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数学
题目

设矩阵 A, B 都是 n 阶方阵,则下列等式一定成立的是 ( ).(A) AB = BA(B) |AB| = |BA|(C) |A-B| = |A| - |B|(D) (AB)^T = A^T B^T

设矩阵 A, B 都是 n 阶方阵,则下列等式一定成立的是 ( ). (A) $AB = BA$ (B) $|AB| = |BA|$ (C) $|A-B| = |A| - |B|$ (D) $(AB)^T = A^T B^T$

题目解答

答案

我们来逐项分析题目中的四个选项,判断哪一个一定成立。已知矩阵 $ A $、$ B $ 都是 $ n $ 阶方阵。

选项 (A): $ AB = BA $

这个等式表示矩阵乘法的交换律。

但是,矩阵乘法一般不满足交换律,即 $ AB $ 不一定等于 $ BA $。
例如,取:

$A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix},\quad B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}$

计算得:

$AB = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix},\quad BA = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}$

显然 $ AB \ne BA $。

所以,(A) 不一定成立。

选项 (B): $ |AB| = |BA| $

这里 $ |\cdot| $ 表示矩阵的行列式。

我们知道行列式的性质:

$|AB| = |A||B|,\quad |BA| = |B||A|$

而实数乘法是交换的,所以 $ |A||B| = |B||A| $,因此:

$|AB| = |BA|$

这个等式总是成立,无论 $ A $ 和 $ B $ 是否可交换。

所以,(B) 一定成立。

选项 (C): $ |A - B| = |A| - |B| $

这个是错误的。行列式不满足线性减法。

举个反例:

取 $ A = I $(单位矩阵),$ B = I $,都是 $ 2\times2 $ 矩阵:

$|A - B| = |0| = 0,\quad |A| - |B| = 1 - 1 = 0$

这个例子碰巧相等。

再换一个例子:
设 $ A = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix} $,则 $ |A| = 4 $
设 $ B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} $,则 $ |B| = 1 $

则 $ A - B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} $,行列式为 1

而 $ |A| - |B| = 4 - 1 = 3 \ne 1 $

所以 $ |A - B| \ne |A| - |B| $

因此 (C) 不一定成立。

选项 (D): $ (AB)^T = A^T B^T $

这是错误的。矩阵转置的正确公式是:

$(AB)^T = B^T A^T$

注意顺序是反的。

例如,取:

$A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix},\quad B = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$

则:

$AB = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 4 & 3 \end{pmatrix},\quad (AB)^T = \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}$

而:

$A^T = \begin{pmatrix} 1 & 3 \\ 2 & 4 \end{pmatrix},\quad B^T = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix},\quad A^T B^T = \begin{pmatrix} 3 & 1 \\ 4 & 2 \end{pmatrix} \ne (AB)^T$

所以 (D) 不成立。

结论:

四个选项中,只有 (B) 一定成立。

答案:

$\boxed{\text{(B) } |AB| = |BA|}$

解析

考查要点:本题主要考查矩阵运算的基本性质,包括矩阵乘法的交换律、行列式的性质、转置的运算规则等。

解题核心思路:

  1. 矩阵乘法不满足交换律,因此选项(A)不一定成立;
  2. 行列式的乘积性质:$|AB| = |A||B|$,而标量乘法满足交换律,因此$|AB| = |BA|$;
  3. 行列式不满足线性性,即$|A-B| \neq |A| - |B|$;
  4. 转置运算的正确公式为$(AB)^T = B^T A^T$,而非$A^T B^T$。

破题关键点:

  • 明确矩阵运算的基本规则,尤其是行列式和转置的性质;
  • 通过反例快速排除错误选项。

选项分析

(A) $AB = BA$

矩阵乘法一般不满足交换律。例如:
$A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix},\quad B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}$
计算得:
$AB = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix},\quad BA = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}$
显然$AB \neq BA$,因此选项(A)错误。

(B) $|AB| = |BA|$

根据行列式的性质:
$|AB| = |A||B|,\quad |BA| = |B||A|$
由于标量乘法满足交换律,即$|A||B| = |B||A|$,因此$|AB| = |BA|$ 一定成立,选项(B)正确。

(C) $|A-B| = |A| - |B|$

行列式不满足线性减法。例如:

  • 取$A = 2I$,$B = I$(均为$2 \times 2$矩阵):
    $|A - B| = |I| = 1,\quad |A| - |B| = 4 - 1 = 3 \neq 1$
    因此选项(C)错误。

(D) $(AB)^T = A^T B^T$

转置运算的正确公式为:
$(AB)^T = B^T A^T$
例如:
$A = \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix},\quad B = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}$
计算得:
$(AB)^T = \begin{pmatrix} 2 & 4 \\ 1 & 3 \end{pmatrix},\quad A^T B^T = \begin{pmatrix} 3 & 1 \\ 4 & 2 \end{pmatrix} \neq (AB)^T$
因此选项(D)错误。

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