线性代数习题及答案
(北京邮电大学出版社 戴斌祥主编)
习题一
(A 类)
1. 求下列各排列的逆序数.
(1) 341782659; (2) 987654321; (3) n (n 1)...321; (4) 13 (2)
1)(2n )(2n
2)…2.
【解】
(1) τ(341782659)=11; (2) τ(987654321)=36; (3) τ(n (n
1)…3·2·1)= 0+1+2 +…+(n
1)=
(1)
2
n n -; (4) τ(13…(2n 1)(2n )(2n
2)…2)=0+1+…+(n
1)+(n
1)+(n
2)+…+1+0=n (n
1).
2. 求出j ,k 使9级排列24j157k98为偶排列。
解:由排列为9级排列,所以j,k 只能为3、6.由2排首位,逆序为0,4的逆序数为0,1的逆序数为3,7的逆序数为0,9的为0,8的为1.由0+0+3+0+1=4,为偶数.若j=3,k=6,则j 的逆序为1,5的逆序数为0,k 的为1,符合题意;若j=6,k=3,则j 的逆序为0,5的逆序数为1,k 的为4,不符合题意. 所以j=3、k=6.
3. 写出4阶行列式中含有因子2234a a 的项。 解:D 4=1234()
11223344(1)
j j j j j j j j a a a a τ-
由题意有:232,
4.j j == 故1234141243
243241
j j j j j j ?==??D 4中含的2234a a 项为:
(1243)(3241)1122344313223441(1)(1)a a a a a a a a ττ-+-即为:1122344313223441a a a a a a a a -+
4. 在6阶行列式中,下列各项应带什么符号?
(1)233142561465a a a a a a ; 解:233142561465142331425665a a a a a a a a a a a a = 因为(431265)6τ=,(431265)
6(1)
(1)1τ-=-= 所以该项带正号。
(2)324314516625a a a a a a 解:324314516625142532435166a a a a a a a a a a a a = 因为(452316)8τ=,(452316)
8(1)
(1)1τ-=-=所以该项带正号。
5. 用定义计算下列各行列式.
(1)
0200
001030000004
; (2)
1230
002030450001
. (3)
0100002
000
100
n n -
【解】(1) D =(1)τ(2314)4!=24; (2) D =12.
(3)由题意知:12231,,11
2
10
n n n ij a a a n a n a -=??=????
=-??=?=??其余所以12()112233(2341)
122334
1,1
1
1(1)(1)(1)
123(1)(231)1
(1)!
n j j j n j j j njn n n n n n n D a a a a a a a a a n n n n n τττ---=-=-=-?????-?=-=-?
6. 计算下列各行列式.
(1)
2
141312112325
62
-----; (2) ab
ac ae bd
cd
de bf
cf
ef
-------;(3)
1
001
100
1100
1
a b c d
---;
(4)
1234
234134124123
. 【解】(1) 12
5
0623121012325
62
r r D
+---=--;
(2) 1
11
41
11111
D abcdef abcdef --==------; 21
011
111(3)(1)1
1
10
1100
1
011;
b c D a a b cd c c d d d
d abcd ab ad cd --?--?
=+-=+++--????=++++ 321221
13
314214
4
1
210234
10
234
102
3410341011
30
113(4)160.1041202220
04
410123
111
4r r c c r r c c r r r r c c r r
D -+-+-++---=
=
=
=-------
7. 证明下列各式.
(1) 2
2
322()1
1
1
a a
b b a
a b b a b +=-;(2)
22222
2222
2
2
2
2
2
2
2
(1)(2)(3)(1)(2)(3)0(1)(2)(3)(1)(2)(3)a a a a b b b b c c c c d d d d ++++++=++++++;(3)
232
232232
111()111a a a a b b ab bc ca b b c c c c =++(4) 20000
(
)00
n
n
a b
a b D ad bc c d c
d
==-; (5)
12
11111
111111
1
1n
n
i i i i n
a a a a a ==++??=+ ??
?+∑∏.
【证明】(1)
13
23
22
3()()()2()
20
1()()()()()2()
2
1
c c c c a b a b b a b b a b a b b a b a b b a b a b b a b a b a b a b
--+--=
--+--+=
=-=-=--左端右端.
(2) 32
21
3142
41
2
222-2-22322214469
21262144692126
021446921262144692126
c c c c c c c c c c a a a a a a b
b b b b b
c c c c c c
d d d d d d ---++++++++====++++++++左端右端.
(3) 首先考虑4阶范德蒙行列式:
2323232
3
11()()()()()()()
(*)
11
x x x a a a f x x a x b x c a b a c b c b b b c
c c =
=------
从上面的4阶范德蒙行列式知,多项式f (x )的x 的系数为
2
22
1
()()()()(),1
1
a a a
b b
c ac a b a c b c ab bc ac b b c
c ++---=++ 但对(*)式右端行列式按第一行展开知x 的系数为两者应相等,故
23
11
232
3
1(1),11
a a
b b
c c +- (4) 对D 2n 按第一行展开,得
22(1)2(1)2(1)00
000
00
(),
n n n n a
b a
b
a b
a b
D a
b
c d
c d
c d c d d c ad D bc D ad bc D ---=-=?-?=-
据此递推下去,可得
222(1)2(2)
112()()()()()()n n n n n n
D ad bc D ad bc D ad bc D ad bc ad bc ad bc ----=-=-=
=-=--=- 2().n n D ad bc ∴
=-
(5) 对行列式的阶数n 用数学归纳法.
当n =2时,可直接验算结论成立,假定对这样的n 1阶行列式结论成立,进而证明阶
数为n 时结论也成立.
按D n 的最后一列,把D n 拆成两个n 阶行列式相加:
112
21
12
111110111
1111011111110
1
11
1
1
1
1
.
n n n
n n n a a a a D a a a a a a D ---++++=
+
+=+
但由归纳假设
1112
1111,n n n i i D a a a a ---=??+= ???
∑ 从而有
112
1121112
1111
111111.
n n n n n i i n n n
n n i i i i i i D a a
a a a a a a a a a a a a a ---=-===??
+=+ ?
??
?
???++== ? ????
?∑∑∑∏
8. 计算下列n 阶行列式.
(1) 1
1
11
11
n x x
D x
=
(2) 12222
2222
2322
2
2
n D n
=; (3)0000
00
0000
n x y x y D x y y x
=
. (4)21000121000120000021000
12
n D =
.
【解】(1) 各行都加到第一行,再从第一行提出x +(n
1),得
11
111[(1)]
,11
n x D x n x =+-
将第一行乘(
1)后分别加到其余各行,得
11
11110[(1)]
(1)(1).0
1
n n x D x n x n x x --=+-=+---
(2) 21311
1
22
22
10
00
01010
100201000
2
n r r n r r r r D n ---=
-按第二行展开222
2010
02(2)!.002
0000
2
n n =---
(3) 行列式按第一列展开后,得
1
(1)(1)(1)10000000000
000(1)0000000
(1)(1).
n n n n n n n n x y y x y x y D x
y x y x y y
x
x y
x x y y x y +-+-+=+-=?+?-?=+-
(4) 210002000001000121
001210012100012000120001200000210002100021000
12
000
12
000
12
n D =
=
+
122n n D D --=-.
即有 112211n n n n D D D D D D ----=-==-=
由 ()()()112211n n n n D D D D D D n ----+-+
+-=- 得
11,121n n D D n D n n -=-=-+=+. 9. 计算n 阶行列式.
12121
2
111n n n n
a a a a a a D a a a
++=
+
【解】各列都加到第一列,再从第一列提出1
1n
i
i a
=+
∑,得
2323
23
123
111111,1
1n n
n
n i n i n
a a a a a a D a a a a a a a =+??
=++ ??
?
+∑ 将第一行乘(
1)后加到其余各行,得
2
311
10
100
11.0
0100
1
n
n
n
n i i i i a a a D a a ==??=+=+ ???
∑∑
10. 计算n 阶行列式(其中0,1,2,
,i a i n ≠=).
1111
123222211
2233
22
221122
331
11112
3n n n n n n n n n n n
n n n n n n n
n n n n n
a a a a a
b a b a b a b D a b a b a b a b b b b b ----------------=
.
【解】行列式的各列提取因子1
(1,2,
,)n j a j n -=,然后应用范德蒙行列式. 3121
2
3
2
2
2
2
3121
1
2
12311
113121231
12
11111()().
n n
n n n n n n n n n n n j i n n j i n i
j b b b b a a a a b b b b D a a a a a a a b b b b a a a a b b a a a a a ------≤<≤????????= ? ? ? ????????????????? ? ? ? ???
??
??
??
??
-= ???∏
11. 已知4阶行列式D 中第3列元素依次为-1,2,0,1,它们的余子式依次为8,7,2,10,求行列式D 的值。
解:D=
1112142122
24
3132
344142
44
1201
a a a a a a a a a a a a -,132333438,7,2,10M M M M ==== 4
333
1
1323334313132323333343434567(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)8(1)27(1)02(1)1108141032.
i i i i D a M a M a M a M a M +=++++=-=-+-+-+-=-?-?+-??+-??+-??=---=-∑ 12. 用克拉默法则解方程组.
(1)12
12450,37 2.x x x x +=??-=? (2)12312
1
32,
21,4.x x x x x x x -+=??+=??-=? (3) 12312341234234 5,2 1, 2 2, 23 3.
x x x x x x x x x x x x x x ++=??+-+=??+-+=??++=? (4)
12123234345
4556 1,
56 0,
56 0, 560,
5 1.
x x x x x x x x x x x x x +=??++=??
++=??++=?+=?? 【解】(1)因为1212450
372
x x x x +=??
-=?
D =
454337=--;D 1=05
1027
=--;D 2=
40832= 所以121210
8,.43
43
D D x x D D =
==
=- (2)因为12312
1
32
214x x x x x x x -+=??
+=??-=? D =[1(1)]2,3
11
11111
2003151
1
1
2
r i i +-=--=
-=---
D 1=21
100112
1
201
2
01361
40
1611-==
=-----
D 2=12
1
1
2
1
11
110011422
141022
--=--=
=--- D 3=112
11
21
2103171
4
12
--=-= 所以
3121231347
,,.5
5
5
D D D x x x D D D =
==
=-=
=- (3)方程组的系数行列式为
11101110
131131
21110131
180;1210
52121101211
2
3
1401
2
3
1
2
3
D -------=
=
===≠----- 12345110
15101111211118;
36;
2211
1211
3123032
3115011152111
2111
36;18.122112120
1
3
3
12
3
D D D D --====---=
==
=--
故原方程组有惟一解,为
312412341,2,2, 1.D D D D
x x x x D D D D
=
=======- 1234512345(4)665,1507,1145,703,395,212.15072293779212,,,,.66513335133665
D D D D D D x x x x x ===-==-=∴=
=-==-=
13. λ满足什么条件时,线性方程组1231231
2321,2,4553
x x x x x x x x x λλ+-=??
-+=??+-=?有唯一解?
解:D =[32(1)]
2
121
11104
5
5
4
5
c λ
λ
λλ
λ
---=--
=1
(1)
(1)(54)4
5
λλλλ--=-?+
要使方程组有唯一解,必须D 0≠,于是:(1)(54)0λλ-?+≠ 解得:1241,5
λλ≠≠-
当λ不等于1,4
5
-
时,方程组有唯一解。 14. λ和μ为何值时,齐次方程组
1231231
230,0,20
x x x x x x x x x λμμ++=??
++=??++=? 有非零解?
【解】要使该齐次方程组有非零解只需其系数行列式
11
0,111
21
λμμ= 即
(1)0.μλ-=
故0μ=或1λ=时,方程组有非零解.
15. 求三次多项式23
0123()f x a a x a x a x =+++,使得
(1)0,(1)4,(2)3,(3)16.f f f f -====
【解】根据题意,得
0123012301230123(1)0;(1)4;(2)2483;(3)392716.
f a a a a f a a a a f a a a a f a a a a -=-+-==+++==+++==+++=
这是关于四个未知数0123,,,a a a a 的一个线性方程组,由于
012348,336,0,240,96.D D D D D ====-=
故得01237,0,5,2a a a a ===-= 于是所求的多项式为
23()752f x x x =-+
(B 类)
1. 已知n 阶行列式D 的每一列元素之和均为零,则D = 。 解: 令
D =
111211*********
12[1(1)]2122221
22
22,3,,121
2
n n n n n nn
r i n n
i n
n n nn n n nn
a a a
a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a +=++
+++
+++
+=
=
212221
2
0000n n n nn
a a a a a a =
2.D
3. 写出行列式D 4=
512
312123
122x x x x
x
x
的展开式中包含3
x 和4
x 的项。
解:令D 4=
512
312123
122x x x x
x
x
=
11121314212223243132333441
42
43
44
a a a a a a a a a a a a a a a a =
12341234
()11223344(1)j j j j j j j j j j j j a a a a τ-∑
比较可得:只有当12341234j j j j =时,才能出现4x 项,当12342134,4231j j j j =时,为3
x 项,
故4D 中含4x 项为:4
10x + 含3
x 项为:(2134)
(4231)31221334414223341(1)(1)5a a a a a a a a x ττ-+-=-。
4. 已知4阶行列式D 4=
1234
334415671122
,试求41424344A A A A +++,其中4(1,2,3,4)j A j =为
行列式D 4的第4行第j 列的元素的代数余子式。
解:因为D 4=
1234
334415671122
所以414243441234
334415671111
A A A A +++=
[1(1)]412,3,4
1123
123
3011
(1)0111456
456
1000
c i i +-+==
=-
[41(4)]
5
5
11
1
23
11
(1)0
1
1(1)(1)
36
036
r +-+=-=------(6(3)) 3.=----=
5. 解方程1
22
221
2
121111110.n
n n
n
n
n a a a a a a x a a a =
解:因D =
1
21211111112121212(1)(1)
111111111
1
1
1
10111n
n n n n n n n n n n
n
n
n
n
n
n n n n a a a a a a a a a a a a x
a a a x
a a a ------+?+---=
---
=122
11
1
1
2
11111
1(
1)11
1n n n n n n
n n
a a a x a
a a +---?-------+
122221************
11
111
n n n n n n n n
n n n n
a a a a a a a a a a a a ---?---------
故由D =0可得:
1
(1)
n x +=-
122221
2111121212111121111
1
111
11111
1
111
1n n n n n n n n
n
n n n
n n n n n n n
a a a a a a a a a a a a a a a a a a ---?---?---------------
因为
121211111
1
121211*********
1
n n n n n n n n n n a a a a a a a a a a a a ---------=
---=1()n i j j i n
V a a ≤<≤=
-∏
所以(1)
x =-122221212111111
1()
n n n n
n
n i j j i n
a a a a a a a a a a a ≤<≤-------∏
6. 求出使一平面上三个点112233(,),(,),(,)x y x y x y 位于同一直线上的充分必要条件. 【解】设平面上的直线方程为
ax +by +c =0 (a ,b 不同时为0)
按题设有
11223
30,0,0,
ax by c ax by c ax by c ++=??
++=??++=? 则以a ,b ,c 为未知数的三元齐次线性方程组有非零解的充分必要条件为
11223
31101
x y x y x y = 上式即为三点112233(,),(,),(,)x y x y x y 位于同一直线上的充分必要条件.
习题 二
(A 类)
1. 1. 设A =121221211234??????????,B =432121210101??
??--????--??
, (1) 计算3A -B ,2A +3B ; (2) 若X 满足A +X =B ,求X ;
(3) 若Y 满足(2A -Y )+2(B -Y )=0,求Y .
解:(1)3A -B =3636636333912??????????-432121210101????--????--??=1315828237913-??????????。 2A +3B =242442422468??????????+1296363630303????--????--??=14138725252165????--??????
。 (2)因A +X =B ,则X =B -A ,即
X =432121210101????--????--??-121221211234?????
??
???=311140401335-??
??--????----??。
(3)因为(2A -Y )+2(B -Y )=0,所以3Y =2A +2B ,即
Y =23(A +B )=23(432121210101????--????--??+121221211234??????????)=55332020231133???????????=10102233440033222
23
3
??????????????
????
。 2. 计算下列矩阵的乘积.
(1)[]11321023??
??
-??-??????=; (2)
500103120213????????-????????????
; (3) []32123410????
????????
; (4)
()11
121311
2
321
2223231
32333a a a x x x x a a a x a a a x ????
????????????????; (5) 11
121321222331
32
33100011001a a a a a a a a a ????????????????????
; (6) 1
2101
3
1010101210
0210
023********????
????-?
??
?????
-???
?
-????
. 【解】
(1) 32103210;6420963
0-??
??--?
???
-?
?-??
(2)531??
??-????-??; (3) (10);
(4) 33
222
111
222
333
12211213311323322311
()()()ij i
j
i j a x a x a x a a x x a a x x a a x x a x x
==++++++++=
∑∑
(5)111212132122222331
32
3233a a a a a a a a a a a a +??
??+????+??
; (6) 1
25
2012400430009??
??-????
-??
-??
. 3. 设111111111????=-????-??A ,121131214????=-??????
B , 求(1)2-AB A ;(2) -AB BA ;(3) 2
2
()()-=-A+B A B A B 吗?
【解】(1) 2422;400024????-=??????AB A (2) 440;531311????-=--????--??
AB BA (3) 由于AB ≠BA ,故(A +B )(A B )≠A 2B 2.
4. 举例说明下列命题是错误的.
(1) 若2
=A O , 则=A O ; (2) 若2=A A , 则=A O 或=A E ; (3) 若AX =AY ,≠A O , 则X =Y . 【解】
(1) 以三阶矩阵为例,取2
001,000000??
??==??????0A A ,但A ≠0
(2) 令110000001-??
??=??????A ,则A 2=A ,但A ≠0且A ≠E (3) 令11021,=,0111210110????????????=≠=????????????-??????
A Y X 0 则AX =AY ,但X ≠Y . 5. 计算:
(1)3
010001000??????
????
;(2)cos sin sin cos k
θθθθ????-??(k 为正整数); (3)1
01k
λ??
???
?
(k 为正整数). 解:(1)3
010001000??????????=010001000?????
?????010001000??????????0
100010
0??????????=0
0100000
0??
?????
???0100010
0??????????=330
000000
0???
??=??
????
O 。 (2)令D k =cos sin sin cos k
θ
θθ
θ??
?
?-??
(k 为正整数),则当k =2时, D 2=
cos sin sin cos θ
θθθ????-??cos sin sin cos θ
θθθ????-??
=
cos 22sin cos 2sin cos cos 2θ
θθθθθ????-??
=
cos 2sin 2sin 2cos 2θθθθ????-?
?;设D m =cos sin sin cos m m m m θ
θθ
θ??
?
?-??
成立,则 D m +1=cos sin sin cos m m m m θ
θθθ??
?
?-??
cos sin sin cos θ
θθθ??
??-?
?
=cos cos sin sin sin cos cos sin sin cos cos sin cos cos sin sin m m m m m m m m θθθθ
θθθθθθθθθθθθ-+??
?
?---??
=cos(1)sin(1)sin(1)cos(1)m m m m θθθ
θ++???
?-++??
.故有:D k =cos sin sin cos k
θ
θθθ???
?-??=cos sin sin cos k k k k θ
θθ
θ??
??-??
.
(3) 令D k =1
01k
λ
???
???(k 为正整数),则当k =2时,有:D 2=101λ??????101λ??????=1021λ??
????
; 假设D m =101m
λ??????=101m λ??????成立,则D m +1=101m λ??????101λ??????=1
0(1)1m λ????+?
?;
故有1
01k λ
???
???=101k λ??????
。6. 设a
b c d b a d
c c
d a b d
c
b a ????--????--??--??
A =,求|A |. 解:由已知条件,A 的伴随矩阵为
22222222()
()a b c d b a d
c a b c
d a b c d c d a b d
c
b
a *???
?--??-+++=-+++??--??--??
A =A 又因为*
A A =A E ,所以有