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四川大学《线性代数3》历年期末试题汇总1
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2022-08-04
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写在前面:1.答案里说的课本指的是由四川大学数学学院编写的《线性代数》(中国人民大学出版社)。2.仅供内部参考使用,请勿将此文档上传到百度文库以及其同类网站上。
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班序号: 学院: 学号: 姓名:王松年 1
写在前面:
1.答案里说的课本指的是由四川大学数学学院编写的《线性代数》(中国人民大学出版社)。
2.仅供内部参考使用,请勿将此文档上传到百度文库以及其同类网站上。
3.由个人整理,如果发现错误或有更好的解题方法请发送邮件至 2905816868@qq.com.
习题课上总结的一些题
一. 求矩阵的 m 次方。(这里之所以写 m 是为了与矩阵的阶数 n 区别开来,以防混淆)
1. 数学归纳法。即依次求出 A, A
2
, A
3
, · · · 。一般不用,但也有特殊情况(例如 17-18 年半期测试的一大题的
第四小题,当然这个题有两种解法,任选其一;15-16 年的期末试题三大题的第二小题的最后一问)。
2. 对角矩阵的 m 次方。(显然不会单独出题)
设 A =
a
11
a
22
.
.
.
a
nn
,则 A
m
=
a
m
11
a
m
22
.
.
.
a
m
nn
.
3. 如果一个 n 阶方阵 A主对角线上以及主对角线的一侧元素全为 0,那么必有 A
k
= 0 ,其中 k ≥ n。即 A
是下边的几种形状之一:(一定要注意是针对主对角线,副对角线该结论不成立,第二次习题课讲这里时讲错了,
后边已更正)
0 a
12
a
13
· · · a
1n
0 0 a
23
· · · a
2n
0 0 0 · · · a
3n
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
0 0 0 · · · 0
0 0 0 · · · 0
a
21
0 0 · · · 0
a
31
a
32
0 · · · 0
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
a
n1
a
n2
a
n3
· · · 0
例如:若 A =
0 0 0
2 0 0
1 3 0
,则 A
2
=
0 0 0
0 0 0
6 0 0
, A
3
= 0 .
解:
由矩阵的乘法:
A
2
=
0 0 0
2 0 0
1 3 0
0 0 0
2 0 0
1 3 0
=
0 0 0
0 0 0
6 0 0
A
3
= A
2
A =
0 0 0
0 0 0
6 0 0
0 0 0
2 0 0
1 3 0
=
0 0 0
0 0 0
0 0 0
♢
4. 一般来说,上边的 2,3 不会单独出题,因为太过简单,都是组合起来出题。
二项式定理:(a + b)
n
=
n
P
i=0
C
i
n
a
i
· b
n−i
, 式中:C
i
n
为组合数,C
i
n
=
n!
i!(n − i)!
。
例如:若 A =
1 2 3
0 1 4
0 0 1
, 则 A
m
= .
解:
班序号: 学院: 学号: 姓名:王松年 2
由题得:A =
1 2 3
0 1 4
0 0 1
=
1 0 0
0 1 0
0 0 1
+
0 2 3
0 0 4
0 0 0
= I + B
由 3 的结论可知:B
k
= 0, k ≥ 3。计算得:B
2
=
0 0 8
0 0 0
0 0 0
所以
A
m
= (I + B)
m
= C
0
m
I
m
B
0
+ C
1
m
I
m−1
B
1
+ C
2
m
I
m−2
B
2
+ C
3
m
I
m−3
B
3
+ ··· + C
0
m
I
0
B
m
= I
m
B
0
+ mI
m−1
B
1
+
m(m − 1)
2
I
m−2
B
2
= I + mB +
m(m − 1)
2
B
2
=
1 0 0
0 1 0
0 0 1
+ m
0 2 3
0 0 4
0 0 0
+
m(m − 1)
2
0 0 8
0 0 0
0 0 0
=
1 2m 4m
2
− m
0 1 4m
0 0 1
♢
5. 如果一个 n 阶方阵 A 的秩 r(A) = 1,那么 A 一定可以写成一个列向量与一个行向量的乘积,即(我们
以 3 阶的方阵为例,最后把结果推广到 n 阶):
设 3 阶方阵 A 的秩 r(A) = 1,设 α =
h
x
1
x
2
x
3
i
T
, β =
h
y
1
y
2
y
3
i
T
,则
A = αβ
T
=
x
1
y
1
x
1
y
2
x
1
y
3
x
2
y
1
x
2
y
2
x
2
y
3
x
3
y
1
x
3
y
2
x
3
y
3
(至于这里的 x 和 y 的具体值,我们并不关心。)
l = α
T
β = β
T
α = x
1
y
1
+ x
2
y
2
+ x
3
y
3
. 可以看出 l 是矩阵 A 的对角线元素之和(又称 A 的迹)。
A
2
= (αβ
T
)
2
= α(β
T
α)β
T
= lαβ
T
= lA, A
3
= AA
2
= AlA = lA
2
= llA = l
2
A · · · , ⇒ A
m
= l
m−1
A。
例如:(对 2,3,4,5 综合运用)
设 A =
3 1 0 0
0 3 0 0
0 0 3 9
0 0 1 3
,则 A
m
= .
解:
经观察,我们可将矩阵按下列方式进行分块:
A =
3 1 0 0
0 3 0 0
0 0 3 9
0 0 1 3
=
"
A
11
0
0
A
22
#
A
11
=
"
3 1
0 3
#
A
22
=
"
3 9
1 3
#
A 分块后是对角矩阵,所以:A
m
=
"
A
m
11
0
0 A
m
22
#
(注:2 的结论)
班序号: 学院: 学号: 姓名:王松年 3
对于 A
11
:
A
11
=
"
3 1
0 3
#
=
"
3 0
0 3
#
+
"
0 1
0 0
#
= 3I + B
和 4 一样了, 此时 B
k
= 0, k ≥ 2
A
m
11
= (3I + B)
m
= C
0
m
B
0
(3I)
m
+ C
1
m
B
1
(3I)
m−1
+ C
2
m
B
2
(3I)
m−2
+ ··· + C
m
m
B
m
(3I)
0
= 3
m
I + 3
m−1
mB
=
"
3
m
m3
m−1
0 3
m
#
对于 A
22
, 经过高斯消元法变换 (r
1
− 3r
2
) 后:
"
3 9
0 0
#
,可以看出 r(A
22
) = 1,符合本条的描述,所以
l = 3 + 3 = 6
A
m
22
= l
m−1
A = 6
m−1
"
3 9
1 3
#
所以:
A
m
=
"
A
m
11
0
0 A
m
22
#
=
3
m
m · 3
m−1
0 0
0 3
m
0 0
0 0 3 · 6
m−1
9 · 6
m−1
0 0 6
m−1
3 · 6
m−1
♢
6. 用相似矩阵的性质来做,即若 A ∼ B, 则 A
m
∼ B
m
(例如 17-18 年半期测试的一大题的第四小题)。
但通常有一些矩阵隐含了此属性,也可以用此方法来做,要注意辨别。(例如:课本的 140 页第 9 题,答案
在 224 页)
二、特殊矩阵的特征值求法
1. 对角阵,上下三角阵的行列式均为对角线的元素。(由这些特殊行列式的算法很容易看出来)
2. 设 A = [a
ij
] 是三阶矩阵,则 (下式不做推导,感兴趣的可以自己算一下)
|λE − A| =
λ − a
11
−a
12
−a
13
−a
21
λ − a
22
−a
23
−a
31
−a
32
λ − a
33
= λ
3
−
X
a
ii
λ
2
+ S
2
λ − |A|
式中:S
2
=
a
11
a
12
a
21
a
22
+
a
11
a
13
a
31
a
33
+
a
22
a
23
a
32
a
33
。
若 r(A) = 1(再复习一下一的第五点),则 |A| = 0, S
2
= 0, 代入到上式有
|λE − A| = λ
3
−
X
a
ii
λ
2
= λ
2
λ −
X
a
ii
做推广,对于 n 阶矩阵 A,若 r(A) = 1, 则 |λE − A| = λ
n−1
(λ −
P
a
ii
)
例如:
已知 a = 0,求矩阵
1 a a a
a 1 a a
a a 1 a
a a a 1
班序号: 学院: 学号: 姓名:王松年 4
的特征值、特征向量。
解:
方法一:(直接计算)
由特征多项式:
λE − A
=
λ − 1 −a −a −a
−a λ − 1 −a −a
−a −a λ − 1 −a
−a −a −a λ − 1
= [λ − (3a + 1)] (λ + a − 1)
3
得 A 的特征值是 3a + 1, 1 − a。
当 λ = 3a + 1 时,由 [(3a + 1)E − A] = 0,即
3a −a −a −a
−a 3a −a −a
−a −a 3a −a
−a −a −a 3a
→
3 −1 −1 −1
−1 3 −1 −1
−1 −1 3 −1
−1 −1 −1 3
→
1 −3 1 1
1 1 −3 1
1 1 1 −3
0 0 0 0
→
1 0 0 −1
0 1 0 −1
0 0 1 −1
0 0 0 0
可得基础解系为 α
1
= (1, 1, 1, 1)
T
,所以 λ = 3a + 1 的特征向量为 k
1
α
1
, (k
1
= 0)。
当 λ = 1 − a 时,由 [(1 − a)E − A] = 0,即
−a −a −a −a
−a −a −a −a
−a −a −a −a
−a −a −a −a
→
1 1 1 1
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
得基础解系 α
2
= (−1, 1, 0, 0)
T
, α
3
= (−1, 0, 1, 0)
T
α
4
= (−1, 0, 0, 1)
T
, 所以 λ = 1 − a 的特征向量为 k
2
α
2
+ k
3
α
3
+ k
4
α
4
, 式中
k
2
, k
3
, k
4
是不全为 0 的任意常数。
方法二:(转换法)注:请注意观察下述这种方法适用的特点:其中一个矩阵必须特征值全相等才能用前边的矩阵快速求解
由题得:
A =
a a a a
a a a a
a a a a
a a a a
+
1 − a 0 0 0
0 1 − a 0 0
0 0 1 − a 0
0 0 0 1 − a
= B + (1 − a)E
由于 r(B) = 1,所以有
|λE − B| = λ
4−1
λ −
4
X
i=1
a
ii
!
= λ
3
(λ − 4a)
所以矩阵 B 的特征值为 0, 0, 0, 4a, 所以由特征值的性质,A 的特征值为 3a + 1, 1 − a, 1 − a, 1 − a。
下边同方法一。 ♢
n 阶矩阵
A =
a 1 1 · · · 1
1 a 1 · · · 1
1 1 a · · · 1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
1 1 1 · · · a
则 r(A) = .
解:
班序号: 学院: 学号: 姓名:王松年 5
由上题可快速写出 A 的特征值为 n + a − 1, a − 1, a − 1, ··· , a − 1. 因为 A 是实对称矩阵,所以 A ∼ Λ, 且 Λ 由 A 的特征值
所构成,相似矩阵具有相同的秩,所以 r(Λ) = r(A), 所以
Λ =
n + a − 1
a − 1
.
.
.
a − 1
这里 n 是 A 的阶数,所以不会等于 0。所以
r (A) =
n, 若a = 1且a = 1 − n,
n − 1, 若a = 1 − n,
1, 若a = 1.
♢
设 α 为 n 维单位列向量,E 为 n 阶单位矩阵,则
A.E − αα
T
不可逆 B.E + αα
T
不可逆 C.E + 2αα
T
不可逆 D.E − 2αα
T
不可逆
解:
注意:单位向量指的是向量的模(长度)为 1,要与 [1, 1, 1] 区分开来。
αα
T
α = α(α
T
α) = 1α, 所以 αα
T
有一个特征值 1.
α 为 n 维单位列向量, 所以 r(αα
T
) = 1, 所以由第一题的结论,αα
T
的特征值为 1, 0, 0, ··· , 0。
E 为 n 阶单位矩阵,所以 E 也为实对称矩阵 (特征值为 1),实对称矩阵相加减依然为实对称矩阵,所以上述选项中每一项均
为实对称矩阵。
又由矩阵可逆则行列式一定不为 0(不可逆则行列式一定为 0,充要条件),矩阵的行列式等于特征值的乘积。
A.c 的特征值为 1 − 1, 1 − 0, 1 − 0, ··· , 1 − 0 即 0, 1, 1, ··· , 1, 所以 |E − αα
T
| = 0 × 1 ···1 = 0, 即不可逆。
同理可以看出其他选项的行列式均不为 0,即可逆。 ♢
2. 抽象矩阵特征值和特征向量的求法
设 A 是三阶矩阵,且矩阵 A 的各行元素之和均为 5,则矩阵 A 必有特征向量 .
解:
由题得:
a
11
+ a
12
+ a
13
= 5
a
21
+
a
22
+
a
23
= 5
a
31
+ a
32
+ a
33
= 5
⇒
a
11
a
12
a
13
a
21
a
22
a
23
a
31
a
32
a
33
1
1
1
=
5
5
5
⇒ A
1
1
1
= 5
1
1
1
所以矩阵 A 必有特征值 5 且必有特征向量 k[1, 1, 1]
T
, (k = 0)。 ♢
已知 A 是 3 阶矩阵,如果非齐次线性方程组 Ax = b 有通解 5b + k
1
η
1
+ k
2
η
2
,其中 η
1
, η
2
是 Ax = 0 的基
础解系,求 A 的特征值和特征向量。
解:
非齐次线性方程组 Ax = b 的通解为 Ax = b 的特解加上 Ax = 0 的通解。
由解得结构可知 5b 是方程组 Ax = b 的一个解,即 A(5b) = b, 所以 Ab =
1
5
b。即
1
5
是 A 的特征值,k
1
b, (k
1
= 0) 是相应的
特征向量。
η
1
, η
2
是 Ax = 0 的基础解系,所以必有 Aη
1
= 0 = 0η
1
, Aη
2
= 0 = 0η
2
, 所以 η
1
, η
2
是 A 关于 λ = 0 的线性无关的特征向量,
所以特征值 0 对应的特征向量为 k
2
η
1
+ k
3
η
2
, (k
2
, k
3
不全为0)。
综上所述,A 的特征值为
1
5
, 0, 0, 对应的特征向量分别是 k
1
b, (k
1
= 0),k
2
η
1
+ k
3
η
2
, (k
2
, k
3
不全为0) ♢
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