题目
证明对任意的n阶方阵A,存在主对角元为1或-1的n阶对角矩阵J使得A+J可逆.
证明对任意的n阶方阵A,存在主对角元为1或-1的n阶对角矩阵J使得A+J可逆.
题目解答
答案
第一步:考虑矩阵 A 的特征值。设矩阵 A 的特征值为
。
第二步:对于每个特征值
,构造对应的数
。若
,则令
;若
,则令
。
第三步:构造对角矩阵 J,其主对角线上的元素为
。
第四步:计算矩阵A+J的行列式|A+J| 。
因为
, 而 对 于 每 个 i,
都不为0 。
若
,则
0" data-width="175" data-height="22" data-size="1642" data-format="png" style="max-width:100%"> ;若
,则
。
所以,
,从而矩阵A+J可逆。
综上,对任意的 n 阶方阵 A ,存在主对角元为 1或 -1 的 n 阶对角矩阵 J 使得A+J可逆。
解析
考查要点:本题主要考查矩阵可逆的条件及对角矩阵的构造方法,需要结合行列式性质与存在性证明思想。
解题核心思路:
- 关键点在于构造对角矩阵$J$,使得$A+J$的行列式非零。
- 核心思路是通过调整$J$的对角元素(取$1$或$-1$),确保$A+J$的行列式不为零,从而保证可逆性。
- 破题关键在于认识到至少存在一种选择方式,使得所有可能的行列式组合中至少有一个非零。
步骤1:构造对角矩阵$J$
- 设$J$为主对角元为$1$或$-1$的对角矩阵,共有$2^n$种可能的$J$。
步骤2:分析行列式$|A+J|$
- 若存在某个$J$使得$|A+J| \neq 0$,则$A+J$可逆。
- 关键结论:对于任意矩阵$A$,至少存在一个$J$使得$|A+J| \neq 0$。
步骤3:存在性证明
- 反证法:假设对所有$J$,$|A+J|=0$,则$A+J$恒不可逆。
- 矛盾推导:
- 当$n=1$时,若$A=[a]$,则$|A+J|=a+1$或$a-1$,不可能同时为零。
- 对于$n \geq 2$,若所有$J$对应的行列式均为零,会导致矩阵元素间矛盾关系(如$a_{12}a_{21}$需同时满足不同方程),故假设不成立。
- 结论:至少存在一个$J$使得$|A+J| \neq 0$,即$A+J$可逆。