2014年考研数学一第6题

选择题 · 4分

📝 题目

设 $\boldsymbol{\alpha}_{1}, \boldsymbol{\alpha}_{2}, \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 均为3维向量,则对任意常数 $k, l$ ,向量组 $\boldsymbol{\alpha}_{1}+k \boldsymbol{\alpha}_{3}, \boldsymbol{\alpha}_{2}+l \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 线性无关是向量组 $\boldsymbol{\alpha}_{1}$ , $\boldsymbol{\alpha}_{2}, \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 线性无关的

A
必要非充分条件.
B
充分非必要条件.
C
充分必要条件。
D
既非充分也非必要条件。

💡 答案解析

**答案**: (A)。

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**解析**:

若 $\boldsymbol{\alpha}_{1}, \boldsymbol{\alpha}_{2}, \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 线性无关, 由 $\left(\boldsymbol{\alpha}_{1}+k \boldsymbol{\alpha}_{3}, \boldsymbol{\alpha}_{2}+l \boldsymbol{\alpha}_{3}\right)=\left(\boldsymbol{\alpha}_{1}, \boldsymbol{\alpha}_{2}, \boldsymbol{\alpha}_{3}\right)\left(\begin{array}{ll}1 & 0 \\ 0 & 1 \\ k & l\end{array}\right)$ , 因为 $\left(\boldsymbol{\alpha}_{1}, \boldsymbol{\alpha}_{2}, \boldsymbol{\alpha}_{3}\right)$ 可逆,所以 $\boldsymbol{\alpha}_{1}+k \boldsymbol{\alpha}_{3}, \boldsymbol{\alpha}_{2}+l \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 的秩与矩阵 $\left(\begin{array}{ll}1 & 0 \\ 0 & 1 \\ k & l\end{array}\right)$ 的秩相等,因为 $\left(\begin{array}{ll}1 & 0 \\ 0 & 1 \\ k & l\end{array}\right)$ 两列不成比例,所以 $r\left(\begin{array}{ll}1 & 0 \\ 0 & 1 \\ k & l\end{array}\right)=2$ ,故 $\boldsymbol{\alpha}_{1}+k \boldsymbol{\alpha}_{3}, \boldsymbol{\alpha}_{2}+l \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 线性无关。 反之,若 $\boldsymbol{\alpha}_{1}+k \boldsymbol{\alpha}_{3}, \boldsymbol{\alpha}_{2}+l \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 线性无关, $\boldsymbol{\alpha}_{1}, \boldsymbol{\alpha}_{2}, \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 不一定线性无关, 如 $\boldsymbol{\alpha}_{1}, \boldsymbol{\alpha}_{2}$ 线性无关, $\boldsymbol{\alpha}_{3}=\mathbf{0}$ ,显然 $\boldsymbol{\alpha}_{1}+k \boldsymbol{\alpha}_{3}, \boldsymbol{\alpha}_{2}+l \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 线性无关,但 $\boldsymbol{\alpha}_{1}, \boldsymbol{\alpha}_{2}, \boldsymbol{\alpha}_{3}$ 线性相关,应选(A)。

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将向量组用矩阵乘法表示
已知向量组 $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$ 线性无关,现构造两个新向量:$\beta_1 = \alpha_1 + k\alpha_3$,$\beta_2 = \alpha_2 + l\alpha_3$,其中 $k,l$ 为常数。我们需要将向量组 $\beta_1, \beta_2$ 表示为 $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$ 的线性组合,并用矩阵乘法的形式写出。 首先,将 $\beta_1$ 和 $\beta_2$ 分别写成 $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$ 的线性组合: \[ \beta_1 = 1 \cdot \alpha_1 + 0 \cdot \alpha_2 + k \cdot \alpha_3, \] \[ \beta_2 = 0 \cdot \alpha_1 + 1 \cdot \alpha_2 + l \cdot \alpha_3. \] 将这两个向量并排构成一个矩阵(或向量组),可以写成: \[ (\beta_1, \beta_2) = (\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3) \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ k & l \end{pmatrix}. \] 这里,$(\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3)$ 是一个以向量为列的行矩阵(即 $3 \times 3$ 矩阵,其列向量为 $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$),而右边的系数矩阵 $\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ k & l \end{pmatrix}$ 是一个 $3 \times 2$ 矩阵,其第一列 $(1,0,k)^T$ 是 $\beta_1$ 在 $\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$ 下的坐标,第二列 $(0,1,l)^T$ 是 $\beta_2$ 的坐标。 因此,向量组 $\beta_1, \beta_2$ 可以用矩阵乘法简洁地表示为: \[ (\beta_1, \beta_2) = (\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3) \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ k & l \end{pmatrix}. \] 这种表示法将原向量组与新向量组之间的线性关系转化为矩阵乘法,便于后续分析向量组的线性相关性(例如通过系数矩阵的秩来判断)。
公式:$$(\beta_1, \beta_2) = (\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3) \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ k & l \end{pmatrix}$$
提示:注意系数矩阵的列对应新向量的坐标,行对应原向量的顺序。
步骤 2/4
目标:分析必要性
必要性:若 $\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$ 线性无关,则矩阵 $A=(\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3)$ 为可逆矩阵(即满秩)。考虑新向量组: $$\beta_1 = \alpha_1 - \alpha_2, \quad \beta_2 = \alpha_2 - \alpha_3, \quad \beta_3 = \alpha_3 - \alpha_1.$$ 将 $\beta_1,\beta_2,\beta_3$ 用 $\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$ 线性表示,得系数矩阵 $$C = \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 \\ -1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 \end{pmatrix}.$$ 即 $(\beta_1,\beta_2,\beta_3) = (\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3) C$。由于 $A$ 可逆,向量组 $\beta_1,\beta_2,\beta_3$ 的秩等于矩阵 $C$ 的秩。计算 $C$ 的秩:观察 $C$ 的列向量,第一列 $(1,-1,0)^T$ 与第二列 $(0,1,-1)^T$ 不成比例,且第三列 $(-1,0,1)^T = -[(1,-1,0)^T + (0,1,-1)^T]$,故 $C$ 的列向量线性相关,秩为2。因此 $\beta_1,\beta_2,\beta_3$ 的秩为2,小于向量个数3,所以 $\beta_1,\beta_2,\beta_3$ 线性相关。必要性得证。
公式:$$(\beta_1,\beta_2,\beta_3) = (\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3) \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 \\ -1 & 1 & 0 \\ 0 & -1 & 1 \end{pmatrix}$$
提示:利用可逆矩阵保持秩不变,将问题转化为求系数矩阵的秩。
步骤 3/4
目标:检验充分性是否成立
为了检验充分性是否成立,我们需要构造一个反例,使得条件“对任意常数$k,l$,向量组$\alpha_1+k\alpha_3,\alpha_2+l\alpha_3$线性无关”成立,但结论“$\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$线性无关”不成立。 取$\alpha_1,\alpha_2$线性无关,并令$\alpha_3=0$(零向量)。此时,对于任意常数$k,l$,有$\alpha_1+k\alpha_3=\alpha_1$,$\alpha_2+l\alpha_3=\alpha_2$。由于$\alpha_1,\alpha_2$线性无关,所以$\alpha_1+k\alpha_3,\alpha_2+l\alpha_3$线性无关。但$\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$中包含零向量$\alpha_3=0$,因此这三个向量线性相关(因为含有零向量的向量组必线性相关)。 这个反例表明:即使对任意$k,l$,$\alpha_1+k\alpha_3,\alpha_2+l\alpha_3$线性无关,也不能推出$\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3$线性无关。因此,充分性不成立。
公式:\alpha_3=0 \Rightarrow \alpha_1+k\alpha_3=\alpha_1,\ \alpha_2+l\alpha_3=\alpha_2
提示:构造反例时优先考虑零向量或成比例向量,可快速否定充分性。
步骤 4/4
目标:得出结论
综合前三个步骤的分析,我们已分别判断了条件的充分性和必要性。 首先,必要性成立:若矩阵$A$与$B$相似,则存在可逆矩阵$P$使得$B = P^{-1}AP$。此时对任意常数$t$,有$tE - B = tE - P^{-1}AP = P^{-1}(tE - A)P$,因此$|tE - B| = |P^{-1}| \cdot |tE - A| \cdot |P| = |tE - A|$,即$A$与$B$的特征多项式相等。所以“$A$与$B$相似”可以推出“$A$与$B$的特征多项式相等”,必要性得证。 其次,充分性不成立:特征多项式相等不能保证矩阵相似。例如,取$A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$,$B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$。两者特征多项式均为$(\lambda - 1)^2$,但$A$的Jordan标准形为$\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$(一个2阶Jordan块),而$B$的Jordan标准形为$\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}$(两个1阶Jordan块),故$A$与$B$不相似。因此“$A$与$B$的特征多项式相等”不能推出“$A$与$B$相似”,充分性不成立。 综上,条件是必要的但不充分的,故为必要非充分条件。 最终答案验证:根据题目选项,必要非充分条件对应选项(A)。因此本题选择(A)。
公式:$$\text{若 } B = P^{-1}AP \text{,则 } |tE - B| = |tE - A|$$
提示:特征多项式相等是相似的必要条件,但非充分;反例常用Jordan块不同的矩阵。

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