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秩一矩阵的性质

  • 秩一矩阵的性质

思考:秩一矩阵的性质,证明以及应用

(1) 定义

(2) 性质有哪些

(3) 应用的题目

(1) 先看一个秩一矩阵的性质

A\boldsymbol{A}n×nn \times n 矩阵, 秩 (A)=1(\boldsymbol{A})=1. 证明:

(a) A=(a1a2an)(b1,b2,,bn);\boldsymbol{A}=\left(\begin{array}{c}a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n}\end{array}\right)\left(b_{1}, b_{2}, \cdots, b_{n}\right) ; \quad
(b) A2=kA\boldsymbol{A}^{2}=k \boldsymbol{A}.

证明 (a) 因秩 (A)(\boldsymbol{A}) 为 1 , 必有某个行, 设为第 ii 行, 使其他各行都是它的倍数. 设这 第 ii 行为 (b1,b2,,bn)\left(b_{1}, b_{2}, \cdots, b_{n}\right), 而第 1 行, 第 2 行, \cdots, 第 nn 行分别是它的 a1,a2,,ana_{1}, a_{2}, \cdots, a_{n} 倍( 这 时 aia_{i} 必为 1)). 于是

A=(a1b1a1b2a1bna2b1a2b2a2bnanb1anb2anbn)=(a1a2an)(b1,b2,,bn).\boldsymbol{A}=\left(\begin{array}{cccc} a_{1} b_{1} & a_{1} b_{2} & \cdots & a_{1} b_{n} \\ a_{2} b_{1} & a_{2} b_{2} & \cdots & a_{2} b_{n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n} b_{1} & a_{n} b_{2} & \cdots & a_{n} b_{n} \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n} \end{array}\right)\left(b_{1}, b_{2}, \cdots, b_{n}\right) .

(b) 由 (a) 知

A2=(a1a2an)(b1,b2,,bn)(a1a2an)(b1,b2,,bn)\boldsymbol{A}^{2}=\left(\begin{array}{c} a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n} \end{array}\right)\left(b_{1}, b_{2}, \cdots, b_{n}\right)\left(\begin{array}{c} a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n} \end{array}\right)\left(b_{1}, b_{2}, \cdots, b_{n}\right)

=(a1a2an)(a1b1+a2b2++anbn)(b1,b2,,bn)=(a1b1+a2b2++anbn)(a1a2an)(b1,b2,,bn)\begin{aligned} &=\left(\begin{array}{c} a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n} \end{array}\right)\left(a_{1} b_{1}+a_{2} b_{2}+\cdots+a_{n} b_{n}\right)\left(b_{1}, b_{2}, \cdots, b_{n}\right) \\ &=\left(a_{1} b_{1}+a_{2} b_{2}+\cdots+a_{n} b_{n}\right)\left(\begin{array}{c} a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n} \end{array}\right)\left(b_{1}, b_{2}, \cdots, b_{n}\right) \end{aligned}

其中 k=a1b1+a2b2++anbnk=a_{1} b_{1}+a_{2} b_{2}+\cdots+a_{n} b_{n}

(2) 应用 (1) 的性质证明:

AA2×22 \times 2 矩阵, 证明: 如果 Al=O,l2A^{l}=O, l \geqslant 2, 那么 A2=OA^{2}=O.

证明Al=0,Al=Al=0A^{l}=0,\left|A^{l}\right|=|A|^{l}=0, 故 A=0,A|A|=0, A 不是满秩.

AA2×22 \times 2 矩阵, 所以,秩 (A)<2(A)<2.

若秩 (A)=0(A)=0, 即 A=OA=O. 这时当然有 A2=OA^{2}=O.

若秩 (A)=1(A)=1, 则由 (1) 有 A2=kAA^{2}=k A, 可知 Al=kl1A=OA^{l}=k^{l-1} A=O. 因为 AOA \neq O, 故 k=0k=0, 即有 A2=0A^{2}=0.

(3) 其他秩一矩阵的性质:读者自行证明.

  1. βTα=tr(A)\beta^{T} \alpha=\operatorname{tr}(A)

  2. A2=tr(A)AAk=[tr(A)]k1AA^{2}=\operatorname{tr}(A) A \quad A^{k}=[\operatorname{tr}(A)]^{k-1} A

  3. A=(aij)n×nA=\left(a_{i j}\right)_{n \times n} 的秩 r(A)=n1r(A)=n-1 ,则存在常数 kk ,使得 (A)2=kA\left(A^{*}\right)^{2}=k A^{*} ,此时 AA^{*} 是秩1矩阵

  4. A=(aij)2×2A=\left(a_{i j}\right)_{2 \times 2} ,则存在 lNl \in N^{*} ,使得 Al=0A^{l}=0 ,则 A2=0A^{2}=0

  5. tr(A)0A\operatorname{tr}(A) \neq 0 , A 的特征值为 0(n10\left(\mathrm{n}-1\right. 重) tr(A)=i=1naibi, \operatorname{tr}(A)=\sum_{i=1}^{n} a_{i} b_{i} (1重)

  6. tr(A)=i=1naibi=0\operatorname{tr}(A)=\sum_{i=1}^{n} a_{i} b_{i}=0 ,则 AA 的特征值为 0 ( n\mathrm{n} 重)

提示 λE[a1a2an][b1b2bn]=λn1(λtr(A))\left|\lambda E-\left[\begin{array}{c}a_{1} \\ a_{2} \\ \vdots \\ a_{n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{llll}b_{1} & b_{2} & \cdots & b_{n}\end{array}\right]\right|=\lambda^{n-1}(\lambda-\operatorname{tr}(A))

  1. A=(aij)n×nA=\left(a_{i j}\right)_{n \times n} 正定, α\alphan\mathrm{n} 维的非零实列向量, B=AααTB=A \alpha \alpha^{T} 的特征值为 0 ( n1\mathrm{n}-1 重) , αTAα\alpha^{T} A \alpha (1重)