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。
-
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:
$\text{新第2列} = \text{原第2列} + 3 \times \text{原第1列}$ -
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 $B$:
$B = \begin{pmatrix} 1 & 3 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}$
- 从3阶单位矩阵 $I$ 出发:
-
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。
- 设任意矩阵 $A$ 右乘 $B$,结果为: