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四、简答题(共5题,50.0分)17.(简答题,10.0分)若矩阵 A=(}1&-1&2&11&1&3&x2&y&0&-1) 的秩为2,求x,y。(10分)

四、简答题(共5题,50.0分) 17.(简答题,10.0分) 若矩阵 $A=\left(\begin{matrix}1&-1&2&1\\1&1&3&x\\2&y&0&-1\end{matrix}\right)$ 的秩为2,求x,y。(10分)

题目解答

答案

为了确定矩阵 $ A = \left(\begin{matrix}1&-1&2&1\\1&1&3&x\\2&y&0&-1\end{matrix}\right) $ 的秩为2时的 $ x $ 和 $ y $ 的值,我们需要确保矩阵的行向量线性相关,即矩阵的任意一个3阶子式都为零。 首先,我们计算矩阵 $ A $ 的一个3阶子式,例如由前两列和前两行以及第四列组成的子式: \[ \begin{vmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 1 & 1 & x \\ 2 & y & -1 \end{vmatrix} \] 使用行列式展开,我们得到: \[ 1 \cdot \begin{vmatrix} 1 & x \\ y & -1 \end{vmatrix} - (-1) \cdot \begin{vmatrix} 1 & x \\ 2 & -1 \end{vmatrix} + 1 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 2 & y \end{vmatrix} = 1 \cdot (-1 - xy) + 1 \cdot (-1 - 2x) + 1 \cdot (y - 2) = -1 - xy - 1 - 2x + y - 2 = -4 - xy - 2x + y \] 由于矩阵的秩为2,这个行列式必须为零: \[ -4 - xy - 2x + y = 0 \quad \text{(1)} \] 接下来,我们计算另一个3阶子式,例如由前两列和前两行以及第三列组成的子式: \[ \begin{vmatrix} 1 & -1 & 2 \\ 1 & 1 & 3 \\ 2 & y & 0 \end{vmatrix} \] 使用行列式展开,我们得到: \[ 1 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ y & 0 \end{vmatrix} - (-1) \cdot \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} + 2 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 2 & y \end{vmatrix} = 1 \cdot (0 - 3y) + 1 \cdot (0 - 6) + 2 \cdot (y - 2) = -3y - 6 + 2y - 4 = -y - 10 \] 由于矩阵的秩为2,这个行列式也必须为零: \[ -y - 10 = 0 \quad \text{(2)} \] 解方程 (2),我们得到: \[ y = -10 \] 将 $ y = -10 $ 代入方程 (1),我们得到: \[ -4 - x(-10) - 2x + (-10) = 0 \] 简化后,我们得到: \[ -4 + 10x - 2x - 10 = 0 \implies 8x - 14 = 0 \implies 8x = 14 \implies x = \frac{7}{4} \] 因此, $ x $ 和 $ y $ 的值为: \[ \boxed{\left( \frac{7}{4}, -10 \right)} \]

解析

步骤 1:计算矩阵的3阶子式
为了确保矩阵 $A$ 的秩为2,我们需要计算矩阵的3阶子式,并确保它们的值为0。首先,我们计算由前两列和前两行以及第四列组成的子式:
\[ \begin{vmatrix} 1 & -1 & 1 \\ 1 & 1 & x \\ 2 & y & -1 \end{vmatrix} \]
步骤 2:展开行列式
使用行列式展开,我们得到:
\[ 1 \cdot \begin{vmatrix} 1 & x \\ y & -1 \end{vmatrix} - (-1) \cdot \begin{vmatrix} 1 & x \\ 2 & -1 \end{vmatrix} + 1 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 2 & y \end{vmatrix} = 1 \cdot (-1 - xy) + 1 \cdot (-1 - 2x) + 1 \cdot (y - 2) = -1 - xy - 1 - 2x + y - 2 = -4 - xy - 2x + y \]
步骤 3:设置行列式为0
由于矩阵的秩为2,这个行列式必须为零:
\[ -4 - xy - 2x + y = 0 \quad \text{(1)} \]
步骤 4:计算另一个3阶子式
接下来,我们计算另一个3阶子式,例如由前两列和前两行以及第三列组成的子式:
\[ \begin{vmatrix} 1 & -1 & 2 \\ 1 & 1 & 3 \\ 2 & y & 0 \end{vmatrix} \]
步骤 5:展开行列式
使用行列式展开,我们得到:
\[ 1 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ y & 0 \end{vmatrix} - (-1) \cdot \begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 2 & 0 \end{vmatrix} + 2 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 2 & y \end{vmatrix} = 1 \cdot (0 - 3y) + 1 \cdot (0 - 6) + 2 \cdot (y - 2) = -3y - 6 + 2y - 4 = -y - 10 \]
步骤 6:设置行列式为0
由于矩阵的秩为2,这个行列式也必须为零:
\[ -y - 10 = 0 \quad \text{(2)} \]
步骤 7:求解方程(2)
解方程 (2),我们得到:
\[ y = -10 \]
步骤 8:代入方程(1)
将 $ y = -10 $ 代入方程 (1),我们得到:
\[ -4 - x(-10) - 2x + (-10) = 0 \]
步骤 9:简化方程
简化后,我们得到:
\[ -4 + 10x - 2x - 10 = 0 \implies 8x - 14 = 0 \implies 8x = 14 \implies x = \frac{7}{4} \]

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