diff --git a/证明相似的一种新的思路.md b/证明相似的一种新的思路.md new file mode 100644 index 0000000..04f4a98 --- /dev/null +++ b/证明相似的一种新的思路.md @@ -0,0 +1,92 @@ +证明相似,可以不用直接考虑定义式,可以考虑AP=PB,这个式子 +已知向量组 $\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\alpha_3$ 线性无关,其中 $\boldsymbol\alpha_1,\boldsymbol\alpha_2,\boldsymbol\alpha_3\in\mathbb{R}^3$,$\boldsymbol A$ 为 $3$ 阶方阵,且 +$$\boldsymbol{A\alpha_1}=2\boldsymbol\alpha_1-\boldsymbol\alpha_2-\boldsymbol\alpha_3, \boldsymbol A\boldsymbol\alpha_2=\boldsymbol\alpha_1+2\boldsymbol\alpha_2+3\boldsymbol\alpha_3, \boldsymbol A\boldsymbol\alpha_3=2\boldsymbol\alpha_1+4\boldsymbol\alpha_2+\boldsymbol\alpha_3.$$ +(1) 证明 $A\boldsymbol\alpha_1, A\boldsymbol\alpha_2, A\boldsymbol\alpha_3$ 线性无关; +(2) 计算行列式 $\boldsymbol E-\boldsymbol A$,其中 $\boldsymbol E$ 是 $3$ 阶单位矩阵. +#### **(1) 证明 $A\alpha_1,A\alpha_2,A\alpha_3$ 线性无关** + +因 $\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$ 线性无关,故矩阵 $P=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3)$ 可逆(列向量线性无关的矩阵可逆)。 + +由题设条件,将 $A$ 对 $\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$ 的作用表示为矩阵乘法: + +$$A(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3)=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3)\begin{bmatrix}2&1&2\\-1&2&4\\-1&3&1\end{bmatrix}=P C$$ + +其中 $C=\begin{bmatrix}2&1&2\\-1&2&4\\-1&3&1\end{bmatrix}$,计算 $|C|$: + +$$\begin{aligned} +|C|&=2\times(2\times1-4\times3)-1\times(-1\times1-4\times(-1))+2\times(-1\times3-2\times(-1))\\ +&=2\times(-10)-1\times3+2\times(-1)\\ +&=-25\neq0 +\end{aligned} +$$ + +• 因 $|C|\neq0$,故 $C$ 可逆,$\text{rank}(C)=3$。 + +• 又 $P$ 可逆,故 $\text{rank}(A\alpha_1,A\alpha_2,A\alpha_3)=\text{rank}(P C)=\text{rank}(C)=3$,即 $A\alpha_1,A\alpha_2,A\alpha_3$ 线性无关。 + +#### **(2) 计算 $|E-A|$** + +由 (1) 知$P^{-1}AP=C(A 与 C 相似)$,则 $E-A$ 与 $E-C$ 相似(相似矩阵的 “单位矩阵减矩阵” 仍相似),而**相似矩阵的行列式相等**,故 $|E-A|=|E-C|$。 + +计算 $E-C$: + +$$E-C=\begin{bmatrix}1-2&0-1&0-2\\0-(-1)&1-2&0-4\\0-(-1)&0-3&1-1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}-1&-1&-2\\1&-1&-4\\1&-3&0\end{bmatrix}$$ + +按第三行展开计算行列式: + +$$ +\begin{aligned} +|E-C|&=1\times\begin{vmatrix}-1&-2\\-1&-4\end{vmatrix}-(-3)\times\begin{vmatrix}-1&-2\\1&-4\end{vmatrix}+0\times(\text{余子式})\\ +&=1\times(4-2)+3\times(4+2)\\ +&=2+18=20 +\end{aligned} +$$ + +故 $|E-A|=20$。 + +**题目:** +设 $A$ 是 3 阶方阵,$\alpha$ 为 3 维列向量,$P = (\alpha, A\alpha, A^2\alpha)$ 为可逆矩阵,$B = P^{-1}AP$,且 +$$A^3\alpha + 2A^2\alpha = 3A\alpha,$$ +则 $|A + E| = \underline{\qquad}$. + +**解:** +由条件 $A^3\alpha + 2A^2\alpha = 3A\alpha$ 可得 $A^3\alpha = 3A\alpha - 2A^2\alpha$。 +由于 $P = (\alpha, A\alpha, A^2\alpha)$ 可逆,以 $\alpha, A\alpha, A^2\alpha$ 为基,线性变换 $A$ 对应的矩阵为 +$$ +B = P^{-1}AP = \begin{pmatrix} +0 & 0 & 0 \\ +1 & 0 & 3 \\ +0 & 1 & -2 +\end{pmatrix}. +$$ +因为 $A$ 与 $B$ 相似,所以 +$$ +|A+E| = |B+E| = \begin{vmatrix} +1 & 0 & 0 \\ +1 & 1 & 3 \\ +0 & 1 & -1 +\end{vmatrix} = -4. +$$ +故答案为 $-4$。 +由题设条件,$A$ 为 3 阶方阵,$\alpha$ 为 3 维列向量,且 $P = (\alpha, A\alpha, A^2\alpha)$ 可逆。给定 $A^3\alpha + 2A^2\alpha = 3A\alpha$,可得 $A^3\alpha = 3A\alpha - 2A^2\alpha$。以 $\alpha, A\alpha, A^2\alpha$ 为基,线性变换 $A$ 对应的矩阵为 +$$ +B = P^{-1}AP = \begin{pmatrix} +0 & 0 & 0 \\ +1 & 0 & 3 \\ +0 & 1 & -2 +\end{pmatrix}. +$$ +由于相似矩阵行列式相等,有 +$$ +|A+E| = |B+E| = \begin{vmatrix} +1 & 0 & 0 \\ +1 & 1 & 3 \\ +0 & 1 & -1 +\end{vmatrix} = -4. +$$ +故答案为 $-4$。 + +$$ +|A + E| = -4. +$$ +