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设A与一个对角阵相似,则存在正交阵P,使P^-1AP为对角阵.A 对B 错

设A与一个对角阵相似,则存在正交阵P,使$P^{-1}AP$为对角阵. A 对 B 错

题目解答

答案

要确定给定的陈述是否正确,我们需要分析矩阵$A$与对角矩阵相似的条件,以及正交矩阵$P$的存在性,使得$P^{-1}AP$为对角矩阵。 ### 逐步解题过程 1. **相似于对角矩阵**: - 一个矩阵$A$与对角矩阵相似,如果存在一个可逆矩阵$P$,使得$P^{-1}AP = D$,其中$D$是一个对角矩阵。 - 这意味着$A$的特征值在$D$的对角线上,而$P$的列是$A$的对应特征向量。 2. **正交矩阵**: - 一个矩阵$P$是正交的,如果$P^TP = PP^T = I$,其中$I$是单位矩阵。 - 对于正交矩阵$P$,其逆矩阵$P^{-1}$等于其转置$P^T$。因此,$P^{-1}AP = P^TAP$。 3. **正交对角化**: - 如果存在正交矩阵$P$,使得$P^{-1}AP = D$(或等价地,$P^TAP = D$),其中$D$是对角矩阵,那么矩阵$A$是正交对角化的。 - 一个矩阵$A$是正交对角化的当且仅当$A$是一个对称矩阵(即,$A^T = A$)。 4. **结论**: - 陈述说,如果$A$与对角矩阵相似,那么存在正交矩阵$P$,使得$P^{-1}AP$为对角矩阵。 - 这并不一定正确,因为$A$与对角矩阵相似并不意味着$A$是对称的。存在非对称矩阵与对角矩阵相似,但它们不能被正交对角化。 ### 例子 考虑矩阵$A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}$。这个矩阵与对角矩阵相似,因为它的特征值是1和2,对应的特征向量是$\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}$和$\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \end{pmatrix}$。我们可以构造矩阵$P = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$,使得$P^{-1}AP = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}$。 然而,$P$不是正交矩阵,而且没有正交矩阵$Q$,使得$Q^{-1}AQ$为对角矩阵,因为$A$不是对称的。 ### 最终答案 给定的陈述是错误的。因此,答案是: \[ \boxed{B} \]

解析

步骤 1:相似于对角矩阵
- 一个矩阵$A$与对角矩阵相似,如果存在一个可逆矩阵$P$,使得$P^{-1}AP = D$,其中$D$是一个对角矩阵。
- 这意味着$A$的特征值在$D$的对角线上,而$P$的列是$A$的对应特征向量。

步骤 2:正交矩阵
- 一个矩阵$P$是正交的,如果$P^TP = PP^T = I$,其中$I$是单位矩阵。
- 对于正交矩阵$P$,其逆矩阵$P^{-1}$等于其转置$P^T$。因此,$P^{-1}AP = P^TAP$。

步骤 3:正交对角化
- 如果存在正交矩阵$P$,使得$P^{-1}AP = D$(或等价地,$P^TAP = D$),其中$D$是对角矩阵,那么矩阵$A$是正交对角化的。
- 一个矩阵$A$是正交对角化的当且仅当$A$是一个对称矩阵(即,$A^T = A$)。

步骤 4:结论
- 陈述说,如果$A$与对角矩阵相似,那么存在正交矩阵$P$,使得$P^{-1}AP$为对角矩阵。
- 这并不一定正确,因为$A$与对角矩阵相似并不意味着$A$是对称的。存在非对称矩阵与对角矩阵相似,但它们不能被正交对角化。

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