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CalcGospel 國際數學圖譜
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FP3 2026 Jan Q2

A Level / Edexcel / FP3

IAL 2026 Jan Paper · Question 2

题目

Problem

2.

In this question you must show all stages of your working.

Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.

A= (k00423134)\begin{align*} A =&\, \begin{pmatrix} k & 0 & 0 \\ 4 & 2 & 3 \\ 1 & 3 & 4 \end{pmatrix} \end{align*}

where kk is a constant.

(a) Find, in terms of kk, the determinant of AA

(1)

(b) Hence determine, in terms of kk, the matrix A−1A^{-1}

(3)

Given that

  • k=1k = 1
  • the matrix BB satisfies AB=ATAB = A^T

(c) determine the matrix BB

(3)
(Total for Question 2 is 7 marks)
题目中文翻译

在本题中,你必须写出所有解题步骤。

不能完全依赖计算器技术。

A= (k00423134)\begin{align*} A =&\, \begin{pmatrix} k & 0 & 0 \\ 4 & 2 & 3 \\ 1 & 3 & 4 \end{pmatrix} \end{align*}

其中 kk 为常数。

(a) 求 AA 的行列式,表示成 kk 的函数。

(1)

(b) 从而求 A−1A^{-1},表示成 kk 的函数。

(3)

已知

  • k=1k = 1

  • 矩阵 BB 满足 AB=ATAB = A^T

(c) 求矩阵 BB。

(3)

解答

(a)

解法一

思路

展开

第一行只有左上角元素非零,所以沿第一行展开行列式最简洁。余下的 2×22\times2 行列式为 2(4)−3(3)=−12(4)-3(3)=-1。

答题过程

展开

Expanding along the first row,

det⁡A= k∣2334∣= k(2(4)−3(3))= −k.\begin{align*} \det A=&\,k \begin{vmatrix} 2&3\\ 3&4 \end{vmatrix}\\ =&\,k\big(2(4)-3(3)\big)\\ =&\,\boxed{-k}. \end{align*}

(b)

解法一

思路

展开

由 (a) 的 det⁡A=−k\det A=-k,用 A−1=(det⁡A)−1adj⁡AA^{-1}=(\det A)^{-1}\operatorname{adj}A。先求 minors 矩阵,再加上余因子正负号并转置得到 adjugate;同时注明只有 k≠0k\ne0 时逆矩阵存在。

答题过程

展开

The matrix of minors is

M=(−1131004k3k03k2k).M= \begin{pmatrix} -1&13&10\\ 0&4k&3k\\ 0&3k&2k \end{pmatrix}.

Applying the cofactor signs gives

C=(−1−131004k−3k0−3k2k).C= \begin{pmatrix} -1&-13&10\\ 0&4k&-3k\\ 0&-3k&2k \end{pmatrix}.

Hence

adj⁡A=CT=(−100−134k−3k10−3k2k).\operatorname{adj}A=C^T= \begin{pmatrix} -1&0&0\\ -13&4k&-3k\\ 10&-3k&2k \end{pmatrix}.

Using det⁡A=−k\det A=-k, for k≠0k\ne0,

A−1= 1−kadj⁡A= (1k0013k−43−10k3−2).\begin{align*} A^{-1}=&\,\frac{1}{-k}\operatorname{adj}A\\ =&\,\boxed{ \begin{pmatrix} \dfrac1k&0&0\\ \dfrac{13}{k}&-4&3\\ -\dfrac{10}{k}&3&-2 \end{pmatrix}}. \end{align*}

(c)

解法一

思路

展开

由 AB=ATAB=A^T 左乘 A−1A^{-1},得到 B=A−1ATB=A^{-1}A^T。把 k=1k=1 代入 (b) 的逆矩阵,再与 ATA^T 相乘即可。

答题过程

展开

When k=1k=1,

A−1=(10013−43−103−2)A^{-1}= \begin{pmatrix} 1&0&0\\ 13&-4&3\\ -10&3&-2 \end{pmatrix}

and

AT=(141023034).A^T= \begin{pmatrix} 1&4&1\\ 0&2&3\\ 0&3&4 \end{pmatrix}.

Since AB=ATAB=A^T,

B=A−1AT.B=A^{-1}A^T.

For example, the entry in row 2, column 2 is

b22= 13(4)+(−4)(2)+3(3)= 53.\begin{align*} b_{22}=&\,13(4)+(-4)(2)+3(3)\\ =&\,53. \end{align*}

Therefore,

B=(141135313−10−40−9).B=\boxed{ \begin{pmatrix} 1&4&1\\ 13&53&13\\ -10&-40&-9 \end{pmatrix}}.

解法二

思路

展开

也可以直接设 BB 的九个元素。利用 AA 的第一行可立即得到 BB 的第一行;再把 AB=ATAB=A^T 按列比较,每一列只需解两个二元一次方程,便能求出其余六个元素。

答题过程

展开

Let

B=(b11b12b13b21b22b23b31b32b33).B= \begin{pmatrix} b_{11}&b_{12}&b_{13}\\ b_{21}&b_{22}&b_{23}\\ b_{31}&b_{32}&b_{33} \end{pmatrix}.

The first row of AB=ATAB=A^T gives

(b11,b12,b13)=(1,4,1).(b_{11},b_{12},b_{13})=(1,4,1).

Comparing the remaining entries in the first column gives

2b21+3b31= −4,3b21+4b31= −1,\begin{align*} 2b_{21}+3b_{31}=&\,-4,\\ 3b_{21}+4b_{31}=&\,-1, \end{align*}

Subtracting twice the second equation from three times the first gives

b31= 3(−4)−2(−1)=−10,b21= −4−3(−10)2=13.\begin{align*} b_{31}=&\,3(-4)-2(-1)=-10,\\ b_{21}=&\,\frac{-4-3(-10)}2=13. \end{align*}

For the second column,

2b22+3b32= −14,3b22+4b32= −1,\begin{align*} 2b_{22}+3b_{32}=&\,-14,\\ 3b_{22}+4b_{32}=&\,-1, \end{align*}

Applying the same elimination,

b32= 3(−14)−2(−1)=−40,b22= −14−3(−40)2=53.\begin{align*} b_{32}=&\,3(-14)-2(-1)=-40,\\ b_{22}=&\,\frac{-14-3(-40)}2=53. \end{align*}

For the third column,

2b23+3b33= −1,3b23+4b33= 3,\begin{align*} 2b_{23}+3b_{33}=&\,-1,\\ 3b_{23}+4b_{33}=&\,3, \end{align*}

Similarly,

b33= 3(−1)−2(3)=−9,b23= −1−3(−9)2=13.\begin{align*} b_{33}=&\,3(-1)-2(3)=-9,\\ b_{23}=&\,\frac{-1-3(-9)}2=13. \end{align*}

Hence

B=(141135313−10−40−9).\boxed{ B= \begin{pmatrix} 1&4&1\\ 13&53&13\\ -10&-40&-9 \end{pmatrix}}.