矩阵

考点定位

  • 大纲位置:线性代数第二章——矩阵(数一、数二公共考点,全科的运算枢纽)
  • 常见题型:矩阵方程求解(解答题/填空)、逆矩阵与伴随矩阵的抽象运算(选择/填空高频)、矩阵幂 AnA^n(填空或大题一步)、秩的计算与不等式应用(选择/填空)、初等变换与初等矩阵(选择)、分块矩阵行列式与求逆(填空)
  • 考查频率:高。本章自身每年直接考 1~2 道小题;更重要的是后续向量、方程组、特征值、二次型每一章的每一道题都在做矩阵运算——本章不过关,全科目崩
  • 前置知识:行列式(∣A∣≠0|A| \neq 0、代数余子式 AijA_{ij}、初等变换对行列式的作用)
  • 定位:本章是"一页运算规则 + 三套方法体系"。规则层面核心是破除数运算的直觉(无交换律、无消去律);方法层面核心是初等变换(求逆、求秩、解方程组共用一套动作)与伴随矩阵公式系统

核心讲解

概念分层:矩阵与行列式的本质区别

定义(矩阵):m×nm \times n 个数排成的 mm 行 nn 列数表

A=(a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋮am1am2⋯amn)A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{m1} & a_{m2} & \cdots & a_{mn} \end{pmatrix}

称 AA 为 m×nm \times n 矩阵,简称 A=(aij)m×nA = (a_{ij})_{m \times n}。行数列数相同的矩阵称同型;同型且对应元素相等才叫相等。行数列数都为 nn 的称 nn 阶方阵;只有一行的称行向量,一列的称列向量。

| 对象 | 行列式 ∣A∣|A| | 矩阵 AA | |------|------------|---------| | 本质 | 一个数(映射:方阵 → 数) | 一个数表(代数对象) | | 记号 | 两条竖线 | 圆括号/方括号 | | 必须是方阵 | 是 | 否(任意 m×nm \times n) | | 数乘 kk 的效果 | ∣kA∣=kn∥A∥|kA| = k^n\|A\|(整体提 nn 次) | kAkA:每个元素乘 kk | | 转置 | ∥AT∥=∥A∥\|A^T\| = \|A\|(值不变) | ATA^T 是另一个矩阵 | | "等于零" | ∥A∥=0\|A\| = 0(一个判断) | A=OA = O(零矩阵,所有元素为 0) |

初学者最常见的错误就是在这两个层面之间随意穿越(如把 ∣A+B∣|A + B| 算成 ∣A∣+∣B∣|A| + |B|)。每次落笔前先自问:我现在操作的是"数"还是"表"?

特殊矩阵:零矩阵 OO;单位阵 EE(对角线全 1、其余 0,任意阶方阵的乘法单位元,AE=EA=AAE = EA = A);对角阵 diag(a1,…,an)\mathrm{diag}(a_1, \dots, a_n);数量阵 kEkE;上/下三角阵(对方阵而言)。

矩阵的运算与易错点

加法与数乘:同型矩阵才能相加(对应元素相加);kAkA 每个元素乘 kk。加法交换律、结合律成立,A+(−A)=OA + (-A) = O。

乘法(定义):设 A=(aij)m×sA = (a_{ij})_{m \times s},B=(bij)s×nB = (b_{ij})_{s \times n}(AA 的列数必须等于 BB 的行数,否则乘法无定义),则 AB=(cij)m×nAB = (c_{ij})_{m \times n},其中

cij=ai1b1j+ai2b2j+⋯+aisbsj=∑k=1saikbkjc_{ij} = a_{i1}b_{1j} + a_{i2}b_{2j} + \cdots + a_{is}b_{sj} = \sum_{k=1}^{s} a_{ik}b_{kj}

即"左矩阵第 ii 行点乘右矩阵第 jj 列"。工程直觉:这就是你熟悉的多层网络里的批量线性变换,没有任何新东西——新的是它不满足的运算律。

成立的运算律:

  1. 结合律:(AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC)(因此 AnA^n 有意义)
  2. 左分配律 A(B+C)=AB+ACA(B + C) = AB + AC、右分配律 (B+C)A=BA+CA(B + C)A = BA + CA
  3. 数乘结合:k(AB)=(kA)B=A(kB)k(AB) = (kA)B = A(kB)
  4. EE 为单位元:EA=AE=AEA = AE = A(尺寸相容时)
  5. 转置反序:(AB)T=BTAT(AB)^T = B^T A^T(证明思路:(AB)T(AB)^T 的 (i,j)(i,j) 元 =(AB)ji=∑kajkbki=∑k(BT)ik(AT)kj=(BTAT)ij= (AB)_{ji} = \sum_k a_{jk}b_{ki} = \sum_k (B^T)_{ik}(A^T)_{kj} = (B^TA^T)_{ij},逐元素验证)

不成立的运算律(命题重灾区,各配反例):

① 无交换律:一般 AB≠BAAB \neq BA。反例:

A=(1101), B=(1011), AB=(2111)≠BA=(1112)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix},\ B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix},\ AB = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} \neq BA = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}

甚至 ABAB 有定义而 BABA 无定义(尺寸不容)。凡涉及 (A+B)2(A + B)^2、二项式展开,必须逐项检查交换性:(A+B)2=A2+AB+BA+B2(A + B)^2 = A^2 + AB + BA + B^2,不能合并成 A2+2AB+B2A^2 + 2AB + B^2(除非已知 AB=BAAB = BA)。

② 无消去律:AB=ACAB = AC 且 A≠OA \neq O,推不出 B=CB = C。反例:

A=(1111), B=(1100), C=(0011), AB=AC=(1111), B≠CA = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix},\ B = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 0 \end{pmatrix},\ C = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix},\ AB = AC = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix},\ B \neq C

③ 有零因子:AB=OAB = O 推不出 A=OA = O 或 B=OB = O。反例:

(1000)(0001)=(0000)\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}

两个非零矩阵相乘得零矩阵。这一条直接决定了"AB=OAB = O 型"问题必须用秩来回答:AB=O  ⟺  BAB = O \iff B 的每一列都是 Ax=0Ax = 0 的解(建设中:方程组章)。

矩阵的多项式:设 f(x)=amxm+⋯+a1x+a0f(x) = a_mx^m + \cdots + a_1x + a_0,定义 f(A)=amAm+⋯+a1A+a0Ef(A) = a_mA^m + \cdots + a_1A + a_0E(常数项配 EE)。同一矩阵的多项式之间可交换:f(A)g(A)=g(A)f(A)f(A)g(A) = g(A)f(A)——这是"凑因子"技巧(见逆矩阵一节)的合法来源。

转置运算律:(AT)T=A(A^T)^T = A,(A+B)T=AT+BT(A + B)^T = A^T + B^T,(kA)T=kAT(kA)^T = kA^T,(AB)T=BTAT(AB)^T = B^TA^T(反序,可推广到多个因子:(ABC)T=CTBTAT(ABC)^T = C^TB^TA^T)。

对称与反对称:AT=AA^T = A 称对称矩阵(等价于 aij=ajia_{ij} = a_{ji},对角线任意);AT=−AA^T = -A 称反对称(等价于 aij=−ajia_{ij} = -a_{ji},从而对角线必全为 0)。

  • 任一方阵可分解:A=A+AT2+A−AT2A = \dfrac{A + A^T}{2} + \dfrac{A - A^T}{2}(对称部分 + 反对称部分)
  • 奇数阶反对称矩阵的行列式为 0(选择高频):∣A∣=∣AT∣=∣−A∣=(−1)n∣A∣=−∣A∣|A| = |A^T| = |{-A}| = (-1)^n|A| = -|A|(nn 奇),故 ∣A∣=0|A| = 0

运算律对比总表:

运算律数的世界矩阵世界(同型方阵间)
交换律 ab=baab = ba成立不成立(AB≠BAAB \neq BA)
消去律 ab=ac, a≠0⇒b=cab = ac,\ a \neq 0 \Rightarrow b = c成立不成立
零因子 ab=0⇒a=0ab = 0 \Rightarrow a = 0 或 b=0b = 0成立不成立(AB=OAB = O 两因子可都非零)
平方展开 (a+b)2=a2+2ab+b2(a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2成立仅当 AB=BAAB = BA 时成立
结合律、分配律成立成立
取行列式 ∥ab∥=∥a∥∥b∥\|ab\| = \|a\|\|b\|——成立:∥AB∥=∥A∥∥B∥\|AB\| = \|A\|\|B\|(方阵;行列式把"坏运算律"修好了)

行列式乘法公式 ∣AB∣=∣A∣∣B∣|AB| = |A||B|(A,BA, B 同阶方阵)证明思路:构造 2n2n 阶分块行列式 ∣AO−EB∣=∣A∣∣B∣\begin{vmatrix} A & O \\ -E & B \end{vmatrix} = |A||B|,再用列变换把它化为 ∣OAB−EB∣\begin{vmatrix} O & AB \\ -E & B \end{vmatrix},后者按拉普拉斯展开(见本章分块一节)为 ∣AB∣|AB|。

方阵的幂:五种求法

AnA^n 是填空题与综合题的常客,方法按矩阵结构选择:

(1)归纳法(低阶、元素简单):先算 A2,A3A^2, A^3 找规律,再用数学归纳法证明。经典例子:

A=(1101):An=(1n01)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}:\quad A^n = \begin{pmatrix} 1 & n \\ 0 & 1 \end{pmatrix}

归纳证明:An+1=AnA=(1n01)(1101)=(1n+101)A^{n+1} = A^nA = \begin{pmatrix} 1 & n \\ 0 & 1 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & n+1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} ✓。

另一个好用结构:旋转矩阵 A=(0−110)A = \begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix},A2=−EA^2 = -E,A4=EA^4 = E,故 AnA^n 以 4 为周期(A4k+r=ArA^{4k+r} = A^r)。(工程直觉:平面旋转 90°。)

(2)多项式递推(利用矩阵关系式):若已知 A2=EA^2 = E(对合)或 A2=AA^2 = A(幂等)或 A3=AA^3 = A 之类,AnA^n 按周期/降次处理。例:A2=EA^2 = E 时 A2k=EA^{2k} = E,A2k+1=AA^{2k+1} = A。

(3)秩 1 分解法:若 r(A)=1r(A) = 1(任意两行成比例),则 AA 可写成列向量 × 行向量:A=αβTA = \alpha\beta^T,且

An=α(βTα)n−1βT=(βTα)n−1AA^n = \alpha(\beta^T\alpha)^{n-1}\beta^T = (\beta^T\alpha)^{n-1} A

证明:A2=αβTαβT=α(βTα)βTA^2 = \alpha\beta^T\alpha\beta^T = \alpha(\beta^T\alpha)\beta^T,其中 βTα\beta^T\alpha 是数,可提出,归纳即得。

例题 1(模拟题):设 A=(1224)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 4 \end{pmatrix},求 AnA^n。

解析:各行成比例,r(A)=1r(A) = 1。取 α=(1,2)T\alpha = (1, 2)^T,β=(1,2)T\beta = (1, 2)^T,则 A=αβTA = \alpha\beta^T,βTα=1⋅1+2⋅2=5\beta^T\alpha = 1\cdot1 + 2\cdot2 = 5,故

An=5n−1A=(5n−12⋅5n−12⋅5n−14⋅5n−1)A^n = 5^{n-1} A = \begin{pmatrix} 5^{n-1} & 2\cdot 5^{n-1} \\ 2\cdot 5^{n-1} & 4\cdot 5^{n-1} \end{pmatrix}

复核:A2=(5101020)=5AA^2 = \begin{pmatrix} 5 & 10 \\ 10 & 20 \end{pmatrix} = 5A ✓。

(4)分块对角法:(AOOB)n=(AnOOBn)\begin{pmatrix} A & O \\ O & B \end{pmatrix}^n = \begin{pmatrix} A^n & O \\ O & B^n \end{pmatrix};副对角分块 (OABO)2k=((AB)kOO(BA)k)\begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}^{2k} = \begin{pmatrix} (AB)^k & O \\ O & (BA)^k \end{pmatrix},奇次幂保持副对角结构。大矩阵幂先看能否分块。

(5)对角化预演(通用终极武器):若存在可逆 PP 使 P−1AP=Λ=diag(λ1,…,λn)P^{-1}AP = \Lambda = \mathrm{diag}(\lambda_1, \dots, \lambda_n),则 An=PΛnP−1A^n = P\Lambda^nP^{-1},而 Λn=diag(λ1n,…,λnn)\Lambda^n = \mathrm{diag}(\lambda_1^n, \dots, \lambda_n^n) 秒算。此法的完整理论(特征值、特征向量、可对角化条件)在后续章节(建设中)展开;此处先记住结论与用法:凡矩阵出现高次幂、多项式 f(A)f(A),第一反应是"能否对角化"。

逆矩阵

定义:设 AA 为 nn 阶方阵,若存在 nn 阶方阵 BB 使 AB=BA=EAB = BA = E,则称 AA 可逆,BB 为 AA 的逆矩阵,记 A−1A^{-1}。

唯一性:若 B,CB, C 都是 AA 的逆,则 B=B(AC)=(BA)C=CB = B(AC) = (BA)C = C(第一、三个等号用结合律,中间用 AC=EAC = E、BA=EBA = E)。故"逆"唯一,记号 A−1A^{-1} 合法。

定理(可逆的充要条件):nn 阶方阵 AA 可逆   ⟺  ∣A∣≠0\iff |A| \neq 0(此时称 AA 非奇异/非退化)。

证明:必要性:AB=EAB = E 两边取行列式,∣A∣∣B∣=∣E∣=1|A||B| = |E| = 1,故 ∣A∣≠0|A| \neq 0。充分性:∣A∣≠0|A| \neq 0 时,下式 A⋅A∗∣A∣=EA \cdot \dfrac{A^*}{|A|} = E 给出显式逆(见伴随矩阵)。证毕。

可逆性的等价刻画链(随章节推进不断扩充,选择/证明题的骨架):

逆的运算律(A,BA, B 可逆,k≠0k \neq 0):(A−1)−1=A(A^{-1})^{-1} = A;(kA)−1=1kA−1(kA)^{-1} = \dfrac{1}{k}A^{-1};(AT)−1=(A−1)T(A^T)^{-1} = (A^{-1})^T;(AB)−1=B−1A−1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}(反序,多个因子同理);(Am)−1=(A−1)m(A^m)^{-1} = (A^{-1})^m。

伴随矩阵与 AA∗=∣A∣EAA^* = |A|E 公式系统

定义(伴随矩阵):设 AijA_{ij} 为 aija_{ij} 的代数余子式(见 行列式),称

A∗=(A11A21⋯An1A12A22⋯An2⋮⋮⋮A1nA2n⋯Ann)A^* = \begin{pmatrix} A_{11} & A_{21} & \cdots & A_{n1} \\ A_{12} & A_{22} & \cdots & A_{n2} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ A_{1n} & A_{2n} & \cdots & A_{nn} \end{pmatrix}

为 AA 的伴随矩阵——第 ii 行放的是第 ii 列的代数余子式(转置排列!),这是伴随矩阵第一大坑。

定理(母公式):

AA∗=A∗A=∣A∣EA A^* = A^* A = |A| E

证明:(AA∗)ik=∑j=1naijAkj(AA^*)_{ik} = \sum_{j=1}^n a_{ij} A_{kj}。由行列式按行展开定理与错位展开定理(行列式),该和当 k=ik = i 时等于 ∣A∣|A|、当 k≠ik \neq i 时等于 00——恰为 ∣A∣δik|A|\delta_{ik},即 AA∗=∣A∣EAA^* = |A|E;同理 A∗A=∣A∣EA^*A = |A|E。伴随矩阵是行列式展开定理在矩阵世界的直接化身。

由母公式立即得到伴随公式系统(nn 阶方阵 AA,k≠0k \neq 0,相关方阵可逆):

公式来源/备注
A−1=A∗∥A∥A^{-1} = \dfrac{A^*}{\|A\|}(∥A∥≠0\|A\| \neq 0)母公式两边除 ∥A∥\|A\|
A∗=∥A∥A−1A^* = \|A\| A^{-1}上式变形(抽象题首选形态)
∥A∗∥=∥A∥n−1\|A^*\| = \|A\|^{n-1}母公式取行列式:∥A∥⋅∥A∗∥=∥A∥n\|A\|\cdot\|A^*\| = \|A\|^n(n≥2n \geq 2 时 ∥A∥=0\|A\| = 0 亦成立,需用秩论证)
(A∗)∗=∥A∥n−2A(A^*)^* = \|A\|^{n-2} A对 A∗A^* 再用 A∗=∥A∥A−1A^* = \|A\|A^{-1} 两次
(AB)∗=B∗A∗(AB)^* = B^* A^*(反序)B∗A∗=∥B∥B−1⋅∥A∥A−1=∥AB∥(AB)−1=(AB)∗B^*A^* = \|B\|B^{-1}\cdot\|A\|A^{-1} = \|AB\|(AB)^{-1} = (AB)^*
(kA)∗=kn−1A∗(kA)^* = k^{n-1} A^*定义直接验证(每个 n−1n-1 阶子式提出 kn−1k^{n-1})
(AT)∗=(A∗)T(A^T)^* = (A^*)^T定义验证
(A−1)∗=(A∗)−1=A∥A∥(A^{-1})^* = (A^*)^{-1} = \dfrac{A}{\|A\|}∥A−1∥=1∥A∥\|A^{-1}\| = \dfrac{1}{\|A\|},代入 A∗=∥A∥A−1A^* = \|A\|A^{-1} 的逆版本
r(A∗)={n,r(A)=n1,r(A)=n−10,r(A)≤n−2r(A^*) = \begin{cases} n, & r(A) = n \\ 1, & r(A) = n-1 \\ 0, & r(A) \leq n-2 \end{cases}见本章秩一节(高频选择)

例题 2(抽象伴随运算,模拟题):设 AA 为三阶方阵,∣A∣=2|A| = 2,求 ∣(2A)−1−3A∗∣|(2A)^{-1} - 3A^*|。

解析:统一化为 A∗A^*(或 A−1A^{-1})的倍数。(2A)−1=12A−1=12⋅A∗∣A∣=A∗4(2A)^{-1} = \dfrac{1}{2}A^{-1} = \dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{A^*}{|A|} = \dfrac{A^*}{4},故

(2A)−1−3A∗=(14−3)A∗=−114A∗(2A)^{-1} - 3A^* = \left(\frac{1}{4} - 3\right)A^* = -\frac{11}{4} A^*

∣−114A∗∣=(−114)3∣A∗∣=(−114)3⋅∣A∣n−1=−133164⋅22=−133116\left|-\frac{11}{4} A^*\right| = \left(-\frac{11}{4}\right)^3 |A^*| = \left(-\frac{11}{4}\right)^3 \cdot |A|^{n-1} = -\frac{1331}{64}\cdot 2^2 = -\frac{1331}{16}

(两处易错:数乘矩阵取行列式要 nn 次方;∣A∗∣=∣A∣n−1|A^*| = |A|^{n-1} 的指数是 n−1n - 1 不是 nn。)

凑因子技巧(抽象求逆/化简):已知 AA 的多项式等式,把要求的对象"凑"成乘积等于 EE 的倍数。

例题 3(模拟题):设 A2−3A−2E=OA^2 - 3A - 2E = O,证明 AA 与 A−4EA - 4E 都可逆,并求其逆。

解析:A2−3A=2E⇒A(A−3E)=2E⇒A⋅A−3E2=EA^2 - 3A = 2E \Rightarrow A(A - 3E) = 2E \Rightarrow A \cdot \dfrac{A - 3E}{2} = E,又同一矩阵的多项式可交换,A−3E2⋅A=E\dfrac{A-3E}{2} \cdot A = E,故 A−1=12(A−3E)A^{-1} = \dfrac{1}{2}(A - 3E)。

对 A−4EA - 4E:凑常数项。(A−4E)(A+E)=A2−3A−4E=(A2−3A−2E)−2E=−2E(A - 4E)(A + E) = A^2 - 3A - 4E = (A^2 - 3A - 2E) - 2E = -2E,故 (A−4E)⋅(−A+E2)=E(A - 4E) \cdot \left(-\dfrac{A + E}{2}\right) = E,即 (A−4E)−1=−12(A+E)(A - 4E)^{-1} = -\dfrac{1}{2}(A + E)。

求逆的两种方法

方法一:伴随矩阵法。A−1=A∗∣A∣A^{-1} = \dfrac{A^*}{|A|}。对二阶矩阵有秒杀口诀:A=(abcd)A = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} 时

A−1=1ad−bc(d−b−ca)A^{-1} = \frac{1}{ad - bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}

主对角元素互换、副对角元素变号,再除以行列式。注意此口诀只对二阶成立(三阶及以上伴随要算 9 个以上代数余子式并转置排列,易错且慢,仅作理论工具)。

方法二:初等变换法(三阶及以上主力)。对 (A∣E)(A \mid E) 做初等行变换,把左边化为 EE,右边自动成为 A−1A^{-1}:

(A∣E)→行变换(E∣A−1)(A \mid E) \xrightarrow{\text{行变换}} (E \mid A^{-1})

原理:存在可逆 P=A−1P = A^{-1} 使 PA=EPA = E,而行变换等价于左乘(见下一节),于是同一串行变换作用在 EE 上得到 PE=A−1PE = A^{-1}。

例题 4(模拟题):求 A=(123221343)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 2 & 1 \\ 3 & 4 & 3 \end{pmatrix} 的逆。

解析:先验可逆性:∣A∣=1⋅(6−4)−2⋅(6−3)+3⋅(8−6)=2−6+6=2≠0|A| = 1\cdot(6 - 4) - 2\cdot(6 - 3) + 3\cdot(8 - 6) = 2 - 6 + 6 = 2 \neq 0 ✓。做行变换:

(A∣E)=(123100221010343001)→r2−2r1, r3−3r1(1231000−2−5−2100−2−6−301)(A \mid E) = \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 2 & 2 & 1 & 0 & 1 & 0 \\ 3 & 4 & 3 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right) \xrightarrow{r_2 - 2r_1,\ r_3 - 3r_1} \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & -5 & -2 & 1 & 0 \\ 0 & -2 & -6 & -3 & 0 & 1 \end{array}\right)

→r3−r2(1231000−2−5−21000−1−1−11)→r3×(−1)(1231000−2−5−21000111−1)\xrightarrow{r_3 - r_2} \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & -5 & -2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & -1 & -1 & -1 & 1 \end{array}\right) \xrightarrow{r_3 \times (-1)} \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & -5 & -2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & -1 \end{array}\right)

回代消上三角部分:r2+5r3r_2 + 5r_3,r1−3r3r_1 - 3r_3:

(120−2−330−2036−500111−1)→r2×(−12)(120−2−33010−32−35200111−1)→r1−2r2(10013−2010−32−35200111−1)\left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 2 & 0 & -2 & -3 & 3 \\ 0 & -2 & 0 & 3 & 6 & -5 \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & -1 \end{array}\right) \xrightarrow{r_2 \times (-\frac{1}{2})} \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 2 & 0 & -2 & -3 & 3 \\ 0 & 1 & 0 & -\frac{3}{2} & -3 & \frac{5}{2} \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & -1 \end{array}\right) \xrightarrow{r_1 - 2r_2} \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 0 & 1 & 3 & -2 \\ 0 & 1 & 0 & -\frac{3}{2} & -3 & \frac{5}{2} \\ 0 & 0 & 1 & 1 & 1 & -1 \end{array}\right)

A−1=(13−2−32−35211−1)A^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & 3 & -2 \\[2pt] -\frac{3}{2} & -3 & \frac{5}{2} \\[2pt] 1 & 1 & -1 \end{pmatrix}

验算:AA−1=EAA^{-1} = E 意味着对角元为 1、非对角元为 0,先想清楚该验哪个位置再动笔。抽查对角元(AA 的第 ii 行点乘 A−1A^{-1} 的第 ii 列):

(1,1) 元=(1,2,3)⋅(1,−32,1)T=1−3+3=1✓(1,1)\text{ 元} = (1,2,3)\cdot\left(1, -\tfrac{3}{2}, 1\right)^T = 1 - 3 + 3 = 1 \checkmark

(2,2) 元=(2,2,1)⋅(3,−3,1)T=6−6+1=1✓(3,3) 元=(3,4,3)⋅(−2,52,−1)T=−6+10−3=1✓(2,2)\text{ 元} = (2,2,1)\cdot\left(3, -3, 1\right)^T = 6 - 6 + 1 = 1 \checkmark\qquad (3,3)\text{ 元} = (3,4,3)\cdot\left(-2, \tfrac{5}{2}, -1\right)^T = -6 + 10 - 3 = 1 \checkmark

再抽一个非对角元(应为 00):(1,2)(1,2) 元 =(1,2,3)⋅(3,−3,1)T=3−6+3=0= (1,2,3)\cdot(3, -3, 1)^T = 3 - 6 + 3 = 0 ✓。结果可靠。

初等变换与初等矩阵

定义(初等变换):以下三类操作统称初等变换(行/列通用):

  1. 换:交换两行(列)
  2. 倍:某行(列)乘非零常数 kk
  3. 倍加:某行(列)的 kk 倍加到另一行(列)

定义(初等矩阵):单位阵 EE 经过一次初等变换得到的矩阵,对应三类:

E(i,j)=交换 i,j 两行(列),E(i(k))=第 i 行(列)乘 k (k≠0),E(i,j(k))=第 j 行的 k 倍加到第 i 行E(i, j) = \text{交换 } i, j \text{ 两行(列)},\quad E(i(k)) = \text{第 } i \text{ 行(列)乘 } k\ (k \neq 0),\quad E(i, j(k)) = \text{第 } j \text{ 行的 } k \text{ 倍加到第 } i \text{ 行}

定理(左行右列):对 AA 做一次初等行变换   ⟺  \iff 在 AA 左边乘相应的初等矩阵;做一次初等列变换   ⟺  \iff 在右边乘相应的初等矩阵。

证明思路:逐类验证矩阵乘法。以 E(i,j(k))E(i, j(k)) 左乘为例:(E(i,j(k)) A)(E(i,j(k))\,A) 的第 ii 行 =E= E 的第 ii 行(第 ii 个位置 1、第 jj 个位置 kk)乘 AA =A= A 的第 ii 行 +k×A+ k \times A 的第 jj 行,其余行不变——恰是"ri+krjr_i + kr_j"。右乘列情形对偶(注意 AE(i,j(k))AE(i, j(k)) 是把第 ii 列的 kk 倍加到第 jj 列,指标方向相反)。

口诀:左乘行、右乘列;行变换从左往右读,列变换从右往左读。

定理(初等矩阵可逆):初等矩阵皆可逆,且逆仍是同类初等矩阵:

E(i,j)−1=E(i,j),E(i(k))−1=E ⁣(i ⁣(1k)),E(i,j(k))−1=E(i,j(−k))E(i, j)^{-1} = E(i, j),\qquad E(i(k))^{-1} = E\!\left(i\!\left(\tfrac{1}{k}\right)\right),\qquad E(i, j(k))^{-1} = E(i, j(-k))

(逆变换本身也是初等变换。)

定理(可逆阵的分解):AA 可逆   ⟺  \iff AA 可写成有限个初等矩阵的乘积。

证明思路:可逆 ⇒r(A)=n⇒A\Rightarrow r(A) = n \Rightarrow A 经初等行变换化为 EE,即存在初等矩阵 P1,…,PsP_1, \dots, P_s 使 Ps⋯P1A=EP_s \cdots P_1 A = E,故 A=P1−1⋯Ps−1A = P_1^{-1} \cdots P_s^{-1} 是初等矩阵之积;反向,初等矩阵都可逆,可逆阵之积可逆。证毕。

矩阵等价与标准形:若 AA 经初等变换(行+列)化为 BB,称 AA 与 BB 等价,记 A≅BA \cong B。等价   ⟺  \iff 同型且 r(A)=r(B)  ⟺  r(A) = r(B) \iff 存在可逆 P,QP, Q 使 PAQ=BPAQ = B。任何 m×nm \times n 矩阵都等价于等价标准形

(ErOOO),r=r(A)\begin{pmatrix} E_r & O \\ O & O \end{pmatrix}, \qquad r = r(A)

这个 rr 就是秩——初等变换不改变矩阵的秩,标准形把"秩"这个数字暴露在对角线上。

矩阵的秩

定义(子式与秩):在 m×nm \times n 矩阵 AA 中任取 kk 行 kk 列,交叉处的 k2k^2 个元素按原位置构成的 kk 阶行列式称 AA 的一个 kk 阶子式。AA 的秩 r(A)r(A) 定义为非零子式的最高阶数(规定 r(O)=0r(O) = 0)。等价说法:r(A)=r  ⟺  r(A) = r \iff 存在 rr 阶非零子式且所有 r+1r+1 阶子式(若存在)全为 00。

显然 0≤r(A)≤min⁡(m,n)0 \leq r(A) \leq \min(m, n);nn 阶方阵 r(A)=n  ⟺  ∣A∣≠0r(A) = n \iff |A| \neq 0(nn 阶子式只有一个,就是 ∣A∣|A|)。

定理(初等变换求秩):初等变换不改变矩阵的秩。因此把 AA 用行变换化为行阶梯形(每个非零行首个非零元下方全为 0 的阶梯状),非零行的行数即 r(A)r(A)。

证明思路:先证"倍加不变秩":若 ri+krjr_i + kr_j 把某个 rr 阶非零子式变没了,反向变换 ri−krjr_i - kr_j 能变回来,矛盾于"两矩阵互相可化"。换行、倍乘显然不产生/消灭非零子式的最高阶数。更代数的说法:初等矩阵可逆,而可逆乘不改变秩(下条)。

推论:P,QP, Q 可逆时 r(PAQ)=r(A)r(PAQ) = r(A)(可逆阵是初等矩阵之积,逐个乘不改变秩)。

例题 5(模拟题):求 A=(1−1212−242306−1)A = \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 2 & -2 & 4 & 2 \\ 3 & 0 & 6 & -1 \end{pmatrix} 的秩。

解析:r2−2r1→(0,0,0,0)r_2 - 2r_1 \to (0,0,0,0);r3−3r1→(0,3,0,−4)r_3 - 3r_1 \to (0, 3, 0, -4):

A→(1−121030−40000)A \to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 2 & 1 \\ 0 & 3 & 0 & -4 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}

两个非零阶梯行,r(A)=2r(A) = 2。(可用子式复核:取第 1、3 行与第 1、2 列,∣1−130∣=3≠0\begin{vmatrix} 1 & -1 \\ 3 & 0 \end{vmatrix} = 3 \neq 0,确有 2 阶非零子式。)

秩的性质与不等式总表(AA 为 m×nm \times n,BB 为 n×sn \times s,P,QP, Q 可逆,k≠0k \neq 0):

结论备注/等号情形
0≤r(A)≤min⁡(m,n)0 \leq r(A) \leq \min(m, n),r(A)=r(AT)r(A) = r(A^T),r(kA)=r(A)r(kA) = r(A)基本性质
r(PAQ)=r(A)r(PAQ) = r(A),r(AB)=r(B)r(AB) = r(B)(AA 为 nn 阶可逆)可逆因子可"约去"
r(A+B)≤r(A)+r(B)r(A + B) \leq r(A) + r(B)同型;和的秩不超秩之和
r(AB)≤min⁡{r(A),r(B)}r(AB) \leq \min\{r(A), r(B)\}秩只会越乘越小
r(AB)≥r(A)+r(B)−nr(AB) \geq r(A) + r(B) - nSylvester 不等式,nn 为 AA 的列数(BB 的行数)
r(ATA)=r(A)r(A^T A) = r(A)数一要求;思路:Ax=0  ⟺  ATAx=0Ax = 0 \iff A^TAx = 0(建设中:方程组章)
r ⁣(AOOB)=r(A)+r(B)r\!\left(\begin{smallmatrix} A & O \\ O & B \end{smallmatrix}\right) = r(A) + r(B)分块对角
r(A∗)=n / 1 / 0r(A^*) = n\ /\ 1\ /\ 0,当 r(A)=n / n−1 / ≤n−2r(A) = n\ /\ n-1\ /\ \leq n-2伴随三段论(下面证明思路)

r(A∗)r(A^*) 三段论证明思路:① r(A)=nr(A) = n:∣A∗∣=∣A∣n−1≠0|A^*| = |A|^{n-1} \neq 0,故 r(A∗)=nr(A^*) = n。② r(A)=n−1r(A) = n - 1:∣A∣=0⇒AA∗=O|A| = 0 \Rightarrow AA^* = O,由 AB=OAB = O 的秩关系(r(A)+r(B)≤nr(A) + r(B) \leq n,建设中:方程组章)得 r(A∗)≤1r(A^*) \leq 1;又 r(A)=n−1r(A) = n-1 意味着存在非零的 n−1n-1 阶子式,即 A∗A^* 至少有一个非零元素,r(A∗)≥1r(A^*) \geq 1,故 =1= 1。③ r(A)≤n−2r(A) \leq n - 2:所有 n−1n-1 阶子式全为 0,A∗=OA^* = O,r(A∗)=0r(A^*) = 0。

例题 6(模拟题):设 AA 为 4×34 \times 3 矩阵,r(A)=2r(A) = 2,B=(102020k01)B = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 2 \\ 0 & 2 & 0 \\ k & 0 & 1 \end{pmatrix}。若要求对一切满足 r(A)=2r(A) = 2 的 AA 都有 r(AB)=2r(AB) = 2,参数 kk 应满足什么条件?

解析:先算 ∣B∣=1⋅(2⋅1−0)−0+2⋅(0⋅0−2k)=2−4k|B| = 1\cdot(2\cdot 1 - 0) - 0 + 2\cdot(0\cdot 0 - 2k) = 2 - 4k。

当 k≠12k \neq \dfrac{1}{2} 时 ∣B∣≠0|B| \neq 0,BB 可逆,由"可逆因子不改变秩"(秩总表第二条),r(AB)=r(A)=2r(AB) = r(A) = 2 对一切 AA 成立 ✓。

当 k=12k = \dfrac{1}{2} 时 ∣B∣=0|B| = 0(第 3 列是第 1 列的 2 倍),BB 不可逆,此时可以构造出反例:取

A=(−1201010000000),r(A)=2A = \begin{pmatrix} -\frac{1}{2} & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix},\qquad r(A) = 2

则 ABAB 的第 1、3 列均为 A(101/2)A\begin{pmatrix}1\\0\\1/2\end{pmatrix}、A(201)A\begin{pmatrix}2\\0\\1\end{pmatrix} 的倍数,逐个验证都是零向量(如第 1 列 =(−12⋅1+1⋅12, 0, 0, 0)T=O= \left(-\frac{1}{2}\cdot 1 + 1\cdot\frac{1}{2},\ 0,\ 0,\ 0\right)^T = O),而第 2 列 =(0,2,0,0)T≠O= (0, 2, 0, 0)^T \neq O,故 r(AB)=1≠2r(AB) = 1 \neq 2。这说明 k=12k = \frac{1}{2} 不满足"对一切 AA"的要求。

答案:k≠12k \neq \dfrac{1}{2}。

(本题套路:要保证 r(AB)=r(A)r(AB) = r(A),充分条件是 BB 可逆;含参数矩阵先算行列式找退化点,退化点上用具体反例否决。)

分块矩阵

把矩阵用横线竖线分成子块,把每个子块当"元素"做运算(要求分块方式相容:加法对应同型分块;乘法要求左矩阵列的分法与右矩阵行的分法一致)。

分块对角矩阵:

A=(A1A2⋱)⇒∣A∣=∣A1∣∣A2∣⋯ ,An=(A1nA2n⋱),A−1=(A1−1A2−1⋱)A = \begin{pmatrix} A_1 & & \\ & A_2 & \\ & & \ddots \end{pmatrix} \Rightarrow |A| = |A_1||A_2|\cdots,\quad A^n = \begin{pmatrix} A_1^n & & \\ & A_2^n & \\ & & \ddots \end{pmatrix},\quad A^{-1} = \begin{pmatrix} A_1^{-1} & & \\ & A_2^{-1} & \\ & & \ddots \end{pmatrix}

拉普拉斯展开(分块行列式):设 AA 为 mm 阶、BB 为 nn 阶方阵:

∣AOOB∣=∣A∣∣B∣,∣OABO∣=(−1)mn∣A∣∣B∣,∣ACOB∣=∣AODB∣=∣A∣∣B∣\begin{vmatrix} A & O \\ O & B \end{vmatrix} = |A||B|,\qquad \begin{vmatrix} O & A \\ B & O \end{vmatrix} = (-1)^{mn}|A||B|,\qquad \begin{vmatrix} A & C \\ O & B \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} A & O \\ D & B \end{vmatrix} = |A||B|

(副对角块要乘符号 (−1)mn(-1)^{mn};只要块是三角形状(对角块方阵),行列式就是对角块行列式之积。)证明思路:把 BB 所在的 nn 行与 AA 所在的 mm 行对换(共 mnmn 次相邻对换,产生 (−1)mn(-1)^{mn})可把 ∣OABO∣\begin{vmatrix} O & A \\ B & O \end{vmatrix} 化为 ∣BOOA∣\begin{vmatrix} B & O \\ O & A \end{vmatrix};三角分块情形用"非零项必取各对角块对角线乘积"论证(同 行列式 上三角的证明)。符号速验:∣0ab0∣=−ab\begin{vmatrix} 0 & a \\ b & 0 \end{vmatrix} = -ab,即 m=n=1m = n = 1 时 (−1)mn=−1(-1)^{mn} = -1 ✓。

分块求逆(设 A,BA, B 可逆):

(AOOB)−1=(A−1OOB−1),(OABO)−1=(OB−1A−1O)\begin{pmatrix} A & O \\ O & B \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & O \\ O & B^{-1} \end{pmatrix},\qquad \begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ A^{-1} & O \end{pmatrix}

(ACOB)−1=(A−1−A−1CB−1OB−1)\begin{pmatrix} A & C \\ O & B \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & -A^{-1}CB^{-1} \\ O & B^{-1} \end{pmatrix}

(验证方式:两块相乘等于 (EOOE)\begin{pmatrix} E & O \\ O & E \end{pmatrix} 即可,上三角分块逆的右上角是唯一的待定块,用待定系数法求出。)

例题 7(模拟题):设 A=(001200030)A = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 1 \\ 2 & 0 & 0 \\ 0 & 3 & 0 \end{pmatrix},求 ∣A∣|A| 与 A−1A^{-1}。

解析:按分块看:A=(O1×21BO2×1)A = \begin{pmatrix} O_{1\times 2} & 1 \\ B & O_{2\times 1} \end{pmatrix},其中 B=(2003)B = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}。这是副对角分块(A1=(1)A_1 = (1) 为 1 阶,BB 为 2 阶,mn=2mn = 2):

∣A∣=(−1)1⋅2⋅1⋅∣B∣=6|A| = (-1)^{1 \cdot 2}\cdot 1 \cdot |B| = 6

A−1=(OB−11−1O)=(01200013100)A^{-1} = \begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ 1^{-1} & O \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & \frac{1}{2} & 0 \\ 0 & 0 & \frac{1}{3} \\ 1 & 0 & 0 \end{pmatrix}

验算 AA−1AA^{-1} 的 (1,1)(1,1) 元:AA 第 1 行 (0,0,1)(0,0,1) 乘 A−1A^{-1} 第 1 列 (0,0,1)T=1(0,0,1)^T = 1 ✓;(2,2)(2,2) 元:(2,0,0)⋅(12,0,0)T=1(2,0,0)\cdot(\frac{1}{2},0,0)^T = 1 ✓。

矩阵方程 AX = B 的三类解法

第一类:AA 可逆(方阵、∣A∣≠0|A| \neq 0)——两边左乘 A−1A^{-1}:X=A−1BX = A^{-1}B。不要先求 A−1A^{-1} 再做矩阵乘法(两步运算量),直接对 (A∣B)(A \mid B) 做初等行变换:

(A∣B)→行变换(E∣A−1B)(A \mid B) \xrightarrow{\text{行变换}} (E \mid A^{-1}B)

原理与求逆的初等变换法相同:左乘 A−1A^{-1} 这串行变换同时作用在 BB 上。

例题 8(模拟题):设 A=(2513)A = \begin{pmatrix} 2 & 5 \\ 1 & 3 \end{pmatrix},B=(4−621)B = \begin{pmatrix} 4 & -6 \\ 2 & 1 \end{pmatrix},解 AX=BAX = B。

解析:∣A∣=6−5=1≠0|A| = 6 - 5 = 1 \neq 0,X=A−1BX = A^{-1}B。二阶直接用口诀与乘法:

A−1=(3−5−12),X=A−1B=(3⋅4+(−5)⋅23⋅(−6)+(−5)⋅1−1⋅4+2⋅2(−1)(−6)+2⋅1)=(2−2308)A^{-1} = \begin{pmatrix} 3 & -5 \\ -1 & 2 \end{pmatrix},\qquad X = A^{-1}B = \begin{pmatrix} 3\cdot 4 + (-5)\cdot 2 & 3\cdot(-6) + (-5)\cdot 1 \\ -1\cdot 4 + 2\cdot 2 & (-1)(-6) + 2\cdot 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & -23 \\ 0 & 8 \end{pmatrix}

验算:AX=(2⋅2+5⋅02⋅(−23)+5⋅81⋅2+3⋅0−23+24)=(4−621)=BAX = \begin{pmatrix} 2\cdot 2 + 5\cdot 0 & 2\cdot(-23) + 5\cdot 8 \\ 1\cdot 2 + 3\cdot 0 & -23 + 24 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 & -6 \\ 2 & 1 \end{pmatrix} = B ✓。

变体 XA=BXA = B:解为 X=BA−1X = BA^{-1}。两种处理:① 转置化归:ATXT=BTA^TX^T = B^T,用第一类解出 XTX^T 再转置;② 对 (AB)\begin{pmatrix} A \\ B \end{pmatrix} 做初等列变换化为 (EBA−1)\begin{pmatrix} E \\ BA^{-1} \end{pmatrix}。注意 XA=BXA = B 的解不是 A−1BA^{-1}B(左乘右乘位置别颠倒)。

第二类:AA 不可逆(或非方阵)——不能左乘逆,改用元素法:设 X=(xij)X = (x_{ij}),代入 AX=BAX = B 展开,逐列看作线性方程组 A (X 的第 j 列)=BA\,(\text{X 的第 } j \text{ 列}) = B 的第 jj 列,用秩的判定与解的结构求解(无解/唯一/无穷多,完整理论在建设中:线性方程组章)。含参数讨论题(大题第一问常客)属于这一类。

第三类:抽象方程(凑因子型)——已知 AA 满足的多项式关系,求 XX 使某个含 A,XA, X 的等式成立。套路:把等式凑成 ()⋅X=(可逆阵)() \cdot X = (\text{可逆阵}) 或 X⋅()=EX \cdot () = E 的倍数,用"同一矩阵的多项式可交换"。例见例题 3:由 A2−3A−2E=OA^2 - 3A - 2E = O 凑 A(A−3E)=2EA(A - 3E) = 2E。再如已知 AX=XAA X = X A 之类条件等式,通常先展开、再用交换性消元。

方法选择流程:

常见坑

  1. 把数运算律搬到矩阵:AB≠BAAB \neq BA、(AB)2≠A2B2(AB)^2 \neq A^2B^2、(A+B)2≠A2+2AB+B2(A + B)^2 \neq A^2 + 2AB + B^2、AB=ACAB = AC 不能消去 AA、AB=OAB = O 不能推出 A=OA = O 或 B=OB = O。每条都要能默写反例
  2. ∣A+B∣≠∣A∣+∣B∣|A + B| \neq |A| + |B|、∣kA∣=kn∣A∣|kA| = k^n|A|、∣AB∣=∣A∣∣B∣|AB| = |A||B|(同阶方阵):数层与表层的转换只认这三条及推论
  3. 伴随矩阵的排列是转置:A∗A^* 的 (i,j)(i, j) 元是 AjiA_{ji}。二阶口诀"主换副变号"只对二阶;三阶手算伴随极易错,考场上三阶及以上求逆一律用初等变换法
  4. 反序规则一族:(AB)T=BTAT(AB)^T = B^TA^T、(AB)−1=B−1A−1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}、(AB)∗=B∗A∗(AB)^* = B^*A^*——多个因子"彻底反序",中间夹着不反序的(如 ∣AB∣=∣A∣∣B∣|AB| = |A||B|)要分清
  5. 求逆/解方程的行变换纪律:(A∣E)(A \mid E) 求 A−1A^{-1}、(A∣B)(A \mid B) 解 AX=BAX = B 只许用行变换;中途用了列变换全盘皆错。若左边化不出 EE(出现零行),说明 AA 不可逆/方程需第二类方法
  6. 凑因子时的非法消去:由 (A−E)(A−2E)=O(A - E)(A - 2E) = O 只能得"两因子之积为零",不能推出 A=EA = E 或 A=2EA = 2E(无零因子律);正确出路是秩不等式(建设中:方程组章)
  7. 秩不等式方向记反:越乘越小(≤min⁡\leq \min)、越加越大不行(r(A+B)≤r(A)+r(B)r(A+B) \leq r(A) + r(B))、Sylvester 的 nn 是"公共维数"(AA 的列数 = BB 的行数)
  8. r(A∗)r(A^*) 三段论的边界:中间档是 r(A)=n−1⇒r(A∗)=1r(A) = n - 1 \Rightarrow r(A^*) = 1;考题爱取 n=3,r(A)=2n = 3, r(A) = 2 或 n=4,r(A)=2n = 4, r(A) = 2(后者 r(A∗)=0r(A^*) = 0,别顺手写 1)
  9. 副对角分块的符号与求逆:行列式要 (−1)mn(-1)^{mn},逆要把两块互换位置再各自求逆((OABO)−1=(OB−1A−1O)\begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ A^{-1} & O \end{pmatrix},注意 B−1B^{-1} 在右上)
  10. 验算规则:AA−1=EAA^{-1} = E 的验算是"对角元 1、非对角元 0",先想清楚再抽查两三个位置;矩阵方程解完务必代回一列验算

自测

  1. 设 A=(1234)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix},求 A−1A^{-1} 与 AnA^n 的思路判断(AA 能否用秩 1 分解?为什么)。
  2. 设 AA 为三阶方阵,∣A∣=2|A| = 2,求 ∣(2A)−1−3A∗∣|(2A)^{-1} - 3A^*|。
  3. 设 A=(1101)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix},求 A10A^{10}。
  4. 求 A=(123234345)A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 3 & 4 \\ 3 & 4 & 5 \end{pmatrix} 的秩。
  5. 解矩阵方程 AX=BAX = B,其中 A=(1101)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix},B=(1234)B = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}。

自测答案

  1. ∣A∣=4−6=−2≠0|A| = 4 - 6 = -2 \neq 0,A−1=1−2(4−2−31)=(−2132−12)A^{-1} = \dfrac{1}{-2}\begin{pmatrix} 4 & -2 \\ -3 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 & 1 \\ \frac{3}{2} & -\frac{1}{2} \end{pmatrix}。AA 的两行不成比例(r(A)=2≠1r(A) = 2 \neq 1),不能秩 1 分解;求 AnA^n 应走归纳法或对角化(建设中:特征值章)。
  2. (2A)−1=12A−1=A∗4(2A)^{-1} = \frac{1}{2}A^{-1} = \frac{A^*}{4},原式 =∣−114A∗∣=(−114)3⋅∣A∣2=−133164⋅4=−133116= |-\frac{11}{4}A^*| = (-\frac{11}{4})^3 \cdot |A|^2 = -\frac{1331}{64}\cdot 4 = -\frac{1331}{16}。
  3. A10=(11001)A^{10} = \begin{pmatrix} 1 & 10 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}(归纳法,见本章幂一节)。
  4. r3−r2r_3 - r_2 得 (1,1,1)(1,1,1),r2−r1r_2 - r_1 得 (1,1,1)(1,1,1),再相减归零:A→(123011000)A \to \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}(如 r2−r1=(1,1,1)r_2 - r_1 = (1,1,1),r3−r2−r1=0r_3 - r_2 - r_1 = 0),故 r(A)=2r(A) = 2。复核:∣1223∣=−1≠0\begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 3 \end{vmatrix} = -1 \neq 0。
  5. ∣A∣=1|A| = 1,A−1=(1−101)A^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix},X=A−1B=(1−32−434)=(−2−234)X = A^{-1}B = \begin{pmatrix} 1 - 3 & 2 - 4 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -2 & -2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}。验算 AX=(−2+3−2+434)=BAX = \begin{pmatrix} -2 + 3 & -2 + 4 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} = B ✓。