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例2.4设AAnn阶非零方阵,且A*=ATA^{\ast} = A^{T},则|A|0|A| \neq 0

证明:

核心知识点:

伴随矩阵的基本公式AA*=A*A=|A|EAA^{\ast} = A^{\ast}A = |A|E;转置矩阵的运算性质;反证法。

步骤1:反证法假设

假设|A|=0|A| = 0,结合已知条件A*=ATA^{\ast} = A^{T}

代入伴随矩阵公式得:AA*=AAT=|A|E=0E=OAA^{\ast} = AA^{T} = |A|E = 0 \cdot E = O,其中OOnn阶零矩阵。

步骤2:设矩阵元素展开分析

A=(aij)n×nA = (a_{ij})_{n \times n},则AT=(aji)n×nA^{T} = (a_{ji})_{n \times n},记AAT=(cij)n×nAA^{T} = (c_{ij})_{n \times n}

cii=k=1naikaik=k=1naik2(i=1,2,,n)根据矩阵乘法规则:c_{ii} = \sum_{k = 1}^{n}a_{ik} \cdot a_{ik} = \sum_{k = 1}^{n}a_{ik}^{2}\quad(i = 1,2,\ldots,n)

AAT=O线0k=1naik2=0(i=1,2,,n)由AA^{T} = O,知其主对角线元素全为0,即:\sum_{k = 1}^{n}a_{ik}^{2} = 0\quad(i = 1,2,\ldots,n)

由于实数的平方非负,故每个元素aik=0a_{ik} = 0i,k=1,2,,ni,k = 1,2,\ldots,n),即A=OA = O

步骤3:推出矛盾

已知AA是非零方阵,但上述推导得出A=OA = O,与题设矛盾,因此假设不成立。

结论故|A|0|A| \neq 0,得证。

例2.5设矩阵X满足等式AXA + BXB = AXB + BXA +E

其中矩阵A=[100110111]\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \end{bmatrix} , B=[011101110]\begin{bmatrix} 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 0 \end{bmatrix} , E为3阶单位阵 , 求X

解:

第一步:将方程移项并整理

将原方程改写为AXA+BXBAXBBXA=EAXA + BXB - AXB - BXA = E

分组提取公因式:AX(AB)+BX(BA)=EAX(A - B) + BX(B - A) = E

由于BA=(AB)B - A = - (A - B),代入得AX(AB)BX(AB)=EAX(A - B) - BX(A - B) = E

[(AB)X](AB)=(AB)X(AB)=E\lbrack(A - B)X\rbrack(A - B) = (A - B)X(A - B) = E

第二步:计算ABA - B

AB=[100110111][011101110]=[111011001]A - B = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 1 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 1 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 1 \\ 1 & 1 & 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & - 1 & - 1 \\ 0 & 1 & - 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}

C=ABC = A - B,则方程为CXC=ICXC = I

第三步:求C1C^{- 1}

C1=[112011001]C^{- 1} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}

第四步:解XX

CXC=ICXC = IX=C1IC1=C1C1X = C^{- 1}IC^{- 1} = C^{- 1}C^{- 1}

计算(C1)2=[112011001][112011001]=[125012001](C^{- 1})^{2} = \begin{bmatrix} 1 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 & 1 & 2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 5 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}

例2.6设矩阵X满足A*X=A-1B+2X

其中A=[111111111]\begin{bmatrix} 1 & 1 & - 1 \\ - 1 & 1 & 1 \\ 1 & - 1 & 1 \end{bmatrix} , B=[111001]\begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \\ 0 & - 1 \end{bmatrix} , 求矩阵X

解:由矩阵方程 A*X=A1B+2XA^{\ast}X = A^{- 1}B + 2X

项移得 A*X2X=A1BA^{\ast}X - 2X = A^{- 1}B

提公因子得(A*2E)X=A1B(A^{\ast} - 2E)X = A^{- 1}B

两边同时左乘AAA(A*2E)X=BA(A^{\ast} - 2E)X = B

整理得(|A|E2A)X=B(|A|E - 2A)X = B

|A|E2A|A|E - 2A=C,方程简化为 CX=BCX = B

求解XX即求X=C1BX = C^{- 1}B

C=|A|E2A=|111111111|[100010001]2[111111111]C = |A|E - 2A = \left| \begin{matrix} 1 & 1 & - 1 \\ - 1 & 1 & 1 \\ 1 & - 1 & 1 \end{matrix} \right|\begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} - 2\begin{bmatrix} 1 & 1 & - 1 \\ - 1 & 1 & 1 \\ 1 & - 1 & 1 \end{bmatrix}

=[400040004][222222222]=(222222222)= \begin{bmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{bmatrix} - \begin{bmatrix} 2 & 2 & - 2 \\ - 2 & 2 & 2 \\ 2 & - 2 & 2 \end{bmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & - 2 & 2 \\ 2 & 2 & - 2 \\ - 2 & 2 & 2 \end{pmatrix}

C1=1|C|C*=1|222222222|(880088808)C^{- 1} = \frac{1}{|C|}C^{\ast} = \frac{1}{\left| \begin{matrix} 2 & - 2 & 2 \\ 2 & 2 & - 2 \\ - 2 & 2 & 2 \end{matrix} \right|}\begin{pmatrix} 8 & 8 & 0 \\ 0 & 8 & 8 \\ 8 & 0 & 8 \end{pmatrix} =132(880088808)=(141400141414014)= \frac{1}{32}\begin{pmatrix} 8 & 8 & 0 \\ 0 & 8 & 8 \\ 8 & 0 & 8 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{1}{4} & \frac{1}{4} & 0 \\ 0 & \frac{1}{4} & \frac{1}{4} \\ \frac{1}{4} & 0 & \frac{1}{4} \end{pmatrix}

所以X=C1B=(141400141414014)(111001)=(12141414140)X = C^{- 1}B = \begin{pmatrix} \frac{1}{4} & \frac{1}{4} & 0 \\ 0 & \frac{1}{4} & \frac{1}{4} \\ \frac{1}{4} & 0 & \frac{1}{4} \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \\ 0 & - 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{4} \\ \frac{1}{4} & - \frac{1}{4} \\ \frac{1}{4} & 0 \end{pmatrix}

例2.7设α1 , α2 , α3 , β1 , β2均为4维列向量,

行列式det(α1 , α2 , α3 , β1)=m , det(α1 , α2 , β2 , α3 )=n.

求 det(α3 , α2 , α1 , β12)

解: 因所求行列式的第四列元素均是两个数之和

于是可按第四列拆成两个行列式

det(α3 , α2 , α1 , β12)=det(α3 , α2 , α1 , β1)+det(α3 , α2 , α1 , β2)

因为交换两列要改变正负号,所以

det(α3 , α2 , α1 , β12)=-det(α1 , α2 , α3 , β1)+det(α1 , α2 , β2 , α3 )

=n-m

例2.8设A=E - ααT , 其中E是n阶单位矩阵

α是n维非零列向量 , αT是α的转置

试证明:(1) A2=A的充要条件是αTα=1

(2)当αTα=1时 , A不是可逆矩阵。

证:

(1) 证明 A2=AA^{2} = A 的充要条件是 αTα=1\alpha^{T}\alpha = 1

证明的核心是

矩阵乘法的结合律 和 数乘矩阵的性质(αTα\alpha^{T}\alpha 是一个数,可与矩阵交换位置)。

步骤 1:计算 A2A^{2} 的表达式

已知A=EααT,A = E - \alpha\alpha^{T},

A2=(EααT)(EααT)A^{2} = (E - \alpha\alpha^{T})(E - \alpha\alpha^{T})

=EEEααTααTE+(ααT)(ααT)= E \cdot E - E \cdot \alpha\alpha^{T} - \alpha\alpha^{T} \cdot E + (\alpha\alpha^{T})(\alpha\alpha^{T})

=E2ααT+(ααT)(ααT)= E - 2\alpha\alpha^{T} + (\alpha\alpha^{T})(\alpha\alpha^{T})

=E2ααT+α(αTα)αT= E - 2\alpha\alpha^{T} + \alpha(\alpha^{T}\alpha)\alpha^{T}αTα\alpha^{T}\alpha 是一个数)

=E2ααT+(αTα)ααT= E - 2\alpha\alpha^{T} + (\alpha^{T}\alpha) \cdot \alpha\alpha^{T}

步骤 2:必要性(由 A2=AA^{2} = A 推出 αTα=1\alpha^{T}\alpha = 1

A2=AA^{2} = A,和 A=EααTA = E - \alpha\alpha^{T}

代入式 A2=E2ααT+(αTα)ααTA^{2} = E - 2\alpha\alpha^{T} + (\alpha^{T}\alpha) \cdot \alpha\alpha^{T} 得:EααT=E2ααT+(αTα)ααTE - \alpha\alpha^{T} = E - 2\alpha\alpha^{T} + (\alpha^{T}\alpha) \cdot \alpha\alpha^{T}

移项整理:2ααT+(αTα)ααT+ααT=O,- 2\alpha\alpha^{T} + (\alpha^{T}\alpha) \cdot \alpha\alpha^{T} + \alpha\alpha^{T} = O,

[(αTα)1]ααT=O,\left\lbrack (\alpha^{T}\alpha) - 1 \right\rbrack \cdot \alpha\alpha^{T} = O, 其中 OOnn 阶零矩阵。

由题设 α\alpha 是 非零列向量,因此 ααT\alpha\alpha^{T} 是 非零矩阵

于是式 [(αTα)1]ααT=O\left\lbrack (\alpha^{T}\alpha) - 1 \right\rbrack \cdot \alpha\alpha^{T} = O中, αTα1=0\alpha^{T}\alpha - 1 = 0

αTα=1\alpha^{T}\alpha = 1

步骤 3:充分性(αTα=1A2=A由\ \alpha^{T}\alpha = 1\ 推出\ A^{2} = A

已知 αTα=1\alpha^{T}\alpha = 1,代入式A2=E2ααT+(αTα)ααTA^{2} = E - 2\alpha\alpha^{T} + (\alpha^{T}\alpha) \cdot \alpha\alpha^{T}

得:A2=E2ααT+1ααT=EααT.A^{2} = E - 2\alpha\alpha^{T} + 1 \cdot \alpha\alpha^{T} = E - \alpha\alpha^{T}.

而由定义 A=EααTA = E - \alpha\alpha^{T},因此A2=AA^{2} = A

综上,A2=A的充要条件是αTα=1.A^{2} = A\quad\text{的充要条件是}\quad\alpha^{T}\alpha = 1.

(2) 证明当αTα=1\alpha^{T}\alpha = 1时,AA不是可逆矩阵

αTα=1\alpha^{T}\alpha = 1时,由(1)知A2=AA^{2} = A,即A(AE)=OA(A - E) = O

假设AA可逆,在等式两边左乘A1A^{- 1}

得:A1A(AE)=A1OA^{- 1}A(A - E) = A^{- 1}O

得:E(AE)=OE(A - E) = O

得:AE=OA - E = O

得:A=EA = E

A=EααTA = E - \alpha\alpha^{T},得ααT=O\alpha\alpha^{T} = O,与α\alpha是非零列向量(ααT\alpha\alpha^{T}为非零矩阵)矛盾。

故假设AA可逆不成立,AA不可逆。

例2.9已知 2CA - 2AB = C-B , 其中A=[210220001]\begin{bmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 2 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} , B=[112]\begin{bmatrix} 1 & & \\ & - 1 & \\ & & 2 \end{bmatrix} , 求C5

解: 由2CA - 2AB=C-B

得2CA - C=2AB- B

得C(2A-E)=(2A-E)B

得C =(2A -E)B(2A -E)-1

得C5=((2A -E)B(2A -E)-1)5

=(2A -E)

B(2A -E)-1(2A -E)

B(2A -E)-1(2A -E)

B(2A -E)-1(2A -E)

B(2A -E)-1(2A -E)

B(2A -E)-1

得C5=(2A -E)B5(2A -E)-1

因2A -E=[320430001]\begin{bmatrix} 3 & 2 & 0 \\ 4 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}为可逆的分块对角阵 , 且(2A-E)-1=[320430001]\begin{bmatrix} 3 & - 2 & 0 \\ - 4 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}

C5=[320430001][1125][320430001]\begin{bmatrix} 3 & 2 & 0 \\ 4 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 & & \\ & - 1 & \\ & & 2^{5} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 3 & - 2 & 0 \\ - 4 & 3 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}=[HOO25]\begin{bmatrix} H & O \\ O & 2^{5} \end{bmatrix}

其中H=[3243][11][3243]\begin{bmatrix} 3 & 2 \\ 4 & 3 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 1 & \\ & - 1 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 3 & - 2 \\ - 4 & 3 \end{bmatrix}=[17122417]\begin{bmatrix} 17 & - 12 \\ 24 & - 17 \end{bmatrix}