练习2 (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.
题目解答
答案
根据题意,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 $A^2$。
推导过程:
-
利用伴随矩阵的基本性质:
对于任意 $n$ 阶方阵 $A$,其伴随矩阵 $A^*$ 满足以下关系式:
$A A^* = A^* A = |A| E$
其中 $|A|$ 是矩阵 $A$ 的行列式,$E$ 是 $n$ 阶单位矩阵。 -
代入已知条件:
题目给出 $A$ 是三阶矩阵(即 $n=3$),且 $A^* = -2A$。
将 $A^* = -2A$ 代入上述性质公式 $A A^* = |A| E$ 中,得到:
$A (-2A) = |A| E$
$-2 A^2 = |A| E$ -
求矩阵 $A$ 的行列式 $|A|$:
我们对已知等式 $A^* = -2A$ 两边同时取行列式:
$|A^*| = |-2A|$
根据伴随矩阵行列式的性质 $|A^*| = |A|^{n-1}$,对于三阶矩阵($n=3$),有 $|A^*| = |A|^{3-1} = |A|^2$。
根据行列式的数乘性质 $|kA| = k^n |A|$,对于三阶矩阵,有 $|-2A| = (-2)^3 |A| = -8 |A|$。
将这两者代入等式,得到:
$|A|^2 = -8 |A|$
移项得:
$|A|^2 + 8 |A| = 0$
$|A| (|A| + 8) = 0$
由此解得 $|A| = 0$ 或 $|A| = -8$。 -
确定 $|A|$ 的值:
- 如果 $|A| = 0$,那么 $A^* = -2A$。根据 $A A^* = |A| E$,有 $A(-2A) = 0$,即 $A^2 = 0$。
如果 $A^2 = 0$,且 $A$ 是实矩阵(通常这类题目默认实矩阵),那么 $A$ 的秩 $r(A)$ 满足一定条件。
更直接地,如果 $|A| = 0$,则 $A$ 不可逆。对于非零矩阵 $A$,若 $A^* = -2A$,若 $A$ 的秩 $r(A) < n-1$(即 $r(A) < 2$),则 $A^* = 0$,此时 $-2A = 0$,即 $A = 0$,这与题目中“$A$ 为三阶非零矩阵”矛盾。
若 $r(A) = n-1 = 2$,则 $r(A^*) = 1$。但 $A^* = -2A$ 意味着 $r(A^*) = r(A) = 2$,这也产生矛盾。
因此,$|A|$ 不能为 $0$。 - 所以,必然有 $|A| = -8$。
- 如果 $|A| = 0$,那么 $A^* = -2A$。根据 $A A^* = |A| E$,有 $A(-2A) = 0$,即 $A^2 = 0$。
-
计算 $A^2$:
将 $|A| = -8$ 代入前面得到的等式 $-2 A^2 = |A| E$ 中:
$-2 A^2 = -8 E$
两边同时除以 $-2$:
$A^2 = 4 E$
因为 $A$ 是三阶矩阵,所以 $E$ 是三阶单位矩阵:
$A^2 = 4 \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 4 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 4 \end{bmatrix}$
对比选项,(D) 选项符合推导结果。
答案:
(D)
解析
本题主要考查伴随矩阵的性质、矩阵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$AA^{*}=|A|E$,结合已知条件$A^{*} = -2A$,通过一系列推导求出矩阵$A$的行列式$|A|$,进而求出$A^{2}$。
- 利用伴随矩阵性质建立等式:
- 对于任意$n$阶方阵$A$,有$AA^{*}=|A|E$,其中$|A|$是矩阵$A$的行列式,$E$是$n$阶单位矩阵。
- 已知$A$是三阶矩阵($n = 3$)且$A^{*}=-2A$,将$A^{*}=-2A$代入$AA^{*}=|A|E$,可得$A(-2A)=|A|E$。
- 根据矩阵乘法结合律,$A(-2A)=-2A^{2}$,所以$-2A^{2}=|A|E$。
- 求矩阵$A$的行列式$|A|$:
- 对$A^{*}=-2A$两边同时取行列式,得到$|A^{*}| = |-2A|$。
- 根据伴随矩阵行列式的性质$|A^{*}|=|A|^{n - 1}$,对于三阶矩阵$n = 3$,则$|A^{*}|=|A|^{3 - 1}=|A|^{2}$。
- 根据行列式的数乘性质$|kA|=k^{n}|A|$,对于三阶矩阵,$|-2A|=(-2)^{3}|A|=-8|A|$。
- 所以$|A|^{2}=-8|A|$,移项可得$|A|^{2}+8|A| = 0$,提取公因式$|A|$得$|A|(|A| + 8)=0$。
- 由此解得$|A| = 0$或$|A|=-8$。
- 确定$|A|$的值:
- 若$|A| = 0$,由$-2A^{2}=|A|E$可得$-2A^{2}=0$,即$A^{2}=0$。
- 若$A^{2}=0$,对于非零矩阵$A$,若$A$的秩$r(A)\lt n - 1$(即$r(A)\lt2$),则$A^{*}=0$,此时$-2A = 0$,即$A = 0$,这与$A$为三阶非零矩阵矛盾;若$r(A)=n - 1 = 2$,则$r(A^{*}) = 1$,但$A^{*}=-2A$意味着$r(A^{*})=r(A)=2$,这也产生矛盾。
- 所以$|A|\neq0$,必然有$|A|=-8$。
- 计算$A^{2}$:
- 将$|A|=-8$代入$-2A^{2}=|A|E$,得到$-2A^{2}=-8E$。
- 两边同时除以$-2$,可得$A^{2}=4E$。
- 因为$A$是三阶矩阵,所以$E=\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{bmatrix}$,则$A^{2}=4\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}4&0&0\\0&4&0\\0&0&4\end{bmatrix}$。