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CIE 9231 2025 Nov Paper 21 Q6

A Level / CIE / FP2

CIE 9231 2025 Nov Paper 21 Paper · Question 6

题目

Problem

The matrix P\mathbf{P} has non-zero eigenvalues and is given by

P=(a1102a−100−3a).\mathbf{P} = \begin{pmatrix} a & 1 & 1\\ 0 & 2a & -1\\ 0 & 0 & -3a \end{pmatrix}.

(a) State, in terms of aa, the eigenvalues of P\mathbf{P}.

[1]

(b) (i) Find P2\mathbf{P}^2 in terms of aa.

[1]

(ii) Use the characteristic equation of P\mathbf{P} to find P−1\mathbf{P}^{-1} in terms of aa.

[3]

The 3×33 \times 3 matrix A\mathbf{A} has eigenvalues 11, 22, 33 with corresponding eigenvectors

(a00),(12a0),(1−1−3a),\begin{pmatrix} a\\ 0\\ 0 \end{pmatrix}, \quad \begin{pmatrix} 1\\ 2a\\ 0 \end{pmatrix}, \quad \begin{pmatrix} 1\\ -1\\ -3a \end{pmatrix},

respectively.

(c) Find A\mathbf{A} in terms of aa.

[5]
题目中文翻译

矩阵 P\mathbf{P} 有非零特征值,且

P=(a1102a−100−3a).\mathbf{P} = \begin{pmatrix} a & 1 & 1\\ 0 & 2a & -1\\ 0 & 0 & -3a \end{pmatrix}.

(a) 用 aa 表示 P\mathbf{P} 的特征值。

(1)

(b) (i) 求用 aa 表示的 P2\mathbf{P}^2。

(1)

(ii) 使用 P\mathbf{P} 的特征方程,求用 aa 表示的 P−1\mathbf{P}^{-1}。

(3)

3×33 \times 3 矩阵 A\mathbf{A} 的特征值为 11、22、33,对应的特征向量分别为

(a00),(12a0),(1−1−3a).\begin{pmatrix} a\\ 0\\ 0 \end{pmatrix}, \quad \begin{pmatrix} 1\\ 2a\\ 0 \end{pmatrix}, \quad \begin{pmatrix} 1\\ -1\\ -3a \end{pmatrix}.

(c) 求用 aa 表示的 A\mathbf{A}。

(5)
原卷通用作答要求

Answer all questions. You should use a calculator where appropriate.

You must show all necessary working clearly; no marks will be given for unsupported answers from a calculator.

Give non-exact numerical answers correct to 3 significant figures, or 1 decimal place for angles in degrees, unless a different level of accuracy is specified in the question.

请回答所有题目。适当时应使用计算器。必须清楚展示所有必要的计算过程;仅给出计算器答案而没有过程,不予评分。除非题目另有精度要求,非精确数值答案保留 3 位有效数字,以度为单位的角度保留 1 位小数。

解答

(a)

解法一

思路

展开

上三角矩阵的特征值就是主对角线上的元素。

答题过程

展开

Since P\mathbf P is upper triangular, its eigenvalues are a, 2a, −3a\boxed{a,\ 2a,\ -3a}.

(b)(i)

解法一

思路

展开

按行乘列计算。乘积仍为上三角矩阵,只需计算对角线和上方的元素。

答题过程

展开

The off-diagonal entries in the product are

(P2)12= a(1)+1(2a)+1(0)=3a,(P2)13= a(1)+1(−1)+1(−3a)=−2a−1,(P2)23= 0(1)+2a(−1)+(−1)(−3a)=a.\begin{align*} (P^2)_{12}=&\,a(1)+1(2a)+1(0)=3a,\\ (P^2)_{13}=&\,a(1)+1(-1)+1(-3a)=-2a-1,\\ (P^2)_{23}=&\,0(1)+2a(-1)+(-1)(-3a)=a. \end{align*}

Thus

P2=(a23a−2a−104a2a009a2).\mathbf P^2=\begin{pmatrix} a^2&3a&-2a-1\\ 0&4a^2&a\\ 0&0&9a^2 \end{pmatrix}.

(b)(ii)

解法一

思路

展开

由三个特征值写出特征多项式。代入 P\mathbf P 得到矩阵恒等式,再乘 P−1\mathbf P^{-1},将逆矩阵表示成 P2\mathbf P^2 和单位矩阵。

答题过程

展开

The characteristic polynomial is

(λ−a)(λ−2a)(λ+3a)=λ3−7a2λ+6a3.(\lambda-a)(\lambda-2a)(\lambda+3a)=\lambda^3-7a^2\lambda+6a^3.

By the Cayley–Hamilton theorem, P3−7a2P+6a3I=0\mathbf P^3-7a^2\mathbf P+6a^3\mathbf I=\mathbf 0. Since the eigenvalues are non-zero, P\mathbf P is invertible and a≠0a\ne0. Multiplying by P−1\mathbf P^{-1} gives

P−1= 7a2I−P26a3= 16a3(6a2−3a2a+103a2−a00−2a2).\begin{align*} \mathbf P^{-1}=&\,\frac{7a^2\mathbf I-\mathbf P^2}{6a^3}\\ =&\,\frac1{6a^3}\begin{pmatrix} 6a^2&-3a&2a+1\\ 0&3a^2&-a\\ 0&0&-2a^2 \end{pmatrix}. \end{align*}

(c)

解法一

思路

展开

三个特征向量正好依序组成 P\mathbf P 的三列。按同样顺序把特征值放入对角矩阵,用 A=PDP−1\mathbf A=\mathbf P\mathbf D\mathbf P^{-1}。

答题过程

展开

Let D=diag⁡(1,2,3)\mathbf D=\operatorname{diag}(1,2,3). The eigenvector equations give AP=PD\mathbf A\mathbf P=\mathbf P\mathbf D. Hence

A= PDP−1= 16a3(a2304a−300−9a)(6a2−3a2a+103a2−a00−2a2)= (112a−4a+16a20213a003).\begin{align*} \mathbf A =&\,\mathbf P\mathbf D\mathbf P^{-1}\\ =&\,\frac1{6a^3}\begin{pmatrix}a&2&3\\0&4a&-3\\0&0&-9a\end{pmatrix} \begin{pmatrix}6a^2&-3a&2a+1\\0&3a^2&-a\\0&0&-2a^2\end{pmatrix}\\ =&\,\begin{pmatrix} 1&\frac1{2a}&-\frac{4a+1}{6a^2}\\ 0&2&\frac1{3a}\\ 0&0&3 \end{pmatrix}. \end{align*}