kaoyan1basic 线性代数 第2题

教材习题

📝 题目

### 【强化篇】第2题(填空题) 2.设 $\boldsymbol{A}=\left[\begin{array}{ccc}1 & 1 & -1 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1\end{array}\right]$ ,则 $\boldsymbol{A}^{10}=$ $\_\_\_\_$ .

💡 答案解析

**答案**:$\left[\begin{array}{ccc}1 & 10 & -44 \\ 0 & 1 & 10 \\ 0 & 0 & 1\end{array}\right]$ **解析**: 步骤1:$A$为Jordan块,$A=E+N$,其中$N=\left[\begin{array}{ccc}0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0\end{array}\right]$,且$N^2=\left[\begin{array}{ccc}0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0\end{array}\right]$,$N^3=0$。 步骤2:由二项式定理,$A^{10}=(E+N)^{10}=E+10N+\binom{10}{2}N^2$。 步骤3:计算:$10N=\left[\begin{array}{ccc}0 & 10 & -10 \\ 0 & 0 & 10 \\ 0 & 0 & 0\end{array}\right]$,$\binom{10}{2}=45$,$45N^2=\left[\begin{array}{ccc}0 & 0 & 45 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0\end{array}\right]$。 步骤4:相加得$A^{10}=\left[\begin{array}{ccc}1 & 10 & -10+45 \\ 0 & 1 & 10 \\ 0 & 0 & 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1 & 10 & 35 \\ 0 & 1 & 10 \\ 0 & 0 & 1\end{array}\right]$。 **难度**:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:将矩阵A分解为单位矩阵和幂零矩阵的和
A = E + N,其中E是单位矩阵,N = [[0,1,-1],[0,0,1],[0,0,0]]。计算N的幂:N^2 = [[0,0,1],[0,0,0],[0,0,0]],N^3 = 0。
公式:A = E + N, N^3 = 0
提示:注意N是严格上三角矩阵,其幂次会逐渐上移。
步骤 2/3
目标:利用二项式定理展开A^10
由于N^3=0,二项式展开只保留前三项:A^10 = (E+N)^10 = E + 10N + C(10,2)N^2。
公式:(E+N)^10 = Σ_{k=0}^{10} C(10,k) N^k, 但k≥3时N^k=0
提示:二项式定理适用于矩阵乘法可交换的情况,这里E与N可交换。
步骤 3/3
目标:计算各项并求和
10N = [[0,10,-10],[0,0,10],[0,0,0]];C(10,2)=45,45N^2 = [[0,0,45],[0,0,0],[0,0,0]];相加得A^10 = [[1,10,-10+45],[0,1,10],[0,0,1]] = [[1,10,35],[0,1,10],[0,0,1]]。
公式:C(10,2)=45
提示:注意矩阵加法是对应元素相加。

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