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三、惯性指数与合同规范型

小题​

(一)惯性指数的计算与讨论​

  1. 【2008-1-4分】 设 为三阶实对称矩阵,如果二次曲面方程

在正交变换下的标准方程的图形如图(图示为双叶双曲面),则 的正特征值个数为( )

A.    B.    C.    D.
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答案: B。

解析: 双叶双曲面的标准方程可写为

其中 。其对应二次型有一个正平方项、两个负平方项,因此正惯性指数为 。

实对称矩阵在正交变换下化成的标准形系数就是其特征值,所以 的正特征值个数为 。

其余选项对应的正平方项个数均与双叶双曲面的标准方程不符。


  1. 【2011-2-4分】 二次型

则 的正惯性指数为

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答案: 。

解析: 配方得

令

这是可逆线性变换,于是二次型化为

其中有两个正平方项,没有负平方项,故正惯性指数为


  1. 【2014-123-4分】 设二次型

的负惯性指数是 ,则 的取值范围是

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答案:

解析: 对二次型配方:

所用变换

可逆,因此惯性指数不变。

标准形中 恒提供一个负平方项。要使负惯性指数恰为 ,必须使第三项的系数非负,即

所以

当 时第三项为零,负惯性指数仍为 ,故端点应保留。


  1. 【2016-23-4分】 设二次型

的正、负惯性指数分别为 ,则( )

A.    B.    C.    D. 或
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答案: C。

解析: 二次型矩阵为

向量 对应特征值 ,其正交补空间上的两个特征值均为 。因此三个特征值为

正惯性指数为 、负惯性指数为 ,必须满足

即

端点会出现零特征值,不符合正、负惯性指数之和为 ,故不能取。


  1. 【2025-1-5分】 二次型

的正惯性指数为( )

A.    B.    C.    D.
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答案: B。

解析: 配方得

令

该变换可逆,于是

故正惯性指数为 ,负惯性指数为 ,秩为 。应选 B。


  1. 【2016-1-4分】 设二次型

则 在空间直角坐标下表示的二次曲面为( )

A. 单叶双曲面    B. 双叶双曲面    C. 椭球面    D. 柱面
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答案: B。

解析: 二次型矩阵为

其特征值为

经正交变换后,方程化为

即

标准方程只有一个正平方项、两个负平方项,表示双叶双曲面,故选 B。


  1. 【2019-123-4分】 设 是三阶实对称矩阵, 是三阶单位矩阵。若

则二次型 的规范形为( )

A.    B.
C.    D.
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答案: C。

解析: 设 是 的任一特征值。由

可得

所以

设三个特征值中有 个为 ,则

由 得

故 有一个正特征值、两个负特征值,规范形为

因此选 C。


  1. 【2021-123-5分】 二次型

的正惯性指数与负惯性指数依次为( )

A.    B.    C.    D.
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答案: B。

解析: 展开得

其矩阵为

计算特征多项式:

故特征值为

因此正惯性指数为 ,负惯性指数为 ,应选 B。


  1. 【2023-23-5分】 二次型

的规范形为( )

A.    B.    C.    D.
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答案: B。

解析: 展开二次型,其矩阵为

特征多项式为

故特征值为

于是正、负惯性指数均为 ,并有一个零平方项。因此规范形为

故选 B。


  1. 【2024-3-5分】 设二次型 在正交变换下可化为

则二次型 的矩阵 的行列式与迹分别为( )

A.    B.    C.    D.
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答案: B。

解析: 正交变换将实对称矩阵 正交相似对角化,标准形中的系数即 的特征值。因此 的三个特征值为

故

且

所以应选 B。

(二)合同关系的讨论​

  1. 【2001-1-3分】 设

则 与 ( )

A. 合同且相似    B. 合同但不相似    C. 不合同但相似    D. 不合同且不相似
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答案: A。

解析: 矩阵 是四阶全 矩阵。向量 对应特征值 ,其正交补空间上的特征值均为 ,故 的特征值为

矩阵 的特征值也为

二者均为实对称矩阵,且均可正交相似于 ,所以 与 相似。

同时,两者的正惯性指数均为 ,负惯性指数均为 ,零惯性指数均为 。由惯性定理,二者合同。

因此 与 既合同又相似,选 A。


  1. 【2007-1234-4分】 设矩阵

则 与 ( )

A. 合同且相似    B. 合同,但不相似    C. 不合同,但相似    D. 既不合同也不相似
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答案: B。

解析: 矩阵 可写成

其中 为三阶全 矩阵。因此向量 对应特征值 ,其正交补空间上的两个特征值均为 。故

矩阵 的特征值为

两矩阵特征值不同,故不相似。

但二者的正惯性指数都为 ,负惯性指数都为 ,零惯性指数都为 。根据实对称矩阵合同的充要条件, 与 合同。

所以选 B。


  1. 【2008-234-4分】 设

则在实数域上与 合同的矩阵为( )

A.    B.
C.    D.
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答案: D。

解析: 矩阵 的特征多项式为

故 的特征值为 ,正、负惯性指数均为 。

逐项判断:

  • A 的特征值为 ,负惯性指数为 ;
  • B 的特征值为 ,正惯性指数为 ;
  • C 的特征值为 ,正惯性指数为 ;
  • D 的特征值为 ,正、负惯性指数均为 。

因此只有矩阵 D 与 具有相同的正、负惯性指数。由惯性定理,二者合同。

也可直接取

则

故选 D。

大题​

(一)惯性指数的计算与讨论​

  1. 【1996-12-8分】 已知二次型

的秩为 。

(1) 求参数 及此二次型对应矩阵的特征值;

(2) 指出方程 表示何种二次曲面。

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答案:

二次型矩阵的特征值为

方程 表示椭圆柱面。

解析: 二次型矩阵为

由于二次型的秩为 ,所以

计算行列式得

故

此时

计算特征多项式:

所以特征值为

经正交变换后,二次型可化为

因此方程 化为

其中 可任意取值。该曲面是母线平行于 轴的椭圆柱面。


  1. 【2001-3-8分】 设 为 阶实对称矩阵,, 是 中元素 的代数余子式,二次型

(1) 记 ,把 写成矩阵形式,并证明二次型 的矩阵为 ;

(2) 二次型 与 的规范形是否相同?说明理由。

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答案:

二次型 与 的规范形相同。

解析: 因为 ,所以 ,矩阵 可逆。

矩阵 的伴随矩阵为

故

又因为 为实对称矩阵,所以其代数余子式满足

因此

于是

这就证明了 的矩阵是 。

下面比较规范形。由于 是实对称可逆矩阵,可正交对角化为

其中每个 。于是

与 符号相同,所以 与 的正、负惯性指数分别相同。

根据惯性定理,二次型 与 的规范形相同。


  1. 【2009-123-11分】 设二次型

(1) 求二次型 的矩阵的所有特征值;

(2) 若二次型 的规范形为 ,求 的值。

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答案: 矩阵的特征值为

当规范形为 时,

解析: 二次型矩阵为

计算特征多项式:

所以特征值为

规范形为 ,说明二次型的正惯性指数为 ,负惯性指数为 ,秩为 。因此三个特征值中恰有一个为零,另外两个均为正。

分别讨论:

  • 若 ,则 ,另外两个特征值为 ,均为正,符合题意;
  • 若 ,则特征值为 ,正、负惯性指数均为 ,不合题意;
  • 若 ,则特征值为 ,没有正特征值,不合题意。

故唯一可能为


  1. 【2018-123-11分】 设实二次型

其中 是参数。

(1) 求 的解;

(2) 求 的规范形。

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答案: 当 时, 只有零解,规范形为

当 时, 的全部解为

规范形为

解析: 令

则

由于 是若干实线性形式平方之和,所以

当且仅当

计算

当 时, 可逆,所以 只有零解,即

此时 ,从而

又 为正定矩阵,故正惯性指数为 ,规范形为

当 时,方程组 为

令 ,则

故全部解为

此时 ,所以 。由于 半正定,其正惯性指数为 ,负惯性指数为 ,故规范形为

(二)合同关系的讨论​

  1. 【2025-2-12分】 已知矩阵

与

合同。

(1) 求 的值及 的取值范围;

(2) 若存在正交矩阵 ,使得 ,求 及 。

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答案: (1)

(2)

可取

解析: 由于 与 合同,所以二者秩相同。矩阵 的第三个对角元为零,因此

合同矩阵的秩相同,从而 也必为奇异矩阵。计算

故

此时

其特征多项式为

故特征值为

因此 的正惯性指数为 ,负惯性指数为 ,零惯性指数为 。

矩阵 的对角元为 。要与 具有相同的惯性指数,必须有

这就得到第 (1) 问。

若存在正交矩阵 使

则 ,所以 与 正交相似,二者必须有相同的特征值。由于 的特征值为 ,故

下面求 。对应特征值 ,可分别取特征向量

三向量两两正交。单位化得

令 ,则

且

因此上述 即为所求正交矩阵。