设二次型f(x)=x^TAx正定,则下列结论中正确的是()A. 正定矩阵的差一定是正定矩阵.B. 对任意n维列向量x,x^TAx都大于零;C. 正定矩阵的行列式一定大于零;D. f的标准形的系数都大于或等于零;
A. 正定矩阵的差一定是正定矩阵.
B. 对任意$n$维列向量$x$,$x^TAx$都大于零;
C. 正定矩阵的行列式一定大于零;
D. $f$的标准形的系数都大于或等于零;
题目解答
答案
解析
本题考查二次型正定的相关知识,解题思路是根据二次型正定的定义、性质以及正定矩阵的判定条件,对每个选项逐一进行分析判断。
选项A
设$A$和$B$都是正定矩阵,考虑$A - B$。
正定矩阵的定义是对于任意非零向量$x$,都有$x^TAx>0$和$x^TBx>0$。
令$A=\begin{pmatrix}2&0\\0&2\end{pmatrix}$,$B=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}$,$A$和$B$都是正定矩阵。
取$x=\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}$,$A - B=\begin{pmatrix}2 - 1&0\\0&2 - 1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}$,$x^T(A - B)x=\begin{pmatrix}1&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}=1\times1 + 1\times1 = 2>0$。
再令$A=\begin{pmatrix}1&0\\0&1\end{pmatrix}$,$B=\begin{pmatrix}2&0\\0&2\end{pmatrix}$,$A - B=\begin{pmatrix}1 - 2&0\\0&1 - 2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1&0\\0&-1\end{pmatrix}$,$x^T(A - B)x=\begin{pmatrix}1&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}-1&0\\0&-1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}-1\\-1\end{pmatrix}=1\times(-1)+1\times(-1)= - 2<0$。
所以正定矩阵的差不一定是正定矩阵,选项A错误。
选项B
根据二次型正定的定义:对于二次型$f(x)=x^TAx$,若对于任意非零$n$维列向量$x$,都有$x^TAx>0$,则称二次型$f(x)$正定。
当$x = 0$时,$x^TAx=0^TA0 = 0$,并不大于零,所以选项B错误。
选项C
因为二次型$f(x)=x^TAx$正定,则$A$的所有特征值$\lambda_1,\lambda_2,\cdots,\lambda_n$都大于零。
根据矩阵行列式的性质:$\vert A\vert=\lambda_1\lambda_2\cdots\lambda_n$,由于$\lambda_i>0(i = 1,2,\cdots,n)$,所以$\vert A\vert>0$,即正定矩阵的行列式一定大于零,选项C正确。
选项D
对于二次型$f(x)=x^TAx$,通过可逆线性变换$x = Cy$可化为标准形$f(x)=y^T(C^TAC)y=\sum_{i = 1}^{n}d_iy_i^2$。
因为二次型$f(x)$正定,所以其标准形的系数$d_1,d_2,\cdots,d_n$都大于零,而不是大于或等于零,选项D错误。