题目
11.填空题若方阵(}0&0&1x&1&2x-31&0&0)可对角化,则x=____.
11.填空题
若方阵$\left(\begin{matrix}0&0&1\\x&1&2x-3\\1&0&0\end{matrix}\right)$可对角化,则x=____.
题目解答
答案
求解特征值:
特征方程为 $\det(A - \lambda I) = -(\lambda - 1)^2(\lambda + 1) = 0$,得特征值 $\lambda_1 = 1$(重数2),$\lambda_2 = -1$(重数1)。
对于 $\lambda = 1$,计算 $A - I$ 的秩:
\[ A - I = \begin{pmatrix} -1 & 0 & 1 \\ x & 0 & 2x-3 \\ 1 & 0 & -1 \end{pmatrix} \sim \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 \\ 0 & 0 & x-3 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix} \]
当 $x = 3$ 时,秩为1,几何重数为2,等于代数重数,矩阵可对角化。
**答案:** $\boxed{3}$
解析
本题考查方阵可对角化的判定条件。解题的关键思路是先求出方阵的特征值,再根据方阵可对角化的充要条件,即对于每个特征值,其几何重数等于代数重数来确定$x$的值。具体步骤如下:
- 求方阵的特征值:
对于方阵$A=\begin{pmatrix}0&0&1\\x&1&2x - 3\\1&0&0\end{pmatrix}$,其特征方程为$\det(A - \lambda I) = 0$,其中$I$为三阶单位矩阵。
计算$A - \lambda I$:
$A - \lambda I=\begin{pmatrix} 0 - \lambda&0&1\\ x&1 - \lambda&2x - 3\\ 1&0&0 - \lambda \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} -\lambda&0&1\\ x&1 - \lambda&2x - 3\\ 1&0&-\lambda \end{pmatrix}$
计算行列式$\det(A - \lambda I)$:
$\begin{align*} \det(A - \lambda I)&=-\lambda\begin{vmatrix} 1 - \lambda&2x - 3\\ 0&-\lambda \end{vmatrix}-0\begin{vmatrix} x&2x - 3\\ 1&-\lambda \end{vmatrix}+1\begin{vmatrix} x&1 - \lambda\\ 1&0 \end{vmatrix}\\ &=-\lambda((1 - \lambda)(-\lambda)-0)-0 + 1(0-(1 - \lambda))\\ &=\lambda^2(1 - \lambda)+(\lambda - 1)\\ &=(\lambda - 1)(\lambda^2 - 1)\\ &=(\lambda - 1)(\lambda - 1)(\lambda + 1)\\ &= - (\lambda - 1)^2(\lambda + 1) \end{align*}$
令$\det(A - \lambda I)=0$,即$- (\lambda - 1)^2(\lambda + 1)=0$,解得特征值$\lambda_1 = 1$(代数重数为$2$),$\lambda_2 = - 1$(代数重数为$1$)。 - 求特征值$\lambda = 1$对应的几何重数:
几何重数等于$n-\text{rank}(A - \lambda I)$,其中$n$为矩阵的阶数,这里$n = 3$。
计算$A - I$:
$A - I=\begin{pmatrix} -1&0&1\\ x&0&2x - 3\\ 1&0&-1 \end{pmatrix}$
对$A - I$进行初等行变换:
第一行乘以$-1$得\(\begin{pmatrix} 1&0&-1\\ x&0&2x - 3\\ 1&0&-1 \end{pmatrix}\);
第二行减去第一行的$x$倍,第三行减去第一行得\(\begin{pmatrix} 1&0&-1\\ 0&0&2x - 3 + x\\ 0&0&0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 1&0&-1\\ 0&0&3x - 3\\ 0&0&0 \end{pmatrix}\)。
当$x = 3$时,$3x - 3 = 0$,此时$\text{rank}(A - I)=1$。
那么特征值$\lambda = 1$的几何重数为$3 - \text{rank}(A - I)=3 - 1 = 2$,等于其代数重数。
对于特征值$\lambda_2 = - 1$,其代数重数为$1$,几何重数也为$1$。
所以当$x = 3$时,方阵$A$的每个特征值的几何重数都等于代数重数,方阵$A$可对角化。