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数学
题目

2.3阶方阵A的第1列的3倍加到第2列上,相当于在矩阵A的右边乘初等矩阵B,则B是_____;

2.3阶方阵A的第1列的3倍加到第2列上,相当于在矩阵A的右边乘初等矩阵B,则B是_____;

题目解答

答案

为了解决这个问题,我们需要理解将3阶方阵 $ A $ 的第1列的3倍加到第2列上,等价于在矩阵 $ A $ 的右边乘以一个初等矩阵 $ B $。初等矩阵是通过 对单位矩阵执行相应的初等列操作获得的。 以下是找到矩阵 $ B $ 的步骤: 1. **确定初等列操作**:操作是将第1列的3倍加到第2列上。在矩阵表示中,这意味着第2列的新值是第2列的原始值加上第1列的3倍。 2. **将操作应用于单位矩阵**:3阶的单位矩阵 $ I $ 是: \[ I = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \] 要将第1列的3倍加到第2列上,我们修改单位矩阵的第2列。第2列的新值将是 $(0 + 3 \cdot 1, 1 + 3 \cdot 0, 0 + 3 \cdot 0) = (3, 1, 0)$。因此,初等矩阵 $ B $ 是: \[ B = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \] 3. **验证**:为了验证,我们可以将 $ B $ 乘以一个通用的3阶矩阵 $ A $: \[ A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} \] 乘积 $ AB $ 是: \[ AB = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 3 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a_{11} \cdot 1 + a_{12} \cdot 0 + a_{13} \cdot 0 & a_{11} \cdot 3 + a_{12} \cdot 1 + a_{13} \cdot 0 & a_{11} \cdot 0 + a_{12} \cdot 0 + a_{13} \cdot 1 \\ a_{21} \cdot 1 + a_{22} \cdot 0 + a_{23} \cdot 0 & a_{21} \cdot 3 + a_{22} \cdot 1 + a_{23} \cdot 0 & a_{21} \cdot 0 + a_{22} \cdot 0 + a_{23} \cdot 1 \\ a_{31} \cdot 1 + a_{32} \cdot 0 + a_{33} \cdot 0 & a_{31} \cdot 3 + a_{32} \cdot 1 + a_{33} \cdot 0 & a_{31} \cdot 0 + a_{32} \cdot 0 + a_{33} \cdot 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} a_{11} & 3a_{11} + a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & 3a_{21} + a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & 3a_{31} + a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} \] 这个结果正好是将 $ A $ 的第1列的3倍加到第2列上得到的矩阵。 因此,初等矩阵 $ B $ 是: \[ \boxed{\begin{pmatrix} 1 & 3 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}} \]

解析

考查要点:本题主要考查初等矩阵的构造,特别是与列变换对应的初等矩阵形式。

解题核心思路:

  • 初等矩阵的定义:初等矩阵是由单位矩阵经过一次初等变换得到的矩阵。
  • 列变换对应的初等矩阵:若对矩阵 $A$ 的列进行操作,相当于在 $A$ 的右侧乘以对应的初等矩阵。
  • 关键操作:将第1列的3倍加到第2列,需在单位矩阵的第2列中添加3倍的第1列元素。

破题关键点:

  • 明确初等矩阵的构造规则,通过对单位矩阵执行相同的列操作得到结果。
  1. 确定初等列操作
    题目要求将第1列的3倍加到第2列,即第2列的新值为:
    $\text{新第2列} = \text{原第2列} + 3 \times \text{原第1列}$

  2. 构造初等矩阵

    • 从3阶单位矩阵 $I$ 出发:
      $I = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$
    • 对第2列执行操作:
      • 原第2列元素为 $(0, 1, 0)$,原第1列元素为 $(1, 0, 0)$。
      • 新第2列 = $(0 + 3 \times 1, 1 + 3 \times 0, 0 + 3 \times 0) = (3, 1, 0)$。
    • 得到初等矩阵 $B$:
      $B = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$
  3. 验证操作

    • 设任意矩阵 $A$ 右乘 $B$,结果为:
      $AB = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} + 3a_{11} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} + 3a_{21} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} + 3a_{31} & a_{33} \end{pmatrix}$
    • 此结果与题目描述的列变换一致,验证正确。

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