1、考研数学三(线性代数)模拟试卷 109 及答案解析(总分:62.00,做题时间:90 分钟)一、选择题(总题数:9,分数:18.00)1.选择题下列每题给出的四个选项中,只有一个选项符合题目要求。(分数:2.00)_2.下列命题中 如果矩阵 AB=E,则 A 可逆且 A 1 =B; 如果 n 阶矩阵 A,B 满足(AB) 2 =E,则(BA) 2 =E; 如果矩阵 A,B 均为 n 阶不可逆矩阵,则 A+B 必不可逆; 如果矩阵 A,B 均为 n 阶不可逆矩阵,则 AB 必不可逆。 正确的是( )(分数:2.00)A.B.C.D.3.设 那么(P 1 ) 2010 A(Q 2011 ) 1 =
2、( ) (分数:2.00)A.B.C.D.4.向量组 1 =(1,3,5,一 1) T , 2 =(2,一 1,一 3,4) T , 3 =(6,4,4,6) T , 4 =(7,7,9,1) T , 5 =(3,2,2,3) T 的极大线性无关组是( )(分数:2.00)A. 1 , 2 , 5B. 1 , 3 , 5C. 2 , 3 , 4D. 3 , 4 , 55.设 A 是 mn 矩阵,B 是 nm 矩阵,则线性方程组(AB)x=0( )(分数:2.00)A.当 nm 时,仅有零解B.当 nm 时,必有非零解C.当 mn 时,仅有零解D.当 mn 时,必有非零解6.设 1 , 2 ,
3、3 , 4 是四维非零列向量组,A=( 1 , 2 , 3 , 4 ),A * 为 A 的伴随矩阵。已知方程组 Ax=0 的基础解系为 k(1,0,2,0) T ,则 A * x=0 的基础解系为( )(分数:2.00)A. 1 , 2 , 3B. 1 + 2 , 2 + 3 , 1 + 3C. 2 , 3 , 4D. 1 + 2 , 2 + 3 , 3 + 4 , 4 + 17.三阶矩阵 A 的特征值全为零,则必有( )(分数:2.00)A.秩 r(A)=0B.秩 r(A)=1C.秩 r(A)=2D.条件不足,不能确定8.设 n 阶矩阵 A 与 B 相似,E 为 n 阶单位矩阵,则( )(分
4、数:2.00)A.E 一 A=EBB.A 与 B 有相同的特征值和特征向量C.A 和 B 都相似于一个对角矩阵D.对任意常数 t,tE 一 A 与 tE 一 B 相似9.下列矩阵中 A 与 B 合同的是( ) (分数:2.00)A.B.C.D.二、填空题(总题数:10,分数:20.00)10.设 n 阶矩阵 (分数:2.00)填空项 1:_11.设 =(1,2,3) T ,=(1, (分数:2.00)填空项 1:_12.设矩阵 A 的伴随矩阵 A * = (分数:2.00)填空项 1:_13.已知 (分数:2.00)填空项 1:_14.如果 =(1,2,t) T 可以由 1 =(2,1,1)
5、T , 2 =(一 1,2,7) T , 3 =(1,一 1,一 4) T 线性表示,则 t 的值是 1。(分数:2.00)填空项 1:_15.已知线性方程组 (分数:2.00)填空项 1:_16.设 A 是秩为 3 的 54 矩阵, 1 , 2 , 3 是非齐次线性方程组 Ax=b 的三个不同的解,如果 1 + 2 +2 3 =(2,0,0,0) T ,3 1 + 2 =(2,4,6,8) T ,则方程组 Ax=b 的通解是 1。(分数:2.00)填空项 1:_17.已知矩阵 (分数:2.00)填空项 1:_18.若三维列向量 , 满足 T =2,其中 T 为 的转置,则矩阵 T 的非零特征
6、值为 1。(分数:2.00)填空项 1:_19.二次型 f(x 1 ,x 2 ,x 3 )=(a 1 x 1 +a 2 x 2 +a 3 x 3 )(b 1 x 1 +b 2 x 2 +b 3 x 3 )的矩阵为 1。(分数:2.00)填空项 1:_三、解答题(总题数:12,分数:24.00)20.解答题解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤。(分数:2.00)_21.设 n 阶矩阵 (分数:2.00)_22.设矩阵 A 的伴随矩阵 A * = (分数:2.00)_23.设 A 为 n 阶矩阵(n2),A * 为 A 的伴随矩阵,证明 (分数:2.00)_24.设向量组():b 1 ,b r
7、,能由向量组(): 1 , s 线性表示为(b 1 ,b r )=( 1 , s )K,其中 K 为 sr 矩阵,且向量组()线性无关。证明向量组()线性无关的充分必要条件是矩阵 K 的秩 r(K)=r。(分数:2.00)_25.设线性方程组 (分数:2.00)_26.设四元齐次线性方程组 (分数:2.00)_27.已知 (分数:2.00)_28.设 A 为三阶矩阵, 1 , 2 , 3 是线性无关的三维列向量,且满足 A 1 = 1 + 2 + 3 ,A 2 =2 2 + 3 ,A 3 =2 2 +3 3 。 ()求矩阵 A 的特征值; ()求可逆矩阵 P 使得P 1 AP=。(分数:2.0
8、0)_29.已知矩阵 (分数:2.00)_30.设二次型 f=x 1 2 +x 2 2 +x 3 2 一 4x 1 x 2 4x 1 x 3 +2ax 2 x 3 经正交变换化为 3y 1 2 +3y 2 2 +6y 3 2 ,求 a,b 的值及所用正交变换。(分数:2.00)_31.设二次型 f(x 1 ,x 2 ,x 3 )=ax 1 2 +ax 2 2 +(a1)x 3 2 +2x 1 x 3 2x 2 x 3 。 ()求二次型 f 的矩阵的所有特征值; ()若二次型 f 的规范形为 yx 1 2 +y 2 2 ,求 a 的值。(分数:2.00)_考研数学三(线性代数)模拟试卷 109
9、答案解析(总分:62.00,做题时间:90 分钟)一、选择题(总题数:9,分数:18.00)1.选择题下列每题给出的四个选项中,只有一个选项符合题目要求。(分数:2.00)_解析:2.下列命题中 如果矩阵 AB=E,则 A 可逆且 A 1 =B; 如果 n 阶矩阵 A,B 满足(AB) 2 =E,则(BA) 2 =E; 如果矩阵 A,B 均为 n 阶不可逆矩阵,则 A+B 必不可逆; 如果矩阵 A,B 均为 n 阶不可逆矩阵,则 AB 必不可逆。 正确的是( )(分数:2.00)A.B.C.D. 解析:解析:如果 A、B 均为 n 阶矩阵,命题当然正确,但是题中没有 n 阶矩阵这一条件,故不正
10、确。例如 显然 A 不可逆。 若 A、B 为 n 阶矩阵,(AB) 2 =E,即(AB)(AB)=E,则可知 A、B 均可逆,于是 ABA=B 1 ,从而 BABA=E,即(BA) 2 =E。因此正确。 若设 显然 A、B 都不可逆,但A+B= 3.设 那么(P 1 ) 2010 A(Q 2011 ) 1 =( ) (分数:2.00)A.B. C.D.解析:解析:P、Q 均为初等矩阵,因为 p 1 =P,且 P 左乘 A 相当于互换矩阵 A 的第一、三两行,所以 P 2010 。A 表示把 A 的第一、三行互换 2010 次,从而(P 1 ) 2010 A=P 2010 A=A。 又(Q 20
11、11 ) 1 =(Q 1 ) 2011 ,且 Q 1 = 4.向量组 1 =(1,3,5,一 1) T , 2 =(2,一 1,一 3,4) T , 3 =(6,4,4,6) T , 4 =(7,7,9,1) T , 5 =(3,2,2,3) T 的极大线性无关组是( )(分数:2.00)A. 1 , 2 , 5B. 1 , 3 , 5C. 2 , 3 , 4 D. 3 , 4 , 5解析:解析:对向量组构成的矩阵作初等行变换,有 ( 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ) 可见秩 r( 1 , 2 , 3 , 4 , 5 )=3。 又因为三阶子式 5.设 A 是 mn 矩阵,B 是 nm 矩
12、阵,则线性方程组(AB)x=0( )(分数:2.00)A.当 nm 时,仅有零解B.当 nm 时,必有非零解C.当 mn 时,仅有零解D.当 mn 时,必有非零解 解析:解析:因为 AB 是 m 阶矩阵,且 r(AB)minr(A),r(B)minm,n,所以当 mn 时,必有 r(AB)m,根据齐次方程组存在非零解的充分必要条件可知,选项 D 正确。6.设 1 , 2 , 3 , 4 是四维非零列向量组,A=( 1 , 2 , 3 , 4 ),A * 为 A 的伴随矩阵。已知方程组 Ax=0 的基础解系为 k(1,0,2,0) T ,则 A * x=0 的基础解系为( )(分数:2.00)A
13、. 1 , 2 , 3B. 1 + 2 , 2 + 3 , 1 + 3C. 2 , 3 , 4 D. 1 + 2 , 2 + 3 , 3 + 4 , 4 + 1解析:解析:方程组 Ax=0 的基础解系只含一个解向量,所以四阶方阵 A 的秩 r(A)=41=3,则其伴随矩阵 A * 的秩 r(A * )=1,于是方程组 A * x=0 的基础解系含有三个线性无关的解向量。 又 A * ( 1 , 2 , 3 , 4 )=A * A=|A|E=O,所以向量 1 , 2 , 3 , 4 都是方程组 A * x=0 的解。将(1,0,2,0) T 代入方程组 Ax=0 可得 1 +2 3 =0,这说明
14、 1 可由向量组 2 , 3 , 4 线性表出,而向量组 1 , 2 , 3 , 4 的秩等于 3,所以向量组 2 , 3 , 4 必线性无关。所以选 C。 事实上,由 1 +2 3 =0 可知向量组 1 , 2 , 3 线性相关,选项 A 不正确;显然,选项 B 中的向量都能被 1 , 2 , 3 线性表出,说明向量组 1 + 2 , 2 + 3 , 1 + 3 线性相关,选项 B 不正确;而选项 D 中的向量组含有四个向量,不是基础解系,所以选型 D 也不正确。7.三阶矩阵 A 的特征值全为零,则必有( )(分数:2.00)A.秩 r(A)=0B.秩 r(A)=1C.秩 r(A)=2D.条
15、件不足,不能确定 解析:解析:考查下列矩阵8.设 n 阶矩阵 A 与 B 相似,E 为 n 阶单位矩阵,则( )(分数:2.00)A.E 一 A=EBB.A 与 B 有相同的特征值和特征向量C.A 和 B 都相似于一个对角矩阵D.对任意常数 t,tE 一 A 与 tE 一 B 相似 解析:解析:因为由 A 与 B 相似不能推得 A=B,所以选项 A 不正确。相似矩阵具有相同的特征多项式,从而有相同的特征值,但不一定具有相同的特征向量,故选项 B 也不正确。对于选项 C,因为根据题设不能推知 A,B 是否相似于对角阵,故选项 C 也不正确。综上可知选项 D 正确。事实上,因 A 与 B 相似,故
16、存在可逆矩阵 P,使 P 1 AP=B, 于是 P 1 (tEA)P=tE 一 P 1 AP=tE 一 B, 可见对任意常数 f,矩阵 tE 一 A 与 tE 一 B 相似。所以应选 D。9.下列矩阵中 A 与 B 合同的是( ) (分数:2.00)A.B.C. D.解析:解析:合同的定义:C T AC=B,矩阵 C 可逆。合同的必要条件是:r(A)=r(B)且行列式|A|与|B|同号。A,B 合同的充要条件是:A 与 B 的正、负惯性指数相同;A 与 B 的正、负特征值的个数相同。A选项的矩阵秩不相等。B 选项中行列式正、负号不同,故排除。C 选项中矩阵 A 的特征值为 1, 2,0,而矩阵
17、 B 的特征值为 1,3,0,所以二次型 x T Ax 与 x T Bx 有相同的正、负惯性指数,因此 A 和 B 合同。而 D 选项中,A 的特征值为 1,2,B 的特征值为一 1,一 2,一 2,因此 x T Ax 与 x T Bx 正、负惯性指数不同,故不合同。所以选 C。二、填空题(总题数:10,分数:20.00)10.设 n 阶矩阵 (分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:一 2(n 一 2)!)解析:解析:把第二行所有元素乘以一 1 加到其他各行所对应的元素上,再将第一行所有元素乘以 2 加到第二行相应的元素上,可得11.设 =(1,2,3) T ,=(1, (分数
18、:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:*)解析:解析:A= T = 又因为 T = =2,且矩阵的乘法满足结合律,所以 A 3 =( T )( T )( T )=( T )( T ) T =4 T =4A= 12.设矩阵 A 的伴随矩阵 A * = (分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:*)解析:解析:由 AA * =|A|E 可得 A=|A|(A * ) 1 ,对等式两端去行列式并结合已知条件,可得| A * |=8=|A| 3 ,因此|A|=2,又 13.已知 (分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:0)解析:解析:根据 A 可逆可知,其伴随矩
19、阵 A * 也是可逆的,因此 r(AXA * )=r(X)=2=r(B),因此可得|B|=0,则 14.如果 =(1,2,t) T 可以由 1 =(2,1,1) T , 2 =(一 1,2,7) T , 3 =(1,一 1,一 4) T 线性表示,则 t 的值是 1。(分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:5)解析:解析: 可以由向量组 1 , 2 , 3 线性表示的充分必要条件是非齐次线性方程组 x 1 1 +x 2 2 +x 3 3 = 有解,对该方程组的增广矩阵作初等行变换得 15.已知线性方程组 (分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:一 1)解析:解析
20、:对线性方程组的增广矩阵作初等行变换得16.设 A 是秩为 3 的 54 矩阵, 1 , 2 , 3 是非齐次线性方程组 Ax=b 的三个不同的解,如果 1 + 2 +2 3 =(2,0,0,0) T ,3 1 + 2 =(2,4,6,8) T ,则方程组 Ax=b 的通解是 1。(分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:( )解析:解析:由于 r(A)=3,所以齐次方程组 Ax=0 的基础解系只含有 4 一 r(A)=1 个解向量。又因为 ( 1 + 2 +2 3 )一(3 1 + 2 )=2( 3 一 1 )=(0,一 4,一 6,一 8) T 是 Ax=0 的解,所以其基础
21、解系为(0,2,3,4) T ,由 A( 1 + 2 +2 3 )=A 1 +A 2 +2A 3 =4b,可知 ( 1 + 2 + 3 )是方程组 Ax=b 的一个解,根据非齐次线性方程组的解的结构可知,其通解是( 17.已知矩阵 (分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:一 3)解析:解析:矩阵的所有特征值的和等于该矩阵对角线元素的和,即 a+3+(一 1)=3,所以 a=1。又因为矩阵所有特征值的乘积等于矩阵对应行列式的值,因此有18.若三维列向量 , 满足 T =2,其中 T 为 的转置,则矩阵 T 的非零特征值为 1。(分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案
22、:2)解析:解析:因为 T =2,所以( T )=( T )=2,故 T 的非零特征值为 2。19.二次型 f(x 1 ,x 2 ,x 3 )=(a 1 x 1 +a 2 x 2 +a 3 x 3 )(b 1 x 1 +b 2 x 2 +b 3 x 3 )的矩阵为 1。(分数:2.00)填空项 1:_ (正确答案:正确答案:*)解析:解析:f(x 1 ,x 2 ,x 3 )=(a 3 x 1 +a 2 x 2 +a 3 x 3 )(b 3 x 1 +b 2 x 2 +b 3 x 3 ) 所以原二次型矩阵为 三、解答题(总题数:12,分数:24.00)20.解答题解答应写出文字说明、证明过程或演
23、算步骤。(分数:2.00)_解析:21.设 n 阶矩阵 (分数:2.00)_正确答案:(正确答案:数学归纳法。 记 以下用数学归纳法证明 D n =(n+1)a n 。 当 n=1 时,D 1 =2a,结论成立。 当 n=2 时,D 2 = =3a 2 ,结论成立。 假设结论对小于 n 的情况成立,将 D n 按第一行展开,则有 )解析:22.设矩阵 A 的伴随矩阵 A * = (分数:2.00)_正确答案:(正确答案:由 AA * =A * A=|A|E,知|A * |=|A| n1 ,因此有 8=|A * |=|A| 3 ,于是|A|=2。 在等式 ABA 1 =BA 1 +3E 两边先右
24、乘 A,再左乘 A * ,得 2B=A * B+3A * A,即(2EA * )B=6E。 于是 )解析:23.设 A 为 n 阶矩阵(n2),A * 为 A 的伴随矩阵,证明 (分数:2.00)_正确答案:(正确答案:(1)当 r(A)=n 时,|A|0,则有|A * |=|A| n1 0,从而 A * 可逆,即r(A * )=n。 (2)当 r(A)=n 一 1 时,由矩阵秩的定义知,A 中至少有一个 n 一 1 阶子式不为零,即A * 中至少有一个元素不为零,故 r(A * )1。 又因 r(A)=n 一 1 时,有|A|=0,且由 AA * =|A|E 知AA * =0。根据矩阵秩的性
25、质得 r(A)+r(A * )n, 把 r(A)=n 一 1 代入上式,得 r(A * )1。综上所述,有 r(A * )=1。 (3)当 r(A)n 一 2 时,A 的所有 n 一 1 阶子式都为零,也就是 A * 的任一元素均为零,即 A * =O,从而 r(A * )=0。)解析:24.设向量组():b 1 ,b r ,能由向量组(): 1 , s 线性表示为(b 1 ,b r )=( 1 , s )K,其中 K 为 sr 矩阵,且向量组()线性无关。证明向量组()线性无关的充分必要条件是矩阵 K 的秩 r(K)=r。(分数:2.00)_正确答案:(正确答案:必要性:令 B=(b 1 ,
26、b r ),A=(a 1 ,a s ),则有 B=AK,由定理 r(B)=r(AK)minr(A),r(K), 结合向量组():b 1 ,b 2 ,b r 线性无关知 r(B)=r,故 r(K)r。 又因为 K 为 rs 阶矩阵,则有 r(K)minr,s。 且由向量组():b 1 ,b 2 ,b r 能由向量组(): 1 , 2 , s 线性表示,则有 rs,即 minr,s=r。 综上所述 rr(K)r,即 r(K)=r。 充分性:已知 r(K)=r,向量组()线性无关,r(A)=s,因此 A 的行最简矩阵为 ,存在可逆矩阵 P 使 于是有 PB=PAK= 由矩阵秩的性质 r(B)=r(P
27、B)= )解析:25.设线性方程组 (分数:2.00)_正确答案:(正确答案:将(1,一 1,1,一 1) T 代入方程组可得 =。对增广矩阵作初等行变换,可得 因为 r(A)= =24,所以方程组有无穷多解,其通解为 ( )解析:26.设四元齐次线性方程组 (分数:2.00)_正确答案:(正确答案:()求方程组(1)的基础解系: 对方程组(1)的系数矩阵作初等行变换 分别取 其基础解系可取为 求方程(2)的基础解系: 对方程组(2)的系数矩阵作初等行变换 分别取 其基础解系可取为 ()设 x=(x 1 ,x 2 ,x 3 ,x 4 ) T 为(1)与(2)的公共解,用两种方法求 x 的一般表
28、达式:x 是(1)与(2)的公共解,因此 z 是方程组(3)的解,方程组(3)为(1)与(2)合并的方程组,即 其系数矩阵 )解析:27.已知 (分数:2.00)_正确答案:(正确答案:A 的特征多项式为 =( 一 2n+1)( 一 n+1) n1 , 则 A 的特征值为 1 =2n 一 1, 2 =n 一 1,其中 2 =n 一 1 为 n 一 1 重根。 当 1 =2n 一 1 时,解齐次方程组( 1 EA)x=0,对系数矩阵作初等变换,有 得到基础解系 1 =(1,1,1) T 。 当 2 =n一 1 时,齐次方程组( 2 E 一 A)x=0 等价于 x 1 +x 2 +x n =0,得
29、到基础解系 2 =(一1,1,0,0) T , 3 =(一 1,0,1,0) T , n =(一 1,0,0,1) T , 则 A的特征向量是 k 1 1 和 k 2 2 +k 3 3 +k n n ,其中 k 1 0,k 2 ,k 3 ,k n 不同时为零。 )解析:28.设 A 为三阶矩阵, 1 , 2 , 3 是线性无关的三维列向量,且满足 A 1 = 1 + 2 + 3 ,A 2 =2 2 + 3 ,A 3 =2 2 +3 3 。 ()求矩阵 A 的特征值; ()求可逆矩阵 P 使得P 1 AP=。(分数:2.00)_正确答案:(正确答案:()由已知可得 A( 1 , 2 , 3 )=
30、( 1 + 2 + 3 ,2 2 + 3 ,2 2 +3 3 )=( 1 , 2 , 3 ) 记 P 1 =( 1 , 2 , 3 ), 则有 AP 1 =P 1 B。 由于 1 , 2 , 3 线性无关,即矩阵 P 1 可逆,所以 P 1 1 AP 1 =B,因此矩阵 A 与B 相似,则 =( 一 1) 2 ( 一 4), 矩阵 B 的特征值是 1,1,4,故矩阵 A 的特征值为1,1,4。 ()由(EB)x=0,得矩阵 B 对应于特征值 =1 的特征向量 1 =(一 1,1,0) T , 2 =(一 2,0,1) T ;由(4EB)x=0,得对应于特征值 =4 的特征向量 3 =(0,1,
31、1) T 。 令 P 2 =( 1 , 2 , 3 )= P 2 1 P 1 1 AP 1 P 2 = 即当 P=P 1 P 2 =( 1 , 2 , 3 ) =(一 1 + 2 ,一 2 1 + 2 + 3 )时,有 )解析:29.已知矩阵 (分数:2.00)_正确答案:(正确答案:因 A=5 是矩阵 A 的特征值,则由 可得 a=2。 当 a=2 时,矩阵 A 的特征多项式 矩阵 A 的特征值是 1,2,5。 由(E 一 A)x=0 得基础解系 1 =(0,1,一 1) T ;由(2EA)x=0 得基础解系 2 =(1,0,0) T ; 由(5E 一 A)x=0 得基础解系 3 =(0,1
32、,1) T 。即矩阵 A 属于特征值 1,2,5 的特征向量分别是 1 , 2 , 3 。 由于实对称矩阵属于不同特征值的特征向量相互正交,故只需单位化,则 令 Q=( 1 , 2 , 3 )= )解析:30.设二次型 f=x 1 2 +x 2 2 +x 3 2 一 4x 1 x 2 4x 1 x 3 +2ax 2 x 3 经正交变换化为 3y 1 2 +3y 2 2 +6y 3 2 ,求 a,b 的值及所用正交变换。(分数:2.00)_正确答案:(正确答案:二次型及其标准形的矩阵分别是 由于是用正交变换化为标准形,故 A 与 B不仅合同而且相似。由 1+1+1=3+3+b 得 b=一 3。
33、对 =3,则有 =一 2(a+2) 2 =0,因此 a=一2(二重根)。 由(3EA)x=0,得特征向量 1 =(1,一 1,0) T , 2 =(1,0,一 1) T 。 由(一 3E 一 A)x=0,得特征向量 3 =(1,1,1) T 。 因为 =3 是二重特征值,对 1 , 2 正交化有 1 = 1 =(1,一 1,0) T , 令 C=( 1 , 2 , 3 )= )解析:31.设二次型 f(x 1 ,x 2 ,x 3 )=ax 1 2 +ax 2 2 +(a1)x 3 2 +2x 1 x 3 2x 2 x 3 。 ()求二次型 f 的矩阵的所有特征值; ()若二次型 f 的规范形为 yx 1 2 +y 2 2 ,求 a 的值。(分数:2.00)_正确答案:(正确答案:()二次型的矩阵为 )解析: