一、填空题
1.四阶方阵A的特征值为1、3、4、5,则a 11 +a 22 +a 33 +a 44 = 13 − − − − ;|A|= 60 − − − − .
解:a 11 +a 22 +a 33 +a 44 =1+3+4+5=13|A|=λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 =1×3×4×5=60
2.设A=⎛ ⎝ ⎜ λ 1 λ 2 λ 3 ⎞ ⎠ ⎟ ,B=⎛ ⎝ ⎜ λ 2 λ 3 λ 1 ⎞ ⎠ ⎟ ,则可存在可逆矩阵P,使P −1 AP=B,其中P= ⎛ ⎝ ⎜ 010 001 100 ⎞ ⎠ ⎟ − − − − − − − − − − − − .
解:A经过第一行与第二行交换,再进行第一列与第二列交换,然后第二行与第三行交换,再进行第二行与第三列交换即得B.而每次初等行变换相当于用一个初等矩阵左乘矩阵A,每次列变换相当于用一个初等矩阵右乘矩阵A,所用的初等矩阵为P 1 =⎛ ⎝ ⎜ 010 100 001 ⎞ ⎠ ⎟ ,P 2 =⎛ ⎝ ⎜ 100 001 110 ⎞ ⎠ ⎟ ,因为P −1 1 =P 1 ,P −1 2 =P 2 所以P −1 2 P −1 1 AP 1 P 2 =B∴P=P 1 P 2 =⎛ ⎝ ⎜ 010 001 100 ⎞ ⎠ ⎟
3.已知四阶行列式D的第三行元素分别为−1,3,2,0,第二行元素的余子式依次为5,−2,a,4,则a= −12 − − − − − .
解:因为行列式第三行元素与第二行元素对应的代数余子式乘积之和为零,所以有:−1×(−1) (2+1) ×5+3×(−1) (2+2) ×(−2)+2×(−1) (2+3) ×a+0×(−1) (2+4) ×4=05−6−2a+0=0a=−12
4.已知A是满秩方阵,且AB=⎛ ⎝ ⎜ 123 246 369 ⎞ ⎠ ⎟ ,则B的秩为 1 − − −
解:因为A为满秩矩阵,所以A可以写成有限个初等矩阵的乘积,用有限个初等矩阵左乘矩阵B,相当于对矩阵B进行了有限次初等行变换,而初等变换不改变矩阵的秩,所以矩阵B的秩等于AB的秩.而AB的秩为1,所以B的秩为1.
5.设1是实对称矩阵A的一个特征值,且B=A 3 −A,则|B|= 0 − − − .
解:∵1为实对称矩阵A的一个特征值,∴|A−E|=0B=A(A 2 −E)=A(A+E)(A−E)|B|=|A(A+E)(A−E)|=|A||A+E||A−E|=|A||A+E|⋅0=0
二、选择题
1.设α 1 ,α 2 ,α 3 线性无关,则下列向量组线性相关的是( A )
A.α 1 −α 2 ,α 2 −α 3 ,α 3 −α 1 ;B.α 1 +α 2 ,α 2 +α 3 ,α 3 +α 1 ;C.α 1 ,α 1 +α 2 ,α 1 +α 3 ;D.α 1 ,α 2 ,α 3 −α 1 .
解:A中每个向量都可由其它两个向量线性表示.如:α 1 −α 2 =−[(α 2 −α 3 )+(α 3 −α 1 )]设一组数k 1 ,k 2 ,k 3 ,使k 1 (α 1 −α 2 )+k 2 (α 2 −α 3 )+k 3 (α 3 −α 1 )=0(k 1 −k 3 )α 1 +(k 2 −k 1 )α 2 +(k 3 −k 2 )α 3 =0∵α 1 ,α 2 ,α 3 线性无关,所以k 1 −k 3 =0k 2 −k 1 =0k 3 −k 2 =0解得k 1 =k 2 =k 3 令k 1 =k 2 =k 3 =1,则有一组不全为零的数,使(α 1 −α 2 )+(α 2 −α 3 )+(α 3 −α 1 )=0故选A.
2.设A是n阶矩阵,且A的行列式|A|=0,则A中( C ).
A.必有一列元素为零;B.必有两列元素对应成比例;C.必有一列向量是其余向量的线性组合;D.任一列向量是其余列向量的线性组合.
解:由|A|=0,可知,A的列向量组是线性相关的,所以其中至少有一个列向量可由其余列向量线性表示,因此选C.
3.设A,B均是n阶正交阵,若|A|+|B|=0,则A+B必为( D )
A.初等阵;B.正交阵;C.对称阵;D.奇异阵.
解:∵A −1 (A+B)B −1 =B −1 +A −1 ∴A −1 (A+B)=(B −1 +A −1 )B∴|A −1 ||A+B|=|B −1 +A −1 ||B|=|B||A −1 +B −1 |∵A −1 =A T ,B −1 =B T ,|A T |=|A|∴(|A|−|B|)|A+B|=0∵|A|+|B|=0∴|A|−|B|≠0∴|A+B|=0
4.已知A=⎛ ⎝ ⎜ 123 246 369 ⎞ ⎠ ⎟ ,B=⎛ ⎝ ⎜ 214 428 6312 ⎞ ⎠ ⎟ ,P 1 =⎛ ⎝ ⎜ 101 010 001 ⎞ ⎠ ⎟ ,P 2 =⎛ ⎝ ⎜ 010 100 001 ⎞ ⎠ ⎟ ,则B=( C )
A.AP 2 P 1 ;B.AP 1 P 2 ;C.P 2 P 1 A;D.P 1 P 2 A.
解:1.先r 3 +r 1 ,2.r2↔r 2
5.设β能由α 1 ,α 2 ,α 3 线性表示,但不能由α 1 ,α 2 线性表示,则( A )
A.α 3 不能由α 1 ,α 2 线性表示,但能由β,α 1 ,α 2 线性表示;B.α 3 不能由α 1 ,α 2 线性表示,也不能由β,α 1 ,α 2 线性表示;C.α 3 能由α 1 ,α 2 线性表示,但不能由β,α 1 ,α 2 线性表示;D.α 3 能由α 1 ,α 2 线性表示,也能由β,α 1 ,α 2 线性表示.
解:若α 3 能由α 1 ,α 2 线性表示,因为β能由α 1 ,α 2 ,α 3 线性表示,则β能由α 1 ,α 2 线性表示,与已知矛盾,所以α 3 不能由α 1 ,α 2 线性表示.C、D错误.∵β=λ 1 α 1 +λ 2 α 2 +λ 3 α 3 ∴λ 3 ≠0,[∵λ 3 =0时,将使β可由α 1 ,α 2 线性表示.]∴α 3 =1λ 3 β−λ 1 λ 3 α 1 −λ 2 λ 3 α 3 即α 3 能由β,α 1 ,α 2 线性表示.故选A.
三、计算题
1.解矩阵方程[x(12 20 02 )] T =⎛ ⎝ ⎜ 1−22 ⎞ ⎠ ⎟ .
解:⎛ ⎝ ⎜ 120 202 ⎞ ⎠ ⎟ x T =⎛ ⎝ ⎜ 1−22 ⎞ ⎠ ⎟
对增广矩阵B施行初等行变换B=⎛ ⎝ ⎜ 120 202 1−22 ⎞ ⎠ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ 100 2−42 1−42 ⎞ ⎠ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ 100 010 −110 ⎞ ⎠ ⎟ ∴x T =(−11 ),∴x=(−1 1 )
2.设A=⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 0100 0210 0−321 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ,求A −1 .
解:对矩阵(A|E)作初等行变换(A|E)=⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 0100 0210 0−321 1000 0100 0010 0001 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 0100 0210 0001 1000 0100 0010 03−21 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 0100 0010 0001 1000 0100 0−210 07−21 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ A −1 =⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 0100 0−210 07−21 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟
3.验证α 1 =(1,−1,0) T ,α 2 =(2,1,3) T ,α 3 (3,1,2) T ,为R 3 的一个基,并求β=(5,0,7) T 这组基下的坐标.
解:令A=(α 1 ,α 2 ,α 3 )∵|A|=∣ ∣ ∣ ∣ 1−10 213 312 ∣ ∣ ∣ ∣ =∣ ∣ ∣ ∣ 100 233 342 ∣ ∣ ∣ ∣ =∣ ∣ ∣ ∣ 100 230 34−2 ∣ ∣ ∣ ∣ =−6≠0∴α 1 ,α 2 ,α 3 为R 3 的一个基.令β=k 1 α 1 +k 2 α 2 +k 3 α 3 求k 1 ,k 2 ,k 3 就是解方程组(α 1 ,α 2 ,α 3 )⎛ ⎝ ⎜ k 1 k 2 k 3 ⎞ ⎠ ⎟ =β对矩阵(α 1 ,α 2 ,α 3 ,β)作初等行变换⎛ ⎝ ⎜ 1−10 213 312 507 ⎞ ⎠ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ 100 233 342 557 ⎞ ⎠ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ 100 030 13 4−2 53 52 ⎞ ⎠ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ ⎜ 100 010 13 43 1 53 53 −1 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ 100 010 001 23−1 ⎞ ⎠ ⎟ 所以β在这组基下的坐标为2,3,−1.
4.设A=⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 10−21 011−2 1−201 −2110 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ 求矩阵A的秩及A的列向量的极大无关组.
解:对A施以行初等变换A=⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 10−21 011−2 1−201 −2110 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 011−2 1−220 −21−32 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 0100 1−24−4 −21−44 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 0100 0010 −1−1−10 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ 所以矩阵A的秩为3,第一列、第二列、第三列为A的列向量的一个极大无关组.
四、证明题
1.若n阶可逆阵A的任意行元素之和都等于a,证明:a为矩阵A的一个特征值,且a≠0.
证:由已知⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ a 11 a 21 ⋯a n1 a 12 a 22 ⋯a n2 ⋯⋯⋱⋯ a 1n a 2n ⋯a nn ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ 11⋮1 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ =⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ aa⋮a ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ =a⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ 11⋮1 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ 因为a≠0,所以a是矩阵A的一个特征值.
2.矩阵A满足A 2 +6A+8E=0,且A=A T ,证明:A+3E是正交阵.
证:由A 2 +6A+8E=0得(A+3E) 2 =E∴(A+3E)可逆,且(A+3E) −1 =(A+3E)∵A=A T ,∴A+3E=(A+3E) T ∴(A+3E) −1 =(A+3E) T 所以A+3E是正交阵.
3.已知向量组α 1 ,α 2 ,α 3 是齐次线性方程组AX=0的基础解系,且β 1 =α 1 +α 2 ,β 2 =α 2 +α 3 ,β 3 =α 3 +α 1 ,证明:向量组β 1 ,β 2 ,β 3 也是AX=0的一个基础解系.
证:∵α 1 ,α 2 ,α 3 是AX=0基础解系,故β 1 ,β 2 ,β 3 为AX=0的解,所以只需证明β 1 ,β 2 ,β 3 线性无关,设k 1 ,k 2 ,k 3 使k 1 β 1 +k 2 β 2 +k 3 β 3 =0即(k 1 +k 3 )α 1 +(k 1 +k 2 )α 2 +(k 2 +k 3 )α 3 =0因为α 1 ,α 2 ,α 3 线性无关,所以
⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ k 1 +k 3 =0k 1 +k 2 =0k 2 +k 3 =0
解得k 1 =k 2 =k 3 =0所以β 1 ,β 2 ,β 3 线性无关,所以β 1 ,β 2 ,β 3 亦是齐次线性方程组的基础解系.
五、设A=⎛ ⎝ ⎜ 1x−3 −14−3 1y5 ⎞ ⎠ ⎟ ,已知A有3个线性无关的特征向量,λ=2是A的二重特征值,求:(1)x,y的值.(2)求一个可逆矩阵P,使P −1 AP=Λ.
解:(1)由题意可知,必有R(A−2E)=1,于是A−2E=⎛ ⎝ ⎜ −1x−3 −12−3 1y3 ⎞ ⎠ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ 100 12−x0 −1y+x0 ⎞ ⎠ ⎟
必有{2−x=0x+y=0 解得{x=2y=−2
(2)又λ 1 +λ 2 +λ 3 =1+4+5=102+2+λ 3 =10λ 3 =6由(A−λE)x=0,解A的特征向量当λ 1 =λ 2 =2时,P 1 =(−1,1,0) T ,P 2 =(1,0,1) T ,A−6E=⎛ ⎝ ⎜ −52−3 −1−2−3 1−2−1 ⎞ ⎠ ⎟ ∼⎛ ⎝ ⎜ ⎜ 100 010 −13 23 0 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ P 3 =(1,−2,3) T ,于是有可逆矩阵P=(p 1 ,p 2 ,p 3 )=⎛ ⎝ ⎜ −110 101 1−23 ⎞ ⎠ ⎟ ,使得P −1 AP=Λ=⎛ ⎝ ⎜ 2 2 6 ⎞ ⎠ ⎟
六、已知α 1 =⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1−1x0 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ,α 2 =⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 7132 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ,α 3 =⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 4021 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ,β=⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 10y43 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ,(1)x,y取什么值时,β能由α 1 ,α 2 ,α 3 唯一线性表示,并写出表达式;(2)x,y取什么值时,β不能由α 1 ,α 2 ,α 3 线性表示;(3)x,y取什么值时,β能由α 1 ,α 2 ,α 3 多种线性表示,并写出表达式.
解:对矩阵B=(α 1 α 2 α 3 β )施以行初等变换B=⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1−1x0 7132 4021 10y43 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼ r 1 −3r 4 ,r 3 −r 4 ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1−1x0 1112 1011 1y13 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼ r 2 +r 1 ,r 3 −r 1 ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 10x−10 1202 1101 1y+103 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼ r 2 −r 4 ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 10x−10 1002 1001 1y−203 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ∼ r 2 ↔r 4 ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 10x−10 1200 1100 130y−2 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ (1)当y=2时,且x≠1时,R(A)=R(B)=3,β能由α 1 ,α 2 ,α 3 唯一线性表示,表示式为:β=0α 1 +2α 2 −α 3 (2)当y≠2时,β不能由α 1 ,α 2 ,α 3 线性表示,(3)当y=2,x=1时,β能由α 1 ,α 2 ,α 3 多种线性表示.B∼⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ 1000 0100 12 12 00 −12 32 00 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ 表达式为β=−c+12 α 1 −c−32 α 2 +cα 3 ,c∈R
七、设A是正定阵,试证存在正定阵B,使得A=B 2 .
证:设λ 1 ,λ 2 ,⋯,λ n 是A的特征值,因A是正定矩阵,故λ i >0(i=1,2,⋯,n),且存在正交矩阵P,使P −1 AP=diag{λ 1 ,λ 2 ,⋯,λ}=(diag{λ 1 − − √ ,λ 2 − − √ ,⋯,λ n − − √ }) 2 ∴A=P(diag{λ 1 − − √ ,λ 2 − − √ ,⋯,λ n − − √ }) 2 P −1 =P⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ λ 1 − − √ λ 2 − − √ ⋱ λ n − − √ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ P −1 ×P⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ λ 1 − − √ λ 2 − − √ ⋱ λ n − − √ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ P −1 =B 2 其中B=P⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ λ 1 − − √ λ 2 − − √ ⋱ λ n − − √ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ P −1 显然B为正定阵,且有A=B 2 .