题目
(2025,3)设矩阵A=}1&2-2&-a,若f(x,y)=|xA+yB|是正定二次型,则a的取值范围是A. (0,2-sqrt(3))B. (2-sqrt(3),2+sqrt(3))C. (2+sqrt(3),4)D. (0,4)
(2025,3)设矩阵$A=\begin{bmatrix}1&2\\-2&-a\end{bmatrix}$,$B=\begin{bmatrix}1&0\\1&a\end{bmatrix}$,若$f(x,y)=|xA+yB|$是正定二次型,则a的取值范围是
A. $(0,2-\sqrt{3})$
B. $(2-\sqrt{3},2+\sqrt{3})$
C. $(2+\sqrt{3},4)$
D. $(0,4)$
题目解答
答案
B. $(2-\sqrt{3},2+\sqrt{3})$
解析
考查要点:本题主要考查二次型的正定性判断,涉及矩阵行列式的计算、二次型矩阵的构造以及正定条件的应用。
解题核心思路:
- 构造二次型矩阵:将题目中的表达式展开为标准二次型形式,确定对应的矩阵。
- 应用正定条件:通过判断矩阵的顺序主子式是否均大于0,确定参数$a$的取值范围。
破题关键点:
- 正确展开行列式:将矩阵$xA + yB$的行列式展开为二次型表达式。
- 构造对称矩阵:根据二次型的系数确定对应的对称矩阵。
- 解二次不等式:结合主子式条件,求解$a$的范围。
步骤1:计算矩阵$xA + yB$的行列式
矩阵$xA + yB$的元素为:
$\begin{bmatrix}x + y & 2x \\-2x + y & -ax + ay\end{bmatrix}$
行列式为:
$\begin{aligned}|xA + yB| &= (x + y)(-ax + ay) - (2x)(-2x + y) \\&= -a(x + y)x + a(x + y)y + 4x^2 - 2xy \\&= (4 - a)x^2 - 2xy + ay^2.\end{aligned}$
步骤2:构造二次型矩阵
二次型$f(x, y) = (4 - a)x^2 - 2xy + ay^2$对应的对称矩阵为:
$C = \begin{bmatrix}4 - a & -1 \\-1 & a\end{bmatrix}.$
步骤3:判断正定性
- 第一主子式:$4 - a > 0 \implies a < 4$。
- 行列式:$\det(C) = (4 - a)a - 1 > 0$,即:
$a^2 - 4a + 1 < 0 \implies 2 - \sqrt{3} < a < 2 + \sqrt{3}.$
综合条件:$a$需同时满足$a < 4$和$2 - \sqrt{3} < a < 2 + \sqrt{3}$,最终取值范围为$(2 - \sqrt{3}, 2 + \sqrt{3})$。