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FP1 2021 Jan Q7

A Level / Edexcel / FP1

IAL 2021 Jan Paper · Question 7

题目

Problem

7. The matrix A\mathbf{A} is defined by

A=(4−5−32)\mathbf{A} = \begin{pmatrix} 4 & -5 \\ -3 & 2 \end{pmatrix}

The transformation represented by A\mathbf{A} maps triangle TT onto triangle T′T'

Given that the area of triangle TT is 2323 cm2^2

(a) determine the area of triangle T′T'

(2)

The point PP has coordinates (3p+2,2p−1)(3p + 2, 2p - 1) where pp is a constant. The transformation represented by A\mathbf{A} maps PP onto the point P′P' with coordinates (17,−18)(17, -18)

(b) Determine the value of pp.

(2)

Given that

B=(01−10)\mathbf{B} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}

(c) describe fully the single geometrical transformation represented by matrix B\mathbf{B}

(2)

The transformation represented by matrix A\mathbf{A} followed by the transformation represented by matrix C\mathbf{C} is equivalent to the transformation represented by matrix B\mathbf{B}

(d) Determine C\mathbf{C}

(3)
题目中文翻译
  1. 矩阵 A\mathbf{A} 定义为
A=(4−5−32)\mathbf{A} = \begin{pmatrix} 4 & -5 \\ -3 & 2 \end{pmatrix}

A\mathbf{A} 所表示的变换将三角形 TT 映射到三角形 T′T'。

已知三角形 TT 的面积为 2323 cm2^2,

(a) 确定三角形 T′T' 的面积。

(2)

点 PP 的坐标为 (3p+2,2p−1)(3p + 2, 2p - 1),其中 pp 为常数。A\mathbf{A} 所表示的变换将 PP 映射到坐标为 (17,−18)(17, -18) 的点 P′P'。

(b) 确定 pp 的值。

(2)

已知

B=(01−10)\mathbf{B} = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}

(c) 完整描述矩阵 B\mathbf{B} 所表示的单次几何变换。

(2)

矩阵 A\mathbf{A} 所表示的变换后接矩阵 C\mathbf{C} 所表示的变换,等价于矩阵 B\mathbf{B} 所表示的变换。

(d) 确定矩阵 C\mathbf{C}。

(3)

解答

(a)

解法一

思路

展开

二维线性变换会把面积乘以变换矩阵行列式的绝对值。先求 det⁡A\det\mathbf{A},再用面积比例因子 ∣det⁡A∣|\det\mathbf{A}| 乘原三角形的面积。

答题过程

展开

The area scale factor is

 ∣det⁡A∣= ∣4(2)−(−5)(−3)∣= ∣8−15∣= 7.\begin{align*} &\,|\det\mathbf{A}|\\ =&\,\big|4(2)-(-5)(-3)\big|\\ =&\,|8-15|\\ =&\,7. \end{align*}

Therefore,

Area⁡(T′)= 7(23)= 161 cm2.\begin{align*} \operatorname{Area}(T')=&\,7(23)\\ =&\,\boxed{161\text{ cm}^2}. \end{align*}

(b)

解法一

思路

展开

把点 PP 的坐标写成列向量并左乘矩阵 A\mathbf{A}。将所得坐标与 P′=(17,−18)P'=(17,-18) 对应相等,解其中一个线性方程即可得到 pp;另一个坐标可用于核对。

答题过程

展开

Since A\mathbf{A} maps PP onto P′P',

 (4−5−32)(3p+22p−1)= (17−18).\begin{align*} &\,\begin{pmatrix} 4&-5\\ -3&2 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 3p+2\\ 2p-1 \end{pmatrix}\\ =&\,\begin{pmatrix} 17\\ -18 \end{pmatrix}. \end{align*}

Using the first coordinate,

 4(3p+2)−5(2p−1)= 17.\begin{align*} &\,4(3p+2)-5(2p-1)\\ =&\,17. \end{align*}

Expanding and collecting terms,

12p+8−10p+5= 17,2p+13= 17,2p= 4,p= 2.\begin{align*} 12p+8-10p+5=&\,17,\\ 2p+13=&\,17,\\ 2p=&\,4,\\ p=&\,2. \end{align*}

Indeed, the second coordinate gives

 −3(3p+2)+2(2p−1)= −3(8)+2(3)= −24+6= −18\begin{align*} &\,-3(3p+2)+2(2p-1)\\ =&\,-3(8)+2(3)\\ =&\,-24+6\\ =&\,-18 \end{align*}

when p=2p=2. Hence

p=2.\boxed{p=2}.

解法二

思路

展开

用逆矩阵把已知的像点 P′P' 变回原来的点 PP。先求出 PP 的两个坐标,再与题目给出的 3p+23p+2、2p−12p-1 比较,求出并核对 pp。

答题过程

展开

The determinant of A\mathbf A is

 det⁡A= 4(2)−(−5)(−3)= 8−15= −7.\begin{align*} &\,\det\mathbf A\\ =&\,4(2)-(-5)(-3)\\ =&\,8-15\\ =&\,-7. \end{align*}

Hence A\mathbf A is invertible, with

A−1=−17(2534).\mathbf A^{-1}=-\frac17 \begin{pmatrix} 2&5\\ 3&4 \end{pmatrix}.

Applying A−1\mathbf A^{-1} to P′P' gives

 (3p+22p−1)= −17(2534)(17−18)= −17(34−9051−72)= −17(−56−21)= (83).\begin{align*} &\,\begin{pmatrix} 3p+2\\ 2p-1 \end{pmatrix}\\ =&\,-\frac17 \begin{pmatrix} 2&5\\ 3&4 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 17\\ -18 \end{pmatrix}\\ =&\,-\frac17 \begin{pmatrix} 34-90\\ 51-72 \end{pmatrix}\\ =&\,-\frac17 \begin{pmatrix} -56\\ -21 \end{pmatrix}\\ =&\,\begin{pmatrix} 8\\ 3 \end{pmatrix}. \end{align*}

Therefore,

3p+2= 8,3p= 6,p= 2.\begin{align*} 3p+2=&\,8,\\ 3p=&\,6,\\ p=&\,2. \end{align*}

The other coordinate is consistent, since 2(2)−1=32(2)-1=3. Thus

p=2.\boxed{p=2}.

(c)

解法一

思路

展开

观察标准旋转矩阵。矩阵 B\mathbf{B} 把基向量 (1,0)(1,0) 映射到 (0,−1)(0,-1),因此表示以原点为中心顺时针旋转 90∘90^\circ。

答题过程

展开

The matrix

B=(01−10)\mathbf{B}= \begin{pmatrix} 0&1\\ -1&0 \end{pmatrix}

represents a rotation through 90∘90^\circ clockwise about the origin.

(d)

解法一

思路

展开

先进行 A\mathbf{A} 变换,再进行 C\mathbf{C} 变换,合成矩阵是 CA\mathbf{CA},所以 CA=B\mathbf{CA}=\mathbf{B}。在等式右边乘 A−1\mathbf{A}^{-1},得到 C=BA−1\mathbf{C}=\mathbf{BA}^{-1}。

答题过程

展开

Since the transformation represented by A\mathbf{A} is followed by that represented by C\mathbf{C},

CA=B.\mathbf{CA}=\mathbf{B}.

Now

 A−1= 14(2)−(−5)(−3) ×(2534)= −17(2534).\begin{align*} &\,\mathbf{A}^{-1}\\ =&\,\frac{1}{4(2)-(-5)(-3)}\\ &\,\hspace{2pt}\times \begin{pmatrix} 2&5\\ 3&4 \end{pmatrix}\\ =&\,-\frac17 \begin{pmatrix} 2&5\\ 3&4 \end{pmatrix}. \end{align*}

Therefore,

 C= BA−1= −17(01−10)(2534)= −17(34−2−5).\begin{align*} &\,\mathbf{C}\\ =&\,\mathbf{BA}^{-1}\\ =&\,-\frac17 \begin{pmatrix} 0&1\\ -1&0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 2&5\\ 3&4 \end{pmatrix}\\ =&\,-\frac17 \begin{pmatrix} 3&4\\ -2&-5 \end{pmatrix}. \end{align*}

Hence

C=(−37−472757).\boxed{ \mathbf{C}= \begin{pmatrix} -\dfrac37&-\dfrac47\\ \dfrac27&\dfrac57 \end{pmatrix} }.

解法二

思路

展开

设 C\mathbf C 的四个元素为未知数。先做 A\mathbf A 再做 C\mathbf C,因此仍须使用 CA=B\mathbf{CA}=\mathbf B。将乘积的四个元素分别与 B\mathbf B 对应相等,得到两组二元一次方程,逐组消元即可求出 C\mathbf C。

答题过程

展开

Let

C=(abcd).\mathbf C= \begin{pmatrix} a&b\\ c&d \end{pmatrix}.

Since CA=B\mathbf{CA}=\mathbf B,

 (abcd)(4−5−32)= (4a−3b−5a+2b4c−3d−5c+2d)= (01−10).\begin{align*} &\,\begin{pmatrix} a&b\\ c&d \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 4&-5\\ -3&2 \end{pmatrix}\\ =&\,\begin{pmatrix} 4a-3b&-5a+2b\\ 4c-3d&-5c+2d \end{pmatrix}\\ =&\,\begin{pmatrix} 0&1\\ -1&0 \end{pmatrix}. \end{align*}

Equating the entries in the first row,

4a−3b= 0,−5a+2b= 1.\begin{align*} 4a-3b=&\,0,\\ -5a+2b=&\,1. \end{align*}

Multiplying the first equation by 22 and the second by 33 gives

8a−6b= 0,−15a+6b= 3.\begin{align*} 8a-6b=&\,0,\\ -15a+6b=&\,3. \end{align*}

Adding these equations,

−7a= 3,a= −37.\begin{align*} -7a=&\,3,\\ a=&\,-\frac37. \end{align*}

Substituting into 4a−3b=04a-3b=0,

−127−3b= 0,−3b= 127,b= −47.\begin{align*} -\frac{12}{7}-3b=&\,0,\\ -3b=&\,\frac{12}{7},\\ b=&\,-\frac47. \end{align*}

Equating the entries in the second row,

4c−3d= −1,−5c+2d= 0.\begin{align*} 4c-3d=&\,-1,\\ -5c+2d=&\,0. \end{align*}

Multiplying the first equation by 22 and the second by 33 gives

8c−6d= −2,−15c+6d= 0.\begin{align*} 8c-6d=&\,-2,\\ -15c+6d=&\,0. \end{align*}

Adding these equations,

−7c= −2,c= 27.\begin{align*} -7c=&\,-2,\\ c=&\,\frac27. \end{align*}

Substituting into −5c+2d=0-5c+2d=0,

−107+2d= 0,2d= 107,d= 57.\begin{align*} -\frac{10}{7}+2d=&\,0,\\ 2d=&\,\frac{10}{7},\\ d=&\,\frac57. \end{align*}

Hence

C=(−37−472757).\boxed{ \mathbf C= \begin{pmatrix} -\dfrac37&-\dfrac47\\ \dfrac27&\dfrac57 \end{pmatrix} }.