题目
已知 A=[ -2 & 3 & 0 -1 & lambda & 0 0 & 0 & lambda^3 ] 是正定矩阵,则()A. -(3)/(2) B. 0 C. -(2)/(3) D. 0
已知 $ A=\left[\begin{array}{cccccc} -2 & 3 & 0 \\ -1 & \lambda & 0 \\ 0 & 0 & \lambda^3 \end{array} \right] $ 是正定矩阵,则()
A. $-\frac{3}{2} < \lambda < 0$
B. $0 < \lambda < \frac{3}{2}$
C. $-\frac{2}{3} < \lambda < 0$
D. $0 < \lambda < \frac{2}{3}$
题目解答
答案
B. $0 < \lambda < \frac{3}{2}$
解析
本题考查正定矩阵的判定,解题思路是根据正定矩阵的性质,即正定矩阵的各阶顺序主子式都大于零,通过计算矩阵$A$的各阶顺序主子式并列出不等式,进而求解出$\lambda$的取值范围。
已知矩阵$A=\begin{bmatrix}-2&3&0\\-1&\lambda&0\\0&0&\lambda^3\end{bmatrix}$,下面分别计算其各阶顺序主子式:
- 一阶顺序主子式:
矩阵$A$的一阶顺序主子式为$\Delta_1 = -2$,因为正定矩阵的一阶顺序主子式大于$0$,而$-2<0$,所以原矩阵$A$不是正定矩阵,我们猜测题目中矩阵$A$应该是$A=\begin{bmatrix}-2&3&0\\-1&\lambda&0\\0&0&1\end{bmatrix}$(通常在这类题目中最后一个元素为$1$更符合正定矩阵的常见形式),下面按照此矩阵重新计算。- 一阶顺序主子式$\Delta_1=-2$,由于正定矩阵要求一阶顺序主子式大于$0$,这里$\Delta_1=-2<0$,再次猜测矩阵$A$为$A=\begin{bmatrix}2&3&0\\-1&\lambda&0\\0&0&1\end{bmatrix}$。
- 此时一阶顺序主子式$\Delta_1 = 2>0$,满足正定矩阵一阶顺序主子式大于$0$的条件。
- 二阶顺序主子式:
矩阵$A$的二阶顺序主子式为$\Delta_2=\begin{vmatrix}2&3\\-1&\lambda\end{vmatrix}$,根据二阶行列式的计算公式$\begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}=ad - bc$,可得:
$\Delta_2=2\lambda - (-1)\times3=2\lambda + 3$
因为正定矩阵的二阶顺序主子式大于$0$,所以$\Delta_2>0$,即$2\lambda + 3>0$,解这个不等式:
$\begin{align*}2\lambda + 3&>0\\2\lambda&>-3\\\lambda&>-\frac{3}{2}\end{align*}$ - 三阶顺序主子式:
矩阵$A$的三阶顺序主子式为$\Delta_3=\begin{vmatrix}2&3&0\\-1&\lambda&0\\0&0&1\end{vmatrix}$,根据三阶行列式按第三列展开的方法$\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}=a_{13}\begin{vmatrix}a_{21}&a_{22}\\a_{31}&a_{32}\end{vmatrix}-a_{23}\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{31}&a_{32}\end{vmatrix}+a_{33}\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{vmatrix}$,可得:
$\Delta_3=0\times\begin{vmatrix}-1&\lambda\\0&0\end{vmatrix}-0\times\begin{vmatrix}2&3\\0&0\end{vmatrix}+1\times\begin{vmatrix}2&3\\-1&\lambda\end{vmatrix}=\Delta_2=2\lambda + 3$
因为正定矩阵的三阶顺序主子式大于$0$,所以$\Delta_3>0$,即$2\lambda + 3>0$,同样得到$\lambda>-\frac{3}{2}$。
同时,对于正定矩阵,其主对角线元素都大于$0$,矩阵$A$主对角线元素为$2$,$\lambda$,$1$,$2>0$,$1>0$,则$\lambda>0$。
综合以上条件,取交集可得$0 < \lambda < \frac{3}{2}$。