解答题 5.(07年)设3阶实对称矩阵A的特征值λ1=1,λ2=2,λ3=-2,且α1=(1,-1,1)T是A的属于λ1的一个特征向量.记B=A5-4A3+E,其中E为3阶单位矩阵.
(Ⅰ)验证α1是矩阵B的特征向量,并求B的全部特征值与特征向量;
(Ⅱ)求矩阵B.
【正确答案】(Ⅰ)记矩阵A的属于特征值λi的特征向量为αi(i=1,2,3),由特征值的定义与性质,有Akαi=λikαi(i=1,2,3,k=1,2,…),于是有
1=(A5-4A3+E)α1=(λ15-4λ13+)α1=-2α1
因α1=≠0,故由定义知-2为B的一个特征值且α1为对应的一个特征向量.类似可得
2=(λ25-4λ23+1)α2=α2
3=(λ35-4λ33+1)α3=α3
因为A的全部特征值为λ1,λ2,λ3,所以B的全部特征值为λi5-4λi3+(i=1,2,3),即B的全部特征值为-2,1,1.
因-2为B的单特征值,故B的属于特征值-2的全部特征向量为k1α1,其中k1是不为零的任意常数.
设χ=(χ1,χ2,χ3)T为B的属于特征值1的任一特征向量.因为A是实对称矩阵,所以B也是实对称矩阵.因为实对称矩阵属于不同特征值的特征向量正交,所以有(χ1,χ2,χ31=0,即
χ1-χ2+χ3=0
解得该方程组的基础解系为
ξ2=(1,1,0)T,ξ3=(-1,0,1)T
故B的属于特征值1的全部特征向量为忌k2ξ2+k3ξ3,其中k2,k3为不全为零的任意常数.
(Ⅱ)由(Ⅰ)知α1,ξ2,ξ3为B的3个线性无关的特征向量,令矩阵
【答案解析】