线性代数_期末C卷_详解版

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线性代数_期末C卷_详解版

线性代数期末考试 C卷(详解版)#

考试时间:120分钟  满分:100分


一、选择题(每小题 3 分,共 24 分)#

1. 设 A,BA,B 为 nn 阶方阵,下列等式成立的是(  )

A. (A+B)2=A2+2AB+B2(A+B)^2=A^2+2AB+B^2   B. (A−B)(A+B)=A2−B2(A-B)(A+B)=A^2-B^2   C. A2−B2=(A+B)(A−B)A^2-B^2=(A+B)(A-B)   D. (AB)2=A(BA)B(AB)^2=A(BA)B

答案:D

解析: 矩阵乘法不满足交换律,故:

  • A:(A+B)2=A2+AB+BA+B2≠A2+2AB+B2(A+B)^2=A^2+AB+BA+B^2\neq A^2+2AB+B^2(除非 AB=BAAB=BA)。
  • B:(A−B)(A+B)=A2+AB−BA−B2≠A2−B2(A-B)(A+B)=A^2+AB-BA-B^2\neq A^2-B^2(除非 AB=BAAB=BA)。
  • C:同上,不成立。
  • D:(AB)2=(AB)(AB)=A(BA)B(AB)^2=(AB)(AB)=A(BA)B,这是结合律的直接应用,恒成立。

故选 D。


2. 设 AA 为 4 阶方阵,且 R(A)=2R(A)=2,则 R(A∗)R(A^*) 等于(  )

A. 0   B. 1   C. 2   D. 4

答案:A

解析: 伴随矩阵秩的公式:

  • 若 R(A)=nR(A)=n,则 R(A∗)=nR(A^*)=n
  • 若 R(A)=n−1R(A)=n-1,则 R(A∗)=1R(A^*)=1
  • 若 R(A)<n−1R(A)<n-1,则 R(A∗)=0R(A^*)=0

本题 n=4,R(A)=2<3=n−1n=4, R(A)=2<3=n-1,故 R(A∗)=R(A^*)= 0。

故选 A。


3. 向量组 α1=(1,0,0)T,α2=(0,1,1)T,α3=(1,1,1)T,α4=(2,1,1)T\alpha_1=(1,0,0)^T, \alpha_2=(0,1,1)^T, \alpha_3=(1,1,1)^T, \alpha_4=(2,1,1)^T 的极大线性无关组可以是(  )

A. α1,α2\alpha_1,\alpha_2   B. α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3   C. α1,α2,α4\alpha_1,\alpha_2,\alpha_4   D. α1,α2,α3,α4\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,\alpha_4

答案:B

解析: 观察:α3=α1+α2\alpha_3=\alpha_1+\alpha_2,α4=2α1+α2\alpha_4=2\alpha_1+\alpha_2。

故 α3,α4\alpha_3,\alpha_4 均可由 α1,α2\alpha_1,\alpha_2 线性表示。α1,α2\alpha_1,\alpha_2 线性无关(不成比例),故秩为 2。

极大线性无关组含 2 个向量:可以是 α1,α2\alpha_1,\alpha_2(A)。但选项 B 中的 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3 线性相关(因 α3=α1+α2\alpha_3=\alpha_1+\alpha_2),不是极大无关组。

等等,极大线性无关组应该是线性无关的。A 是 α1,α2\alpha_1,\alpha_2,秩为 2,是极大无关组。但选项中没有更合适的…

C:α1,α2,α4\alpha_1,\alpha_2,\alpha_4 也线性相关(α4=2α1+α2\alpha_4=2\alpha_1+\alpha_2)。 D:4 个向量显然相关。

故只有 A 是极大无关组。但 A 只有 2 个向量,确实是极大无关组。

故选 A。


4. 设 AA 为 5×45\times 4 矩阵,若 Ax=0Ax=0 只有零解,则 R(A)=R(A)=(  )

A. 1   B. 2   C. 3   D. 4

答案:D

解析: Ax=0Ax=0 只有零解 ⇔R(A)=n\Leftrightarrow R(A)=n(nn 为 AA 的列数)。

本题 n=4n=4,故 R(A)=4R(A)=4。

注意 AA 为 5×45\times 4,行数 5≥5\geq 列数 44,满列秩是可能的。

故选 D。


5. 设 AA 为 3 阶方阵,∣A∣=6|A|=6,且 AA 的特征值为 1,2,λ1,2,\lambda,则 λ=\lambda=(  )

A. 2   B. 3   C. 4   D. 6

答案:B

解析: ∣A∣=λ1λ2λ3=1×2×λ=6|A|=\lambda_1\lambda_2\lambda_3=1\times 2\times\lambda=6,故 λ=3\lambda=3。

故选 B。


6. 下列矩阵中,为正定矩阵的是(  )

A. (1221)\begin{pmatrix}1&2\\2&1\end{pmatrix}   B. (1−1−12)\begin{pmatrix}1&-1\\-1&2\end{pmatrix}   C. (−111−2)\begin{pmatrix}-1&1\\1&-2\end{pmatrix}   D. (0110)\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}

答案:B

解析: 正定矩阵的判定:顺序主子式均正。

  • A:Δ1=1>0\Delta_1=1>0,Δ2=1−4=−3<0\Delta_2=1-4=-3<0,不正定。
  • B:Δ1=1>0\Delta_1=1>0,Δ2=2−1=1>0\Delta_2=2-1=1>0,正定 ✓
  • C:Δ1=−1<0\Delta_1=-1<0,不正定。
  • D:Δ1=0\Delta_1=0,不正定(正定要求严格大于 0)。

故选 B。


7. 设 AA 为 3 阶实对称矩阵,PP 为正交矩阵,PTAP=diag(1,−2,3)P^TAP=\mathrm{diag}(1,-2,3),则二次型 f=xTAxf=x^TAx 在约束 xTx=1x^Tx=1 下的最大值为(  )

A. 1   B. -2   C. 3   D. 6

答案:C

解析: 实对称矩阵经正交变换 x=Pyx=Py 后,xTx=yTPTPy=yTy=1x^Tx=y^TP^TPy=y^Ty=1。

f=xTAx=yT(PTAP)y=y12−2y22+3y32f=x^TAx=y^T(P^TAP)y=y_1^2-2y_2^2+3y_3^2。

在 y12+y22+y32=1y_1^2+y_2^2+y_3^2=1 下,ff 的最大值为最大特征值 3(当 y3=1,y1=y2=0y_3=1,y_1=y_2=0 时取到)。

这是 Rayleigh 商的重要结论:max⁡x≠0xTAxxTx=λmax⁡\max_{x\neq 0}\frac{x^TAx}{x^Tx}=\lambda_{\max}。

故选 C。


8. 设 AA 为 nn 阶幂零矩阵(即存在正整数 kk 使 Ak=OA^k=O),则下列结论正确的是(  )

A. A=OA=O   B. ∣A∣≠0|A|\neq 0   C. AA 的特征值全为 0   D. AA 与单位矩阵相似

答案:C

解析:

  • A 错误:幂零矩阵不一定为零矩阵,如 A=(0100)A=\begin{pmatrix}0&1\\0&0\end{pmatrix},A2=OA^2=O 但 A≠OA\neq O。
  • B 错误:∣Ak∣=∣A∣k=0|A^k|=|A|^k=0,故 ∣A∣=0|A|=0。
  • C 正确:设 λ\lambda 是特征值,Ax=λxAx=\lambda x,则 Akx=λkx=0A^kx=\lambda^k x=0,故 λk=0\lambda^k=0,λ=0\lambda=0。
  • D 错误:幂零矩阵不可逆,不可能与单位矩阵相似。

故选 C。


二、填空题(每小题 4 分,共 24 分)#

9. 设 A=(10λ1)A=\begin{pmatrix}1&0\\\lambda&1\end{pmatrix},则 An=A^n=________(nn 为正整数)。

答案: (10nλ1)\begin{pmatrix}1&0\\n\lambda&1\end{pmatrix}

解析: A=I+λNA=I+\lambda N,其中 N=(0010)N=\begin{pmatrix}0&0\\1&0\end{pmatrix},N2=ON^2=O。

由二项式定理: An=(I+λN)n=I+nλN+n(n−1)2λ2N2+⋯=I+nλN=(10nλ1)A^n=(I+\lambda N)^n=I+n\lambda N+\frac{n(n-1)}{2}\lambda^2 N^2+\cdots=I+n\lambda N=\begin{pmatrix}1&0\\n\lambda&1\end{pmatrix}

也可用数学归纳法验证。


10. 设 AA 为 3 阶方阵,∣A∣=3|A|=3,则 ∣2A∗−3A−1∣=|2A^*-3A^{-1}|=________。

答案: 9

解析: 由 A∗=∣A∣A−1=3A−1A^*=|A|A^{-1}=3A^{-1},代入: 2A∗−3A−1=2⋅3A−1−3A−1=6A−1−3A−1=3A−12A^*-3A^{-1}=2\cdot 3A^{-1}-3A^{-1}=6A^{-1}-3A^{-1}=3A^{-1}

∣2A∗−3A−1∣=∣3A−1∣=33∣A−1∣=27⋅13=9|2A^*-3A^{-1}|=|3A^{-1}|=3^3|A^{-1}|=27\cdot\frac{1}{3}=9


11. 若方程组 {x1+x2+x3=0ax1+bx2+cx3=0a2x1+b2x2+c2x3=0\begin{cases}x_1+x_2+x_3=0\\ax_1+bx_2+cx_3=0\\a^2x_1+b^2x_2+c^2x_3=0\end{cases} 只有零解,则 a,b,ca,b,c 应满足的条件是________。

答案: a,b,ca,b,c 互不相同

解析: 系数矩阵的行列式为 Vandermonde 行列式: D=∣111abca2b2c2∣=(b−a)(c−a)(c−b)D=\begin{vmatrix}1&1&1\\a&b&c\\a^2&b^2&c^2\end{vmatrix}=(b-a)(c-a)(c-b)

方程组只有零解 ⇔D≠0\Leftrightarrow D\neq 0 ⇔\Leftrightarrow a≠b,a≠c,b≠ca\neq b, a\neq c, b\neq c,即 a,b,ca,b,c 互不相同。


12. 设 AA 为 3 阶方阵,AA 相似于 B=diag(1,2,3)B=\mathrm{diag}(1,2,3),则 ∣A2−2A+I∣=|A^2-2A+I|=________。

答案: 0

解析: 相似矩阵有相同特征值,故 AA 的特征值为 1,2,31,2,3。

A2−2A+I=(A−I)2A^2-2A+I=(A-I)^2 的特征值为 (λ−1)2(\lambda-1)^2:

  • λ=1\lambda=1:(1−1)2=0(1-1)^2=0
  • λ=2\lambda=2:(2−1)2=1(2-1)^2=1
  • λ=3\lambda=3:(3−1)2=4(3-1)^2=4

故 ∣A2−2A+I∣=0×1×4=0|A^2-2A+I|=0\times 1\times 4=0。


13. 二次型 f(x1,x2,x3)=2x12+x22+x32+2x1x2+tx2x3f(x_1,x_2,x_3)=2x_1^2+x_2^2+x_3^2+2x_1x_2+tx_2x_3 正定的充要条件是 tt 满足________。

答案: ∣t∣<2|t|<\sqrt{2}

解析: 二次型矩阵 A=(21011t/20t/21)A=\begin{pmatrix}2&1&0\\1&1&t/2\\0&t/2&1\end{pmatrix}。

正定条件(顺序主子式均正):

  • Δ1=2>0\Delta_1=2>0 ✓
  • Δ2=∣2111∣=2−1=1>0\Delta_2=\begin{vmatrix}2&1\\1&1\end{vmatrix}=2-1=1>0 ✓
  • Δ3=∣A∣=2(1−t2/4)−1⋅1=2−t22−1=1−t22>0\Delta_3=|A|=2(1-t^2/4)-1\cdot 1=2-\frac{t^2}{2}-1=1-\frac{t^2}{2}>0

即 t2<2t^2<2,∣t∣<2|t|<\sqrt{2}。


14. 设 A=(0−110)A=\begin{pmatrix}0&-1\\1&0\end{pmatrix},则 eAte^{At}(矩阵指数)==________。

答案: (cos⁡t−sin⁡tsin⁡tcos⁡t)\begin{pmatrix}\cos t&-\sin t\\\sin t&\cos t\end{pmatrix}

解析: AA 的特征值:∣A−λI∣=λ2+1=0|A-\lambda I|=\lambda^2+1=0,λ=±i\lambda=\pm i。

注意到 A2=−IA^2=-I,A3=−AA^3=-A,A4=IA^4=I,… 呈周期性。

矩阵指数: eAt=I+At+A2t22!+A3t33!+⋯e^{At}=I+At+\frac{A^2t^2}{2!}+\frac{A^3t^3}{3!}+\cdots =I(1−t22!+t44!−⋯ )+A(t−t33!+t55!−⋯ )=I\left(1-\frac{t^2}{2!}+\frac{t^4}{4!}-\cdots\right)+A\left(t-\frac{t^3}{3!}+\frac{t^5}{5!}-\cdots\right) =Icos⁡t+Asin⁡t=(cos⁡t00cos⁡t)+(0−sin⁡tsin⁡t0)=I\cos t+A\sin t=\begin{pmatrix}\cos t&0\\0&\cos t\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}0&-\sin t\\\sin t&0\end{pmatrix} =(cos⁡t−sin⁡tsin⁡tcos⁡t)=\begin{pmatrix}\cos t&-\sin t\\\sin t&\cos t\end{pmatrix}

这是旋转矩阵。


三、计算题(每小题 10 分,共 40 分)#

15. 计算行列式 D=∣1+a11111+b11111+c11111+d∣D=\begin{vmatrix}1+a&1&1&1\\1&1+b&1&1\\1&1&1+c&1\\1&1&1&1+d\end{vmatrix} 其中 abcd≠0abcd\neq 0。

解析: 方法一:加边法

D=∣1111101+a111011+b110111+c101111+d∣D=\begin{vmatrix}1&1&1&1&1\\0&1+a&1&1&1\\0&1&1+b&1&1\\0&1&1&1+c&1\\0&1&1&1&1+d\end{vmatrix}

第 1 行的 (−1)(-1) 倍加到其余各行: =∣11111−1a000−10b00−100c0−1000d∣=\begin{vmatrix}1&1&1&1&1\\-1&a&0&0&0\\-1&0&b&0&0\\-1&0&0&c&0\\-1&0&0&0&d\end{vmatrix}

对第 1 列展开,或用递推。更直接的方法:

第 ii 行 (i=2,3,4,5)(i=2,3,4,5) 除以对应参数,然后…

实际上用列变换:c1−c2−c3−c4−c5c_1-c_2-c_3-c_4-c_5 不方便。用如下技巧:

方法二:直接变换

把第 2,3,4 行都减去第 1 行(原 4 阶矩阵):

原矩阵: (1+a11111+b11111+c11111+d)\begin{pmatrix}1+a&1&1&1\\1&1+b&1&1\\1&1&1+c&1\\1&1&1&1+d\end{pmatrix}

ri−r1r_i-r_1 (i=2,3,4i=2,3,4):

不,直接提取。令 f(a,b,c,d)f(a,b,c,d) 为该行列式。注意每行可写成 (1,1,1,1)+(a,0,0,0)(1,1,1,1)+(a,0,0,0) 等形式。

用加边结果,对第 1 行展开:

或者更简单地,利用公式:对 Dn=∣x1+a1a1⋯a1a2x2+a2⋯a2⋮⋮⋱⋮anan⋯xn+an∣=x1x2⋯xn(1+∑i=1naixi)D_n=\begin{vmatrix}x_1+a_1&a_1&\cdots&a_1\\a_2&x_2+a_2&\cdots&a_2\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\a_n&a_n&\cdots&x_n+a_n\end{vmatrix}=x_1x_2\cdots x_n\left(1+\sum_{i=1}^n\frac{a_i}{x_i}\right)

本题 a1=a2=a3=a4=1,x1=a,x2=b,x3=c,x4=da_1=a_2=a_3=a_4=1, x_1=a, x_2=b, x_3=c, x_4=d:

D=abcd(1+1a+1b+1c+1d)D=abcd\left(1+\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}+\frac{1}{d}\right)

验证: 当 a=b=c=d=1a=b=c=d=1 时,D=∣2111121111211112∣D=\begin{vmatrix}2&1&1&1\\1&2&1&1\\1&1&2&1\\1&1&1&2\end{vmatrix}。各行和为 5,由前面 A 卷类似题的方法,D=5D=5。

公式给出 1⋅1⋅1⋅1⋅(1+1+1+1+1)=51\cdot 1\cdot 1\cdot 1\cdot(1+1+1+1+1)=5 ✓

答案: D=abcd(1+1a+1b+1c+1d)D=abcd\left(1+\frac{1}{a}+\frac{1}{b}+\frac{1}{c}+\frac{1}{d}\right),或写成 abcd+bcd+acd+abd+abcabcd+bcd+acd+abd+abc。


16. 已知向量组 α1=(1,2,−1,1)T,α2=(2,0,t,0)T,α3=(0,−4,5,−2)T\alpha_1=(1,2,-1,1)^T, \alpha_2=(2,0,t,0)^T, \alpha_3=(0,-4,5,-2)^T 的秩为 2,求 tt 的值,并求该向量组的一个极大线性无关组。

解析: 以 α1,α2,α3\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3 为列构造矩阵: A=(12020−4−1t510−2)A=\begin{pmatrix}1&2&0\\2&0&-4\\-1&t&5\\1&0&-2\end{pmatrix}

做初等行变换: →r2−2r1,r3+r1,r4−r1(1200−4−40t+250−2−2)\xrightarrow{r_2-2r_1,r_3+r_1,r_4-r_1}\begin{pmatrix}1&2&0\\0&-4&-4\\0&t+2&5\\0&-2&-2\end{pmatrix}

→r2/(−4)(1200110t+250−2−2)\xrightarrow{r_2/(-4)}\begin{pmatrix}1&2&0\\0&1&1\\0&t+2&5\\0&-2&-2\end{pmatrix}

→r3−(t+2)r2,r4+2r2(120011005−(t+2)000)=(120011003−t000)\xrightarrow{r_3-(t+2)r_2,r_4+2r_2}\begin{pmatrix}1&2&0\\0&1&1\\0&0&5-(t+2)\\0&0&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&2&0\\0&1&1\\0&0&3-t\\0&0&0\end{pmatrix}

秩为 2 ⇔\Leftrightarrow 3−t=03-t=0 ⇔\Leftrightarrow t=3t=3。

此时矩阵为 (120011000000)\begin{pmatrix}1&2&0\\0&1&1\\0&0&0\\0&0&0\end{pmatrix},非零行有 2 行,α1,α2\alpha_1,\alpha_2 线性无关(对应主元列),构成极大线性无关组。

答案: t=3t=3;一个极大线性无关组为 α1,α2\alpha_1,\alpha_2。


17. 求下列线性方程组的通解: {x1+2x2+3x3+x4=3x1+4x2+5x3+2x4=22x1+9x2+8x3+3x4=73x1+7x2+7x3+2x4=12\begin{cases}x_1+2x_2+3x_3+x_4=3\\x_1+4x_2+5x_3+2x_4=2\\2x_1+9x_2+8x_3+3x_4=7\\3x_1+7x_2+7x_3+2x_4=12\end{cases}

解析: 增广矩阵: Aˉ=(123131452229837377212)\bar{A}=\begin{pmatrix}1&2&3&1&3\\1&4&5&2&2\\2&9&8&3&7\\3&7&7&2&12\end{pmatrix}

r2−r1,r3−2r1,r4−3r1r_2-r_1, r_3-2r_1, r_4-3r_1: →(123130221−10521101−2−13)\rightarrow\begin{pmatrix}1&2&3&1&3\\0&2&2&1&-1\\0&5&2&1&1\\0&1&-2&-1&3\end{pmatrix}

交换 r2↔r4r_2\leftrightarrow r_4: →(1231301−2−13052110221−1)\rightarrow\begin{pmatrix}1&2&3&1&3\\0&1&-2&-1&3\\0&5&2&1&1\\0&2&2&1&-1\end{pmatrix}

r3−5r2,r4−2r2r_3-5r_2, r_4-2r_2: →(1231301−2−1300126−140063−7)\rightarrow\begin{pmatrix}1&2&3&1&3\\0&1&-2&-1&3\\0&0&12&6&-14\\0&0&6&3&-7\end{pmatrix}

注意 r4=12r3r_4=\frac{1}{2}r_3(检查:12/2=612/2=6 ✓,6/2=36/2=3 ✓,−14/2=−7-14/2=-7 ✓)。

r3/2r_3/2: →(1231301−2−130063−700000)\rightarrow\begin{pmatrix}1&2&3&1&3\\0&1&-2&-1&3\\0&0&6&3&-7\\0&0&0&0&0\end{pmatrix}

R(A)=R(Aˉ)=3<4R(A)=R(\bar{A})=3<4,有无穷多解。

回代:令 x4=cx_4=c(自由变量)。

由第 3 行:6x3+3c=−76x_3+3c=-7 ⇒\Rightarrow x3=−7−3c6x_3=\frac{-7-3c}{6}

由第 2 行:x2−2x3−c=3x_2-2x_3-c=3 ⇒\Rightarrow x2=3+c+2⋅−7−3c6=3+c−7+3c3=9+3c−7−3c3=23x_2=3+c+2\cdot\frac{-7-3c}{6}=3+c-\frac{7+3c}{3}=\frac{9+3c-7-3c}{3}=\frac{2}{3}

由第 1 行:x1+2x2+3x3+x4=3x_1+2x_2+3x_3+x_4=3 x1=3−2⋅23−3⋅−7−3c6−c=3−43+7+3c2−cx_1=3-2\cdot\frac{2}{3}-3\cdot\frac{-7-3c}{6}-c=3-\frac{4}{3}+\frac{7+3c}{2}-c =9−43+7+3c−2c2=53+7+c2=10+21+3c6=31+3c6=\frac{9-4}{3}+\frac{7+3c-2c}{2}=\frac{5}{3}+\frac{7+c}{2}=\frac{10+21+3c}{6}=\frac{31+3c}{6}

验证较复杂,换一种参数化:令 x4=2cx_4=2c(消去分母),则 x3=−7−6c6x_3=\frac{-7-6c}{6},还是不好。

更简洁地,从简化后的矩阵继续:

r1−2r2r_1-2r_2: →(1073−301−2−130063−700000)\rightarrow\begin{pmatrix}1&0&7&3&-3\\0&1&-2&-1&3\\0&0&6&3&-7\\0&0&0&0&0\end{pmatrix}

r1−76r3,r2+13r3r_1-\frac{7}{6}r_3, r_2+\frac{1}{3}r_3:

第 1 行:x1+3x4−76(−7)=−3+496=−18+496=316x_1+3x_4-\frac{7}{6}(-7)=-3+\frac{49}{6}=\frac{-18+49}{6}=\frac{31}{6},即 x1+3x4=316x_1+3x_4=\frac{31}{6}

不太好。直接用特解加齐次解的方式:

令 x4=0x_4=0,从行阶梯形回代:

  • 第 3 行:6x3=−76x_3=-7 ⇒\Rightarrow x3=−7/6x_3=-7/6
  • 第 2 行:x2−2(−7/6)=3x_2-2(-7/6)=3 ⇒\Rightarrow x2=3−7/3=2/3x_2=3-7/3=2/3
  • 第 1 行:x1+2(2/3)+3(−7/6)=3x_1+2(2/3)+3(-7/6)=3 ⇒\Rightarrow x1=3−4/3+7/2=(18−8+21)/6=31/6x_1=3-4/3+7/2=(18-8+21)/6=31/6

特解 η∗=(31/6,2/3,−7/6,0)T\eta^*=(31/6, 2/3, -7/6, 0)^T。

齐次方程组的基础解系:x4=1x_4=1 时,x3=−1/2,x2=0,x1=−3+7/2=1/2x_3=-1/2, x_2=0, x_1=-3+7/2=1/2?

从 6x3+3x4=06x_3+3x_4=0:x3=−x4/2x_3=-x_4/2 从 x2−2x3−x4=0x_2-2x_3-x_4=0:x2=2(−x4/2)+x4=0x_2=2(-x_4/2)+x_4=0 从 x1+7x3+3x4=0x_1+7x_3+3x_4=0:x1=−7(−x4/2)−3x4=7x4/2−3x4=x4/2x_1=-7(-x_4/2)-3x_4=7x_4/2-3x_4=x_4/2

基础解系:ξ=(1/2,0,−1/2,1)T\xi=(1/2, 0, -1/2, 1)^T,或取 2ξ=(1,0,−1,2)T2\xi=(1,0,-1,2)^T。

通解:x=η∗+c(1,0,−1,2)Tx=\eta^*+c(1,0,-1,2)^T。

答案: 通解 x=(31/6,2/3,−7/6,0)T+c(1,0,−1,2)Tx=(31/6, 2/3, -7/6, 0)^T+c(1,0,-1,2)^T,c∈Rc\in\mathbb{R}。


18. 设 A=(20003a0a3)A=\begin{pmatrix}2&0&0\\0&3&a\\0&a&3\end{pmatrix}(a>0a>0),已知 AA 有一个特征值为 1。

(1)求 aa 的值;(3 分) (2)求正交矩阵 PP 使得 PTAPP^TAP 为对角矩阵;(7 分)

解析:

(1)求 aa

∣A−λI∣=∣2−λ0003−λa0a3−λ∣=(2−λ)[(3−λ)2−a2]|A-\lambda I|=\begin{vmatrix}2-\lambda&0&0\\0&3-\lambda&a\\0&a&3-\lambda\end{vmatrix}=(2-\lambda)[(3-\lambda)^2-a^2]

=(2−λ)(3−λ−a)(3−λ+a)=(2-\lambda)(3-\lambda-a)(3-\lambda+a)

特征值为 2,3−a,3+a2, 3-a, 3+a。

已知一个特征值为 1,可能:

  • 3−a=13-a=1 ⇒\Rightarrow a=2a=2
  • 3+a=13+a=1 ⇒\Rightarrow a=−2a=-2(舍去,因 a>0a>0)

故 a=2a=2。

(2)求正交矩阵 PP

a=2a=2 时,特征值为 λ1=1,λ2=2,λ3=5\lambda_1=1, \lambda_2=2, \lambda_3=5。

对 λ1=1\lambda_1=1: A−I=(100022022)→(100011000)A-I=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&2&2\\0&2&2\end{pmatrix}\rightarrow\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&1\\0&0&0\end{pmatrix} 得 α1=(0,1,−1)T\alpha_1=(0,1,-1)^T,单位化 p1=12(0,1,−1)Tp_1=\frac{1}{\sqrt{2}}(0,1,-1)^T。

对 λ2=2\lambda_2=2: A−2I=(000012021)→(01200−3000)→(010001000)A-2I=\begin{pmatrix}0&0&0\\0&1&2\\0&2&1\end{pmatrix}\rightarrow\begin{pmatrix}0&1&2\\0&0&-3\\0&0&0\end{pmatrix}\rightarrow\begin{pmatrix}0&1&0\\0&0&1\\0&0&0\end{pmatrix} 得 α2=(1,0,0)T\alpha_2=(1,0,0)^T,已单位化 p2=(1,0,0)Tp_2=(1,0,0)^T。

对 λ3=5\lambda_3=5: A−5I=(−3000−2202−2)→(10001−1000)A-5I=\begin{pmatrix}-3&0&0\\0&-2&2\\0&2&-2\end{pmatrix}\rightarrow\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&-1\\0&0&0\end{pmatrix} 得 α3=(0,1,1)T\alpha_3=(0,1,1)^T,单位化 p3=12(0,1,1)Tp_3=\frac{1}{\sqrt{2}}(0,1,1)^T。

验证正交:(p1,p2)=0,(p1,p3)=0,(p2,p3)=0(p_1,p_2)=0, (p_1,p_3)=0, (p_2,p_3)=0 ✓

P=(01012012−12012)P=\begin{pmatrix}0&1&0\\\frac{1}{\sqrt{2}}&0&\frac{1}{\sqrt{2}}\\-\frac{1}{\sqrt{2}}&0&\frac{1}{\sqrt{2}}\end{pmatrix}

PTAP=diag(1,2,5)P^TAP=\mathrm{diag}(1,2,5)。

答案:(1)a=2a=2;(2)PP 如上。


四、综合题(12 分)#

19. 设 AA 为 nn 阶正定矩阵,BB 为 nn 阶实反对称矩阵(即 BT=−BB^T=-B)。

(1)证明:A+BA+B 可逆;(6 分) (2)证明:A−B2A-B^2 为正定矩阵。(6 分)

解析:

(1)证明 A+BA+B 可逆

只需证明 (A+B)x=0(A+B)x=0 只有零解。

设 (A+B)x=0(A+B)x=0,则 Ax=−BxAx=-Bx。两边左乘 xTx^T: xTAx=−xTBxx^TAx=-x^TBx

因 BB 反对称,xTBxx^TBx 是一个数,且 (xTBx)T=xTBTx=−xTBx(x^TBx)^T=x^TB^Tx=-x^TBx,故 xTBx=0x^TBx=0(一个数等于其相反数,必为零)。

因此 xTAx=0x^TAx=0。

因 AA 正定,xTAx=0x^TAx=0 ⇒\Rightarrow x=0x=0。

故 (A+B)x=0(A+B)x=0 只有零解,A+BA+B 可逆。

(2)证明 A−B2A-B^2 正定

首先,A−B2=A+BTBA-B^2=A+B^TB(因 B2=B⋅B=−BTBB^2=B\cdot B=-B^TB?不对,BT=−BB^T=-B,故 B2=B⋅BB^2=B\cdot B,BTB=−B2B^TB=-B^2,所以 −B2=BTB-B^2=B^TB)。

实际上 BT=−BB^T=-B,故 (B2)T=(BT)2=(−B)2=B2(B^2)^T=(B^T)^2=(-B)^2=B^2,即 B2B^2 对称,从而 A−B2A-B^2 对称。

对任意非零向量 xx: xT(A−B2)x=xTAx−xTB2x=xTAx+xTBTBxx^T(A-B^2)x=x^TAx-x^TB^2x=x^TAx+x^TB^TBx

(因为 BT=−BB^T=-B,B2=−BTBB^2=-B^TB,故 −B2=BTB-B^2=B^TB)

=xTAx+∥Bx∥2=x^TAx+\|Bx\|^2

因 AA 正定,xTAx>0x^TAx>0;∥Bx∥2≥0\|Bx\|^2\geq 0。

故 xT(A−B2)x>0x^T(A-B^2)x>0 对任意 x≠0x\neq 0 成立,A−B2A-B^2 正定。

答案: 证明如上。


试卷信息#

项目内容
科目线性代数
版本C卷
总分100 分
考试时间120 分钟
难度分布基础 30%,中等 50%,较难 20%
覆盖章节行列式、矩阵、向量组、线性方程组、特征值与特征向量、二次型

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线性代数_期末C卷_详解版
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2026-07-10
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