已知A是实反对称矩阵,证明I-A^2为正定矩阵

\u8bbeA,B\u4e3a\u6b63\u5b9a\u77e9\u9635,\u8bc1\u660eA+B\u4e3a\u6b63\u5b9a\u77e9\u9635.

\u77e9\u9635A\u662f\u6b63\u5b9a\u7684 \u7b49\u4ef7\u4e8e \u5bf9\u4e8e\u4efb\u610f\u975e\u96f6\u5411\u91cfa,\u90fd\u6709a'Aa>0;
\u5982\u679cA\u3001B\u90fd\u662f\u6b63\u5b9a\u7684\uff0c\u90a3\u4e48\u5bf9\u4e8e\u4efb\u610f\u975e\u96f6\u5411\u91cfa,\u90fd\u6709a'Aa>0;a'Ba>0;
\u663e\u7136\u5bf9\u4e8e\u4efb\u610f\u975e\u96f6\u5411\u91cfa,\u5c31\u6709a'(A+B)a>0;
\u6240\u4ee5A+B\u4e5f\u662f\u6b63\u5b9a\u7684\uff01

\u53ea\u8981\u4f60\u641e\u6e05\u4e00\u4e2a\u7b49\u4ef7\u5173\u7cfb\u5c31\u884c\u4e86\uff0c\u6700\u597d\u7528\u53cd\u6b63\u6cd5\u8bc1\u4e00\u4e0b\u3002

\u5728\u5b9e\u6570\u8303\u56f4\u5185\uff1a

A\u4e3an\u9636\u7684\u6b63\u5b9a\u77e9\u9635\uff0c\u5219A\u7684n\u4e2a\u7279\u5f81\u503c\u5747\u4e3a\u6b63\u6570 \u7b49\u4ef7\u4e8e \u5bf9\u4e8e\u4efb\u4e00n\u7ef4\u5217\u5411\u91cfx\uff0c\u90fd\u6709x[T]Ax>0,x[T]\u8868\u793aA\u7684\u8f6c\u7f6e\u3002

\u56e0\u6b64\u6709\uff0cx[T]Ax>0\uff0cx[T]Bx>0\uff0c\u76f8\u52a0\u5f97\uff1ax[T](A+B)x>0
\u5373\u5f97A+B\u4e5f\u4e3a\u6b63\u5b9a\u77e9\u9635\u3002

\u5728\u590d\u6570\u8303\u56f4\u5185\uff1a

A\u4e3an\u9636\u7684\u6b63\u5b9a\u77e9\u9635\uff0c\u5219A\u7684n\u4e2a\u7279\u5f81\u503c\u5747\u4e3a\u6b63\u6570 \u7b49\u4ef7\u4e8e \u5bf9\u4e8e\u4efb\u4e00n\u7ef4\u5217\u5411\u91cfx\uff0c\u90fd\u6709x[H]Ax>0,x[H]\u8868\u793aA\u7684\u5171\u8f6d\u8f6c\u7f6e\uff08\u79f0\u4e3aA\u7684Hemite\u77e9\u9635\uff09\u3002

\u56e0\u6b64\u6709\uff0cx[H]Ax>0\uff0cx[H]Bx>0\uff0c\u76f8\u52a0\u5f97\uff1ax[H](A+B)x>0
\u5373\u5f97A+B\u4e5f\u4e3a\u6b63\u5b9a\u77e9\u9635\u3002

\u5148\u7ea6\u5b9a\u7b26\u53f7\u77e9\u9635A\u7684\u8f6c\u7f6e\u8bb0\u4e3aAT
\u5df2\u77e5\uff1aA\u662f\u53cd\u5bf9\u79f0\u9635\uff0c\u5373AT=-A

\u60f3\u8981\u8bc1\u660e\u77e9\u9635E-A^2\u4e3a\u6b63\u5b9a\u9635\uff0c\u9996\u5148\u8981\u8bf4\u660e\u5b83\u662f\u5bf9\u79f0\u9635\uff1a
\u77e9\u9635E-A^2=E+A\u00d7(-A)=E+A\u00d7AT,\u8fd9\u662f\u4e00\u4e2a\u5bf9\u79f0\u9635\uff0c\u53ef\u4ee5\u8bc1\u660eE+A\u00d7AT\u7684\u8f6c\u7f6e\u5c31\u662f\u5b83\u672c\u8eab
\u56e0\u4e3a\uff08E+A\u00d7AT\uff09T=ET+(A\u00d7AT)T=E+(AT)T \u00d7 AT=E+A\u00d7AT

\u5176\u6b21\u518d\u6765\u8bc1\u660eE-A^2=E+A\u00d7AT\u4e3a\u6b63\u5b9a\u9635\uff0c\u8fd9\u9700\u8981\u7528\u5230\u4ee5\u4e0b\u4e00\u4e2a\u7ed3\u8bba\uff1a

\u4e24\u4e2a\u6b63\u5b9a\u77e9\u9635\u7684\u548c\u4ecd\u7136\u662f\u6b63\u5b9a\u9635\uff08\u76f4\u63a5\u5229\u7528\u4e8c\u6b21\u578b\u7ae0\u8282\u4e2d\u6b63\u5b9a\u9635\u7684\u5b9a\u4e49\uff0c\u5c31\u53ef\u4ee5\u8bc1\u660e\uff09

\u5229\u7528\u8fd9\u4e2a\u7ed3\u8bba\uff0c\u5982\u679c\u8bc1\u660e\u4e86E\u548cA\u00d7AT\u90fd\u662f\u6b63\u5b9a\u9635\uff0c\u90a3\u4e48\u5b83\u4eec\u7684\u548cE+A\u00d7AT\uff0c\u5373E-A^2\u5c31\u662f\u6b63\u5b9a\u9635

\u6613\u5f97\uff0cE\u7684\u6b63\u5b9a\u6027
\u4e0b\u9762\u8bc1\u660eA\u00d7AT\u662f\u6b63\u5b9a\u9635\uff0c\u4f9d\u636e\u6b63\u5b9a\u7684\u5b9a\u4e49

\u5bf9\u4e8e\u4efb\u610f\u7684\u975e\u96f6\u5411\u91cfy\uff0cyT\u00d7\uff08A\u00d7AT\uff09\u00d7y=\uff08yT\u00d7A\uff09\u00d7\uff08AT\u00d7y\uff09=\uff08AT\u00d7y\uff09T \u00d7(AT\u00d7y)\u8fd9\u662f\u5411\u91cf(AT\u00d7y)\u548c\u6b64\u5411\u91cf\u7684\u8f6c\u7f6e\uff08AT\u00d7y\uff09T\u4e4b\u4e58\u79ef\uff0c\u662f\u5b9e\u6570\u7684\u5e73\u65b9\u548c\uff0c\u4e00\u5b9a\u5927\u4e8e\u96f6\uff0c

\u56e0\u6b64A\u00d7AT\u662f\u6b63\u5b9a\u9635

这用到一个结论: 实反对称矩阵的特征值是零或纯虚数
所以 I-A^2 的特征值为 1 或 1-(ki)^2 = 1+k^2 >0
所以 I-A^2 是正定矩阵

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