行列式综合练习题

基础计算练习

练习 1

计算行列式 ∣123456789∣\begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{vmatrix}。

参考答案

解题思路: 观察行列式的特点,利用性质简化计算。

详细步骤:

  1. 观察发现:第三行是第一行的 7 倍,第二行是第一行的 4 倍减去 1

  2. 将第一行的-4 倍加到第二行: ∣1230−3−6789∣\begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & -3 & -6 \\ 7 & 8 & 9 \end{vmatrix}

  3. 将第一行的-7 倍加到第三行: ∣1230−3−60−6−12∣\begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & -3 & -6 \\ 0 & -6 & -12 \end{vmatrix}

  4. 第三行是第二行的 2 倍,所以行列式为零。

答案:行列式的值为 0。

练习 2

计算行列式 ∣2100121001210012∣\begin{vmatrix} 2 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 2 \end{vmatrix}。

参考答案

解题思路: 按第一行展开,利用递推关系。

详细步骤:

  1. 按第一行展开: ∣A∣=2∣210121012∣−1∣110021012∣|A| = 2 \begin{vmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 2 \end{vmatrix} - 1 \begin{vmatrix} 1 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 2 \end{vmatrix}

  2. 继续展开第一个三阶行列式: =2(2∣2112∣−1∣1102∣)−1(1∣2112∣)= 2 \left( 2 \begin{vmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{vmatrix} - 1 \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 2 \end{vmatrix} \right) - 1 \left( 1 \begin{vmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 2 \end{vmatrix} \right)

  3. =2(2(4−1)−1(2−0))−1(1(4−1))=2(6−2)−1(3)=8−3=5= 2(2(4-1) - 1(2-0)) - 1(1(4-1)) = 2(6-2) - 1(3) = 8 - 3 = 5

答案:行列式的值为 5。

练习 3

计算范德蒙德行列式 ∣1111123414916182764∣\begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 3 & 4 \\ 1 & 4 & 9 & 16 \\ 1 & 8 & 27 & 64 \end{vmatrix}。

参考答案

解题思路: 使用范德蒙德行列式的公式。

详细步骤:

  1. x1=1,x2=2,x3=3,x4=4x_1 = 1, x_2 = 2, x_3 = 3, x_4 = 4

  2. ∣V∣=∏1≤i<j≤4(xj−xi)|V| = \prod_{1 \leq i < j \leq 4} (x_j - x_i)

  3. =(2−1)(3−1)(4−1)(3−2)(4−2)(4−3)= (2-1)(3-1)(4-1)(3-2)(4-2)(4-3)

  4. =1×2×3×1×2×1=12= 1 \times 2 \times 3 \times 1 \times 2 \times 1 = 12

答案:行列式的值为 12。

性质应用练习

练习 4

设 AA 为三阶方阵,∣A∣=3|A| = 3,求 ∣2A∣|2A| 和 ∣AT∣|A^T|。

参考答案

解题思路: 利用行列式的性质。

详细步骤:

  1. ∣2A∣=23∣A∣=8×3=24|2A| = 2^3|A| = 8 \times 3 = 24(n 阶矩阵乘以 k,行列式乘以 k^n)

  2. ∣AT∣=∣A∣=3|A^T| = |A| = 3(转置不变性)

答案:∣2A∣=24|2A| = 24,∣AT∣=3|A^T| = 3。

练习 5

设 AA 为三阶方阵,∣A∣=2|A| = 2,将 AA 的第一行与第二行互换,然后将第三行乘以 2,新行列式值是多少?

参考答案

解题思路: 利用行列式性质逐步计算。

详细步骤:

  1. 交换两行:∣A∣|A| 变号,得到 −2-2

  2. 第三行乘以 2:行列式乘以 2,得到 −4-4

答案:新行列式值为 −4-4。

应用练习

练习 6

用克拉默法则解方程组: {x+2y+3z=62x+5y+2z=46x−3y+z=2\begin{cases} x + 2y + 3z = 6 \\ 2x + 5y + 2z = 4 \\ 6x - 3y + z = 2 \end{cases}

参考答案

解题思路: 使用克拉默法则公式。

详细步骤:

  1. ∣A∣=∣1232526−31∣=1(5+6)−2(2−12)+3(−6−30)=11+20−108=−77|A| = \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 5 & 2 \\ 6 & -3 & 1 \end{vmatrix} = 1(5+6) - 2(2-12) + 3(-6-30) = 11 + 20 - 108 = -77

  2. ∣A1∣=∣6234522−31∣=6(5+6)−2(4−4)+3(−12−10)=66+0−66=0|A_1| = \begin{vmatrix} 6 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 2 \\ 2 & -3 & 1 \end{vmatrix} = 6(5+6) - 2(4-4) + 3(-12-10) = 66 + 0 - 66 = 0

  3. ∣A2∣=∣163242621∣=1(4−4)−6(2−12)+3(4−24)=0+60−60=0|A_2| = \begin{vmatrix} 1 & 6 & 3 \\ 2 & 4 & 2 \\ 6 & 2 & 1 \end{vmatrix} = 1(4-4) - 6(2-12) + 3(4-24) = 0 + 60 - 60 = 0

  4. ∣A3∣=∣1262546−32∣=1(10+12)−2(4−24)+6(−6−30)=22+40−216=−154|A_3| = \begin{vmatrix} 1 & 2 & 6 \\ 2 & 5 & 4 \\ 6 & -3 & 2 \end{vmatrix} = 1(10+12) - 2(4-24) + 6(-6-30) = 22 + 40 - 216 = -154

  5. x=0−77=0x = \frac{0}{-77} = 0,y=0−77=0y = \frac{0}{-77} = 0,z=−154−77=2z = \frac{-154}{-77} = 2

答案:x=0x = 0,y=0y = 0,z=2z = 2。

练习 7

求矩阵 A=(123014560)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 4 \\ 5 & 6 & 0 \end{pmatrix} 的逆矩阵。

参考答案

解题思路: 使用伴随矩阵法。

详细步骤:

  1. ∣A∣=1∣1460∣−2∣0450∣+3∣0156∣|A| = 1 \begin{vmatrix} 1 & 4 \\ 6 & 0 \end{vmatrix} - 2 \begin{vmatrix} 0 & 4 \\ 5 & 0 \end{vmatrix} + 3 \begin{vmatrix} 0 & 1 \\ 5 & 6 \end{vmatrix} =1(−24)−2(−20)+3(−5)=−24+40−15=1= 1(-24) - 2(-20) + 3(-5) = -24 + 40 - 15 = 1

  2. 计算伴随矩阵: adj(A)=(−2418520−15−4−541)\text{adj}(A) = \begin{pmatrix} -24 & 18 & 5 \\ 20 & -15 & -4 \\ -5 & 4 & 1 \end{pmatrix}

  3. A−1=11(−2418520−15−4−541)=(−2418520−15−4−541)A^{-1} = \frac{1}{1} \begin{pmatrix} -24 & 18 & 5 \\ 20 & -15 & -4 \\ -5 & 4 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -24 & 18 & 5 \\ 20 & -15 & -4 \\ -5 & 4 & 1 \end{pmatrix}

答案:A−1=(−2418520−15−4−541)A^{-1} = \begin{pmatrix} -24 & 18 & 5 \\ 20 & -15 & -4 \\ -5 & 4 & 1 \end{pmatrix}。

练习 8

计算以向量 (1,2,3)(1, 2, 3)、(4,5,6)(4, 5, 6)、(7,8,9)(7, 8, 9) 为邻边的平行六面体体积。

参考答案

解题思路: 使用三阶行列式计算体积。

详细步骤:

  1. V=∣∣123456789∣∣V = \left| \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{vmatrix} \right|

  2. 按第一行展开: =∣1(45−48)−2(36−42)+3(32−35)∣= \left| 1(45-48) - 2(36-42) + 3(32-35) \right|

  3. =∣1(−3)−2(−6)+3(−3)∣=∣−3+12−9∣=∣0∣=0= \left| 1(-3) - 2(-6) + 3(-3) \right| = |-3 + 12 - 9| = |0| = 0

答案:体积为 0(三个向量共面)。

证明练习

练习 9

证明:如果 AA 是 n 阶方阵,则 ∣adj(A)∣=∣A∣n−1|\text{adj}(A)| = |A|^{n-1}。

参考答案

解题思路: 利用伴随矩阵的定义和行列式性质。

详细步骤:

  1. 由 A⋅adj(A)=∣A∣IA \cdot \text{adj}(A) = |A|I 得: ∣A⋅adj(A)∣=∣A∣n|A \cdot \text{adj}(A)| = |A|^n

  2. 又 ∣A⋅adj(A)∣=∣A∣⋅∣adj(A)∣|A \cdot \text{adj}(A)| = |A| \cdot |\text{adj}(A)|

  3. 所以 ∣A∣⋅∣adj(A)∣=∣A∣n|A| \cdot |\text{adj}(A)| = |A|^n

  4. 当 ∣A∣≠0|A| \neq 0 时,∣adj(A)∣=∣A∣n−1|\text{adj}(A)| = |A|^{n-1}

  5. 当 ∣A∣=0|A| = 0 时,adj(A)=0\text{adj}(A) = 0,结论也成立。

答案:证明完成。

练习 10

证明:对于任意 n 阶方阵 AA,有 ∣adj(A)∣=∣A∣n−1|\text{adj}(A)| = |A|^{n-1}。

参考答案

解题思路: 分情况讨论,利用行列式性质。

详细步骤:

  1. 当 ∣A∣≠0|A| \neq 0 时:

    • 由 A⋅adj(A)=∣A∣IA \cdot \text{adj}(A) = |A|I 得 ∣A⋅adj(A)∣=∣A∣n|A \cdot \text{adj}(A)| = |A|^n
    • 又 ∣A⋅adj(A)∣=∣A∣⋅∣adj(A)∣|A \cdot \text{adj}(A)| = |A| \cdot |\text{adj}(A)|
    • 所以 ∣adj(A)∣=∣A∣n−1|\text{adj}(A)| = |A|^{n-1}
  2. 当 ∣A∣=0|A| = 0 时:

    • 如果 A=0A = 0,则 adj(A)=0\text{adj}(A) = 0,∣adj(A)∣=0=∣A∣n−1|\text{adj}(A)| = 0 = |A|^{n-1}
    • 如果 A≠0A \neq 0,则 adj(A)≠0\text{adj}(A) \neq 0,但 ∣adj(A)∣=0=∣A∣n−1|\text{adj}(A)| = 0 = |A|^{n-1}

答案:证明完成。

综合应用练习

练习 11

设 AA 为三阶方阵,∣A∣=2|A| = 2,求 ∣A2∣|A^2| 和 ∣A−1∣|A^{-1}|。

参考答案

解题思路: 利用行列式的乘法性质和逆矩阵性质。

详细步骤:

  1. ∣A2∣=∣A∣2=22=4|A^2| = |A|^2 = 2^2 = 4

  2. ∣A−1∣=1∣A∣=12|A^{-1}| = \frac{1}{|A|} = \frac{1}{2}

答案:∣A2∣=4|A^2| = 4,∣A−1∣=12|A^{-1}| = \frac{1}{2}。

练习 12

设 AA 为 n 阶方阵,∣A∣=3|A| = 3,求 ∣ATA∣|A^T A|。

参考答案

解题思路: 利用行列式的乘法性质和转置性质。

详细步骤:

  1. ∣ATA∣=∣AT∣⋅∣A∣|A^T A| = |A^T| \cdot |A|

  2. ∣AT∣=∣A∣=3|A^T| = |A| = 3

  3. 所以 ∣ATA∣=3×3=9|A^T A| = 3 \times 3 = 9

答案:∣ATA∣=9|A^T A| = 9。

练习 13

设 AA 为三阶方阵,∣A∣=1|A| = 1,将 AA 的每一行都乘以 2,新行列式值是多少?

参考答案

解题思路: 利用行列式的线性性质。

详细步骤:

  1. 每一行乘以 2,相当于矩阵乘以 2

  2. ∣2A∣=23∣A∣=8×1=8|2A| = 2^3|A| = 8 \times 1 = 8

答案:新行列式值为 8。

练习 14

设 AA 为 n 阶方阵,证明:如果 AA 的每一行元素之和都相等,则 ∣A∣=0|A| = 0。

参考答案

解题思路: 利用行列式的性质和线性相关性。

详细步骤:

  1. 设每一行元素之和为 ss

  2. 将除第一行外的所有行都加到第一行,得到: ∣ss⋯sa21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann∣\begin{vmatrix} s & s & \cdots & s \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix}

  3. 提取第一行的公因子 ss: s∣11⋯1a21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann∣s \begin{vmatrix} 1 & 1 & \cdots & 1 \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix}

  4. 如果 s=0s = 0,则行列式为零

  5. 如果 s≠0s \neq 0,则第一行全为 1,其他行可以通过行变换得到相同的行,所以行列式为零

答案:证明完成。

练习 15

设 AA 为 n 阶方阵,∣A∣≠0|A| \neq 0,证明:∣adj(A)∣=∣A∣n−1|\text{adj}(A)| = |A|^{n-1}。

参考答案

解题思路: 利用伴随矩阵的定义和行列式性质。

详细步骤:

  1. 由 A⋅adj(A)=∣A∣IA \cdot \text{adj}(A) = |A|I 得: ∣A⋅adj(A)∣=∣A∣n|A \cdot \text{adj}(A)| = |A|^n

  2. 又 ∣A⋅adj(A)∣=∣A∣⋅∣adj(A)∣|A \cdot \text{adj}(A)| = |A| \cdot |\text{adj}(A)|

  3. 所以 ∣A∣⋅∣adj(A)∣=∣A∣n|A| \cdot |\text{adj}(A)| = |A|^n

  4. 由于 ∣A∣≠0|A| \neq 0,所以 ∣adj(A)∣=∣A∣n−1|\text{adj}(A)| = |A|^{n-1}

答案:证明完成。

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