题目
Problem
M=20301−204−3
(a) Determine M−1
The transformation represented by M maps the plane Π1 to the plane Π2
The point (x,y,z) on Π1 maps to the point (u,v,w) on Π2
(b) Determine x, y and z in terms of u, v and w as appropriate.
The plane Π1 has equation
3x−7y+2z=−3
(c) Find a Cartesian equation for Π2
Give your answer in the form au+bv+cw=d where a, b, c and d are integers to be determined.
(8)
题目中文翻译
M=20301−204−3
(a) 求 M−1
矩阵 M 所表示的变换把平面 Π1 映射到平面 Π2
平面 Π1 上的点 (x,y,z) 映射到平面 Π2 上的点 (u,v,w)
(b) 结合 u,v,w,求 x,y,z
平面 Π1 的方程为
3x−7y+2z=−3
(c) 求 Π2 的笛卡尔方程
答案写成 au+bv+cw=d 的形式,其中 a,b,c,d 为待定整数。
解答
(a)
解法一:使用伴随矩阵
思路
展开
使用 M−1=detM1adjM。先求行列式,再逐项计算余子式并按棋盘符号得到代数余子式矩阵;转置后得到伴随矩阵。
答题过程
展开
Expanding the determinant along the first row,
detM===21−24−32((−3)−(−8))10.
The matrix of minors is
500−12−68−3−42.
Applying the alternating signs gives the cofactor matrix
50012−6−8−342.
Hence
adjM=512−30−640−82.
Therefore,
M−1=101512−30−640−82.
(b)
解法一:使用逆矩阵
思路
展开
变换关系是 (u,v,w)T=M(x,y,z)T。左乘 (a) 求得的 M−1,即可一次得到 x,y,z 关于 u,v,w 的表达式。
答题过程
展开
The transformation gives
uvw=Mxyz.
Thus
xyz==M−1uvw21u56u−53v−54w−103u+52v+51w.
Therefore,
x=21u,
y=56u−53v−54w,
and
z=−103u+52v+51w.
解法二:直接联立变换方程
思路
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直接把矩阵乘法拆成三个标量方程。先由第一式求 x,再由第二式表示 y,代入第三式求 z,这样无需显式使用逆矩阵。
答题过程
展开
Comparing components in
Mxyz=uvw
gives
2x=u,y+4z=v,3x−2y−3z=w.
The first two equations give
x=21u,y=v−4z.
Substituting these into the third equation,
\begin{align*}
\frac32u-2(v-4z)-3z=&\,w, \\
5z=&\,w-rac32u+2v.
\end{align*}
Hence
z=−103u+52v+51w.
Then
y==v−4(−103u+52v+51w)56u−53v−54w.
Therefore,
x=21u,
y=56u−53v−54w,
and
z=−103u+52v+51w.
(c)
解法一
思路
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承接 (b),把 x,y,z 关于 u,v,w 的表达式代入 Π1。合并同类项后得到 Π2 的方程,再整体乘以 2,使所有系数成为整数。
答题过程
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Using the expressions from part (b), the equation of Π1 becomes
3(21u)−7(56u−53v−54w)+2(−103u+52v+51w)=−3.
Collecting like terms,
−215u+5v+6w=−3.
Multiplying by 2, a Cartesian equation for Π2 is
−15u+10v+12w=−6.