若 n 阶方阵 A 的任一行元素之和都等于 a,则 A 应有一特征值为( )A. aB. -aC. 1D. 0
若 $n$ 阶方阵 $A$ 的任一行元素之和都等于 $a$,则 $A$ 应有一特征值为( ) A. $a$ B. $-a$ C. 1 D. 0
题目解答
答案
我们来一步一步分析这道题目。
题目:
若 $ n $ 阶方阵 $ A $ 的任一行元素之和都等于 $ a $,则 $ A $ 应有一个特征值为( )
选项:
A. $ a $
B. $-a$
C. 1
D. 0
第一步:理解题意
我们有一个 $ n \times n $ 的方阵 $ A $,它的每一行的元素之和都是 $ a $。
也就是说,对于第 $ i $ 行,有:
$\sum_{j=1}^n a_{ij} = a \quad \text{对所有 } i = 1, 2, \dots, n$
我们要根据这个条件,判断 $ A $ 的一个特征值是什么。
第二步:特征值的定义
一个数 $ \lambda $ 是矩阵 $ A $ 的特征值,意味着存在非零向量 $ \mathbf{x} $,使得:
$A\mathbf{x} = \lambda \mathbf{x}$
我们要找的是一个必然存在的特征值,基于“每行元素之和为 $ a $”这个条件。
第三步:构造一个合适的向量来测试
考虑一个特殊的向量:所有分量都是 1 的向量,记作:
$\mathbf{v} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ \vdots \\ 1 \end{bmatrix}$
我们来计算 $ A\mathbf{v} $。
矩阵乘法 $ A\mathbf{v} $ 的第 $ i $ 个分量是 $ A $ 的第 $ i $ 行与 $ \mathbf{v} $ 的点积,即:
$(A\mathbf{v})_i = \sum_{j=1}^n a_{ij} \cdot 1 = \sum_{j=1}^n a_{ij} = a$
所以,每一行的和都是 $ a $,意味着:
$A\mathbf{v} = \begin{bmatrix} a \\ a \\ \vdots \\ a \end{bmatrix} = a \mathbf{v}$
因为 $ \mathbf{v} $ 是全 1 向量,所以右边就是 $ a \cdot \mathbf{v} $。
第四步:得出特征值
我们得到了:
$A\mathbf{v} = a\mathbf{v}$
而 $ \mathbf{v} \ne \mathbf{0} $,所以根据特征值的定义,$ a $ 是矩阵 $ A $ 的一个特征值,对应的特征向量是全 1 向量。
第五步:结论
因此,矩阵 $ A $ 必有一个特征值为 $ a $。
正确答案是:
$\boxed{\text{A. } a}$
解析
考查要点:本题主要考查矩阵特征值的定义及特殊向量的应用,需要学生理解特征值的基本概念,并能结合矩阵行和的特性构造合适的特征向量。
解题核心思路:
当矩阵的每一行元素之和相等时,可以构造一个全1向量(即所有分量均为1的向量),通过矩阵与该向量的乘法运算,直接得出对应的特征值。
破题关键点:
- 特征值的定义:若存在非零向量$\mathbf{v}$,使得$A\mathbf{v} = \lambda \mathbf{v}$,则$\lambda$是$A$的特征值。
- 构造特殊向量:利用“每行和为$a$”的条件,选择全1向量$\mathbf{v}$,计算$A\mathbf{v}$的结果,从而确定特征值。
步骤1:构造全1向量
设向量$\mathbf{v} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ \vdots \\ 1 \end{bmatrix}$,其所有分量均为1。
步骤2:计算矩阵与向量的乘积
矩阵$A$与$\mathbf{v}$的乘积$A\mathbf{v}$的第$i$个分量为:
$(A\mathbf{v})_i = \sum_{j=1}^n a_{ij} \cdot 1 = \sum_{j=1}^n a_{ij} = a$
因此,$A\mathbf{v} = \begin{bmatrix} a \\ a \\ \vdots \\ a \end{bmatrix} = a \mathbf{v}$。
步骤3:确定特征值
根据特征值的定义,$A\mathbf{v} = a\mathbf{v}$,且$\mathbf{v} \neq \mathbf{0}$,因此$a$是矩阵$A$的一个特征值。