线性代数第四章练习题答案_线性代数第四章练习题

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第四章

二

次

型

练习4、1

1、写出下列二次型的矩阵

2（1）f(x1,x2,x3)=2x12x24x1x32x2x3；

（2）f(x1,x2,x3,x4)=2x1x22x1x32x1x42x3x4。

解：（1）因为

2

f(x1,x2,x3)=(x1,x2,x3)022所以二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为：02011011210x1x2x3, 21。0（2）因为

0f(x1,x2,x3,x4)=(x1,x2,x3,x4)1101所以二次型f(x1,x2,x3,x4)的矩阵为：11***11010x1x2x3x4，10。10

2、写出下列对称矩阵所对应的二次型： 11（1）2121201212；

（2）21201211212112012012。12102

T解：（1）设X(x1,x2,x3)，则

1f(x1,x2,x3)=XTAX=(x1,x2,x3)21212021222x1x2x3 

=x122x32x1x2x1x34x2x3。（2）设X(x1,x2,x3,x4)T，则

01

f(x1,x2,x3,x4)=XTAX=(x1,x2,x3,x4)2101211212112012012121x1x2x3x4 

2=x2x4x1x22x1x3x2x3x2x4x3x4。

练习4、21、用正交替换法将下列二次型化为标准形，并写出所作的线性替换。

22（1）f(x1,x2,x3)=2x1x24x1x24x2x3；

（2）f(x1,x2,x3)=2x1x22x2x3；

222（3）f(x1,x2,x3)=x12x23x34x1x24x2x3。

解：（1）二次型f(x1,x2,x3)的矩阵 2

A=2021202。0A的特征方程为

det(EA)=

20202=(2)(254)=0，12由此得到A的特征值12，21，34。

对于12，求其线性方程组(2EA)X0，可解得基础解系为

1(1,2,2)T。

对于21，求其线性方程组(EA)X0，可解得基础解系为：

2(2,1,2)T。

对于34，求其线性方程组(4EA)X0，可解得基础解系为：

3(2,2,1)T。

将1,2,3单位化，得

11111(,122T,)，3332123T

2212(，3323)，3令

33(,21T,)，33132

P=(1,2,3)=323231323232，3132则

PTAP=diag(-2,1,4)=0001000。4作正交替换X=PY，即

122xyyy3121333212

x2y1y2y3，333x2y2y1y3123333二次型f(x1,x2,x3)可化为标准形：

222

2y1y24y3。

（2）类似题（1）方法可得：

12

P=0121212121201T，PAP=020120200，202即得标准形：2y222y3。

（3）类似题（1）的方法可得： 2

P=3231323232322T，PAP=0301305000，1222即得标准形：2y15y2y3。

2、用配方法将下列二次型化为标准形：

222（1）f(x1,x2,x3)=x12x25x32x1x22x1x36x2x3；

（2）f(x1,x2,x3)=2x1x24x1x3；

（3）f(x1,x2,x3)=4x1x22x1x32x2x3。解：（1）先将含有x1的项配方。

f(x1,x2,x3)=x1+2x1(x2x3)+(x2x3)－(x2x3)+2x2+6x2x3+5x3

22=(x1x2x3)+x2+4x2x3+4x3，22222再对后三项中含有x2的项配方，则有

22222

f(x1,x2,x3)=(x1x2x3)+x2+4x2x3+4x3=(x1x2x3)+(x22x3)。

1TT设Y=(y1,y2,y3)，X=(x1,x2,x3)，B=002211012，0令Y=BX，则可将原二次型化为标准形y1y2。

（2）此二次型没有平方项，只有混合项。因此先作变换，使其有平方项，然后按题（1）的方法进行配方。令

x1y1y2x11

x2y1y2，即x2=1xyx0333110001y1y2。y3则原二次型化为

f(x1,x2,x3)=2(y1y2)(y1y2)+4(y1y2)y3=2y12－2y2+4y1y3+4y2y3

=2(y1y3)2－2(y2y3)2，1TT设Y=(y1,y2,y3)，Z=(z1,z2,z3)，B=0001011，02令Z=BY，则可将原二次型化为标准形2z122z2。

（3）类似题（2）的方法，可将原二次型化为标准形：

4z14z2z3。

2223、用初等变换法将下列二次型化为标准形：

222（1）f(x1,x2,x3)=x12x24x32x1x24x2x3；

222（2）f(x1,x2,x3)=x13x2x32x1x22x1x36x2x3；

（3）f(x1,x2,x3)=4x1x22x1x36x2x3。（此题与课本貌似而已，注意哈）解：（1）二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为 1

A=1012202。4112010024001100100012110024001100100010110000。221于是

110AE=100122010024001100100令

1

C=0011022，1作可逆线性变换X=CY，原二次型可化为标准形：f(x1,x2,x3)=y12y2。

（2）类似题（1）的方法，原二次型可化为标准形：

2f(x1,x2,x3)= y124y2y3。

（3）类似题（1）的方法，原二次型可化为标准形：

f(x1,x2,x3)= 2y12

4、已知二次型

22cx32x1x26x1x36x2xf(x1,x2,x3)=5x125x212y26y3。

22的秩为2。求参数c的值，并将此二次型化为标准形。

解：二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为 5

A=1315333。c因为A的秩为2，令detA=0，可得c=3。

222即

f(x1,x2,x3)=5x15x23x32x1x26x1x36x2x3

也就是

5A= 1315333，322通过初等变换法，即可将其化为标准形：4y29y3。

5、设2n元二次型

f(x1,x2,,x2n)=x1x2nx2x2n1xnxn1 试用可逆线性替换法将其化为标准形。

解：令 x1y1y2n1x2y2y2n10xnynyn

1，P=xn1ynyn1xyy2n122n101xyy12n2n01011110111010，01即作正交变换X=CY，二次型f(x1,x2,,x2n)可化为标准型：

22y12ynyn1y2n。

223x32ax2x3(a>0)通过正交变换化为标准

6、已知二次型f(x1,x2,x3)=2x123x2225y3，求a的值及所作的正交替换矩阵。型fy122y2222解：因为原二次型可化为fy12y25y3，可知原二次型的矩阵的特征值为

1，2和5。

而原二次型的矩阵为 2

A=0003a0a。3故A的特征方程为

det(EA)=

0000a3a=(2)(69a)=0。

223因此将此特征方程的解1，2，5代入得：a=2。

对于11，求其线性方程组(EA)X0，可解得基础解系为

1(0,1,1)。

T对于22，求其线性方程组(2EA)X0，可解得基础解系为：

2(1,0,0)。

对于35，求其线性方程组(5EA)X0，可解得基础解系为：

T

3(0,1,1)。

T将1,2,3单位化，得

11111(0,12,12)，T

2212(1,0,0)，1212T

3故正交替换矩阵为：

33(0，)，T0P=(1,2,3)=21210001。212练习4、31、判别下列二次型是否为正定二次型：

222（1）f(x1,x2,x3)=5x16x24x34x1x24x2x3；

222（2）f(x1,x2,x3)=10x12x2x38x1x224x1x328x2x3；

2222（3）f(x1,x2,x3,x4)=x1x24x37x46x1x34x1x44x2x3

2x2x44x3x4。解：（1）二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为 5

A=205226262002。45262由于5>0，=26>0，202=84>0, 4即A的一切顺序主子式都大于零，故此二次型为正定的。

（2）二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为

10

A=41242141214。1由于

1042141214=-3588

|A|=412故此二次型不为正定的。

（3）二次型f(x1,x2,x3,x4)的矩阵为： 10

A=320122324222。27由于

101232=-9

03故此二次型不为正定的。

2、当t为何值时，下列二次型为正定二次型：

222（1）f(x1,x2,x3)=x14x2x32tx1x210x1x36x2x3；

222（2）f(x1,x2,x3)=x1x25x32tx1x22x1x34x2x3；

222（3）f(x1,x2,x3)=2x1x2x32x1x2tx2x3。

解：（1）二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为： 1

A=t5t4353。1由于

1tt412=4t，tt4353=t230t105，15但易知不等式组

24t0

2

t30t1050无解，因此，不论t取何值，此二次型都不是正定的。

（2）二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为： 1

A=t1t1212。5

此二次型正定的充要条件为

1>0，451tt1=1t2>0,|A|=5t24t>0，由此解得：t0。

（3）二次型f(x1,x2,x3)的矩阵为： 

2A=100t。2011t2由

2>0, 2111>0,|A|=1t22>0，解得：2t2。

3、设A、B为n阶正定矩阵，证明BAB也是正定矩阵。证明：由于A、B是正定矩阵，故A及B为实对称矩阵。所以(BAB)=BAB=BAB，即BAB也为实对称矩阵。

由于A、B为正定矩阵，则存在可逆矩阵C1，C2，有

A= C1TC1，B= C2TC2，所以 BAB= C2TC2C1TC1C2TC2=(C1C2TC2)T(C1C2TC2)，即

BAB也是正定矩阵。

4、如果A，B为n阶正定矩阵，则A+B也为正定矩阵。

证明：由于A、B是正定矩阵，故A及B为实对称矩阵。从而A+B也为实对称矩阵，而且

fXAX，gXBX，为正定二次型。于是对不全为零的实数x1,x2,,xn，有

XAX0，XBX0。TTTTTTTT故

h=XT(AB)X=XTAX+XTBX0，即二次型h=XT(AB)X为正定的，故A+B为正定矩阵。

5、设A为正定矩阵，则A-1和A*也是正定矩阵。其中A*为A的伴随矩阵。证明：因为A为正定矩阵，故A为实对称矩阵。从而(A1)T(AT)1A1 即A1也为对称矩阵，(A*)T(AT)*A*即A*也为对称矩阵。

由已知条件可知，存在可逆矩阵C，使得

ACTC。

于是

A1(CTC)1C1(C1)T=QTQ，A*=|A|A1|A|C1(C1)T=

1A1C[1AC1TT]=PP，其中Q=(C1)T，P=(-1*1AC1T)都为可逆矩阵。

故A和A都为正定矩阵。

6、设A为n×m实矩阵，且r(A)=m

证明（1）因为A为n×m实矩阵，所以AT为m×n矩阵，又r(A)=m

AX＝O , 只有零解。于是对于任意的 X  O , 有 AX  O。则

TTTX（AA）X＝（AX）（AX）＞ 0。因此，ATA为正定矩阵。

（2）因为A为n×m实矩阵，所以AT为m×n矩阵，又r(A)=m

XT（AAT）X＝（A T X）T（A T X） 0。因此,AAT为半正定矩阵。

7、试证实二次型f(x1,x2,,xn)是半正定的充分必要条件是f的正惯性指数等于它的秩。

证明：充分性。设f的正惯性指数等于它的秩，都是r，则负惯性指数为零。于是f可经过线性变换X=CY变成2

2f(x1,x2,,xn)=y1y2yr。

2从而对任一组实数x1,x2,,xn，由X=CY可得Y=CX，即有相应的实数y1,,yr,,yn，使f(x1,x2,,xn)=y12y2yr20.即f为半正定的。

必要性。设f为半正定的，则f的负惯性指数必为零。否则，f可经过线性变换X=CY化为

f(x1,x2,,xn)=y12ysys21yr2，s

于是当yr=1，其余yi=0时，由X=CY可得相应的值x1,x2,,xn，带入上式则得

f(x1,x2,,xn)=－1

这与f为半正定的相矛盾，从而f的正惯性指数与秩相等。

8、证明：正定矩阵主对角线上的元素都是正的。

证明：设矩阵A为正定矩阵，因此fXTAX 为正定二次型。于是对不全为零的实数x1,x2,,xn，有

XTAX0，T取Xi(0,,0,1,0,,0)，(i=1,2,…,n)

2-1

2T则iAidi0，(i=1,2,…,n)即主对角线上的元素都是正的。

（注：所有答案我已全部整理至此，有些题没找到，希望对大家有所帮助！——君不器）