定义
设 为 阶方阵。若
则称 为幂等矩阵。
幂等矩阵也称为投影矩阵。若进一步有 ,则称为实对称幂等矩阵,即正交投影矩阵。考研中常与特征值、可对角化、秩、迹、矩阵高次幂等结合考查。
充要条件
- 按定义:
- 相似标准形条件:
其中
- 可对角化与特征值条件:
反之,若 可对角化且特征值全为 或 ,则 幂等。
- 实对称幂等矩阵的充要条件:
必要条件
-
必为方阵。
-
特征值只能为 或 (含代数重数)。
-
一定可对角化。
-
迹等于秩:
且 为非负整数。
- 对任意正整数 ,有
- 也是幂等矩阵:
- 秩满足
- 零空间与列空间满足
且
- 若 可逆且幂等,则
其他性质
- 幂等矩阵的转置仍幂等:
- 若 幂等,则对任意正整数 ,
因此求高次幂时可直接替换。
- 若 幂等,则
- 若 幂等,则 的特征多项式为
其中
- 若 幂等,则 的最小多项式为
(当 时),因此 可对角化。
- 实对称幂等矩阵必半正定:
其特征值为 或 ,且可正交对角化。
- 实对称幂等矩阵的谱分解: 若 ,则存在标准正交向量 ,使
且
- 实对称幂等矩阵合同于
其中 。
- 一般幂等矩阵不一定实对称,也不一定半正定。例如
满足 ,但 不对称。
题型与应用
-
判断幂等矩阵: 验证是否满足 ;或判断是否可对角化且特征值仅 ;或利用秩与迹关系。
-
求参数使矩阵幂等: 由 展开得到方程组,求参数。也可利用特征值只能为 或 、迹等于秩等条件辅助求解。
-
计算矩阵高次幂: 若 ,则
可直接简化计算。
- 证明可对角化: 由 得
故最小多项式无重根,因此 可对角化。
- 求秩与迹: 利用
快速求秩或求参数。
- 实对称幂等矩阵与二次型: 实对称幂等矩阵对应半正定二次型:
可正交对角化为
- 概念辨析题: 区分“幂等矩阵”“实对称幂等矩阵”“投影矩阵”“正交投影矩阵”。注意:
但幂等不一定实对称;实对称幂等一定半正定,一般幂等不一定半正定。