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第二章 矩阵及其运算

选择题

  1. 维行向量

矩阵 ,则

A.    B.    C.    D.
查看答案与解析

答案: B

解析:

由于 是行向量,故

所以

于是

因此选 B。

错误选项分析:A、C 均与直接计算结果不符;D 忽略了 所产生的抵消项。


  1. 是任一 阶矩阵,下列交换错误的是
A.    B.    C.    D.
查看答案与解析

答案: C

解析: 由伴随矩阵的基本性质,

故 A 正确。

同一矩阵的幂满足

故 B 正确。

一般情况下,矩阵与其转置不一定可交换,即通常有

例如取

二者不相等,故 C 错误。

又因为单位矩阵 与任意矩阵可交换,

故 D 正确。


  1. 均为 阶可逆矩阵,则
A.    B.    C.    D.
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答案: C

解析: 分解为

验证如下:

因此

另一方面,也可分解为

从而

故选 C。

注意:矩阵乘法通常不可交换,不能把该式直接类比成数的分式运算。A、B、D 均不满足与 相乘得到单位矩阵的要求。


  1. 均是 阶矩阵,下列命题中正确的是
A.    B.
C.    D.
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答案: C

解析:

则取行列式得

因此必有

故 C 正确。

A 错误:矩阵存在非零零因子。例如

,但

B 错误:由 可以推出 ,但反过来不成立,上述反例即说明两个非零矩阵的乘积仍可能为零。

D 错误: 并不能保证 均可逆。例如

,但


A.    B.    C.    D.
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答案: B

解析: 的三个列向量依次为

矩阵右乘初等矩阵对应对列实施初等变换。先计算

因为 的第一列为 ,故第一列变为 ,其余两列不变。

再右乘 ,即交换第 1、3 列,得到

这正是题中矩阵 的三列,因此

故选 B。

错误选项分析:A、C、D 所对应的列交换、列相加顺序不同,均不能得到列向量组

填空题

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答案:

解析: 直接作矩阵乘法。矩阵 中只有 非零,因此 中只有第 个元素可能非零,且

所以

再乘一次 ,由于 的非零元素在第 列,而 的第 行全为零,故

这说明 是幂零指数不超过 的幂零矩阵。


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答案:

解析: 按代数余子式计算得

也可以先观察到

。又 存在非零二阶子式,例如

所以

对于三阶矩阵,当 时,伴随矩阵满足

因此 的所有二阶子式均为零,从而其伴随矩阵为零矩阵:


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答案:

解析: 写成二阶分块矩阵

计算得

对于这种分块形式,若 均可逆,则

代入即得


  1. 设矩阵

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答案:

解析: 先计算

于是

从而

因为

所以

利用 ,有


  1. 阶矩阵,满足 ,则
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答案:

解析: 由已知条件

可得

设所求逆矩阵为 。计算

代入 ,得

矩阵 都是 的多项式,故二者可交换,于是


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答案:

解析: 三阶可逆矩阵满足

因此

先求行列式。令

所以


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答案:

解析:

计算得

所以

三阶矩阵满足


不可逆,则

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答案:

解析: 矩阵不可逆的充要条件是

按第一行展开,或直接作行列式计算,得

,得到

因此


  1. 均为 阶矩阵,且满足 ,其中

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答案:

解析:

移项得

先计算

可逆。于是

因为 可交换,所以

取行列式:


  1. ,其中

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答案:

解析:

可得

因此 ,即

矩阵 是上三角矩阵,且

于是


  1. ,其中

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答案:

解析:

移项得

计算

可逆,并且

于是


  1. 已知

矩阵 满足 ,其中 的伴随矩阵,则

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答案:

解析: 先计算

原方程可改写为

因此

计算题与证明题

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答案:

解析:

计算得

由于

又因

所以

求逆:

因此


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答案: 时,

解析: 写成分块对角矩阵

于是

对于矩阵 ,有

故由归纳法可得

对于矩阵 ,令

由二项式展开

因此


  1. 均为 阶矩阵, 可逆,化简
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答案:

解析:

展开原式:

注意到

所以原式为


  1. 均为 阶矩阵,其中 可逆,且 ,证明
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答案: 结论成立,即

解析: 可逆可知 可逆。又

所以矩阵 可逆。取行列式得

从而

因此 均可逆。

对等式 两边取逆,得

于是


  1. 是对称矩阵, 是反对称矩阵,则 是反对称矩阵的充要条件是
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答案:

解析: 因为 是对称矩阵、 是反对称矩阵,所以

**必要性:**若 是反对称矩阵,则

另一方面,

**充分性:**若 ,则

因此 是反对称矩阵。

综上,


  1. 阶矩阵,,证明 可逆。
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答案: 可逆,且

解析: 利用有限等比恒等式,

同理,由于 的多项式,它与 可交换,因此

所以 同时是 的左逆和右逆,从而

可逆,并且


  1. 阶可逆矩阵, 维列向量, 为常数,记分块矩阵

其中 的伴随矩阵, 阶单位矩阵。

(Ⅰ)计算并化简

(Ⅱ)证明矩阵 可逆的充分必要条件是

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析: (Ⅰ)按分块矩阵乘法,

由伴随矩阵的性质

可得左下角分块

又因为 可逆,

所以右下角分块为

因此

(Ⅱ)矩阵 是分块下三角矩阵,故

因此 可逆,从而

由(Ⅰ), 是分块上三角矩阵,其行列式为

因为 ,所以


  1. 阶实反对称矩阵,证明 是正交矩阵。
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答案: 矩阵

是正交矩阵。

解析: 首先证明 可逆。若

左乘 ,得到

由于 是实反对称矩阵,

而标量 满足

于是

从而 。因此齐次方程 只有零解,故 可逆。

又因为 都是 的多项式,所以二者可交换。于是

因此 满足

是正交矩阵。