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2024-2025学年上学期期中

2024-2025学年上学期期中试卷(A)(含答案)​

一、(7 分)​

计算 nn 阶行列式

Dn=∣1+a11⋯111+a2⋯1⋮⋮⋱⋮11⋯1+an∣,D_n = \begin{vmatrix} 1+a_1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & 1+a_2 & \cdots & 1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 1 & 1 & \cdots & 1+a_n \end{vmatrix},

其中 a1a2⋯an≠0a_1a_2\cdots a_n \ne 0。

解:

利用行列式性质直接将它化成“爪”型行列式。第 2 行,第 3 行,⋯\cdots,第 nn 行分别减去第 1 行,得

Dn=∣1+a111⋯1−a1a20⋯0−a10a3⋯0⋮⋮⋮⋱⋮−a100⋯an∣.D_n = \begin{vmatrix} 1+a_1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ -a_1 & a_2 & 0 & \cdots & 0 \\ -a_1 & 0 & a_3 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ -a_1 & 0 & 0 & \cdots & a_n \end{vmatrix}.

将第 ii 行分别提出因子 ai(i=2,⋯ ,n)a_i(i=2,\cdots,n),得

Dn=a2a3⋯an∣1+a111⋯1−a1a210⋯0−a1a301⋯0⋮⋮⋮⋱⋮−a1an00⋯1∣.D_n = a_2a_3\cdots a_n \begin{vmatrix} 1+a_1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ -\dfrac{a_1}{a_2} & 1 & 0 & \cdots & 0 \\ -\dfrac{a_1}{a_3} & 0 & 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ -\dfrac{a_1}{a_n} & 0 & 0 & \cdots & 1 \end{vmatrix}.

将第 1 行分别减去第 2 行、第 3 行、⋯\cdots、第 nn 行,得

Dn=a2a3⋯an∣1+a1+∑i=2na1ai00⋯0−a1a210⋯0−a1a301⋯0⋮⋮⋮⋱⋮−a1an00⋯1∣=a2a3⋯an(1+a1+∑i=2na1ai)=a1a2⋯an(1+∑i=1n1ai).\begin{aligned} D_n &= a_2a_3\cdots a_n \begin{vmatrix} 1+a_1+\displaystyle\sum_{i=2}^{n}\frac{a_1}{a_i} & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ -\dfrac{a_1}{a_2} & 1 & 0 & \cdots & 0 \\ -\dfrac{a_1}{a_3} & 0 & 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ -\dfrac{a_1}{a_n} & 0 & 0 & \cdots & 1 \end{vmatrix} \\ &= a_2a_3\cdots a_n \left(1+a_1+\sum_{i=2}^{n}\frac{a_1}{a_i}\right) \\ &= a_1a_2\cdots a_n \left(1+\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{a_i}\right). \end{aligned}

二、(14 分)​

(1)(7 分)计算 nn 阶行列式

Dn=∣x−10⋯0000x−1⋯00000x⋯000⋮⋮⋮⋱⋮⋮⋮000⋯x−10000⋯0x−1anan−1an−2⋯a3a2a1∣.D_n = \begin{vmatrix} x & -1 & 0 & \cdots & 0 & 0 & 0 \\ 0 & x & -1 & \cdots & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & x & \cdots & 0 & 0 & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & x & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & 0 & x & -1 \\ a_n & a_{n-1} & a_{n-2} & \cdots & a_3 & a_2 & a_1 \end{vmatrix}.

(2)(7 分)计算 nn 阶三对角行列式

Dn=∣a+bab0⋯0001a+bab⋯00001a+b⋯000⋮⋮⋮⋱⋮⋮⋮000⋯1a+bab000⋯01a+b∣.D_n = \begin{vmatrix} a+b & ab & 0 & \cdots & 0 & 0 & 0 \\ 1 & a+b & ab & \cdots & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & a+b & \cdots & 0 & 0 & 0 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & 1 & a+b & ab \\ 0 & 0 & 0 & \cdots & 0 & 1 & a+b \end{vmatrix}.
解:

(1)由第 1 列展开:

Dn=xDn−1+(−1)n+1an∣−10⋯00x−1⋯00⋮⋮⋱⋮⋮00⋯x−1∣.D_n = xD_{n-1}+(-1)^{n+1}a_n \begin{vmatrix} -1 & 0 & \cdots & 0 & 0 \\ x & -1 & \cdots & 0 & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & x & -1 \end{vmatrix}.

于是

Dn=xDn−1+(−1)n+1an⋅(−1)n−1=an+xDn−1=an+x(xDn−2+an−1)=⋯=an+an−1x+⋯+a2xn−2+xn−1D1=an+an−1x+⋯+a1xn−1.\begin{aligned} D_n &= xD_{n-1}+(-1)^{n+1}a_n\cdot(-1)^{n-1} \\ &= a_n+xD_{n-1} \\ &= a_n+x(xD_{n-2}+a_{n-1}) \\ &= \cdots \\ &= a_n+a_{n-1}x+\cdots+a_2x^{n-2}+x^{n-1}D_1 \\ &= a_n+a_{n-1}x+\cdots+a_1x^{n-1}. \end{aligned}

(2)按第一行展开得

Dn=(a+b)Dn−1−abDn−2.D_n=(a+b)D_{n-1}-abD_{n-2}.

则

Dn−aDn−1=b(Dn−1−aDn−2).D_n-aD_{n-1}=b(D_{n-1}-aD_{n-2}).

又

D1=a+b,D2=∣a+bab1a+b∣=a2+ab+b2,D_1=a+b,\qquad D_2= \begin{vmatrix} a+b & ab \\ 1 & a+b \end{vmatrix} =a^2+ab+b^2,

所以

Dn−aDn−1=bn−2(D2−aD1)=bn.D_n-aD_{n-1}=b^{n-2}(D_2-aD_1)=b^n.

因此

Dn=aDn−1+bn=⋯=an+an−1b+⋯+abn−1+bn.D_n=aD_{n-1}+b^n=\cdots=a^n+a^{n-1}b+\cdots+ab^{n-1}+b^n.

三、(7 分)​

设

D=∣1234567823456789∣,D = \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ 2 & 3 & 4 & 5 \\ 6 & 7 & 8 & 9 \end{vmatrix},

求 3A12+7A22+4A32+8A423A_{12}+7A_{22}+4A_{32}+8A_{42},其中 Ai2(i=1,2,3,4)A_{i2}(i=1,2,3,4) 为 DD 中元素 ai2a_{i2} 的代数余子式。

解:

解法一:因为 Ai2A_{i2} 为 DD 中元素 ai2a_{i2} 的代数余子式 (i=1,2,3,4)(i=1,2,3,4),故将 DD 中第 2 列的元素依次换为 3,7,4,83,7,4,8,即得

3A12+7A22+4A32+8A42=∣1334577824456889∣=0.3A_{12}+7A_{22}+4A_{32}+8A_{42} = \begin{vmatrix} 1 & 3 & 3 & 4 \\ 5 & 7 & 7 & 8 \\ 2 & 4 & 4 & 5 \\ 6 & 8 & 8 & 9 \end{vmatrix} =0.

解法二:因 3,7,4,83,7,4,8 恰为 DD 中第 3 列元素,而 A12,A22,A32,A42A_{12},A_{22},A_{32},A_{42} 为 DD 中第 2 列元素的代数余子式,故 3A12+7A22+4A32+8A423A_{12}+7A_{22}+4A_{32}+8A_{42} 表示 DD 中第 3 列元素与第 2 列的对应元素的代数余子式乘积的和,则

3A12+7A22+4A32+8A42=0.3A_{12}+7A_{22}+4A_{32}+8A_{42}=0.

四、(14 分)​

证明:

(1)(6 分)

∣a2abb22aa+b2b111∣=(a−b)3.\begin{vmatrix} a^2 & ab & b^2 \\ 2a & a+b & 2b \\ 1 & 1 & 1 \end{vmatrix} =(a-b)^3.

(2)(8 分)

∣ax+byay+bzaz+bxay+bzaz+bxax+byaz+bxax+byay+bz∣=(a3+b3)∣xyzyzxzxy∣.\begin{vmatrix} ax+by & ay+bz & az+bx \\ ay+bz & az+bx & ax+by \\ az+bx & ax+by & ay+bz \end{vmatrix} =(a^3+b^3) \begin{vmatrix} x & y & z \\ y & z & x \\ z & x & y \end{vmatrix}.
解:

(1)证明:

左=a2(a+b)+2ab2+2ab2−b2(a+b)−2a2b−2ba2=a3+3ab2−3a2b−b3=(a−b)3=右.\begin{aligned} \text{左} &=a^2(a+b)+2ab^2+2ab^2-b^2(a+b)-2a^2b-2ba^2 \\ &=a^3+3ab^2-3a^2b-b^3 \\ &=(a-b)^3=\text{右}. \end{aligned}

故原式成立。

(2)思路分析:基本思路是拆分行列式,将左边的行列式拆分为 8 个行列式,由左往右证。

左=∣axayazayazaxazaxay∣+∣axaybxayazbyazaxbz∣+∣axbzazaybxaxazbyay∣+∣axbzbxaybxbyazbybz∣+∣byayazbzazaxbxaxay∣+∣byaybxbzazbybxaxbz∣+∣bybzazbzbxaxbxbyay∣+∣bybzbxbzbxbybxbybz∣=a3∣xyzyzxzxy∣+b3∣yzxzxyxyz∣.\begin{aligned} \text{左} &= \begin{vmatrix} ax & ay & az \\ ay & az & ax \\ az & ax & ay \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} ax & ay & bx \\ ay & az & by \\ az & ax & bz \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} ax & bz & az \\ ay & bx & ax \\ az & by & ay \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} ax & bz & bx \\ ay & bx & by \\ az & by & bz \end{vmatrix} \\ &\quad+ \begin{vmatrix} by & ay & az \\ bz & az & ax \\ bx & ax & ay \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} by & ay & bx \\ bz & az & by \\ bx & ax & bz \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} by & bz & az \\ bz & bx & ax \\ bx & by & ay \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} by & bz & bx \\ bz & bx & by \\ bx & by & bz \end{vmatrix} \\ &=a^3 \begin{vmatrix} x & y & z \\ y & z & x \\ z & x & y \end{vmatrix} +b^3 \begin{vmatrix} y & z & x \\ z & x & y \\ x & y & z \end{vmatrix}. \end{aligned}

将上式右边第二个行列式 c1↔c3, c2↔c3c_1\leftrightarrow c_3,\ c_2\leftrightarrow c_3,得

左=(a3+b3)∣xyzyzxzxy∣.\text{左} =(a^3+b^3) \begin{vmatrix} x & y & z \\ y & z & x \\ z & x & y \end{vmatrix}.

五、(7 分)​

设 JJ 是元素全为 11 的 n(n≥2)n(n\ge 2) 阶方阵,证明 E−JE-J 是可逆方阵,且

(E−J)−1=E−1n−1J,(E-J)^{-1}=E-\frac{1}{n-1}J,

其中 EE 是与 JJ 同阶的单位矩阵。

解:

证明:E−JE-J 对应的行列式为

∣E−J∣=∣0−1⋯−1−10⋯−1⋮⋮⋱⋮−1−1⋯0∣=−(n−1)∣11⋯101⋯0⋮⋮⋱⋮00⋯1∣=−(n−1)≠0,|E-J|= \begin{vmatrix} 0 & -1 & \cdots & -1 \\ -1 & 0 & \cdots & -1 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ -1 & -1 & \cdots & 0 \end{vmatrix} =-(n-1) \begin{vmatrix} 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 0 & 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 1 \end{vmatrix} =-(n-1)\ne 0,

故 E−JE-J 可逆。

又

J2=nJ.J^2=nJ.

由

(E−J)(E−1n−1J)=E−1n−1J−J+1n−1J2=E−nn−1J+nn−1J=E,\begin{aligned} (E-J)\left(E-\frac{1}{n-1}J\right) &=E-\frac{1}{n-1}J-J+\frac{1}{n-1}J^2 \\ &=E-\frac{n}{n-1}J+\frac{n}{n-1}J \\ &=E, \end{aligned}

故

(E−J)−1=E−1n−1J.(E-J)^{-1}=E-\frac{1}{n-1}J.

六、(6 分)​

设 nn 阶矩阵 AA 可逆,证明其伴随矩阵 A∗A^* 也可逆,且

(A∗)−1=(A−1)∗.(A^*)^{-1}=(A^{-1})^*.
解:

证明:因为 AA∗=∣A∣EAA^*=|A|E,AA 可逆,∣A∣≠0|A|\ne 0,有

∣A∣∣A∗∣=∣∣A∣E∣.|A||A^*|=\left||A|E\right|.

即

∣A∣⋅∣A∗∣=∣A∣n,∣A∗∣=∣A∣n−1≠0.|A|\cdot |A^*|=|A|^n,\qquad |A^*|=|A|^{n-1}\ne 0.

所以 A∗A^* 可逆,且

A∗=∣A∣A−1.A^*=|A|A^{-1}.

则

(A∗)−1=(∣A∣A−1)−1=1∣A∣A.(A^*)^{-1}=(|A|A^{-1})^{-1}=\frac{1}{|A|}A.

而

(A−1)∗=∣A−1∣(A−1)−1=1∣A∣A.(A^{-1})^*=|A^{-1}|(A^{-1})^{-1}=\frac{1}{|A|}A.

故

(A∗)−1=(A−1)∗.(A^*)^{-1}=(A^{-1})^*.

七、(10 分)​

设矩阵

A=(a101a−101a),A= \begin{pmatrix} a & 1 & 0 \\ 1 & a & -1 \\ 0 & 1 & a \end{pmatrix},

且 A3=0A^3=0。

(1)(4 分)求 aa 的值;

(2)(6 分)若矩阵 XX 满足 X−XA2−AX+AXA2=EX-XA^2-AX+AXA^2=E,EE 为 3 阶单位阵,求 XX。

解:

(1)A3=OA^3=O,∣A∣=0|A|=0,即

∣a101a−101a∣=∣0101−a2a−1−a1a∣=a3=0.\begin{vmatrix} a & 1 & 0 \\ 1 & a & -1 \\ 0 & 1 & a \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 0 & 1 & 0 \\ 1-a^2 & a & -1 \\ -a & 1 & a \end{vmatrix} =a^3=0.

故 a=0a=0。

(2)由题意知

X−XA2−AX+AXA2=E,X-XA^2-AX+AXA^2=E,

即

X(E−A2)−AX(E−A2)=E,X(E-A^2)-AX(E-A^2)=E,

所以

(E−A)X(E−A2)=E.(E-A)X(E-A^2)=E.

则

X=(E−A)−1(E−A2)−1=[(E−A2)(E−A)]−1=(E−A2−A)−1.X=(E-A)^{-1}(E-A^2)^{-1}=[(E-A^2)(E-A)]^{-1}=(E-A^2-A)^{-1}.

故

X=(0−11−111−1−12)−1=(31−211−121−1).X= \begin{pmatrix} 0 & -1 & 1 \\ -1 & 1 & 1 \\ -1 & -1 & 2 \end{pmatrix}^{-1} = \begin{pmatrix} 3 & 1 & -2 \\ 1 & 1 & -1 \\ 2 & 1 & -1 \end{pmatrix}.

八、(10 分)​

设

{(2−λ)x1+2x2−2x3=1,2x1+(5−λ)x2−4x3=2,−2x1−4x2+(5−λ)x3=−λ−1,\begin{cases} (2-\lambda)x_1+2x_2-2x_3=1,\\ 2x_1+(5-\lambda)x_2-4x_3=2,\\ -2x_1-4x_2+(5-\lambda)x_3=-\lambda-1, \end{cases}

求 λ\lambda 为何值时此方程组有唯一解、无解或无限多解,并在无限多解时求其通解。

解:

系数行列式

∣A∣=∣2−λ2−225−λ−4−2−45−λ∣=−(λ−1)2(λ−10).|A|= \begin{vmatrix} 2-\lambda & 2 & -2 \\ 2 & 5-\lambda & -4 \\ -2 & -4 & 5-\lambda \end{vmatrix} =-(\lambda-1)^2(\lambda-10).

(1)当 λ≠1\lambda\ne 1 且 λ≠10\lambda\ne 10 时,∣A∣≠0|A|\ne 0,方程组有唯一解。

(2)当 λ=10\lambda=10 时,

(−82−212−5−42−2−4−5−11)→(2−5−420−18−1890−9−9−9)→(2−5−4201110001).\begin{pmatrix} -8 & 2 & -2 & 1 \\ 2 & -5 & -4 & 2 \\ -2 & -4 & -5 & -11 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 2 & -5 & -4 & 2 \\ 0 & -18 & -18 & 9 \\ 0 & -9 & -9 & -9 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 2 & -5 & -4 & 2 \\ 0 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}.

此时 R(A)=2≠3=R(B)R(A)=2\ne 3=R(B),方程组无解。

(3)当 λ=1\lambda=1 时,

(12−2124−42−2−44−2)→(12−2100000000).\begin{pmatrix} 1 & 2 & -2 & 1 \\ 2 & 4 & -4 & 2 \\ -2 & -4 & 4 & -2 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 2 & -2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}.

此时 R(A)=R(B)=1<3R(A)=R(B)=1<3,方程组有无限多解,通解为

(x1x2x3)=k1(−210)+k2(201)+(100),\begin{pmatrix} x_1\\ x_2\\ x_3 \end{pmatrix} =k_1 \begin{pmatrix} -2\\ 1\\ 0 \end{pmatrix} +k_2 \begin{pmatrix} 2\\ 0\\ 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 0 \end{pmatrix},

其中 k1,k2k_1,k_2 为任意常数。


九、(8 分)​

设 nn 阶矩阵 AA 和 BB 满足条件 A+B=ABA+B=AB。

(1)(3 分)证明:A−EA-E 为可逆矩阵,其中 EE 为 nn 阶单位矩阵;

(2)(5 分)已知

B=(1−30210002),B= \begin{pmatrix} 1 & -3 & 0 \\ 2 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix},

求矩阵 AA。

解:

(1)证明:由 A+B=ABA+B=AB,则

AB−A−B+E=(A−E)(B−E)=E.AB-A-B+E=(A-E)(B-E)=E.

故 A−EA-E 可逆。

(2)由(1)知

A−E=(B−E)−1.A-E=(B-E)^{-1}.

故

A=E+(B−E)−1=(100010001)+(0−30200001)−1=(100010001)+(0120−1300001)=(1120−1310002).\begin{aligned} A &=E+(B-E)^{-1} \\ &= \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & -3 & 0 \\ 2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}^{-1} \\ &= \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 0 & \dfrac{1}{2} & 0 \\ -\dfrac{1}{3} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} 1 & \dfrac{1}{2} & 0 \\ -\dfrac{1}{3} & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 2 \end{pmatrix}. \end{aligned}

十、(7 分)​

证明 R(A)=1R(A)=1 的充要条件是存在非零列向量 α\alpha 及非零行向量 βT\beta^T,使

A=αβT.A=\alpha\beta^T.
解:

充分性:令

α=(a1,a2,⋯ ,am)T,β=(b1,b2,⋯ ,bn)T.\alpha=(a_1,a_2,\cdots,a_m)^T,\qquad \beta=(b_1,b_2,\cdots,b_n)^T.

由于 α,βT\alpha,\beta^T 非零,故

A=αβT=(aibj)≠OA=\alpha\beta^T=(a_ib_j)\ne O

且 R(α)=R(βT)=1R(\alpha)=R(\beta^T)=1,从而

1≤R(A)=R(αβT)≤min⁡(R(α),R(βT))=1.1\le R(A)=R(\alpha\beta^T)\le \min(R(\alpha),R(\beta^T))=1.

所以 R(A)=1R(A)=1。

必要性:设 AA 为 m×nm\times n 矩阵,因 R(A)=1R(A)=1,故存在 m,nm,n 阶可逆矩阵 PP 和 QQ,使得

A=P(10⋮0)(1,0,⋯ ,0)Q.A=P \begin{pmatrix} 1\\ 0\\ \vdots\\ 0 \end{pmatrix} (1,0,\cdots,0)Q.

记

P=(p1,p2,⋯ ,pm),Q=(q1Tq2T⋮qnT),P=(p_1,p_2,\cdots,p_m),\qquad Q= \begin{pmatrix} q_1^T\\ q_2^T\\ \vdots\\ q_n^T \end{pmatrix},

则

A=p1q1T.A=p_1q_1^T.

令 α=p1, β=q1\alpha=p_1,\ \beta=q_1,因此存在非零列向量 α\alpha 及非零行向量 βT\beta^T,使得

A=αβT.A=\alpha\beta^T.

十一、(10 分)​

设

A=(1a10),B=(011b),A= \begin{pmatrix} 1 & a \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, \qquad B= \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & b \end{pmatrix},

当 a,ba,b 为何值时,存在矩阵 CC 使得 AC−CA=BAC-CA=B,并求所有矩阵 CC。

解:

设矩阵

C=(x1x2x3x4).C= \begin{pmatrix} x_1 & x_2 \\ x_3 & x_4 \end{pmatrix}.

则

AC=(1a10)(x1x2x3x4)=(x1+ax3x2+ax4x1x2),AC= \begin{pmatrix} 1 & a \\ 1 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x_1 & x_2 \\ x_3 & x_4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} x_1+ax_3 & x_2+ax_4 \\ x_1 & x_2 \end{pmatrix},CA=(x1x2x3x4)(1a10)=(x1+x2ax1x3+x4ax3).CA= \begin{pmatrix} x_1 & x_2 \\ x_3 & x_4 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 1 & a \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} x_1+x_2 & ax_1 \\ x_3+x_4 & ax_3 \end{pmatrix}.

于是

AC−CA=(ax3−x2ax4−ax1+x2x1−x3−x4x2−ax3).AC-CA= \begin{pmatrix} ax_3-x_2 & ax_4-ax_1+x_2 \\ x_1-x_3-x_4 & x_2-ax_3 \end{pmatrix}.

由 AC−CA=BAC-CA=B,得

{−x2+ax3=0,−ax1+x2+ax4=1,x1−x3−x4=1,x2−ax3=b.\begin{cases} -x_2+ax_3=0,\\ -ax_1+x_2+ax_4=1,\\ x_1-x_3-x_4=1,\\ x_2-ax_3=b. \end{cases}

此为四元非齐次线性方程组,欲使得矩阵 CC 存在,则此非齐次线性方程组必有解,而该非齐次线性方程对应的增广矩阵为

A‾=(0−1a00−a10a110−1−1101−a0b)→(10−1−1101−a000000b00001+a).\overline{A}= \begin{pmatrix} 0 & -1 & a & 0 & 0 \\ -a & 1 & 0 & a & 1 \\ 1 & 0 & -1 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & -a & 0 & b \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & -a & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & b \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1+a \end{pmatrix}.

所以当 1+a=0, b=01+a=0,\ b=0,即 a=−1, b=0a=-1,\ b=0 时,非齐次线性方程组有解,存在矩阵 CC,使得 AC−CA=BAC-CA=B。

又

A‾→(10−1−11011000000000000).\overline{A}\to \begin{pmatrix} 1 & 0 & -1 & -1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}.

所以

(x1x2x3x4)=c1(1−110)+c2(1001)+(1000)=(c1+c2+1−c1c1c2).\begin{pmatrix} x_1\\ x_2\\ x_3\\ x_4 \end{pmatrix} =c_1 \begin{pmatrix} 1\\ -1\\ 1\\ 0 \end{pmatrix} +c_2 \begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 0\\ 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 1\\ 0\\ 0\\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} c_1+c_2+1\\ -c_1\\ c_1\\ c_2 \end{pmatrix}.

所以

C=(c1+c2+1−c1c1c2),C= \begin{pmatrix} c_1+c_2+1 & -c_1 \\ c_1 & c_2 \end{pmatrix},

其中 c1,c2c_1,c_2 为任意实数。