返回

25 , 计算[1000210010200113][1000010032201133]\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 2 \\ 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 2 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 0 \\ 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 1 \\ 3 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 0 \\ 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 3 \\ 2 \end{matrix} \\ \begin{matrix} - 2 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ - 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 3 \\ - 3 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack

解:

记A11=[1201]\begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{bmatrix} , A22=[2103]\begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 0 & 3 \end{bmatrix} , B12=[3121]\begin{bmatrix} 3 & 1 \\ 2 & - 1 \end{bmatrix} , B22=[2303]\begin{bmatrix} - 2 & 3 \\ 0 & - 3 \end{bmatrix} ,

则原式=[A11E2OA22][E2B12OB22]\begin{bmatrix} A_{11} & E_{2} \\ O & A_{22} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} E_{2} & B_{12} \\ O & B_{22} \end{bmatrix}=[A11A11B12+B22OA22B22]\begin{bmatrix} A_{11} & A_{11}B_{12} + B_{22} \\ O & A_{22}B_{22} \end{bmatrix}

又因A11B12+B22=[1201][3121]\begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 3 & 1 \\ 2 & - 1 \end{bmatrix}+[2303]\begin{bmatrix} - 2 & 3 \\ 0 & - 3 \end{bmatrix}=[7121]\begin{bmatrix} 7 & - 1 \\ 2 & - 1 \end{bmatrix}+[2303]\begin{bmatrix} - 2 & 3 \\ 0 & - 3 \end{bmatrix}=[5224]\begin{bmatrix} 5 & 2 \\ 2 & - 4 \end{bmatrix}

A22B22=[2103][2303]\begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 0 & 3 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} - 2 & 3 \\ 0 & - 3 \end{bmatrix}=[4309]\begin{bmatrix} - 4 & 3 \\ 0 & - 9 \end{bmatrix}

故原式=[1000210052402439]\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 2 \\ 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 5 \\ 2 \end{matrix} \\ \begin{matrix} - 4 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 2 \\ - 4 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 3 \\ - 9 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack

26 , 设A=[3400430000220002]\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 3 \\ 4 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 4 \\ - 3 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 2 \\ 2 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 2 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack , 求|A8|及A4

解:

1. 分块结构

B=[3443],C=[2022]B = \begin{bmatrix} 3 & 4 \\ 4 & - 3 \end{bmatrix},\quad C = \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 2 & 2 \end{bmatrix},则A=[B00C].A = \begin{bmatrix} B & 0 \\ 0 & C \end{bmatrix}.

2. 计算 A8A^{8} 的行列式

对于分块对角矩阵:An=[Bn00Cn].A^{n} = \begin{bmatrix} B^{n} & 0 \\ 0 & C^{n} \end{bmatrix}.

所以det(A8)=det(B8)det(C8).det(A^{8}) = det(B^{8}) \cdot det(C^{8}).

2.1 计算 det(B)det(B)

det(B)=3×(3)4×4=916=25.det(B) = 3 \times ( - 3) - 4 \times 4 = - 9 - 16 = - 25.

所以det(B8)=(det(B))8=(25)8=258=516.det(B^{8}) = (det(B))^{8} = ( - 25)^{8} = 25^{8} = 5^{16}.

2.2 计算 det(C)det(C)

det(C)=2×20×2=4.det(C) = 2 \times 2 - 0 \times 2 = 4.

所以det(C8)=(det(C))8=48=(22)8=216.det(C^{8}) = (det(C))^{8} = 4^{8} = (2^{2})^{8} = 2^{16}.

2.3 合并

det(A8)=516216=(52)16=1016.det(A^{8}) = 5^{16} \cdot 2^{16} = (5 \cdot 2)^{16} = 10^{16}.

3. 计算 A4A^{4}

A4=[B400C4].A^{4} = \begin{bmatrix} B^{4} & 0 \\ 0 & C^{4} \end{bmatrix}.

3.1 计算 B4B^{4}

B2=[3443][3443]=[9+161212121216+9]=[250025]=25I2.B^{2} = \begin{bmatrix} 3 & 4 \\ 4 & - 3 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 3 & 4 \\ 4 & - 3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 9 + 16 & 12 - 12 \\ 12 - 12 & 16 + 9 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 25 & 0 \\ 0 & 25 \end{bmatrix} = 25I_{2}.

所以B4=(B2)2=(25I2)2=625I2.B^{4} = (B^{2})^{2} = (25I_{2})^{2} = 625I_{2}.

B4=[62500625].B^{4} = \begin{bmatrix} 625 & 0 \\ 0 & 625 \end{bmatrix}.

3.2 计算 C4C^{4}

先算 C2C^{2}C=[2022].C = \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 2 & 2 \end{bmatrix}.

C2=[2022][2022]=[404+44]=[4084].C^{2} = \begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 2 & 2 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 2 & 0 \\ 2 & 2 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 4 & 0 \\ 4 + 4 & 4 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 4 & 0 \\ 8 & 4 \end{bmatrix}.

C4=[4084][4084]=[16032+3216]=[1606416].C^{4} = \begin{bmatrix} 4 & 0 \\ 8 & 4 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 4 & 0 \\ 8 & 4 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 16 & 0 \\ 32 + 32 & 16 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 16 & 0 \\ 64 & 16 \end{bmatrix}.

3.3 得到 A4A^{4}

A4=[62500006250000160006416].A^{4} = \begin{bmatrix} 625 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 625 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 16 & 0 \\ 0 & 0 & 64 & 16 \end{bmatrix}.

27 , 设n阶矩阵A与s阶矩阵B都可逆 , 求[OABO]1\begin{bmatrix} O & A \\ B & O \end{bmatrix}^{- 1}

解:

M=[OABO],M = \begin{bmatrix} O & A \\ B & O \end{bmatrix},

其中AAn×nn \times n可逆矩阵,BBs×ss \times s可逆矩阵,且OO表示适当维数的零矩阵。

我们要求M1M^{- 1},设M1=[XYZW],M^{- 1} = \begin{bmatrix} X & Y \\ Z & W \end{bmatrix},

其中XXs×ss \times sYYs×ns \times nZZn×sn \times sWWn×nn \times n

MM1=In+sMM^{- 1} = I_{n + s}得:[OABO][XYZW]=[IsOOIn].\begin{bmatrix} O & A \\ B & O \end{bmatrix}\begin{bmatrix} X & Y \\ Z & W \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} I_{s} & O \\ O & I_{n} \end{bmatrix}.

计算乘法:[AZAWBXBY]=[IsOOIn].\begin{bmatrix} AZ & AW \\ BX & BY \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} I_{s} & O \\ O & I_{n} \end{bmatrix}.

比较块矩阵得方程组:{AZ=Is,AW=O,BX=O,BY=In.\left\{ \begin{matrix} AZ = I_{s}, \\ AW = O, \\ BX = O, \\ BY = I_{n}. \end{matrix} \right.\

AZ=IsAZ = I_{s}Z=A1Z = A^{- 1}

AW=OAW = OAA可逆,得W=OW = O

BY=InBY = I_{n}Y=B1Y = B^{- 1}

BX=OBX = OBB可逆,得X=OX = O

因此:M1=[OB1A1O].M^{- 1} = \begin{bmatrix} O & B^{- 1} \\ A^{- 1} & O \end{bmatrix}.

28 , 求下列矩阵的逆矩阵:

(1)[5200210000850032]\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 5 \\ 2 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 2 \\ 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 8 \\ 5 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 3 \\ 2 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack (2)[0015210430]\begin{bmatrix} 0 & 0 & \frac{1}{5} \\ 2 & 1 & 0 \\ 4 & 3 & 0 \end{bmatrix}

解: (1)将A分块为A=[A1OOA2]\begin{bmatrix} A_{1} & O \\ O & A_{2} \end{bmatrix} , 其中A1=[5221]\begin{bmatrix} 5 & 2 \\ 2 & 1 \end{bmatrix} , A2=[8352]\begin{bmatrix} 8 & 3 \\ 5 & 2 \end{bmatrix}

因|A1|=1 , |A2|=1 , 故它们均可逆

于是由分块对角矩阵的性质 , 有A-1=[A11OOA21]=[1200250000250038]\begin{bmatrix} A_{1}^{- 1} & O \\ O & A_{2}^{- 1} \end{bmatrix} = \left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ - 2 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} - 2 \\ 5 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 2 \\ - 5 \end{matrix} \end{array}\ \ \ \ \ \begin{array}{r} \begin{matrix} 0 \\ 0 \end{matrix} \\ \begin{matrix} - 3 \\ 8 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack

(2)将A分块为[OA1A2O]\begin{bmatrix} O & A_{1} \\ A_{2} & O \end{bmatrix} , 其中A1=15\frac{1}{5} , A2=[2143]\begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 4 & 3 \end{bmatrix}

因A1 , A2均可逆 , 得

A-1=[OA21A11O]\begin{bmatrix} O & A_{2}^{- 1} \\ A_{1}^{- 1} & O \end{bmatrix}=[03212021500]\begin{bmatrix} 0 & \frac{3}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & - 2 & 1 \\ 5 & 0 & 0 \end{bmatrix}=12[0310421000]\frac{1}{2}\begin{bmatrix} 0 & 3 & - 1 \\ 0 & - 4 & 2 \\ 10 & 0 & 0 \end{bmatrix}

二、例题增补

例2.1设方阵A满足A2+A=4E , 证明A -E可逆 , 并求其逆

解: 证明与求解

由已知A2+A=4E.A^{2} + A = 4E.

我们想利用 AEA - E 来凑出一个逆矩阵的形式。

将等式改写:A2+A4E=O.A^{2} + A - 4E = O.

尝试将 A2+A4EA^{2} + A - 4EAEA - E 联系起来:

A2+A4E=(AE)(A+mE)+kE.A^{2} + A - 4E = (A - E)(A + mE) + kE.

展开右边:

(AE)(A+mE)+kE=A2+mAAmE+kE=A2+(m1)A+(km)E.(A - E)(A + mE) + kE = A^{2} + mA - A - mE + kE = A^{2} + (m - 1)A + (k - m)E.

A2+A4EA^{2} + A - 4E 比较系数:

m1=1m=2,m - 1 = 1\quad \Rightarrow \quad m = 2,

km=4k2=4k=2.k - m = - 4\quad \Rightarrow \quad k - 2 = - 4\quad \Rightarrow \quad k = - 2.

于是得到:A2+A4E=(AE)(A+2E)2E.A^{2} + A - 4E = (A - E)(A + 2E) - 2E.

由已知 A2+A4E=OA^{2} + A - 4E = O,所以(AE)(A+2E)2E=O,(A - E)(A + 2E) - 2E = O,

(AE)(A+2E)=2E.(A - E)(A + 2E) = 2E.

因此(AE)A+2E2=E.(A - E) \cdot \frac{A + 2E}{2} = E.

所以 AEA - E 可逆,且(AE)1=A+2E2.(A - E)^{- 1} = \frac{A + 2E}{2}.

例2.2 设A=[101020101]\begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \end{bmatrix} , n⩾2且为正整数 , 求An- 2An-1

解:

1. 对 An2An1A^{n} - 2A^{n - 1} 进行变形

根据乘法分配律 An2An1=An1(A2E)A^{n} - 2A^{n - 1} = A^{n - 1}(A - 2E),先求 A2EA - 2E:

已知A=[101020101],E=[100010001],A = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \end{bmatrix},\quad E = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix},

A2E=[101020101]2[100010001]=[101000101].A - 2E = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \end{bmatrix} - 2\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} - 1 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & - 1 \end{bmatrix}.

2. 分析 An1(A2E)A^{n - 1}(A - 2E)

A(A2E)=[101020101][101000101]=[000000000]A(A - 2E) = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \\ 0 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} - 1 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & - 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

3. 结论

由于 A(A2E)=OA(A - 2E) = O(零矩阵),那么对于 n2n \geq 2

An1(A2E)=An2(A(A2E))=An2O=O.A^{n - 1}(A - 2E) = A^{n - 2}(A(A - 2E)) = A^{n - 2}O = O.

因此,当 n2n \geq 2 且为正整数时,An2An1=O(零矩阵).A^{n} - 2A^{n - 1} = O\quad(\text{零矩阵}).

注:本例是方阵求幂问题 , 方阵求幂大致有两种方法

一是根据所给矩阵A , 找出A所满足的关系式(如本例及下例)

或通过具体计算A2 , A3等 , 找出求A的幂的规律(习题6)

另一种 , 也是更主要的 , 是如教材例14和例15所用的方法

例2.3已知α =[123]\begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix} , β=[11213]\begin{bmatrix} 1 \\ \frac{1}{2} \\ \frac{1}{3} \end{bmatrix} , 方阵A=αβT , 求An

解:

1. 先写出 AA

αβT=[123][11213]=[111121132121221331312313]=[1121321233321]\alpha\beta^{T} = \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & \frac{1}{3} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 \cdot 1 & 1 \cdot \frac{1}{2} & 1 \cdot \frac{1}{3} \\ 2 \cdot 1 & 2 \cdot \frac{1}{2} & 2 \cdot \frac{1}{3} \\ 3 \cdot 1 & 3 \cdot \frac{1}{2} & 3 \cdot \frac{1}{3} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & \frac{1}{3} \\ 2 & 1 & \frac{2}{3} \\ 3 & \frac{3}{2} & 1 \end{bmatrix}

2. 计算 AnA^{n} 的思路

对于外积矩阵 A=αβTA = \alpha\beta^{T},有性质:An=(αβT)n=α(βTα)n1βTA^{n} = (\alpha\beta^{T})^{n} = \alpha(\beta^{T}\alpha)^{n - 1}\beta^{T}

因为 βTα\beta^{T}\alpha 是一个数(内积)。

3. 先算 βTα\beta^{T}\alpha

βTα=[11213][123]=11+122+133=1+1+1=3\beta^{T}\alpha = \begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & \frac{1}{3} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \end{bmatrix} = 1 \cdot 1 + \frac{1}{2} \cdot 2 + \frac{1}{3} \cdot 3 = 1 + 1 + 1 = 3

4. 代入公式

An=α(βTα)n1βT=α3n1βT=3n1αβT=3n1AA^{n} = \alpha(\beta^{T}\alpha)^{n - 1}\beta^{T} = \alpha \cdot 3^{n - 1} \cdot \beta^{T} = 3^{n - 1} \cdot \alpha\beta^{T} = 3^{n - 1} \cdot A

其中 A=[1121321233321]A = \begin{bmatrix} 1 & \frac{1}{2} & \frac{1}{3} \\ 2 & 1 & \frac{2}{3} \\ 3 & \frac{3}{2} & 1 \end{bmatrix}