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数学
题目

已知A,B为3阶矩阵,且满足2A -1B=B-4E.其中E是3阶单位矩阵; (1)证明:矩阵A-2E可逆; (2)若B= [ 1 1 0 -2 2 0 0 0 2 ],求矩阵A.

已知A,B为3阶矩阵,且满足2A -1B=B-4E.其中E是3阶单位矩阵;
(1)证明:矩阵A-2E可逆;
(2)若B= [
1
1
0
-2
2
0
0
0
2
]
,求矩阵A.

题目解答

答案

由题设,
2A -1B=B-4E
⇒2B=AB-4A⇒AB-2B=4A⇒(A-2E)B=4A-8E+8E
⇒(A-2E)B=4(A-2E)+8E⇒(A-2E)(B-4E)=8E
⇒(A-2E)
1
8
(B-4E)=E.
因此A-2E可逆,且(A-2E) -1=
1
8
(B-4E),同时
A=2E+8(B-4E) -1.
由已知   B=
1 -2 0
1 2 0
0 0 2
,
则    B-4E=
-3 -2 0
1 2 0
0 0 -2
.
且(B-4E) -1可求初等行变换求得,为    
-
1
4
1
4
0
-
1
8
-
3
8
0
0 0 -
1
2
,
所以     A=2E+8(B-4E) -1=
0 2 0
-1 -1 0
0 0 -2
.

解析

考查要点:本题主要考查矩阵方程的变形、可逆矩阵的证明以及逆矩阵的应用。
解题思路:

  1. 第一问:通过对方程进行变形,构造出形如$(A-2E)C=E$的表达式,从而证明$A-2E$可逆。
  2. 第二问:利用第一问的结论,将$A$表示为$2E$与$(B-4E)^{-1}$的组合,结合具体矩阵$B$求出逆矩阵,最终得到$A$的表达式。
    关键点:
  • 矩阵方程的变形技巧,如移项、提取公因子。
  • 逆矩阵的定义,即找到与$A-2E$相乘为单位矩阵的矩阵。
  • 分块矩阵的逆矩阵计算,简化计算过程。

第(1)题

目标:证明$A-2E$可逆。
步骤:

  1. 原方程变形:
    从$2A^{-1}B = B - 4E$出发,两边左乘$A$得:
    $2B = AB - 4A.$
  2. 整理方程:
    移项得$AB - 2B = 4A$,提取公因子$B$:
    $B(A - 2E) = 4A.$
  3. 进一步变形:
    两边同时右乘$E$并整理:
    $(A - 2E)(B - 4E) = 8E.$
  4. 结论:
    由$(A - 2E)(B - 4E) = 8E$,两边同乘$\frac{1}{8}$得:
    $(A - 2E) \cdot \frac{1}{8}(B - 4E) = E.$
    因此,$A - 2E$可逆,其逆矩阵为$\frac{1}{8}(B - 4E)$。

第(2)题

目标:求矩阵$A$。
步骤:

  1. 利用第一问结论:
    由$A - 2E = 8(B - 4E)^{-1}$,得:
    $A = 2E + 8(B - 4E)^{-1}.$
  2. 计算$B - 4E$:
    $B - 4E = \begin{pmatrix} -3 & 1 & 0 \\ -2 & -2 & 0 \\ 0 & 0 & -2 \end{pmatrix}.$
  3. 求逆矩阵$(B - 4E)^{-1}$:
    • 分块计算:前两行两列块的逆矩阵为$\frac{1}{8}\begin{pmatrix} -2 & -1 \\ 2 & -3 \end{pmatrix}$,第三行第三列块的逆为$-\frac{1}{2}$。
    • 结果:
      $(B - 4E)^{-1} = \begin{pmatrix} -\frac{1}{4} & -\frac{1}{8} & 0 \\ \frac{1}{4} & -\frac{3}{8} & 0 \\ 0 & 0 & -\frac{1}{2} \end{pmatrix}.$
  4. 代入求$A$:
    $A = 2E + 8 \cdot \begin{pmatrix} -\frac{1}{4} & -\frac{1}{8} & 0 \\ \frac{1}{4} & -\frac{3}{8} & 0 \\ 0 & 0 & -\frac{1}{2} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & -1 & 0 \\ 2 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & -2 \end{pmatrix}.$

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