华东师范大学 2017年高等代数第3题

考研真题

📝 题目

3.(20 分)已知实对称矩阵 $$ A=\left(\begin{array}{lll} 4 & 1 & 1 \\ 1 & 4 & 1 \\ 1 & 1 & 4 \end{array}\right), $$ 求正交矩阵 $T$ ,使得 $\displaystyle T^{-1} A T$ 为对角矩阵。

💡 答案解析

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📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:求特征值
计算特征多项式 $|\lambda I - A| = \begin{vmatrix} \lambda-4 & -1 & -1 \\ -1 & \lambda-4 & -1 \\ -1 & -1 & \lambda-4 \end{vmatrix}$。令 $t = \lambda-4$,则行列式化为 $\begin{vmatrix} t & -1 & -1 \\ -1 & t & -1 \\ -1 & -1 & t \end{vmatrix} = t^3 - 3t - 2 = (t-2)(t+1)^2$。因此特征值为 $\lambda_1 = 6$(单根),$\lambda_2 = 3$(二重根)。
公式:$|\lambda I - A| = 0$
提示:注意行列式计算时,可先做行变换简化,或直接展开。
步骤 2/6
目标:求特征向量(单根)
对于 $\lambda_1 = 6$,解 $(6I - A)x = 0$:$\begin{pmatrix} 2 & -1 & -1 \\ -1 & 2 & -1 \\ -1 & -1 & 2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{pmatrix} = 0$。解得 $x_1 = x_2 = x_3$,取基础解系 $\alpha_1 = (1,1,1)^T$。
公式:$(\lambda I - A)x = 0$
提示:解齐次线性方程组时,注意系数矩阵的秩,确保解正确。
步骤 3/6
目标:求特征向量(二重根)
对于 $\lambda_2 = 3$,解 $(3I - A)x = 0$:$\begin{pmatrix} -1 & -1 & -1 \\ -1 & -1 & -1 \\ -1 & -1 & -1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \end{pmatrix} = 0$,即 $x_1 + x_2 + x_3 = 0$。取基础解系 $\alpha_2 = (1,-1,0)^T$,$\alpha_3 = (1,0,-1)^T$。
公式:$(\lambda I - A)x = 0$
提示:二重根对应的特征向量应线性无关,且与单根的特征向量正交(实对称矩阵性质)。
步骤 4/6
目标:正交化特征向量
对 $\alpha_2, \alpha_3$ 进行施密特正交化:令 $\beta_2 = \alpha_2 = (1,-1,0)^T$。计算 $\beta_3 = \alpha_3 - \frac{(\alpha_3,\beta_2)}{(\beta_2,\beta_2)} \beta_2 = (1,0,-1) - \frac{1}{2}(1,-1,0) = (\frac12, \frac12, -1)^T$。
公式:$\beta_3 = \alpha_3 - \frac{(\alpha_3,\beta_2)}{(\beta_2,\beta_2)} \beta_2$
提示:施密特正交化时,注意内积计算正确,且分母不为零。
步骤 5/6
目标:单位化特征向量
将三个特征向量单位化:$p_1 = \frac{\alpha_1}{\|\alpha_1\|} = \frac{1}{\sqrt{3}}(1,1,1)^T$,$p_2 = \frac{\beta_2}{\|\beta_2\|} = \frac{1}{\sqrt{2}}(1,-1,0)^T$,$p_3 = \frac{\beta_3}{\|\beta_3\|} = \frac{1}{\sqrt{6}}(1,1,-2)^T$。
公式:$p = \frac{\alpha}{\|\alpha\|}$
提示:单位化时注意模长计算,避免开方错误。
步骤 6/6
目标:构造正交矩阵并验证
取正交矩阵 $T = (p_1, p_2, p_3)$,即 $T = \begin{pmatrix} \frac{1}{\sqrt{3}} & \frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6}} \\ \frac{1}{\sqrt{3}} & -\frac{1}{\sqrt{2}} & \frac{1}{\sqrt{6}} \\ \frac{1}{\sqrt{3}} & 0 & -\frac{2}{\sqrt{6}} \end{pmatrix}$。则 $T^{-1}AT = T^TAT = \operatorname{diag}(6,3,3)$。
公式:$T^{-1}AT = \operatorname{diag}(\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3)$
提示:验证 $T^T T = I$ 及 $T^T A T$ 是否为对角矩阵。

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