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第五章 矩阵的特征值与特征向量

选择题​

  1. 设 为 阶可逆矩阵, 是 的一个特征值,则伴随矩阵 的一个特征值是
A.    B.    C.    D.
查看答案与解析

答案: (B)**

解析: 设 是 属于特征值 的特征向量,即

由于 可逆,所以 ,并且

由 得

因此

故 也是 的特征向量,对应特征值为

选项(A)、(D)错误地将 的次数写成了 ;选项(C)错误地把 写成了 。


  1. 设 是可逆矩阵 的一个特征值,则

的一个特征值是

A.    B.    C.    D.
查看答案与解析

答案: (C)**

解析: 设 满足

则

所以 对应的特征值为

由于 可逆, 也可逆,其逆矩阵对应的特征值为

再加上单位矩阵 ,特征值相应增加 ,故

因此应选(C)。其余选项均未正确依次使用“平方、数乘、求逆、加单位矩阵”对特征值的变换规律。


  1. 设 是三阶不可逆矩阵, 是 的基础解系, 是属于特征值 的特征向量,下列不是 的特征向量的是
A.    B.    C.    D.
查看答案与解析

答案: (C)**

解析: 由于 是齐次方程组 的基础解系,因此

且 线性无关。于是任意非零线性组合

都是 属于特征值 的特征向量。因此

均为特征向量,故(A)、(B)不符合题意。

又因为

所以

故 仍是属于特征值 的特征向量,(D)不符合题意。

考察 :

若 是特征向量,则存在常数 ,使

即

属于不同特征值的特征向量 与 线性无关,因此必须有

矛盾。所以 不是特征向量,应选(C)。


  1. 设 是 的特征向量,则 不一定是其特征向量的矩阵是
A.    B.    C.    D.
查看答案与解析

答案: (C)**

解析: 设

对选项(A),有

进而

所以 一定是 的特征向量。

对选项(B),有

所以 一定是 的特征向量。

对选项(D),分情况讨论:

  • 若 ,则

从而

  • 若 且 ,由

得

所以 。

  • 若 且 ,当 时 ;当 时,,而此时 为一维空间,因此 仍是 的数倍。

故 一定也是 的特征向量。

但一般由

不能推出

例如

有 ,但

不是 的数倍。因此应选(C)。


  1. 下列矩阵中不能相似对角化的是

A.

B.

C.

D.

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答案: (D)**

解析: 逐项判断。

(A)中的矩阵是实对称矩阵。实对称矩阵一定可以正交相似对角化,因此(A)可以相似对角化。

(B)中的矩阵为下三角矩阵,其特征值为

对于 ,解

即

其解空间维数为 ,等于特征值 的代数重数。再加上特征值 的一个特征向量,共有三个线性无关的特征向量,因此(B)可以相似对角化。

(C)中的矩阵为下三角矩阵,三个特征值为

彼此不同,所以必有三个线性无关的特征向量,故(C)可以相似对角化。

(D)中的矩阵为下三角矩阵,特征值为

对于 ,有

即

故属于特征值 的特征子空间维数仅为 ,小于其代数重数 。因此该矩阵没有三个线性无关的特征向量,不能相似对角化,应选(D)。


  1. 设 是 阶非零矩阵,,下列命题中不一定正确的是
A. 的特征值只有零    B. 必不能对角化
C. 必可逆    D. 只有一个线性无关的特征向量
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答案: (D)**

解析: 由 可知 是幂零矩阵。

对(A),若 是 的特征值, 是相应特征向量,则

于是

又因 ,故

由 得 。所以(A)一定正确。

对(B),若 可相似对角化,则因为它的全部特征值均为 ,其相似对角矩阵只能是零矩阵,从而 ,这与题设 矛盾。因此(B)一定正确。

对(C),有

并且

故

所以(C)一定正确。

对(D),幂零矩阵属于特征值 的线性无关特征向量个数等于

它不一定等于 。例如

此时 ,且

其维数为 ,因此有两个线性无关的特征向量。故(D)不一定正确。

填空题​

  1. 设 是 阶矩阵,,则 必有特征值 ,且其重数至少是 。
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答案:

解析: 由秩—零度定理,齐次方程组

的解空间维数为

因此该方程组存在非零解 ,即

故 必为 的特征值。

特征值 的几何重数为

而任一特征值的代数重数不小于其几何重数,所以特征值 的代数重数至少为


  1. 设 是 阶可逆矩阵, 是 的特征值,则 必有特征值 。
查看答案与解析
答案:

解析: 设 是 属于特征值 的特征向量,则

由于 可逆,,且

于是

从而

继续作用一次 ,得

因此

故所求特征值为


  1. 已知 是

的特征值,则 。

查看答案与解析
答案:

解析: 因为 是 的特征值,所以

计算

因此

解得


  1. 设 是秩为 的三阶实对称矩阵,且 ,则 的特征值是 。
查看答案与解析
答案:

解析: 若 是 的任一特征值, 是相应特征向量,则

由

作用于 ,得

故

即 的特征值只能为

又因为 为三阶矩阵且 ,所以

实对称矩阵一定可以正交相似对角化,因此特征值 的代数重数等于其几何重数,为 。其余两个特征值只能均为 。故全部特征值为


  1. 已知 是矩阵

的特征向量,则 。

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答案:

解析: 直接计算

因为 是特征向量,所以存在特征值 ,使

比较前两个分量可得

再比较第三个分量,有

故


  1. 设 是三阶矩阵,且各行元素之和都是 ,则 必有特征向量 。
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答案:

解析: 设

由各行元素之和均为 ,有

因此

所以

是 属于特征值 的特征向量;其任一非零倍数也都是特征向量。


  1. 设 是三阶实对称矩阵,特征值是 。如果

分别是 与 的特征向量,则 的特征向量是 。

查看答案与解析
答案:

或其任一非零倍数。

解析: 实对称矩阵属于不同特征值的特征向量彼此正交。设 的特征向量为

则必须满足

即

两式相减得

故 。再由 ,可取

因此可取


  1. 已知

相似,则 。

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答案:

解析: 相似矩阵有相同的迹和行列式。先比较迹:

因此

即

再比较行列式:

而

故

得到

代入式 ,得

所以

此时 的特征值也确为 ,与 相同。


  1. 已知矩阵

有两个线性无关的特征向量,则 。

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答案:

解析: 矩阵 是分块上三角矩阵,其特征多项式为

故 只有特征值

其代数重数为 。属于 的特征向量由

确定,其中

要有两个线性无关的特征向量,特征子空间维数必须为 ,即

因此

由于第一行非零,秩为 的条件是第二行必须为第一行的 倍。比较第三个元素,得

当 时,确有

所以 ,特征子空间维数为 。故

计算题与证明题​

  1. 已知

求 的特征值、特征向量,并判断 能否相似对角化,说明理由。

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答案:

属于 的全部特征向量为

属于 的全部特征向量为

矩阵 不能相似对角化。

解析: 由特征方程

得

因此 的特征值为

其中 是二重特征值。

当 时,解齐次方程组

即

由第二个方程得

令 ,则

代入第一个方程,得到

故属于 的全部特征向量为

当 时,解

即

由第三个方程得 ,再由前两个方程得

故属于 的全部特征向量为

特征值 的代数重数为 ,但其特征子空间只有一维,即只有一个线性无关的特征向量。因此矩阵 总共只有两个线性无关的特征向量,少于矩阵的阶数 ,所以


  1. 已知

是 的伴随矩阵,求 的特征值与特征向量。

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答案: 的特征值为

属于特征值 的全部特征向量为

属于特征值 的全部特征向量为

解析: 矩阵 可以写成

其中 是三阶全 矩阵。

取

则

所以 是 的特征值, 是相应特征向量。

若向量 满足

则 ,从而

因此 是 的二重特征值,其特征子空间为

可取一组基为

于是 的特征值为

故

因为 可逆,所以

若

则

进而

所以 与 有相同的特征向量,特征值由 变为 。因此:

  • 当 时, 的相应特征值为 ;
  • 当 时, 的相应特征值为 。

故 的特征值为

相应特征向量分别为

以及


  1. 已知

可对角化,求可逆矩阵 及对角矩阵 ,使 。

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答案: 由可对角化条件得

可取

此时

解析: 矩阵 为分块下三角矩阵,因此

故 的特征值为

其中 是二重特征值。

由于 可对角化,因此二重特征值 必须有两个线性无关的特征向量,即

而

要使零空间维数为 ,必须有

前两行已经成比例,因此第三行也必须与第二行成比例。由

得到

下面求特征向量。

当 时,解

在 时,

由方程组得

故可取属于 的特征向量

当 时,

其方程等价于

而 为自由变量。因此可取两个线性无关的特征向量

以这三个特征向量为列构造矩阵

由于

故 可逆。按列向量对应的特征值排列,取

于是


  1. 已知 是三阶不可逆矩阵, 和 是 的特征值,,求 的特征值,并问 能否相似对角化,并说明理由。
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答案: 的特征值为

矩阵 可以相似对角化。

解析: 由于 是三阶不可逆矩阵,所以

从而 是 的特征值。已知另外两个特征值为 和 ,故 的三个特征值为

令

则

由矩阵多项式的特征值性质,若 是 的特征值,则 是 的相应特征值。因此

所以 的特征值为

下面判断 是否可相似对角化。

因为 有三个互不相同的特征值 ,所以 必可相似对角化。设

则

因此

也可以从特征向量角度说明: 分别属于特征值 的三个特征向量线性无关,其中前两个均成为 属于特征值 的特征向量,第三个成为 属于特征值 的特征向量,故 仍有三个线性无关的特征向量。


  1. 设三阶实对称矩阵 的秩为 , 是 的二重特征值,若

都是 属于 的特征向量,求矩阵 。

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答案:

解析: 由于 是三阶矩阵且

所以 不可逆, 是 的一个特征值。又已知 是二重特征值,因此 的全部特征值为

先考察给出的三个属于 的特征向量。容易验证

且 线性无关,所以属于特征值 的特征子空间为

因为 是实对称矩阵,所以不同特征值对应的特征向量相互正交。设属于特征值 的特征向量为

则应满足

即

解得

故可取

于是

矩阵 在平面 上的作用是乘以 ,在方向 上的作用是乘以 。因此

由于

且

所以

检验可得

且 为实对称矩阵、秩为 ,满足题设全部条件。


  1. 已知 ,,证明 。
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答案:

解析: 由 ,存在可逆矩阵 ,使得

于是

由题设 ,故

因此

本题说明:矩阵多项式关系在相似变换下保持不变。更一般地,若 ,则对任意多项式 ,都有

因此 必推出 。


  1. 已知 是 的特征值, 是相应的特征向量且线性无关,如 仍是 的特征向量,则 。
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答案:

解析: 因为 是属于特征值 的特征向量,所以

又因为

仍是 的特征向量,所以存在特征值 ,使得

一方面,由矩阵乘法的线性性,

另一方面,

两式相减得

由于 线性无关,所以各系数必须全为零,即

因此