本文研究实对称矩阵特征值的最大值与最小值。

定理

阶实对称矩阵,记
分别是
中所有特征值中的最大值与最小值,则

证明:这里只证关于最大值的那部分。最小值的证明是完全类似的。

因为

是实对称矩阵,所以
有由
中标准正交基
组成的特征向量。这句话的意思是,
,其中
的第
个特征值,并且
。因此,对于
中任意向量
,都有

推论

阶实对称矩阵,记
分别是
中所有特征值中的最大值与最小值,则

证明:这里还是只证关于最大值的命题。事实上,上述定理已得到

。另一方面,特别取
属于
的特征向量
,就有
,从而两者是相等的。

例1

阶实对称矩阵,求二次型函数
上的单位球面
上的最大值与最小值。

解:

,由题意,
,故根据本文定理,
,当
分别为
属于
的特征向量时取到等号,所以
的最大值与最小值就是

例2

,求证:
所有特征值都大于
,小于等于

证明:(该解法来自@希尔伯特23)

,则

是正定矩阵,故所有特征值都大于

的最大特征值是
,则由本文定理知:对于
中任意的
,都有
,即
;同理,由
的最大特征值是
知:对于任意

由三角不等式,对于任意

特别取

属于
的特征向量,则有
,代入上述不等式就得到
,解得

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