2阶 Jordan 块与一个1阶 Jordan 块,不可能与 相似。

因此选 A。

大题​

  1. 【2001-1-8分】 已知3阶矩阵 与三维向量 ,使得向量组 ,, 线性无关,且满足

(1)记 ,求3阶矩阵 ,使 ;

(2)计算行列式 。

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答案: (1);

(2)。

解析: 由于向量组 线性无关,所以

为可逆矩阵。

由矩阵乘法,

根据题设

于是

因此

其中

右乘 ,得

因为相似矩阵对应多项式矩阵也相似,所以

从而

本题关键是把 在基 下的作用逐列写出,所得坐标正好构成矩阵 的各列。


  1. 【2002-1-8分】 设 , 为同阶方阵。

(1)如果 , 相似,试证 , 的特征值相等;

(2)举一个二阶方阵的例子说明(1)的逆命题不成立;

(3)当 , 均为实对称矩阵时,试证(1)的逆命题成立。

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答案: 见解析。

解析: (1)设 与 相似,则存在可逆矩阵 ,使得

于是

故 与 的特征多项式相同,从而二者的全部特征值及其代数重数均相同。

(2)取

二者的特征多项式均为

即具有相同的特征值 。

但 ,而单位矩阵只与自身相似。事实上,若存在可逆矩阵 使 ,则

这与 矛盾。因此 与 不相似。

也可从秩看出:

而相似矩阵减去同一数乘单位矩阵后秩应相等,故二者不相似。

(3)设 , 均为实对称矩阵,且具有相同的特征值,包括相同的代数重数。

由实对称矩阵的谱定理,存在正交矩阵 ,使得

其中 为由这些共同特征值组成的同一个对角矩阵。于是

令

由于正交矩阵可逆, 可逆,且

因此

所以 与 相似。

综上,一般矩阵“特征值相同”只是相似的必要条件,不是充分条件;但对实对称矩阵,因其必可正交对角化,特征值相同便可推出相似。


  1. 【2014-123-11分】 证明 阶矩阵

与

相似。

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答案: 见解析。

解析: 记

则

先考察矩阵 。

因为

所以 是 属于特征值 的特征向量。

若向量 满足

则

因此特征值 的特征空间为

其维数为 。故 有 个线性无关的特征向量,从而

再考察矩阵 。对任意向量 ,有

特别地,由于 的第 个分量为 ,故

所以 是 属于特征值 的特征向量。

当 时,

因此

其维数也为 。于是 同样有 个线性无关的特征向量,且

由相似关系的传递性,

故矩阵 与矩阵 相似。

本题也可概括为:两个矩阵均为秩1矩阵,非零特征值都等于其迹 ,且二者均可对角化,因此它们具有相同的相似标准形。