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数学
题目

设三阶矩阵A,B满足r(AB)=r(BA)+1,则 A. 方程组(A+B)x=0只有零解.B. 方程组Ax=0与方程组Bx=0均只有零解.C. 方程组Ax=0与方程组Bx=0没有公共非零解.D. 方程组ABAx=0与方程组BABx=0有公共非零解.

设三阶矩阵$A,B$满足$r(AB)=r(BA)+1$,则

  • A. 方程组$(A+B)x=0$只有零解.
  • B. 方程组$Ax=0$与方程组$Bx=0$均只有零解.
  • C. 方程组$Ax=0$与方程组$Bx=0$没有公共非零解.
  • D. 方程组$ABAx=0$与方程组$BABx=0$有公共非零解.

题目解答

答案

为了解决这个问题,我们需要分析给定条件 $ r(AB) = r(BA) + 1 $ 并确定它对矩阵 $ A $ 和 $ B $ 的 implications. 首先,让我们回顾一些关于矩阵秩的性质: 1. 对于任何矩阵 $ A $ 和 $ B $, $ r(AB) \leq \min(r(A), r(B)) $。 2. 同样, $ r(BA) \leq \min(r(B), r(A)) $。 给定 $ r(AB) = r(BA) + 1 $,我们可以推断 $ r(AB) $ 和 $ r(BA) $ 必须是不同的,且 $ r(AB) $ 比 $ r(BA) $ 大 1。这意味着 $ r(AB) $ 必须等于 $ \min(r(A), r(B)) $ 而 $ r(BA) $ 必须等于 $ \min(r(B), r(A)) - 1 $。 由于 $ A $ 和 $ B $ 是三阶矩阵, $ r(A) $ 和 $ r(B) $ 的可能值为 0, 1, 2, 或 3。然而,如果 $ r(A) $ 或 $ r(B) $ 为 0,那么 $ r(AB) = 0 $ 和 $ r(BA) = 0 $,这与给定条件矛盾。因此, $ r(A) $ 和 $ r(B) $ 必须至少为 1。 让我们考虑 $ r(A) $ 和 $ r(B) $ 的可能值: - 如果 $ r(A) = 3 $ 和 $ r(B) = 2 $,那么 $ r(AB) \leq 2 $ 和 $ r(BA) \leq 2 $。为了满足 $ r(AB) = r(BA) + 1 $,我们一定有 $ r(AB) = 2 $ 和 $ r(BA) = 1 $。 - 如果 $ r(A) = 2 $ 和 $ r(B) = 3 $,那么 $ r(AB) \leq 2 $ 和 $ r(BA) \leq 2 $。为了满足 $ r(AB) = r(BA) + 1 $,我们一定有 $ r(AB) = 2 $ 和 $ r(BA) = 1 $。 - 如果 $ r(A) = 2 $ 和 $ r(B) = 2 $,那么 $ r(AB) \leq 2 $ 和 $ r(BA) \leq 2 $。为了满足 $ r(AB) = r(BA) + 1 $,我们一定有 $ r(AB) = 2 $ 和 $ r(BA) = 1 $。 在所有这些情况下,我们看到 $ r(AB) = 2 $ 和 $ r(BA) = 1 $。这意味着 $ \dim(\ker(AB)) = 1 $ 和 $ \dim(\ker(BA)) = 2 $。 现在,让我们分析选项: (A) 方程组 $ (A+B)x = 0 $ 只有零解。这不一定正确,因为 $ A $ 和 $ B $ 的秩不一定意味着 $ A+B $ 的秩为 3。 (B) 方程组 $ Ax = 0 $ 与方程组 $ Bx = 0 $ 均只有零解。这不一定正确,因为 $ A $ 或 $ B $ 的秩可能为 2,这意味着它们的核不平凡。 (C) 方程组 $ Ax = 0 $ 与方程组 $ Bx = 0 $ 没有公共非零解。这是正确的,因为如果它们有公共非零解,那么 $ \ker(A) \cap \ker(B) \neq \{0\} $,这将意味着 $ \ker(BA) $ 和 $ \ker(AB) $ 的维数大于它们实际的维数。 (D) 方程组 $ ABA x = 0 $ 与方程组 $ BAB x = 0 $ 有公共非零解。这不一定正确,因为 $ ABA $ 和 $ BAB $ 的秩不一定意味着它们有公共非零解。 因此,正确答案是 $\boxed{C}$。

解析

步骤 1:理解矩阵秩的性质
矩阵的秩是矩阵中线性无关的行或列的最大数量。对于矩阵 $A$ 和 $B$,有 $r(AB) \leq \min(r(A), r(B))$ 和 $r(BA) \leq \min(r(B), r(A))$。给定条件 $r(AB) = r(BA) + 1$ 表明 $r(AB)$ 和 $r(BA)$ 必须是不同的,且 $r(AB)$ 比 $r(BA)$ 大 1。

步骤 2:分析矩阵 $A$ 和 $B$ 的秩
由于 $A$ 和 $B$ 是三阶矩阵,它们的秩可以是 0, 1, 2, 或 3。如果 $r(A)$ 或 $r(B)$ 为 0,那么 $r(AB) = 0$ 和 $r(BA) = 0$,这与给定条件矛盾。因此,$r(A)$ 和 $r(B)$ 必须至少为 1。考虑 $r(A)$ 和 $r(B)$ 的可能值,我们发现 $r(AB) = 2$ 和 $r(BA) = 1$ 是唯一满足条件的情况。

步骤 3:分析选项
(A) 方程组 $(A+B)x = 0$ 只有零解。这不一定正确,因为 $A$ 和 $B$ 的秩不一定意味着 $A+B$ 的秩为 3。
(B) 方程组 $Ax = 0$ 与方程组 $Bx = 0$ 均只有零解。这不一定正确,因为 $A$ 或 $B$ 的秩可能为 2,这意味着它们的核不平凡。
(C) 方程组 $Ax = 0$ 与方程组 $Bx = 0$ 没有公共非零解。这是正确的,因为如果它们有公共非零解,那么 $\ker(A) \cap \ker(B) \neq \{0\}$,这将意味着 $\ker(BA)$ 和 $\ker(AB)$ 的维数大于它们实际的维数。
(D) 方程组 $ABA x = 0$ 与方程组 $BAB x = 0$ 有公共非零解。这不一定正确,因为 $ABA$ 和 $BAB$ 的秩不一定意味着它们有公共非零解。

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