2007-2010年全国硕士研究生入学考试数学真题详解——线性代数部分一、2007年:1、(2007年数学一、二、三、四) 设向量组321,,ααα线性无关,则下列向量组线性相关的是(A) 133221,,αααααα---. (B) 133221,,αααααα+++.(C) 1332212,2,2αααααα---. (D) 1332212,2,2αααααα+++. [ ] 【答案】A【详解】用定义进行判定:令0)()()(133322211=-+-+-ααααααx x x ,得 0)()()(332221131=+-++-+-αααx x x x x x .因321,,ααα线性无关,所以 1312230,0,0.x x x x x x -=⎧⎪-+=⎨⎪-+=⎩ 又 011011101=---, 故上述齐次线性方程组有非零解, 即133221,,αααααα---线性相关. 类似可得(B), (C), (D)中的向量组都是线性无关的.2、(2007年数学一、二、三、四) 设矩阵⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------=211121112A , ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=000010001B , 则A 与B(A) 合同, 且相似. (B) 合同, 但不相似 .(C) 不合同, 但相似. (D) 既不合同, 又不相似. [ ] 【答案】B【详解】 由0||=-A E λ 得A 的特征值为0, 3, 3, 而B 的特征值为0, 1, 1,从而A 与B 不相似.又r (A )=r (B )=2, 且A 、B 有相同的正惯性指数, 因此A 与B 合同. 故选(B) .3、(2007年数学一、二、三、四) 设矩阵⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0000100001000010A , 则3A 的秩为 . 【答案】1【详解】 依矩阵乘法直接计算得 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=00000000000010003A , 故r (3A )=1.4、(2007年数学一、二、三、四)设线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++04,02,03221321321xa x x ax x x x x x ①与方程12321-=++a x x x ②有公共解,求a 的值及所有公共解.【分析】 两个方程有公共解就是①与②联立起来的非齐次线性方程组有解. 【详解】 将①与②联立得非齐次线性方程组:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=++=++=++=++.12,04,02,03213221321321a x x x x a x x ax x x x x x ③ 若此非齐次线性方程组有解, 则①与②有公共解, 且③的解即为所求全部公共解. 对③的增广矩阵A 作初等行变换得:→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=112104102101112a a a A ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----11000)1)(2(0001100111a a a a a .于是1° 当a =1时,有)()(A r A r ==2<3,方程组③有解, 即①与②有公共解, 其全部公共解即为③的通解,此时⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→0000000000100101A , 此时方程组③为齐次线性方程组,其基础解系为: ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-101,所以①与②的全部公共解为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-101k ,k 为任意常数.2° 当a =2时,有)()(A r A r ==3,方程组③有唯一解, 此时⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-→0000110010100001A ,故方程组③的解为:011⎛⎫ ⎪⎪ ⎪-⎝⎭, 即①与②有唯一公共解: 为123011x x x x ⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭.5、(2007年数学一、二、三、四)设3阶对称矩阵A的特征值,2,2,1321-===λλλ T)1,1,1(1-=α是A的属于1λ的一个特征向量,记E A A B +-=354其中E 为3阶单位矩阵.(I) 验证1α是矩阵B的特征向量,并求B 的全部特征值与特征向量.(II) 求矩阵B.【分析】 根据特征值的性质可立即得B 的特征值, 然后由B 也是对称矩阵可求出其另外两个线性无关的特征向量.【详解】 (I) 由11αα=A 得 1112ααα==A A , 进一步 113αα=A , 115αα=A , 故 1351)4(ααE A A B +-=113154ααα+-=A A1114ααα+-=12α-=,从而1α是矩阵B的属于特征值−2的特征向量.因E A A B +-=354, 及A的3个特征值,2,2,1321-===λλλ 得 B 的3个特征值为1,1,2321==-=μμμ.设32,αα为B 的属于132==μμ的两个线性无关的特征向量, 又A为对称矩阵,得B 也是对称矩阵, 因此1α与32,αα正交, 即0,03121==ααααT T 所以32,αα可取为下列齐次线性方程组两个线性无关的解:0)1,1,1(321=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-x x x ,其基础解系为: ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛011,⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-101 , 故可取2α=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛011, 3α=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-101.即B 的全部特征值的特征向量为: ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-1111k , ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛10101132k k , 其中01≠k ,是不为零的任意常数, 32,k k 是不同时为零的任意常数.(II) 令),,(321ααα=P =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--101011111, 则 ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-1121BP P ,得 1112-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=P P B =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--101011111⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-112⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--21112111131=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---102012112⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--21112111131⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=011101110.二、2008年:1、(2008年数学一、二、三、四)设A 为n 阶非零矩阵,E 为n 阶单位矩阵.若30A =,则[ ]则下列结论正确的是:(A) E A -不可逆,则E A +不可逆. (B) E A -不可逆,则E A +可逆.(C) E A -可逆,则E A +可逆. (D) E A -可逆,则E A +不可逆. 【答案】应选(C).【详解】23()()E A E A A E A E -++=-=,23()()E A E A A E A E +-+=+=. 故E A -,E A +均可逆.故应选(C).2、(2008年数学一)设A 为3阶实对称矩阵,如果二次曲面方程()1x x yz A y z ⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭在正交变换下的标准方程的图形如图,则A 的正特征值个数为[ ](A) 0. (B) 1. (C) 2. (D) 3. 【答案】 应选(B).【详解】此二次曲面为旋转双叶双曲面,此曲面的标准方程为222221x y z a c +-=.故A 的正特征值个数为1.故应选(B).3、(2008年数学二、三、四)设1221A ⎛⎫=⎪⎝⎭,则在实数域上,与A 合同矩阵为[ ] (A) 2112-⎛⎫⎪-⎝⎭ . (B)2112-⎛⎫ ⎪-⎝⎭. (C) 2112⎛⎫ ⎪⎝⎭. (D) 1221-⎛⎫ ⎪-⎝⎭. 【答案】 应选(D). 【详解】2212(1)423(1)(3)021E A λλλλλλλλ---==--=--=+-=--则121,3λλ=-=,记1221D -⎛⎫=⎪-⎝⎭,则2212(1)423(1)(3)021E D λλλλλλλλ--==--=--=+-=-则121,3λλ=-=,正负惯性指数相同.故选D.4、(2008年数学一) 设A 为2阶矩阵,12,αα为线性无关的2维列向量,10A α=,2122A ααα=+.则A 的非零特征值为___________.【答案】应填1.【详解】根据题设条件,得1212121202(,)(,)(0,2)(,)01A A A αααααααα⎛⎫==+= ⎪⎝⎭.记12(,)P αα=,因12,αα线性无关,故12(,)P αα=是可逆矩阵.因此0201AP P ⎛⎫= ⎪⎝⎭,从而10201P AP -⎛⎫= ⎪⎝⎭.记0201B ⎛⎫= ⎪⎝⎭,则A 与B 相似,从而有相同的特征值. 因为2||(1)01E B λλλλλ--==--,0λ=,1λ=.故A 的非零特征值为1.5、(2008年数学二)设3阶矩阵A 的特征值为2,3,λ.若行列式|2|48A =-,则λ=___________. 【答案】应填1-.【详解】由482-=A ,依据方阵行列式的性质,则有48223-==A A ,即6-=A .又A 等于其特征值的乘积,即632321-=⨯⨯=⨯⨯=λλλλA ,得1-=λ. 6、(2008年数学三)设3阶方阵A 的特征值为1,2,2,E 为单位矩阵,则=--E A 14 .【答案】应填3.【详解】由方阵特征值的性质,E AA f -=-14)(,则14)(1-=-λλf ,故方阵EA --14的特征值分别为1,1,3,又由方阵行列式等于其特征值的乘积,则有341=--E A .7、(2008年数学四)设3阶方阵A 的特征值互不相同,若行列式0=A ,则A 的秩为 . 【答案】应填2.【详解】由题可知,方阵A 的特征值含有0,而其余两个非零,故A 的秩为2.8、(2008年数学一)设,αβ为3维列向量,矩阵TTA ααββ=+,其中,TTαβ分别是,αβ得转置.证明: (I ) 秩()2r A ≤;(II )若,αβ线性相关,则秩()2r A <.【详解】(I )【证法1】()()()()()()2TTTTr A r r r r r ααββααββαβ=+≤+≤+≤. 【证法2】因为TTA ααββ=+,A 为33⨯矩阵,所以()3r A ≤. 因为,αβ为3维列向量,所以存在向量0ξ≠,使得0,0T T αξβξ==于是 0T T A ξααξββξ=+= 所以0Ax =有非零解,从而()2r A ≤.【证法3】因为TTA ααββ=+,所以A 为33⨯矩阵.又因为()00T TTT A αααββαββ⎛⎫⎪=+= ⎪ ⎪⎝⎭, 所以|||0|00TT a A αββ==故 ()2r A ≤.(II )【证法】由,αβ线性相关,不妨设k αβ=.于是()2()()(1)()12TT T r A r r k rααβββββ=+=+≤≤<. 9、(2008年数学一、二、三、四) 设n 元线性方程组Ax b =,其中2222212121212a a a a a A a a a a ⎛⎫ ⎪⎪⎪=⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪⎝⎭,12n x x x x ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭,b 100⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭.(I )证明行列式||(1)n A n a =+;(II )当a 为何值时,该方程组有惟一解,并求1x . (III )当a 为何值时,该方程组有无穷多解,并求其通解.【详解】(I )【证法1】数学归纳法.记2222212121||212n na a a a aD A a a a a ==以下用数学归纳法证明(1)nn D n a =+.当1n =时,12D a =,结论成立. 当2n =时,2222132a D a a a==,结论成立. 假设结论对小于n 的情况成立.将n D 按第一行展开得n n n a a a aD aD a a a a 2212211021212212--=-2122n n aD a D --=-1222(1)n n ana a n a --=-- (1)n n a =+故 (1)nA n a =+.【注】本题(1)也可用递推法.由2122n n n D aD a D --==-得,2211221()()n n n n n n n D aD a D aD a D a D a ------=-==-=.于是(1)n n D n a =+(I )【证法2】消元法.记2222212121||212na a a a aA a a a a =22122213121212212na a a ar ar a a a a -322222130124123321212naa a r ar a aa a a a -=n n na a a n r ar nn a n n a n 121301240113111----+(1)n n a =+.(II )【详解】当0a ≠时,方程组系数行列式0n D ≠,故方程组有惟一解.由克莱姆法则,将n D 得第一列换成b ,得行列式为22211222211121021212121212122n n nn a aa a a aa aD na a a a a a a a a ---===所以,11(1)n n D ax D n a-==+. (III )【详解】 当0a =时,方程组为12101101001000n n x x x x -⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪=⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ 此时方程组系数矩阵得秩和增广矩阵得秩均为1n -,所以方程组有无穷多组解,其通解为()()010100TTx k =+,其中k 为任意常数.10、(2008年数学二、三、四)设A 为3阶矩阵,12,αα为A 的分别属于特征值1,1-的特征向量,向量3α满足321A ααα=+,(I)证明123,,ααα线性无关; (II)令123(,,)P ααα=,求1P AP -.【详解】(I)【证明】设有一组数123,,k k k ,使得 122330k k k ααα++=. 用A 左乘上式,得112233()()()0k A k A k A ααα++=. 因为 11A αα=-, 22A αα=,321A ααα=+, 所以 1123233()0k k k k ααα-+++=, 即113220k k αα-=.由于12,αα是属于不同特征值得特征向量,所以线性无关,因此130k k ==,从而有20k =.故 123,,ααα线性无关.(II )由题意,100011001AP P -⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭.而由(I )知,123,,ααα线性无关,从而123(,,)P ααα=可逆.故1100011001P AP --⎛⎫⎪= ⎪ ⎪⎝⎭.三、2009年:1、(2009年数学一)设123,,ααα是3维向量空间3R 的一组基,则由基12311,,23ααα到基 122331,,αααααα+++的过渡矩阵为()A 101220033⎛⎫⎪⎪ ⎪⎝⎭. ()B 120023103⎛⎫⎪⎪ ⎪⎝⎭.()C 111246111246111246⎛⎫- ⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪- ⎪⎝⎭.()D 111222111444111666⎛⎫-⎪ ⎪ ⎪- ⎪ ⎪ ⎪- ⎪⎝⎭. 【答案】A【解析】因为()()1212,,,,,,n n A ηηηααα=,则A 称为基12,,,n ααα到12,,,nηηη的过渡矩阵。