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一、数值型矩阵特征值与特征向量的计算

小题​

  1. 【1989-45-5分】 设

(1)试求 矩阵的特征值。

(2)利用(1)的结果,求矩阵 的特征值。其中 是三阶单位矩阵。

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答案: (1) 的特征值为 。

(2) 的特征值为 。

解析: 由特征方程

因此 的三个特征值为

因为这些特征值均不为零,所以 可逆。若 是 的特征值,则 的对应特征值为 ,进而 的对应特征值为

故

其中 的代数重数为 。


  1. 【1991-5-5分】 已知向量 是矩阵 的逆矩阵 的特征向量,求常数 的值。
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答案: 或 。

解析: 由于 可逆, 与 具有相同的特征向量。因此, 也是 的特征向量。

计算

设其对应特征值为 ,则

由第一行得 ,代入第二行可得

即

所以

从而 或 。两种情况下 均为非零向量,故都符合题意。


  1. 【1992-5-3分】 矩阵 的非零特征值是
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答案: 。

解析: 令

则

所以 是 的一个特征值。

又因为 的各行完全相同,所以

因此零特征值的几何重数至少为 。结合 为四阶矩阵可知,其特征值为

故唯一的非零特征值为 。


  1. 【1999-1-3分】 设 阶矩阵 的元素全为1,则 的 个特征值是
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答案: 。

解析: 令

由于 的每一行元素之和均为 ,故

所以 是 的一个特征值。

另一方面, 的各行均相同,因此

从而

即特征值 至少有 个线性无关的特征向量。由于矩阵共有 个特征值,所以全部特征值为

也可由迹验证:,与上述特征值之和一致。


  1. 【2002-2-3分】 矩阵 的非零特征值是
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答案: 。

解析: 计算特征多项式:

因此特征方程为

矩阵的三个特征值是

故其非零特征值为 。


  1. 【2017-2-4分】 设矩阵 的一个特征向量为 ,则
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答案: 。

解析: 设

计算得

因为 是 的特征向量,所以存在特征值 ,使

由第一行可得 ,第三行也满足 。再由第二行得

所以

大题​

  1. 【1987-45-6分】 求矩阵 的实特征值及对应的特征向量。
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答案: 实特征值为 ,对应的全部特征向量为

解析: 计算特征多项式:

因此特征方程为

其中二次方程 的判别式为

故它没有实根。因此矩阵 唯一的实特征值是

求对应特征向量,解齐次方程组

即

由第三个方程得 ,由第二个方程得

所以 。令 ,则

特征向量必须是非零向量,故 。


  1. 【1994-45-8分】 设 有三个线性无关的特征向量,求 和 应满足的条件。
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答案:

解析: 先计算矩阵 的特征多项式:

故 的特征值为

单特征值 必有一个线性无关的特征向量。要使 有三个线性无关的特征向量,二重特征值 的特征子空间维数必须为 ,即

而

第一行与第三行互为相反数。要使该矩阵的秩为 ,第二行也必须是第一行的倍数,即存在常数 ,使

于是

从而

反之,当 时,,故

此时特征值 有两个线性无关的特征向量,再加上特征值 的一个特征向量,矩阵 共有三个线性无关的特征向量。因此所求条件为 。


  1. 【1998-34-9分】 设向量 , 都是非零向量,且满足条件 ,记 阶矩阵 ,求:

(1) ;

(2)矩阵 的特征值和特征向量。

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答案: (1) 。

(2) 的全部特征值均为 ;对应的全部特征向量为满足

的任意非零向量 。

解析: (1) 由 ,有

由于 ,而 是其转置,仍为标量 ,所以

(2) 设 是 的任一特征值, 是对应的特征向量,则

两边再左乘 ,得

由 ,可得

因为 ,故

所以 的全部特征值均为 。

再求特征值 对应的特征向量。方程 等价于

由于 ,故上式等价于

因此,所有满足 的非零向量 ,都是 属于特征值 的特征向量。

又因为 ,方程 的解空间维数为 。特别地,由 可知, 本身也是一个特征向量。


  1. 【1999-13-9分】 设矩阵 ,且 ,又设 的伴随矩阵 有一个特征值 ,属于 的特征向量为 ,求 及 的值。
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答案:

解析: 由 ,可知 可逆,并且

已知

由于 可逆,故 。在上式两边左乘 ,并利用 ,得

即

因此 也是 的特征向量。直接计算

设 ,则

将第一式与第三式相加,得

所以 。代入第一式,得

即 。再由第二式可得

所以 。

此时 ,代入行列式条件:

由 ,得

所以

最后,由

及 ,可得


  1. 【2003-4-13分】 设矩阵 可逆,向量 是矩阵 的一个特征向量, 是 对应的特征值,其中 是矩阵 的伴随矩阵。试求 和 的值。
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答案: 共有两组:

或

解析: 因为 可逆,所以

已知

在两边左乘 ,得

由于 可逆,所以其特征值 ,从而

因此 也是 的特征向量。设其对应的特征值为 ,则

直接计算:

故

由第一式与第三式比较,得

所以

将 代入第二式,得

即

因此

所以

当 时,

与 可逆的条件相符。

又由

可得

当 时,,故

当 时,,故

综上,所求两组结果为