六.(本题10分)   设 $A$ 为 $n$ 阶幂零阵 (即存在正整数 $k$, 使得 $A^k=0$), 证明: $e^A$ 与 $I_n+A$ 相似. 证明  由 $A$ 是幂零阵可知, $A$ 的特征值全为零. 设 $P$ 为非异阵, 使得 $$P^{-1}AP=J=\mathrm{diag}\{J_{r_1}(0),J_{r_2}(0),\cdots,J_{r_k}(0)\}$$ 为 Jordan 标准型. 下面通过三段论法来证明本题的结论. Step 1$-$对 Jordan 块 $…

六.(本题10分)  设 $n$ 阶复方阵 $A$ 的特征多项式为 $f(\lambda)$, 复系数多项式 $g(\lambda)$ 满足 $(f(g(\lambda)),g'(\lambda))=1$, 证明: 存在 $n$ 阶复方阵 $B$, 使得 $g(B)=A$. 证明  设 $P$ 为非异阵, 使得 $$P^{-1}AP=J=\mathrm{diag}\{J_{r_1}(\lambda_1),\cdots,J_{r_k}(\lambda_k)\}$$ 为 Jordan 标准型, 我们…

六.(本题10分)  设 $A$ 为 $n$ 阶半正定实对称阵, $S$ 为 $n$ 阶实反对称阵, 满足 $AS+SA=0$. 证明: $|A+S|>0$ 的充要条件是 $r(A)+r(S)=n$. 证法一 (从 $A$ 出发)  由于问题的条件和结论在同时正交相似下不改变, 故不妨从一开始就假设 $A$ 是正交相似标准型 $\begin{pmatrix} \Lambda & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}$, 其中 $\Lambda=\mathrm{diag}\…

六.(本题10分)  设 $A$ 为 $n$ 阶实对称阵, 证明: $A$ 有 $n$ 个不同的特征值当且仅当对 $A$ 的任一特征值 $\lambda_0$ 及对应的特征向量 $\alpha$, 矩阵 $\begin{pmatrix} A-\lambda_0I_n & \alpha \\ \alpha' & 0 \\ \end{pmatrix}$ 均非异. 证明  以下分别给出 4 种不同的证明. 证法 1 (实对称阵的正交相似标准型)  由实对称阵的正交相似标准型理论可知, 存在正交阵…

八.(本题10分)  设 $A,B$ 为 $n$ 阶半正定实对称阵, 求证: $AB$ 可对角化. 分析  证明分成两个步骤: 第一步, 将 $A,B$ 中的某一个简化为合同标准形来考虑问题, 这是矩阵理论中常见的技巧; 第二步, 利用半正定阵的三个重要性质 (参考新白皮书的例 8.43.例 8.44 和例 8.45) 来构造合适的相似变换. 以下两种证法分别利用了半正定阵的第一个和第三个重要性质, 其难易度大致相当, 但第三个性质显然更强有力一些. 证明  设 $C$ 为非异实矩阵, 使得 $…

六.(本题10分)  设 $M_n(K)$ 为数域 $K$ 上的 $n$ 阶方阵全体构成的线性空间, $A,B\in M_n(K)$, $M_n(K)$ 上的线性变换 $\varphi$ 定义为 $\varphi(X)=AXB$. 证明: $\varphi$ 是幂零线性变换 (存在正整数 $k$, 使得 $\varphi^k=0$) 的充要条件为 $A,B$ 中至少有一个是幂零阵. 充分性  不妨设 $A$ 为幂零阵, 即存在正整数 $k$, 使得 $A^k=0$, 则 $\varphi^k(X…

七.(本题10分)  设 $V$ 为 $n$ 维线性空间, $\varphi,\psi$ 是 $V$ 上的线性变换, 满足 $\varphi\psi=\varphi$. 证明: $\mathrm{Ker}\varphi\cap\mathrm{Im}\psi=0$ 的充要条件是 $r(\varphi)=r(\psi)$. 证明  我们给出六种不同的证法, 括号内是证明思想的关键词. 几何证法1 (和空间与直和)  由 $\varphi(I_V-\psi)=0$ 可知, 对任意的 $\alpha\i…

八.(本题10分)  设 $V$ 为数域 $K$ 上的 $n$ 维线性空间, $\varphi$ 为 $V$ 上的线性变换. 子空间 $C(\varphi,\alpha)=L(\alpha,\varphi(\alpha),\varphi^2(\alpha),\cdots)$ 称为 $\varphi$ 关于 $V$ 中向量 $\alpha$ 的循环子空间. 若非零多项式 $f(x)\in K[x]$ 满足 $f(\varphi)(\alpha)=0$, 则称 $f(x)$ 是 $\varphi$…

七.(本题10分)设 \(A\) 为数域 \(K\) 上的 \(n\) 阶非异阵, 证明: 对任意的对角阵 \(B\in M_n(K)\),  \(A^{-1}BA\) 均为对角阵的充分必要条件是 \(A=P_1P_2\cdots P_r\), 其中 \(P_i\) 均为第一类初等阵 (即对换 \(I_n\) 的某两行) 或第二类初等阵 (即非零常数乘以 \(I_n\) 的某一行). 证明  充分性通过简单验证即可证明. 现证必要性, 设 \(A=(a_{ij})_{n\times n}\),…

七.(本题10分)  设 \(V\) 为数域 \(\mathbb{K}\) 上的 \(n\) 维线性空间, \(S=\{v_1,v_2,\cdots,v_m\}\) 为 \(V\) 中的向量组, 定义集合 \(R_S=\{(a_1,a_2,\cdots,a_m)\in\mathbb{K}^m\,|\,a_1v_1+a_2v_2+\cdots+a_mv_m=0\}\). 再取 \(V\) 中的向量组 \(T=\{u_1,u_2,\cdots,u_m\}\). 证明: (1) \(R_S\) 是 \…