题目
(2026,3)A为三阶非零矩阵,A^*为A的伴随矩阵,若A^*=-2A,则A^2=(A)[}-4-4-4].(C)[}-444].
(2026,3)A为三阶非零矩阵,$A^{*}$为A的伴随矩阵,若$A^{*}=-2A$,则$A^{2}=$
(A)$\left[\begin{matrix}-4\\-4\\-4\end{matrix}\right].$ (B)$\left[\begin{matrix}-4\\-4\\4\end{matrix}\right].$
(C)$\left[\begin{matrix}-4\\4\\4\end{matrix}\right].$ (D)$\left[\begin{matrix}4\\4\\4\end{matrix}\right].$
题目解答
答案
已知 $A$ 为三阶非零矩阵,$A^*$ 为 $A$ 的伴随矩阵,且满足 $A^* = -2A$。我们需要求出 $A^2$ 的值。
首先,利用伴随矩阵的基本性质:$A A^* = |A| E$,其中 $|A|$ 是矩阵 $A$ 的行列式,$E$ 是三阶单位矩阵。
将已知条件 $A^* = -2A$ 代入上述性质公式中:
$$A (-2A) = |A| E$$
$$-2 A^2 = |A| E$$
$$A^2 = -\frac{|A|}{2} E$$
接下来,我们需要求出 $|A|$ 的值。
对等式 $A^* = -2A$ 两边同时取行列式:
$$|A^*| = |-2A|$$
对于三阶矩阵 $A$(即 $n=3$),根据行列式的性质 $|kA| = k^n |A|$,以及伴随矩阵的行列式性质 $|A^*| = |A|^{n-1}$,我们可以得到:
$$|A^*| = |A|^{3-1} = |A|^2$$
$$|-2A| = (-2)^3 |A| = -8 |A|$$
将这两个结果代入 $|A^*| = |-2A|$ 中:
$$|A|^2 = -8 |A|$$
$$|A|^2 + 8 |A| = 0$$
$$|A| (|A| + 8) = 0$$
这给出了两个可能的解:$|A| = 0$ 或 $|A| = -8$。
我们来分析这两种情况:
如果 $|A| = 0$,那么 $A A^* = |A| E = 0$(零矩阵)。
因为已知 $A^* = -2A$,代入得 $A(-2A) = -2A^2 = 0$,即 $A^2 = 0$。
如果 $A^2 = 0$,那么 $A$ 是一个非零的幂零矩阵。
但是,如果 $|A| = 0$,则 $A^*$ 的秩满足 $r(A^*) \le 1$(当 $r(A)=2$ 时 $r(A^*)=1$,当 $r(A)<2$ 时 $r(A^*)=0$)。
而 $A^* = -2A$,且 $A$ 是非零矩阵,所以 $A^*$ 也是非零矩阵。
如果 $r(A) = 2$,则 $r(A^*) = 1$,但 $r(A^*) = r(-2A) = r(A) = 2$,产生矛盾。
如果 $r(A) = 1$,则 $r(A^*) = 0$,即 $A^* = 0$。但 $A^* = -2A \neq 0$,也产生矛盾。
因此,$|A|$ 不能为 $0$。
所以,必须有 $|A| = -8$。
将 $|A| = -8$ 代回前面得到的 $A^2$ 的表达式中:
$$A^2 = -\frac{|A|}{2} E = -\frac{-8}{2} E = 4E$$
即 $A^2$ 是一个对角矩阵,对角线上的元素均为 $4$:
$$A^2 = \begin{bmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{bmatrix}$$
对比选项,这与选项 (D) 一致。
正确答案是 (D)。
解析
本题主要考查伴随矩阵的性质、行列式的性质以及矩阵运算。解题的关键思路是利用伴随矩阵的基本性质$AA^{*} = |A|E$和已知条件$A^{*} = -2A$建立等式,通过对等式两边取行列式求出$|A|$的值,进而求出$A^{2}$。
- 首先,根据伴随矩阵的性质$AA^{*} = |A|E$,将$A^{*} = -2A$代入可得:
- $A(-2A)=|A|E$,根据矩阵乘法结合律,$-2A^{2}=|A|E$,进一步得到$A^{2}=-\frac{|A|}{2}E$。
- 然后,对$A^{*} = -2A$两边同时取行列式:
- 根据行列式的性质$|kA| = k^{n}|A|$($n$为矩阵$A$的阶数)和$|A^{*}| = |A|^{n - 1}$,因为$A$是三阶矩阵,即$n = 3$,所以$|A^{*}| = |A|^{3 - 1}=|A|^{2}$,$|-2A| = (-2)^{3}|A|=-8|A|$。
- 则$|A|^{2}=-8|A|$,移项可得$|A|^{2}+8|A| = 0$,提取公因式$|A|$得到$|A|(|A| + 8)=0$,解得$|A| = 0$或$|A| = -8$。
- 接着,分析$|A| = 0$的情况:
- 若$|A| = 0$,由$AA^{*} = |A|E$可得$AA^{*}=0$,又因为$A^{*} = -2A$,所以$A(-2A)=-2A^{2}=0$,即$A^{2}=0$。
- 若$A^{2}=0$,$A$是非零的幂零矩阵。当$|A| = 0$时,$r(A^{*})\leq1$(当$r(A)=2$时$r(A^{*}) = 1$,当$r(A)<2$时$r(A^{*}) = 0$),而$A^{*}=-2A\neq0$,若$r(A)=2$,$r(A^{*}) = 1$,但$r(A^{*})=r(-2A)=r(A)=2$,产生矛盾;若$r(A)=1$,$r(A^{*}) = 0$,即$A^{*}=0$,与$A^{*}=-2A\neq0$矛盾,所以$|A|\neq0$。
- 最后,确定$|A|$的值并求出$A^{2}$:
- 因为$|A|\neq0$,所以$|A| = -8$。
- 将$|A| = -8$代入$A^{2}=-\frac{|A|}{2}E$,可得$A^{2}=-\frac{-8}{2}E = 4E=\begin{bmatrix}4&0&0\\0&4&0\\0&0&4\end{bmatrix}$。