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数学
题目

13.设2阶实对称矩阵A的特征值为lambda_(1),lambda_(2),且lambda_(1)neqlambda_(2),alpha_(1),alpha_(2)分别是A的对应于lambda_(1),lambda_(2)的单位特征向量,则与矩阵A+alpha_(1)alpha_(1)^T相似的对角矩阵为().A. }lambda_(1)&00&lambda_(2)

13.设2阶实对称矩阵A的特征值为$\lambda_{1},\lambda_{2},$且$\lambda_{1}\neq\lambda_{2},\alpha_{1},\alpha_{2}$分别是A的对应于$\lambda_{1},\lambda_{2}$的单位特征向量,则与矩阵$A+\alpha_{1}\alpha_{1}^{T}$相似的对角矩阵为().

A. $\begin{bmatrix}\lambda_{1}&0\\0&\lambda_{2}\end{bmatrix}$

B. $\begin{bmatrix}\lambda_{1}+1&0\\0&\lambda_{2}+1\end{bmatrix}$

C. $\begin{bmatrix}\lambda_{1}&0\\0&\lambda_{2}+1\end{bmatrix}$

D. $\begin{bmatrix}\lambda_{1}+1&0\\0&\lambda_{2}\end{bmatrix}$

题目解答

答案

D. $\begin{bmatrix}\lambda_{1}+1&0\\0&\lambda_{2}\end{bmatrix}$

解析

考查要点:本题主要考查实对称矩阵的性质、特征值与特征向量的计算,以及矩阵相似变换的应用。

解题核心思路:

  1. 实对称矩阵的特征性质:实对称矩阵的特征值为实数,不同特征值对应的特征向量正交,且可正交相似对角化。
  2. 矩阵变换后的特征值分析:通过分析矩阵$B = A + \alpha_1 \alpha_1^T$在特征向量$\alpha_1$和$\alpha_2$上的作用,直接计算其特征值。
  3. 关键点:利用$\alpha_1$和$\alpha_2$的正交性和单位性,简化计算过程。

步骤1:分析矩阵$B$作用在$\alpha_1$上

$B\alpha_1 = (A + \alpha_1 \alpha_1^T)\alpha_1 = A\alpha_1 + \alpha_1 \alpha_1^T \alpha_1$
由于$\alpha_1$是单位向量,$\alpha_1^T \alpha_1 = 1$,且$A\alpha_1 = \lambda_1 \alpha_1$,因此:
$B\alpha_1 = \lambda_1 \alpha_1 + \alpha_1 = (\lambda_1 + 1)\alpha_1$
结论:$\alpha_1$是$B$的特征向量,对应特征值$\lambda_1 + 1$。

步骤2:分析矩阵$B$作用在$\alpha_2$上

$B\alpha_2 = (A + \alpha_1 \alpha_1^T)\alpha_2 = A\alpha_2 + \alpha_1 \alpha_1^T \alpha_2$
由于$\alpha_1$与$\alpha_2$正交,$\alpha_1^T \alpha_2 = 0$,且$A\alpha_2 = \lambda_2 \alpha_2$,因此:
$B\alpha_2 = \lambda_2 \alpha_2 + \alpha_1 \cdot 0 = \lambda_2 \alpha_2$
结论:$\alpha_2$是$B$的特征向量,对应特征值$\lambda_2$。

步骤3:构造相似对角矩阵

由于$\alpha_1$和$\alpha_2$正交且为单位向量,矩阵$B$可正交相似对角化为:
$\begin{bmatrix}\lambda_1 + 1 & 0 \\0 & \lambda_2\end{bmatrix}$
对应选项D。

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