💡 答案解析
**答案**: A
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**解析**:
由条件知 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(b_{n}-a_{n}\right)$ 为收敛的正项级数,进而绝对收敛;
设 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 绝对收敛,则由 $\left|b_{n}\right|=\left|b_{n}-a_{n}+a_{n}\right| \leq\left|b_{n}-a_{n}\right|+\left|a_{n}\right|$ 与比较判别法,得 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_{n}$绝对收敛;
设 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} b_{n}$ 绝对收敛,则由 $\left|a_{n}\right|=\left|a_{n}-b_{n}+b_{n}\right| \leq\left|b_{n}-a_{n}\right|+\left|b_{n}\right|$ 与比较判别法,得 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$绝对收敛。
矩阵,则 $\left(\begin{array}{ll}A & E \\ 0 & B\end{array}\right)^{*}=$( )
📋 详细解题步骤
目标:证明充分性
假设级数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 绝对收敛,即 $\sum_{n=1}^{\infty} |a_n|$ 收敛。已知 $|b_n| \leq |b_n - a_n| + |a_n|$(由三角不等式)。由题设条件,$\sum_{n=1}^{\infty} (b_n - a_n)$ 绝对收敛,即 $\sum_{n=1}^{\infty} |b_n - a_n|$ 收敛。于是,对于任意 $n$,有 $0 \leq |b_n| \leq |b_n - a_n| + |a_n|$。由于 $\sum_{n=1}^{\infty} |b_n - a_n|$ 和 $\sum_{n=1}^{\infty} |a_n|$ 均收敛,它们的和级数 $\sum_{n=1}^{\infty} (|b_n - a_n| + |a_n|)$ 也收敛。根据比较判别法,正项级数 $\sum_{n=1}^{\infty} |b_n|$ 被收敛级数 $\sum_{n=1}^{\infty} (|b_n - a_n| + |a_n|)$ 所控制,因此 $\sum_{n=1}^{\infty} |b_n|$ 收敛,即 $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$ 绝对收敛。这就证明了充分性。
公式:$$|b_n| \leq |b_n - a_n| + |a_n|$$
提示:利用三角不等式将 $|b_n|$ 放大为两个已知收敛级数的通项之和,再用比较判别法。
目标:证明必要性
必要性:若级数$\sum b_n$绝对收敛,即$\sum |b_n|$收敛,要证$\sum a_n$绝对收敛。
已知$|a_n| \leq |b_n - a_n| + |b_n|$(由三角不等式$|x| \leq |x-y| + |y|$,取$x=a_n$, $y=b_n$即得)。
由题设条件,$\sum (b_n - a_n)$绝对收敛,即$\sum |b_n - a_n|$收敛。又$\sum |b_n|$收敛(假设)。
考虑正项级数$\sum (|b_n - a_n| + |b_n|)$,由于$\sum |b_n - a_n|$与$\sum |b_n|$均收敛,故其和级数也收敛(收敛级数之和仍收敛)。
由比较判别法:$0 \leq |a_n| \leq |b_n - a_n| + |b_n|$,且$\sum (|b_n - a_n| + |b_n|)$收敛,因此$\sum |a_n|$收敛,即$\sum a_n$绝对收敛。
必要性得证。
公式:$$|a_n| \leq |b_n - a_n| + |b_n|$$
提示:利用三角不等式放缩,将$|a_n|$控制为两个已知收敛级数的通项之和。
目标:得出结论
综合前三个步骤的分析,我们分别验证了条件的充分性和必要性。
**充分性**:若 $A$ 与 $B$ 相似,则存在可逆矩阵 $P$ 使得 $B = P^{-1}AP$。此时,对任意正整数 $k$,有 $B^k = P^{-1}A^kP$,因此 $\operatorname{tr}(B^k) = \operatorname{tr}(P^{-1}A^kP) = \operatorname{tr}(A^k)$。故条件“对任意正整数 $k$,$\operatorname{tr}(A^k) = \operatorname{tr}(B^k)$”成立。
**必要性**:若对任意正整数 $k$,$\operatorname{tr}(A^k) = \operatorname{tr}(B^k)$,则 $A$ 与 $B$ 的特征值(计重数)的 $k$ 次幂之和相等。由牛顿恒等式可知,$A$ 与 $B$ 的特征多项式完全相同,即 $\chi_A(\lambda) = \chi_B(\lambda)$。由于 $A$ 与 $B$ 均为实对称矩阵,它们可正交对角化,因此特征多项式相同意味着它们正交相似于同一个对角矩阵,从而 $A$ 与 $B$ 正交相似,特别地,$A$ 与 $B$ 相似。
综上,条件“对任意正整数 $k$,$\operatorname{tr}(A^k) = \operatorname{tr}(B^k)$”是“$A$ 与 $B$ 相似”的充分必要条件。因此,正确选项为 A。
**最终答案验证**:取 $A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}$,$B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}$,显然相似且迹相等;取 $A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$,$B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$,同样成立。反例:若 $A = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$,$B = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$,则 $\operatorname{tr}(A^k)=2$,$\operatorname{tr}(B^k)=2$,但 $A$ 与 $B$ 不相似($A$ 可对角化,$B$ 不可对角化),然而 $B$ 不是实对称矩阵,故不满足题设条件。因此,在实对称矩阵的范围内,结论成立。
公式:\operatorname{tr}(B^k) = \operatorname{tr}(P^{-1}A^kP) = \operatorname{tr}(A^k)
提示:注意题目中A与B均为实对称矩阵,这是必要性成立的关键。