矩阵综合练习题(上)

练习题

练习 1

计算 A+BA + B,其中 A=(123456)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \end{pmatrix},B=(210123)B = \begin{pmatrix} 2 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 3 \end{pmatrix}

参考答案

解题思路: 使用矩阵加法定义,对应元素相加。

详细步骤:

A+B=(1+22+13+04+15+26+3)=(333579)A + B = \begin{pmatrix} 1+2 & 2+1 & 3+0 \\ 4+1 & 5+2 & 6+3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 & 3 & 3 \\ 5 & 7 & 9 \end{pmatrix}

答案:A+B=(333579)A + B = \begin{pmatrix} 3 & 3 & 3 \\ 5 & 7 & 9 \end{pmatrix}

练习 2

计算 2A−3B2A - 3B,其中 A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix},B=(0110)B = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}

参考答案

解题思路: 先计算数乘,再进行减法运算。

详细步骤:

2A=(2468),3B=(0330)2A = \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix}, \quad 3B = \begin{pmatrix} 0 & 3 \\ 3 & 0 \end{pmatrix}

2A−3B=(2468)−(0330)=(2138)2A - 3B = \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 6 & 8 \end{pmatrix} - \begin{pmatrix} 0 & 3 \\ 3 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 3 & 8 \end{pmatrix}

答案:2A−3B=(2138)2A - 3B = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 3 & 8 \end{pmatrix}

练习 3

计算 ABAB 和 BABA,其中 A=(1201)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix},B=(2013)B = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}

参考答案

解题思路: 使用矩阵乘法定义,验证矩阵乘法不满足交换律。

详细步骤:

AB=(1201)(2013)=(4613)AB = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 1 & 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 & 6 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}

BA=(2013)(1201)=(2415)BA = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 1 & 3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 1 & 5 \end{pmatrix}

答案:AB=(4613)AB = \begin{pmatrix} 4 & 6 \\ 1 & 3 \end{pmatrix},BA=(2415)BA = \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 1 & 5 \end{pmatrix}

注意:AB≠BAAB \neq BA,验证了矩阵乘法不满足交换律。

练习 4

计算 ATA^T,其中 A=(123456789)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{pmatrix}

参考答案

解题思路: 将矩阵的行列互换。

详细步骤:

AT=(147258369)A^T = \begin{pmatrix} 1 & 4 & 7 \\ 2 & 5 & 8 \\ 3 & 6 & 9 \end{pmatrix}

答案:AT=(147258369)A^T = \begin{pmatrix} 1 & 4 & 7 \\ 2 & 5 & 8 \\ 3 & 6 & 9 \end{pmatrix}

练习 5

判断矩阵 A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} 是否可逆,若可逆求其逆矩阵。

参考答案

解题思路: 先计算行列式,再求逆矩阵。

详细步骤:

  1. ∣A∣=1×4−2×3=−2≠0|A| = 1 \times 4 - 2 \times 3 = -2 \neq 0,可逆

  2. 计算代数余子式:

    • A11=4A_{11} = 4,A12=−3A_{12} = -3
    • A21=−2A_{21} = -2,A22=1A_{22} = 1
  3. A∗=(4−2−31)A^* = \begin{pmatrix} 4 & -2 \\ -3 & 1 \end{pmatrix}

  4. A−1=1−2(4−2−31)=(−211.5−0.5)A^{-1} = \frac{1}{-2} \begin{pmatrix} 4 & -2 \\ -3 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 1.5 & -0.5 \end{pmatrix}

答案:AA 可逆,A−1=(−211.5−0.5)A^{-1} = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ 1.5 & -0.5 \end{pmatrix}

练习 6

用伴随矩阵法求 A=(123012001)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} 的逆矩阵。

参考答案

解题思路: 使用伴随矩阵法求逆矩阵。

详细步骤:

  1. ∣A∣=1≠0|A| = 1 \neq 0,可逆

  2. 计算代数余子式:

    • A11=1A_{11} = 1,A12=0A_{12} = 0,A13=0A_{13} = 0
    • A21=−2A_{21} = -2,A22=1A_{22} = 1,A23=0A_{23} = 0
    • A31=1A_{31} = 1,A32=−2A_{32} = -2,A33=1A_{33} = 1
  3. A∗=(1−2101−2001)A^* = \begin{pmatrix} 1 & -2 & 1 \\ 0 & 1 & -2 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

  4. A−1=(1−2101−2001)A^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & -2 & 1 \\ 0 & 1 & -2 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

答案:A−1=(1−2101−2001)A^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & -2 & 1 \\ 0 & 1 & -2 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}

练习 7

用初等行变换法求 A=(2111)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} 的逆矩阵。

参考答案

解题思路: 使用初等行变换法求逆矩阵。

详细步骤:

  1. 构造增广矩阵:(21∣1011∣01)\begin{pmatrix} 2 & 1 & | & 1 & 0 \\ 1 & 1 & | & 0 & 1 \end{pmatrix}

  2. R1↔R2R_1 \leftrightarrow R_2:(11∣0121∣10)\begin{pmatrix} 1 & 1 & | & 0 & 1 \\ 2 & 1 & | & 1 & 0 \end{pmatrix}

  3. R2−2R1R_2 - 2R_1:(11∣010−1∣1−2)\begin{pmatrix} 1 & 1 & | & 0 & 1 \\ 0 & -1 & | & 1 & -2 \end{pmatrix}

  4. R2×(−1)R_2 \times (-1):(11∣0101∣−12)\begin{pmatrix} 1 & 1 & | & 0 & 1 \\ 0 & 1 & | & -1 & 2 \end{pmatrix}

  5. R1−R2R_1 - R_2:(10∣1−101∣−12)\begin{pmatrix} 1 & 0 & | & 1 & -1 \\ 0 & 1 & | & -1 & 2 \end{pmatrix}

答案:A−1=(1−1−12)A^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 2 \end{pmatrix}

练习 8

求矩阵 A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} 的伴随矩阵。

参考答案

解题思路: 计算各元素的代数余子式。

详细步骤:

  1. 计算代数余子式:

    • A11=4A_{11} = 4,A12=−3A_{12} = -3
    • A21=−2A_{21} = -2,A22=1A_{22} = 1
  2. 按转置位置排列:A∗=(4−2−31)A^* = \begin{pmatrix} 4 & -2 \\ -3 & 1 \end{pmatrix}

答案:A∗=(4−2−31)A^* = \begin{pmatrix} 4 & -2 \\ -3 & 1 \end{pmatrix}

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