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CalcGospel 國際數學圖譜
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IAL 2026 Jan FP3 Q2

A Level / Edexcel / FP3

IAL 2026 Jan Paper · Question 2

题目

Problem

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

Solutions relying entirely on calculator technology are not acceptable.

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

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 A1A^{-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)A = \begin{pmatrix} k & 0 & 0 \\ 4 & 2 & 3 \\ 1 & 3 & 4 \end{pmatrix}

其中 kk 为常数。

(a) 求 AA 的行列式,表示成 kk 的函数。

(b) 从而求 A1A^{-1},表示成 kk 的函数。

已知

  • k=1k = 1

  • 矩阵 BB 满足 AB=ATAB = A^T

(c) 求矩阵 BB

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,

detA=k2334=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 detA=k\det A=-k,用 A1=(detA)1adjAA^{-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 k0k\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=(1131004k3k03k2k).C= \begin{pmatrix} -1&-13&10\\ 0&4k&-3k\\ 0&-3k&2k \end{pmatrix}.

Hence

adjA=CT=(100134k3k103k2k).\operatorname{adj}A=C^T= \begin{pmatrix} -1&0&0\\ -13&4k&-3k\\ 10&-3k&2k \end{pmatrix}.

Using detA=k\det A=-k, for k0k\ne0,

A1=1kadjA=(1k0013k4310k32).\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

AB=ATAB=A^T 左乘 A1A^{-1},得到 B=A1ATB=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,

A1=(10013431032)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=A1AT.B=A^{-1}A^T.

Therefore,

B=(14113531310409).B=\boxed{ \begin{pmatrix} 1&4&1\\ 13&53&13\\ -10&-40&-9 \end{pmatrix}}.

解法二

思路

展开

官方评分资料也接受直接设 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*}

so

b21=13,b31=10.b_{21}=13,\qquad b_{31}=-10.

For the second column,

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

so

b22=53,b32=40.b_{22}=53,\qquad b_{32}=-40.

For the third column,

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

so

b23=13,b33=9.b_{23}=13,\qquad b_{33}=-9.

Hence

B=(14113531310409).\boxed{ B= \begin{pmatrix} 1&4&1\\ 13&53&13\\ -10&-40&-9 \end{pmatrix}}.