2022年考研数学一第15题

填空题 · 5分

📝 题目

设 $\boldsymbol{A}, \boldsymbol{A}-\boldsymbol{E}$ 可逆,若 $\boldsymbol{B}$ 满足 $\left(\boldsymbol{E}-(\boldsymbol{A}-\boldsymbol{E})^{-1}\right) \boldsymbol{B}=\boldsymbol{A}$ ,则 $\boldsymbol{B}-\boldsymbol{A}=$ $\_\_\_\_$。

💡 答案解析

**答案**: $\left(\left(\boldsymbol{E}-(\boldsymbol{A}-\boldsymbol{E})^{-1}\right)^{-1}-\boldsymbol{E}\right) \boldsymbol{A}$

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**解析**:

由于 $\left(\boldsymbol{E}-(\boldsymbol{A}-\boldsymbol{E})^{-1}\right) \boldsymbol{B}=\boldsymbol{A}$ ,又 $\boldsymbol{A}$ 可逆,因此 $\boldsymbol{A}^{-1}\left(\boldsymbol{E}-(\boldsymbol{A}-\boldsymbol{E})^{-1}\right) \boldsymbol{B}=\boldsymbol{E}$ ,从而有 $\boldsymbol{B}$ 可逆 $\boldsymbol{B}=\left(\boldsymbol{E}-(\boldsymbol{A}-\boldsymbol{E})^{-1}\right)^{-1} \boldsymbol{A}$ ,因此 $\boldsymbol{B}-\boldsymbol{A}=\left(\boldsymbol{E}-(\boldsymbol{A}-\boldsymbol{E})^{-1}\right)^{-1} \boldsymbol{A}-\boldsymbol{A}=\left(\left(\boldsymbol{E}-(\boldsymbol{A}-\boldsymbol{E})^{-1}\right)^{-1}-\boldsymbol{E}\right) \boldsymbol{A}$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:化简矩阵方程
已知矩阵方程 $(E - (A-E)^{-1}) B = A$,其中 $E$ 为单位矩阵,$A$ 为可逆矩阵。首先,我们注意到 $A$ 可逆,因此可以左乘 $A^{-1}$ 以化简方程。左乘 $A^{-1}$ 后得到: $$A^{-1}(E - (A-E)^{-1}) B = A^{-1}A = E.$$ 这一步的目的是将方程右侧化为单位矩阵,便于后续进一步化简。接下来,我们保持该形式,为下一步的矩阵运算做准备。注意,此处 $A^{-1}(E - (A-E)^{-1})$ 是一个矩阵乘积,不能直接合并为 $A^{-1} - A^{-1}(A-E)^{-1}$,因为矩阵乘法不满足交换律,但分配律成立,因此可以写成 $A^{-1}E - A^{-1}(A-E)^{-1} = A^{-1} - A^{-1}(A-E)^{-1}$。于是方程化为: $$(A^{-1} - A^{-1}(A-E)^{-1}) B = E.$$ 这就是本步骤化简后的结果。
公式:$$A^{-1}(E - (A-E)^{-1}) B = E$$
提示:左乘或右乘逆矩阵时,必须对等式两边同时进行相同的乘法操作。
步骤 2/4
目标:判断B的可逆性并解出B
已知由第一步得到的等式:$A^{-1}(E - (A-E)^{-1}) B = E$。 首先,观察该等式左边是三个矩阵的乘积等于单位矩阵$E$。根据矩阵可逆的定义,若两个矩阵的乘积为单位矩阵,则这两个矩阵互为逆矩阵。这里,$A^{-1}(E - (A-E)^{-1})$与$B$的乘积为$E$,因此$A^{-1}(E - (A-E)^{-1})$与$B$互逆,即$B$可逆,且$B^{-1} = A^{-1}(E - (A-E)^{-1})$。 接下来,为了解出$B$,我们在等式两边同时左乘$A$,得到: $$A \cdot A^{-1}(E - (A-E)^{-1}) B = A \cdot E$$ 由于$A \cdot A^{-1} = E$,上式化为: $$(E - (A-E)^{-1}) B = A$$ 现在,我们需要将$B$单独解出。由于$B$可逆,且$(E - (A-E)^{-1})$也是可逆矩阵(因为其与$B$的乘积等于$A$,而$A$可逆,所以$(E - (A-E)^{-1})$可逆),我们在等式两边同时左乘$(E - (A-E)^{-1})^{-1}$,得到: $$(E - (A-E)^{-1})^{-1} (E - (A-E)^{-1}) B = (E - (A-E)^{-1})^{-1} A$$ 左边化简为$E \cdot B = B$,因此: $$B = (E - (A-E)^{-1})^{-1} A$$ 至此,我们得到了$B$的表达式,并且已经判断出$B$是可逆矩阵。
公式:B = (E - (A-E)^{-1})^{-1} A
提示:注意矩阵乘法不满足交换律,左乘和右乘要严格区分。
步骤 3/4
目标:计算B - A
已知 $B = (E - (A-E)^{-1})^{-1} A$,代入 $B - A$ 得: $$ B - A = (E - (A-E)^{-1})^{-1} A - A. $$ 将 $A$ 提取为右公因子(注意矩阵乘法不交换,但此处提取公因子时保持右乘顺序): $$ B - A = \left[ (E - (A-E)^{-1})^{-1} - E \right] A. $$ 为了化简中括号内的表达式,记 $X = (A-E)^{-1}$,则 $E - (A-E)^{-1} = E - X$。于是中括号内为 $(E - X)^{-1} - E$。利用恒等式 $(E - X)^{-1} - E = X (E - X)^{-1}$(该恒等式可由 $(E - X)^{-1} - E = (E - X)^{-1} - (E - X)(E - X)^{-1} = [E - (E - X)] (E - X)^{-1} = X (E - X)^{-1}$ 得到),因此: $$ (E - X)^{-1} - E = X (E - X)^{-1}. $$ 将 $X = (A-E)^{-1}$ 代回: $$ (E - (A-E)^{-1})^{-1} - E = (A-E)^{-1} \left( E - (A-E)^{-1} \right)^{-1}. $$ 于是 $$ B - A = (A-E)^{-1} \left( E - (A-E)^{-1} \right)^{-1} A. $$ 注意原表达式中的 $(E - (A-E)^{-1})^{-1} A$ 与上式中的 $\left( E - (A-E)^{-1} \right)^{-1} A$ 相同,因此实际上我们得到了一个更简洁的形式: $$ B - A = (A-E)^{-1} B. $$ (因为 $B = (E - (A-E)^{-1})^{-1} A$,所以 $\left( E - (A-E)^{-1} \right)^{-1} A = B$。) 因此,最终化简结果为: $$ B - A = (A-E)^{-1} B. $$
公式:B - A = (A-E)^{-1} B
提示:利用恒等式 $(E-X)^{-1}-E = X(E-X)^{-1}$ 可快速化简,避免复杂展开。
步骤 4/4
目标:提取公因子得到最终结果
在上一推导中,我们已得到关系式: $$B - A = \left[ (E - (A-E)^{-1})^{-1} - E \right] A.$$ 观察右侧,矩阵$A$作为公因子出现在括号外,因此可直接提取公因子$A$,得到最终表达式。注意,这里的提取是合法的,因为矩阵乘法满足分配律,且$A$与括号内的矩阵可交换(括号内矩阵由$E$和$(A-E)^{-1}$构成,而$A$与$E$显然可交换,但$A$与$(A-E)^{-1}$一般不一定可交换;然而此处提取公因子是右乘$A$,即括号内矩阵先与$A$相乘,因此无需交换性,只需将$A$作为右公因子提出即可)。 于是,最终结果为: $$B - A = \left[ (E - (A-E)^{-1})^{-1} - E \right] A.$$ 此式已是最简形式,无需进一步化简。 **验证**:为确认结果正确,可代入简单特例检验。例如,取$A = 2E$,则$A-E = E$,$(A-E)^{-1}=E$,$E - (A-E)^{-1}=E-E=0$,但$0$不可逆,故该特例不适用。换一个可逆的例子:取$A = \begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}$,则$A-E = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}$,$(A-E)^{-1} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1/2 \end{pmatrix}$,$E - (A-E)^{-1} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1/2 \end{pmatrix}$,其逆为$\begin{pmatrix} \infty & 0 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}$(不可逆),故该例也不合适。实际上,题目条件隐含$E - (A-E)^{-1}$可逆,因此$A$不能是纯量矩阵的简单倍数。但理论上,推导过程基于矩阵代数恒等式,只要运算合法,结果即成立。 因此,最终答案即为: $$B - A = \left[ (E - (A-E)^{-1})^{-1} - E \right] A.$$
公式:B - A = \left[ (E - (A-E)^{-1})^{-1} - E \right] A
提示:提取公因子时注意左乘与右乘的区别,保持矩阵乘法顺序不变。

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