📋 详细解题步骤
目标:计算分块矩阵的行列式
已知分块矩阵为 $\begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}$,其中 $A$ 和 $B$ 均为 $2 \times 2$ 矩阵,且 $|A| = 2$,$|B| = 3$。我们需要计算该分块矩阵的行列式。
对于形如 $\begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}$ 的分块矩阵,其中 $O$ 是 $2 \times 2$ 零矩阵,$A$ 和 $B$ 是 $2 \times 2$ 方阵,其行列式有一个标准公式:
$$\begin{vmatrix} O & A \\ B & O \end{vmatrix} = (-1)^{mn} |A| \, |B|,$$
这里 $m$ 和 $n$ 分别是左上角零矩阵的行数和列数(即 $A$ 的行数和 $B$ 的列数)。在本例中,$A$ 和 $B$ 都是 $2 \times 2$ 矩阵,因此 $m = 2$,$n = 2$,于是 $(-1)^{mn} = (-1)^{4} = 1$。
所以原行列式等于 $|A| \cdot |B| = 2 \times 3 = 6$。
因此,该分块矩阵的行列式为 $6$。
公式:$$\begin{vmatrix} O & A \\ B & O \end{vmatrix} = (-1)^{mn} |A| \, |B|$$
提示:注意分块矩阵中零块的位置,符号由 $(-1)^{mn}$ 决定,$m,n$ 分别为左上角零块的行数和列数。
目标:写出伴随矩阵与逆矩阵的关系
对于任意可逆方阵 $A$,其伴随矩阵 $A^*$ 与逆矩阵 $A^{-1}$ 之间满足基本关系:
$$A^* = |A| \cdot A^{-1}$$
其中 $|A|$ 表示矩阵 $A$ 的行列式。
在本问题中,已知分块矩阵 $\begin{pmatrix} A & 0 \\ C & B \end{pmatrix}$ 的行列式为 $6$,即
$$\left| \begin{pmatrix} A & 0 \\ C & B \end{pmatrix} \right| = 6$$
因此,根据上述关系,该分块矩阵的伴随矩阵等于其行列式乘以逆矩阵:
$$\begin{pmatrix} A & 0 \\ C & B \end{pmatrix}^* = 6 \cdot \begin{pmatrix} A & 0 \\ C & B \end{pmatrix}^{-1}$$
这一关系是后续步骤中利用分块矩阵求逆公式计算伴随矩阵具体形式的基础。注意,该关系仅对可逆矩阵成立,而题目已给出行列式非零,故可逆性得到保证。
公式:$$A^* = |A| \cdot A^{-1}$$
提示:牢记公式 $A^* = |A|A^{-1}$,注意行列式是标量,放在矩阵前面。
目标:求分块矩阵的逆矩阵
设原矩阵为 $M = \begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}$,其中 $A$ 和 $B$ 均为可逆方阵(由题目条件可知)。根据分块矩阵求逆公式,对于形如 $\begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}$ 的矩阵,其逆矩阵为 $\begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ A^{-1} & O \end{pmatrix}$。
推导过程:设 $M^{-1} = \begin{pmatrix} X & Y \\ Z & W \end{pmatrix}$,则满足 $M M^{-1} = I$,即
$$
\begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix} \begin{pmatrix} X & Y \\ Z & W \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} I & O \\ O & I \end{pmatrix}.
$$
计算得:
$$
\begin{pmatrix} A Z & A W \\ B X & B Y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} I & O \\ O & I \end{pmatrix}.
$$
由此得到四个方程:
1. $A Z = I$,故 $Z = A^{-1}$;
2. $A W = O$,因为 $A$ 可逆,所以 $W = O$;
3. $B X = O$,因为 $B$ 可逆,所以 $X = O$;
4. $B Y = I$,故 $Y = B^{-1}$。
因此,
$$
M^{-1} = \begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ A^{-1} & O \end{pmatrix}.
$$
注意:这里 $A$ 和 $B$ 的阶数可能不同,但公式仍然成立。只需保证 $A$ 和 $B$ 均为可逆方阵即可。
公式:$$\begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ A^{-1} & O \end{pmatrix}$$
提示:牢记分块求逆公式,注意 $A$ 和 $B$ 的位置互换,且各自取逆。
目标:将逆矩阵中的子块用伴随矩阵表示
已知分块矩阵 $M = \begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}$,其中 $A$ 和 $B$ 均为可逆方阵,且 $|A|=2$,$|B|=3$。前一步已求得 $M^{-1} = \begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ A^{-1} & O \end{pmatrix}$。
现在将子块 $A^{-1}$ 和 $B^{-1}$ 用伴随矩阵表示。对于任意可逆方阵 $X$,有 $X^{-1} = \frac{X^*}{|X|}$,其中 $X^*$ 是 $X$ 的伴随矩阵。
代入 $A$ 和 $B$ 的行列式值:
- $|A|=2$,故 $A^{-1} = \frac{A^*}{2}$;
- $|B|=3$,故 $B^{-1} = \frac{B^*}{3}$。
将上述表达式代入 $M^{-1}$ 的分块形式中:
$$
M^{-1} = \begin{pmatrix} O & \frac{B^*}{3} \\ \frac{A^*}{2} & O \end{pmatrix}.
$$
因此,逆矩阵中的子块已用伴随矩阵表示完毕。注意,伴随矩阵 $A^*$ 和 $B^*$ 的元素是原矩阵对应元素的代数余子式,此表示形式在后续步骤中可直接用于数值计算或进一步化简。
公式:$$M^{-1} = \begin{pmatrix} O & \frac{B^*}{3} \\ \frac{A^*}{2} & O \end{pmatrix}$$
提示:牢记公式 $X^{-1}=X^*/|X|$,注意伴随矩阵是转置后的代数余子式矩阵。
目标:代入伴随矩阵表达式并化简
已知分块矩阵 $M = \begin{pmatrix} O & A \\ B & O \end{pmatrix}$,其中 $A$ 为 $2\times 2$ 矩阵,$B$ 为 $3\times 3$ 矩阵,且 $|A|=2$,$|B|=3$。根据分块矩阵的伴随矩阵公式,有 $M^* = |M| \cdot M^{-1}$。首先计算 $|M| = (-1)^{2\times 3} |A| \cdot |B| = (-1)^6 \cdot 2 \cdot 3 = 6$。再求 $M^{-1}$,由分块矩阵求逆公式:$M^{-1} = \begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ A^{-1} & O \end{pmatrix}$。因此 $M^* = 6 \cdot \begin{pmatrix} O & B^{-1} \\ A^{-1} & O \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} O & 6B^{-1} \\ 6A^{-1} & O \end{pmatrix}$。但题目中给出的选项涉及伴随矩阵 $A^*$ 和 $B^*$,需利用关系 $A^{-1} = \frac{A^*}{|A|}$,$B^{-1} = \frac{B^*}{|B|}$。代入得:$6B^{-1} = 6 \cdot \frac{B^*}{|B|} = 6 \cdot \frac{B^*}{3} = 2B^*$,$6A^{-1} = 6 \cdot \frac{A^*}{|A|} = 6 \cdot \frac{A^*}{2} = 3A^*$。于是 $M^* = \begin{pmatrix} O & 2B^* \\ 3A^* & O \end{pmatrix}$。对比选项,该结果与选项B完全一致。因此,本题答案为B。
公式:M^* = \begin{pmatrix} O & 2B^* \\ 3A^* & O \end{pmatrix}
提示:牢记分块矩阵求逆公式及伴随矩阵与逆的关系,代入时注意系数计算。