第一章 行列式 1利用对角线法则计算下列三阶行列式(1)381141102---解 381141102---2(4)30(1)(1)118 0132(1)81(4)(1)2481644 (2)b a c ac b cb a 解 ba c a cb cb aacb bac cba bbb aaa ccc3abc a 3b 3c 3(3)222111c b a cb a解 222111c b a c b abc 2ca 2ab 2ac 2ba 2cb 2 (a b )(b c )(c a )(4)yx y x xy x y yx y x +++解 yx y x x y x y yx y x +++x (x y )y yx (x y )(x y )yx y 3(x y )3x 3 3xy (x y )y 33x 2 y x 3y 3x 3 2(x 3y 3)2按自然数从小到大为标准次序求下列各排列的逆序数(1)1 2 3 4 解 逆序数为0 (2)4 1 3 2 解 逆序数为4 41 43 4232(3)3 4 2 1解 逆序数为5 3 23 14 24 1, 2 1(4)2 4 1 3 解 逆序数为3 2 1 4 1 4 3 (5)1 3(2n1) 2 4(2n )解 逆序数为2)1(-n n3 2 (1个) 5 2 5 4(2个) 7 2 74 7 6(3个)(2n 1)2 (2n1)4(2n1)6(2n1)(2n2)(n 1个)(6)1 3 (2n 1) (2n ) (2n 2)2解 逆序数为n (n1)3 2(1个) 5 2 54 (2个)(2n 1)2 (2n 1)4 (2n 1)6 (2n 1)(2n 2)(n1个)4 2(1个) 6 2 6 4(2个)(2n )2 (2n )4(2n )6(2n )(2n 2) (n1个)3写出四阶行列式中含有因子a 11a 23的项解 含因子a 11a 23的项的一般形式为 (1)t a 11a 23a 3r a 4s其中rs 是2和4构成的排列 这种排列共有两个即24和42所以含因子a 11a 23的项分别是 (1)t a 11a 23a 32a 44(1)1a 11a 23a 32a 44a 11a 23a 32a 44 (1)t a 11a 23a 34a 42(1)2a 11a 23a 34a 42a 11a 23a 34a 424计算下列各行列式(1)71100251020214214解 71100251020214214010014231020211021473234-----======c c c c 34)1(143102211014+-⨯---= 143102211014--=01417172001099323211=-++======c c c c(2)2605232112131412-解 2605232112131412-260503212213041224--=====c c 041203212213041224--=====r r0000003212213041214=--=====r r (3)efcf bf decd bd aeac ab ---解 ef cf bf de cd bd ae ac ab ---e c b e c b ec b adf ---=abcdefadfbce 4111111111=---=(4)dc b a100110011001---解 d c b a100110011001---dc b aab ar r 10011001101021---++===== dc a ab 101101)1)(1(12--+--=+01011123-+-++=====cd c ada ab dc ccdad ab +-+--=+111)1)(1(23abcd ab cd ad 15 证明:(1)1112222bb a a b ab a +(a b )3;证明1112222b b a a b ab a +00122222221213a b a b a a b a ab a c c c c ------=====ab a b a b a ab 22)1(22213-----=+21))((a b a a b a b +--=(a b )3(2)yx z x z y zy x b a bz ay by ax bx az by ax bx az bz ay bx az bz ay by ax )(33+=+++++++++;证明bzay by ax bx az by ax bx az bz ay bx az bz ay by ax +++++++++bz ay by ax x by ax bx az z bx az bz ay y b bz ay by ax z by ax bx az y bx az bz ay x a +++++++++++++=bz ay y x by ax x z bx az z y b y by ax z x bx az y z bz ay x a +++++++=22z y x y x z x z y b y x z x z y z y x a 33+=yx z x z y z y x b y x z x z y z y x a 33+=yx z xz y zy x b a )(33+=(3)0)3()2()1()3()2()1()3()2()1()3()2()1(2222222222222222=++++++++++++d d d d c c c c b b b b a a a a ;证明2222222222222222)3()2()1()3()2()1()3()2()1()3()2()1(++++++++++++d d d d c c c c b b b b a a a a (c 4c 3 c 3c 2 c 2c 1得) 5232125232125232125232122222++++++++++++=d d d d c c c c b b b b a a a a (c 4c 3c 3c 2得)022122212*********222=++++=d d c c b b a a(4)444422221111d c b a d c b a d c b a (a b )(a c )(a d )(b c )(b d )(c d )(a b c d );证明444422221111d c b a d c b a d c b a )()()(0)()()(001111222222222a d d a c c a b b a d d a c c a b b ad a c a b ---------=)()()(111))()((222a d d a c c a b b d c b a d a c a b +++---= ))(())((00111))()((a b d b d d a b c b c c b d b c a d a c a b ++-++------=)()(11))()()()((a b d d a b c c b d b c a d a c a b ++++-----==(ab )(ac )(ad )(b c )(b d )(c d )(a b c d )(5)1221 1 000 00 1000 01a x a a a a x x xn n n+⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅---Λx n a 1x n 1a n 1x a n证明 用数学归纳法证明当n 2时 2121221a x a x a x a x D ++=+-=命题成立假设对于(n 1)阶行列式命题成立即 D n1x n 1a 1 x n 2a n 2x a n1则D n 按第一列展开 有11100 100 01)1(11-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅--+=+-xx a xD D n n n n xD n 1a n x n a 1x n1a n 1x a n因此 对于n 阶行列式命题成立6设n 阶行列式Ddet(a ij ), 把D 上下翻转、或逆时针旋转90、或依副对角线翻转 依次得nnnn a a a a D 11111 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= 11112 n nn n a a a a D ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= 11113 a a a a D n nnn ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=证明DD D n n 2)1(21)1(--== D 3D证明 因为Ddet(a ij ) 所以nnn n n n nnnn a a a a a a a a a a D 2211111111111 )1( ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=- ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅--=-- )1()1(331122111121nnn n nn n n a a a a a a a a DD n n n n 2)1()1()2( 21)1()1(--+-+⋅⋅⋅++-=-=同理可证 nnn n n n a a a a D ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-=- )1(11112)1(2D D n n T n n 2)1(2)1()1()1(---=-= DD D D D n n n n n n n n =-=--=-=----)1(2)1(2)1(22)1(3)1()1()1()1(7计算下列各行列式(D k 为k 阶行列式)(1)a aD n 11⋅⋅⋅=, 其中对角线上元素都是a未写出的元素都是0解aa a a a D n 010 000 00 0000 0010 00⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=(按第n 行展开))1()1(10 000 00 000 0010 000)1(-⨯-+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-=n n n aa a )1()1(2 )1(-⨯-⋅⋅⋅⋅-+n n n a a an n n nn a a a+⋅⋅⋅-⋅-=--+)2)(2(1)1()1(a n a n2a n 2(a 21)(2)xa a a x a a a xD n ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= ; 解 将第一行乘(1)分别加到其余各行得ax x a ax x a a x x a aa a x D n --⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅--⋅⋅⋅--⋅⋅⋅=000 0 00 0再将各列都加到第一列上得ax ax a x aaa a n x D n -⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-+=0000 0 000 00 )1([x (n 1)a ](x a )n1(3)111 1 )( )1()( )1(1111⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅--⋅⋅⋅-=---+n a a a n a a a n a a a D n n n n n n n ; 解 根据第6题结果有nnn n n n n n n n a a a n a a a n a a aD )( )1()( )1( 11 11)1(1112)1(1-⋅⋅⋅--⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-=---++ 此行列式为范德蒙德行列式∏≥>≥++++--+--=112)1(1)]1()1[()1(j i n n n n j a i a D∏≥>≥++---=112)1()]([)1(j i n n n j i∏≥>≥++⋅⋅⋅+-++-⋅-⋅-=1121)1(2)1()()1()1(j i n n n n n j i∏≥>≥+-=11)(j i n j i(4)n nnnn d c d c b a b a D ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=11112;解nn nnn d c d c b a b a D ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=11112(按第1行展开)nn n n n nd d c d c b a b a a 00011111111----⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=Λ0)1(1111111112c d c d c b a b a b nn n n n nn ----+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-+再按最后一行展开得递推公式 D 2na n d n D 2n2b nc n D 2n2即D 2n(a n d n b n c n )D 2n2于是 ∏=-=ni ii ii n Dc bd a D 222)(而 111111112c b d a d c b a D -==所以 ∏=-=ni ii ii n c b d a D 12)( (5) D det(a ij ) 其中a ij |ij |;解 a ij|ij |4321 4 01233 10122 21011 3210)det(⋅⋅⋅----⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅==n n n n n n n n a D ij n0 4321 1 11111 11111 11111 1111 2132⋅⋅⋅----⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅----⋅⋅⋅---⋅⋅⋅--⋅⋅⋅--⋅⋅⋅-=====n n n n r r r r 152423210 22210 02210 00210 0001 1213-⋅⋅⋅----⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅----⋅⋅⋅---⋅⋅⋅--⋅⋅⋅-+⋅⋅⋅+=====n n n n n c c c c (1)n 1(n1)2n2(6)nn a a a D +⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+=1 11 1 1111121, 其中a 1a 2 a n解nn a a a D +⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+=1 11 1 1111121nn n n a a a a a a a a a c c c c +-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-=====--10 0001 000 100 0100 0100 0011332212132 1111312112111011 000 00 11000 01100 001 ------+-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅=nn n a a a a a a a a∑=------+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=n i i n n a a a a a a a a 1111131******** 00010 000 00 10000 01000 001)11)((121∑=+=ni in a a a a Λ8用克莱姆法则解下列方程组(1)⎪⎩⎪⎨⎧=+++-=----=+-+=+++01123253224254321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解 因为14211213513241211111-=----=D142112105132412211151-=------=D 284112035122412111512-=-----=D426110135232422115113-=----=D 14202132132212151114=-----=D所以 111==DD x 222==DD x 333==DD x 144-==DD x(2)⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=++=++=++=+150650650651655454343232121x x x x x x x x x x x x x解 因为665510006510006510065100065==D 150751001651000651000650000611==D 114551010651000650000601000152-==D 70351100650000601000051001653==D 395510601000051000651010654-==D 2121105100065100651100655==D 所以66515071=x 66511452-=x 6657033=x 6653954-=x 6652124=x9问取何值时 齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++0200321321321x x x x x x x x x μμλ有非零解解 系数行列式为μλμμμλ-==1211111D令D 0 得 0或1于是 当0或1时该齐次线性方程组有非零解10 问取何值时齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-++=+-+=+--0)1(0)3(2042)1(321321321x x x x x x x x x λλλ有非零解解 系数行列式为λλλλλλλ--+--=----=101112431111132421D (1)3(3)4(1)2(1)(3)(1)32(1)23 令D 0 得 0 2或3 于是 当2或3时该齐次线性方程组有非零解第三章 矩阵的初等变换与线性方程组1把下列矩阵化为行最简形矩阵(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛--340313021201解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--340313021201(下一步r 2(2)r 1 r 3(3)r 1 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛---020*********(下一步 r 2(1) r 3(2))~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--010*********(下一步 r 3r 2)~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--300031001201(下一步 r 33 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--100031001201(下一步 r 23r 3)~⎪⎪⎭⎫⎝⎛-100001001201(下一步 r 1(2)r 2r 1r 3)~⎪⎪⎭⎫⎝⎛100001000001(2)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----174034301320解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛----174034301320(下一步 r 22(3)r 1r 3(2)r 1 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛---310031001320(下一步 r 3r 2r 13r 2)~⎪⎪⎭⎫⎝⎛0000310010020(下一步 r 12 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛000031005010(3)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---------12433023221453334311解 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---------12433023221453334311(下一步 r 23r 1r32r 1 r 43r 1 )~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--------1010500663008840034311(下一步 r2(4) r 3(3)r 4(5) )~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----22100221002210034311(下一步 r 13r 2r 3r 2r 4r2)~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---00000000002210032011(4)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------34732038234202173132解 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------34732038234202173132(下一步 r 12r 2r 33r 2r42r 2 )~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----1187701298804202111110(下一步 r 22r 1r 38r 1r 47r 1)~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--41000410002020111110(下一步 r 1r 2r 2(1) r 4r 3)~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----00000410001111020201(下一步 r 2r 3) ~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--00000410003011020201 2 设⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛987654321100010101100001010A 求A解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛100001010是初等矩阵E (1 2) 其逆矩阵就是其本身⎪⎪⎭⎫⎝⎛100010101是初等矩阵E (1 2(1)) 其逆矩阵是E (1 2(1)) ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=100010101⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=100010101987654321100001010A⎪⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2872212541000101019873216543试利用矩阵的初等变换求下列方阵的逆矩阵(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛323513123解 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛100010001323513123~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---101011001200410123~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----1012002110102/102/3023~⎪⎪⎭⎫⎝⎛----2/102/11002110102/922/7003~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----2/102/11002110102/33/26/7001故逆矩阵为⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----21021211233267(2)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----1210232112201023解 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----10000100001000011210232112201023~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----00100301100001001220594012102321~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--------20104301100001001200110012102321~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------106124301100001001000110012102321 ~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----------10612631110`1022111000010000100021 ~⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------106126311101042111000010000100001 故逆矩阵为⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------106126311101042114(1)设⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=113122214A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=132231B 求X 使AX B解 因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=132231 113122214) ,(B A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--412315210 100010001 ~r所以 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛--==-4123152101B A X(2)设⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=433312120A ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=132321B 求X 使XA B解 考虑A T X TB T 因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=134313*********) ,(T T B A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---411007101042001 ~r所以 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---==-417142)(1T T T B A X从而 ⎪⎭⎫ ⎝⎛---==-4741121BA X5设⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=101110011A AX 2X A 求X解 原方程化为(A 2E )XA 因为⎪⎪⎭⎫⎝⎛---------=-101101110110011011) ,2(A E A⎪⎪⎭⎫⎝⎛---011100101010110001~所以 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-=-011101110)2(1A E A X6在秩是r 的矩阵中,有没有等于0的r1阶子式 有没有等于0的r 阶子式解 在秩是r 的矩阵中可能存在等于0的r1阶子式也可能存在等于0的r 阶子式例如⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=010*********A R (A )3000是等于0的2阶子式10001000是等于0的3阶子式7 从矩阵A 中划去一行得到矩阵B 问AB 的秩的关系怎样 解 R (A )R (B )这是因为B 的非零子式必是A 的非零子式故A 的秩不会小于B 的秩8求作一个秩是4的方阵它的两个行向量是 (110)(11 00)解 用已知向量容易构成一个有4个非零行的5阶下三角矩阵⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-0000001000001010001100001此矩阵的秩为4 其第2行和第3行是已知向量9求下列矩阵的秩并求一个最高阶非零子式(1)⎪⎪⎭⎫⎝⎛---443112112013;解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛---443112112013(下一步r 1r 2 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛---443120131211(下一步r 23r 1 r 3r 1 )~⎪⎪⎭⎫⎝⎛----564056401211(下一步r 3r 2 )~⎪⎭⎫ ⎝⎛---000056401211 矩阵的2秩为41113-=-是一个最高阶非零子式(2)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------815073*********解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------815073*********(下一步 r 1r2r 22r 1 r 37r 1 )~⎪⎭⎫ ⎝⎛------15273321059117014431(下一步 r 33r 2 )~⎪⎭⎫ ⎝⎛----0000059117014431矩阵的秩是2 71223-=-是一个最高阶非零子式(3)⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---02301085235703273812解 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---02301085235703273812(下一步r 12r 4 r 22r 4 r 33r 4 )~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------02301024205363071210(下一步 r 23r 1r 32r 1)~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-0230114000016000071210(下一步 r 216r 4r 316r 2)~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-02301000001000071210~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-00000100007121002301矩阵的秩为3 070023085570≠=-是一个最高阶非零子式10 设A 、B 都是m n 矩阵 证明A ~B 的充分必要条件是R (A )R (B ) 证明 根据定理3 必要性是成立的充分性 设R (A )R (B ) 则A 与B 的标准形是相同的 设A 与B 的标准形为D 则有A ~D D ~B由等价关系的传递性 有A ~B11设⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=32321321k k k A 问k 为何值 可使 (1)R (A )1(2)R (A )2(3)R (A )3解 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=32321321k k k A ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-----)2)(1(0011011 ~k k k k k r(1)当k 1时 R (A )1 (2)当k 2且k1时 R (A )2 (3)当k 1且k2时R (A )312 求解下列齐次线性方程组:(1)⎪⎩⎪⎨⎧=+++=-++=-++02220202432143214321x x x x x x x x x x x x解 对系数矩阵A 进行初等行变换有A ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--212211121211~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---3/410013100101于是 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==-==4443424134334x x x x x x x x故方程组的解为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1343344321k x x x x (k 为任意常数) (2)⎪⎩⎪⎨⎧=-++=--+=-++05105036302432143214321x x x x x x x x x x x x解 对系数矩阵A 进行初等行变换有A ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----5110531631121~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-000001001021于是 ⎪⎩⎪⎨⎧===+-=4432242102x x x x x x x x故方程组的解为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛10010012214321k k x x x x (k 1 k 2为任意常数) (3)⎪⎩⎪⎨⎧=-+-=+-+=-++=+-+07420634072305324321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解 对系数矩阵A 进行初等行变换有A ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----7421631472135132~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1000010000100001于是 ⎪⎩⎪⎨⎧====00004321x x x x故方程组的解为⎪⎩⎪⎨⎧====0004321x x x x(4)⎪⎩⎪⎨⎧=++-=+-+=-+-=+-+03270161311402332075434321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解 对系数矩阵A 进行初等行变换有A ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----3127161311423327543~⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--000000001720171910171317301于是 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==-=-=4433432431172017191713173x x x x x x x xx x故方程组的解为⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛1017201713011719173214321k k x x x x (k 1 k 2为任意常数)13 求解下列非齐次线性方程组:(1)⎪⎩⎪⎨⎧=+=+-=-+83111021322421321321x x x x x x x x解 对增广矩阵B 进行初等行变换有B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--80311102132124~⎪⎭⎫ ⎝⎛----600034111008331于是R (A )2而R (B )3故方程组无解(2)⎪⎩⎪⎨⎧-=+-=-+-=+-=++69413283542432z y x z y x z y x z y x解 对增广矩阵B 进行初等行变换 有B ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----69141328354214132~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--0000000021101201于是 ⎪⎩⎪⎨⎧=+=--=zz z y z x 212即 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛021112k z y x (k 为任意常数)(3)⎪⎩⎪⎨⎧=--+=+-+=+-+12222412w z y x w z y x w z y x解 对增广矩阵B 进行初等行变换有B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----111122122411112~⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-00000010002/102/12/11于是 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===++-=0212121w z z y y z y x即 ⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00021010210012121k k w z y x (k1k 2为任意常数)(4)⎪⎩⎪⎨⎧-=+-+=-+-=+-+2534432312w z y x w z y x w z y x解 对增广矩阵B 进行初等行变换 有B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----253414312311112~⎪⎭⎫ ⎝⎛----000007/57/97/5107/67/17/101于是 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==--=++=w w z z w z y w z x 757975767171即 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00757610797101757121k k w z y x (k 1 k 2为任意常数)14 写出一个以⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1042013221c c x为通解的齐次线性方程组解 根据已知可得⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛10420132214321c c x x x x 与此等价地可以写成⎪⎩⎪⎨⎧==+-=-=2413212211432c x c x c c x c c x或 ⎩⎨⎧+-=-=432431432x x x x x x或 ⎩⎨⎧=-+=+-04302432431x x x x x x这就是一个满足题目要求的齐次线性方程组15取何值时非齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++23213213211λλλλλx x x x x x x x x(1)有唯一解(2)无解(3)有无穷多个解解 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛=21111111λλλλλB⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+----22)1)(1()2)(1(00)1(11011 ~λλλλλλλλλλr(1)要使方程组有唯一解 必须R (A )3 因此当1且2时方程组有唯一解. (2)要使方程组无解 必须R (A )R (B ) 故 (1)(2)0 (1)(1)2因此2时方程组无解(3)要使方程组有有无穷多个解必须R (A )R (B )3 故 (1)(2)0(1)(1)2因此当1时 方程组有无穷多个解.16 非齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-+=+--=++-23213213212222λλx x x x x x x x x当取何值时有解并求出它的解解⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=22111212112λλB ~⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-----)2)(1(000)1(32110121λλλλ要使方程组有解 必须(1)(2)0 即12当1时⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=121111212112B ~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--000001101101方程组解为⎩⎨⎧=+=32311x x x x 或⎪⎩⎪⎨⎧==+=3332311x x x x x x 即 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛001111321k x x x (k 为任意常数)当2时⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----=421121212112B ~⎪⎪⎭⎫⎝⎛--000021102101方程组解为⎩⎨⎧+=+=223231x x x x 或⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=33323122x x x x x x即 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛022111321k x x x (k 为任意常数)17 设⎪⎩⎪⎨⎧--=-+--=--+=-+-1)5(4224)5(2122)2(321321321λλλλx x x x x x x x x问为何值时 此方程组有唯一解、无解或有无穷多解 并在有无穷多解时求解解 B ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---------154224521222λλλλ~⎪⎪⎭⎫⎝⎛---------)4)(1()10)(1(0011102452λλλλλλλλ要使方程组有唯一解 必须R (A )R (B )3 即必须(1)(10)所以当1且10时 方程组有唯一解.要使方程组无解 必须R (A )R (B ) 即必须(1)(10)0且(1)(4)0所以当10时方程组无解.要使方程组有无穷多解必须R (A )R (B )3 即必须(1)(10)0且(1)(4)0所以当1时 方程组有无穷多解此时，增广矩阵为B ~⎪⎪⎭⎫⎝⎛-000000001221方程组的解为⎪⎩⎪⎨⎧==++-=3322321 1x x x x x x x或 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00110201221321k k x x x (k 1 k 2为任意常数)18 证明R (A )1的充分必要条件是存在非零列向量a 及非零行向量b T使Aab T证明 必要性由R (A )1知A 的标准形为)0 , ,0 ,1(001000000001⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅=⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅即存在可逆矩阵P 和Q使)0 , ,0 ,1(001⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=PAQ 或11)0 , ,0 ,1(001--⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=Q P A令⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅=-0011P a b T (1 00)Q1则a 是非零列向量 b T是非零行向量 且A ab T充分性因为a 与b T 是都是非零向量所以A 是非零矩阵从而R (A )1 因为 1R (A )R (ab T )min{R (a ) R (b T )}min{1 1}1 所以R (A )119 设A 为m n 矩阵 证明 (1)方程AX E m 有解的充分必要条件是R (A )m证明 由定理7 方程AXE m 有解的充分必要条件是R (A )R (A E m )而| E m |是矩阵(A E m )的最高阶非零子式故R (A )R (A E m )m 因此方程AX E m 有解的充分必要条件是R (A )m(2)方程YA E n 有解的充分必要条件是R (A )n证明 注意 方程YAE n 有解的充分必要条件是A T Y T E n 有解 由(1)A T Y T E n 有解的充分必要条件是R (A T )n 因此，方程YA E n 有解的充分必要条件是R (A )R (A T )n20 设A 为m n 矩阵 证明 若AX AY 且R (A )n 则X Y 证明 由AXAY 得A (X Y )O 因为R (A )n 由定理9 方程A (X Y )O 只有零解 即X Y O 也就是X Y第四章 向量组的线性相关性 1 设v 1(1 1 0)T v 2(0 11)T v 3(3 40)T 求v 1v 2及3v 12v 2v 3解 v 1v 2(1 1 0)T (0 1 1)T(10 11 01)T(10 1)T3v 12v 2v 33(11 0)T 2(0 1 1)T (3 4 0)T (31203 3121430210)T(012)T2 设3(a 1a )2(a 2a )5(a 3a ) 求a 其中a 1(2 5 13)Ta 2(10 1 5 10)T a 3(4 1 1 1)T 解 由3(a 1a )2(a 2a )5(a 3a )整理得)523(61321a a a a -+=])1 ,1 ,1 ,4(5)10 ,5 ,1 ,10(2)3 ,1 ,5 ,2(3[61T T T --+= (12 3 4)T 3 已知向量组A a 1(012 3)Ta 2(312)Ta 3(2 3 01)TBb 1(2112)Tb 2(0 211)T b 3(4 413)T证明B 组能由A 组线性表示 但A 组不能由B 组线性表示证明 由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=312123111012421301402230) ,(B A ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------971820751610402230421301~r ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------531400251552000751610421301 ~r ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----000000531400751610421301~r 知R (A )R (A B )3所以B 组能由A 组线性表示由⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=000000110201110110220201312111421402~~r r B 知R (B )2 因为R (B )R (B A ) 所以A 组不能由B 组线性表示4已知向量组A a 1(0 1 1)Ta 2(11 0)TBb 1(1 0 1)Tb 2(1 21)Tb 3(3 2 1)T证明A 组与B 组等价证明 由⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=000001122010311112201122010311011111122010311) ,(~~r r A B 知R (B )R (BA )2 显然在A 中有二阶非零子式故R (A )2 又R (A )R (B A )2 所以R (A )2 从而R (A )R (B )R (A B ) 因此A 组与B 组等价 5已知R (a 1a 2a 3)2 R (a 2 a3 a 4)3 证明(1) a 1能由a 2a 3线性表示(2) a 4不能由a 1 a 2 a 3线性表示证明 (1)由R (a 2a 3a 4)3知a 2 a 3a 4线性无关故a 2 a 3也线性无关 又由R (a 1 a 2 a 3)2知a 1 a 2 a 3线性相关 故a 1能由a 2 a 3线性表示(2)假如a 4能由a 1 a 2 a 3线性表示 则因为a 1能由a 2a 3线性表示故a 4能由a 2 a 3线性表示 从而a 2 a 3 a 4线性相关 矛盾 因此a 4不能由a 1 a 2 a 3线性表示6判定下列向量组是线性相关还是线性无关(1) (1 3 1)T (2 1 0)T (1 4 1)T (2) (230)T(140)T(02)T解 (1)以所给向量为列向量的矩阵记为A 因为⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=000110121220770121101413121~~r r A所以R (A )2小于向量的个数从而所给向量组线性相关(2)以所给向量为列向量的矩阵记为B因为22200043012||≠=-=B所以R (B )3等于向量的个数从而所给向量组线性相无关7问a 取什么值时下列向量组线性相关a 1(a1 1)Ta 2(1a1)T a 3(1 1 a )T解 以所给向量为列向量的矩阵记为A由)1)(1(111111||+-=--=a a a aa a A知当a1、0、1时R (A )3此时向量组线性相关8设a 1 a 2线性无关 a 1b a 2b 线性相关 求向量b 用a 1 a 2线性表示的表示式解 因为a 1b a 2b 线性相关 故存在不全为零的数12使1(a 1b )2(a 2b )0由此得 2211121122121211)1(a a a a b λλλλλλλλλλλλ+--+-=+-+-=设211λλλ+-=c 则b c a 1(1c )a 2 c R9设a 1a 2线性相关b 1 b 2也线性相关 问a 1b 1 a 2b 2是否一定线性相关试举例说明之解 不一定 例如 当a 1(12)T , a 2(24)T , b 1(11)T , b 2(0 0)T时 有 a 1b 1(1 2)T b 1(0 1)T , a 2b 2(2 4)T (0 0)T (24)T而a 1b 1 a 2b 2的对应分量不成比例 是线性无关的10 举例说明下列各命题是错误的(1)若向量组a 1a 2 a m 是线性相关的则a 1可由a 2a m 线性表示解 设a 1e 1(1 0 0 0)a 2a 3 a m 0 则a 1 a 2a m 线性相关但a 1不能由a 2a m 线性表示(2)若有不全为0的数12m使1a 1 m a m1b 1m b m0 成立 则a 1 a 2a m 线性相关,b 1b 2b m 亦线性相关解 有不全为零的数12m使1a 1m a m1b 1m b m原式可化为1(a 1b 1)m(a mb m )0取a1e1b1a2e2b2a m e m b m其中e1e2 em为单位坐标向量则上式成立而a1a2a m 和b1b2b m均线性无关(3)若只有当12m全为0时等式1a1mam1b1mbm才能成立则a1a2a m线性无关, b1b2b m 亦线性无关解由于只有当12m全为0时等式由1a1mam1b1mbm成立所以只有当12m全为0时等式1(a1b1)2(a2b2)m(a m b m)0成立因此a1b1a2b2a m b m线性无关取a1a2a m0取b1b m为线性无关组则它们满足以上条件但a1a2a m线性相关(4)若a1a2a m线性相关, b1b2b m亦线性相关则有不全为0的数12m使1a1mam1b1mbm同时成立解a1(1 0)T a2(2 0)T b1(0 3)T b2(0 4)T1a12a21221b12b21(3/4)2120与题设矛盾11设b1a1a2b2a2a3 b3a3a4 b4a4a1证明向量组b1b2b3b4线性相关证明由已知条件得a1b1a2a2b2a3a3b3a4a4b4a1于是a1 b1b2a3b1b2b3a4b 1b 2b 3b 4a 1 从而 b 1b 2b 3b 40这说明向量组b 1b 2 b 3b 4线性相关12 设b 1a 1 b 2a 1a 2 b ra 1a 2 a r且向量组a 1a 2a r 线性无关证明向量组b 1b 2b r 线性无关证明 已知的r 个等式可以写成⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅100110111) , , ,() , , ,(2121r r a a a b b b上式记为B AK 因为|K |10 K 可逆 所以R (B )R (A )r 从而向量组b 1 b 2b r 线性无关13 求下列向量组的秩, 并求一个最大无关组 (1)a 1(1 214)Ta 2(9 100 10 4)Ta 3(2 42 8)T解 由⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----=000000010291032001900820291844210141002291) , ,(~~321r r a a a知R (a 1 a 2 a 3)2 因为向量a 1与a 2的分量不成比例 故a 1 a 2线性无关 所以a 1a 2是一个最大无关组 (2)a 1T (1 213)a 2T(4 156)a 3T (1 347)解 由⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=00000059014110180590590141763451312141) , ,(~~321r r a a a知R (a 1T a 2T a 3T )R (a 1 a 2 a 3)2 因为向量a 1T 与a 2T 的分量不成比例故a 1T a 2T 线性无关所以a 1Ta 2T 是一个最大无关组14 利用初等行变换求下列矩阵的列向量组的一个最大无关组(1)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛4820322513454947513253947543173125解 因为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛482032251345494751325394754317312513121433~r r r r r r ---⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛531053103210431731253423~rr r r --⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00003100321043173125所以第1、2、3列构成一个最大无关组.(2)⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---14011313021512012211解 因为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---1401131302151201221113142~rr r r --⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------222001512015120122112343~rr r r +↔⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---00000222001512012211所以第1、2、3列构成一个最大无关组15 设向量组(a31)T(2b3)T(1 2 1)T (2 3 1)T的秩为2 求a b 解 设a 1(a3 1)Ta 2(2b3)Ta 3(1 2 1)T a 4(231)T 因为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=52001110311161101110311131********) , , ,(~~2143b a a b a b a r r a a a a而R (a 1 a 2a 3 a 4)2 所以a 2b 516 设a 1 a 2a n 是一组n 维向量已知n 维单位坐标向量e 1e 2e n 能由它们线性表示证明a 1a 2a n线性无关 证法一 记A(a 1 a 2a n )E(e 1e 2e n )由已知条件知 存在矩阵K 使E AK两边取行列式 得|E ||A ||K |可见|A |0 所以R (A )n 从而a 1 a 2a n 线性无关 证法二 因为e 1e 2 e n 能由a 1a 2a n 线性表示所以R (e 1 e 2e n )R (a 1 a 2a n ) 而R (e 1 e 2e n )n R (a 1 a 2a n )n所以R (a 1 a 2 a n )n 从而a 1 a 2a n 线性无关17 设a 1a 2 a n 是一组n 维向量, 证明它们线性无关的充分必要条件是 任一n 维向量都可由它们线性表示 证明 必要性 设a 为任一n 维向量因为a 1a 2a n 线性无关 而a 1 a 2a na 是n1个n 维向量是线性相关的所以a 能由a 1a 2a n 线性表示 且表示式是唯一的充分性已知任一n维向量都可由a1a2a n线性表示故单位坐标向量组e1e2e n能由a1a2a n线性表示于是有n R(e1e2en)R(a1a2a n)n即R(a1a2a n)n所以a1a2a n线性无关18设向量组a1a2a m线性相关且a10证明存在某个向量a k (2k m)使a k能由a1a2a k1线性表示证明因为a1a2a m线性相关所以存在不全为零的数12m使1a12a2mam而且23m不全为零这是因为如若不然则1a10由a10知10矛盾因此存在k(2k m)使k0k1k2m于是1a12a2kaka k (1/k)(1a12a2k1ak1)即a k能由a1a2a k1线性表示19设向量组B b1b r能由向量组A a1a s 线性表示为(b1b r)(a1a s)K其中K为s r矩阵且A 组线性无关证明B组线性无关的充分必要条件是矩阵K的秩R(K)r 证明令B(b1b r)A(a1a s)则有B AK必要性设向量组B线性无关由向量组B线性无关及矩阵秩的性质有r R(B)R(AK)min{R(A)R(K)}R(K)及 R (K )min{r s }r因此R (K )r充分性 因为R (K )r 所以存在可逆矩阵C 使⎪⎭⎫⎝⎛=O E KC r 为K 的标准形于是(b 1b r )C ( a 1 a s )KC (a 1a r ) 因为C 可逆 所以R (b 1b r )R (a 1 a r )r从而b 1b r 线性无关20 设⎪⎩⎪⎨⎧+⋅⋅⋅+++=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅++=+⋅⋅⋅++=-1321312321n n nn ααααβαααβαααβ 证明向量组12n与向量组12n等价证明 将已知关系写成⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅0111101111011110) , , ,() , , ,(2121n n αααβββ将上式记为BAK 因为0)1()1(0111101111011110||1≠--=⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅=-n K n所以K 可逆 故有A BK1由B AK 和A BK 1可知向量组12n与向量组12n可相互线性表示 因此向量。