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由線代觀點解一道高中矩陣模考題

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前言

本文原是想投稿線代啟示錄,然而周老師已經離開交大,也許久未更新 blog,難過惋惜之餘,決定自己來寫。

在去年的北模試題中,出現一題對高中生來說比較兇猛的矩陣問題。其實有些所謂的高中數學難題,是由大學數學「取材」來並修改成不超綱的樣子,但本質上仍不算一般高中生應學會的。以下便呈現此題,並分享在學過大學線代的前提下,可以如何輕鬆解題。


題目

題目

已知二階方陣 A=[abcd]A=\begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix},其中 a,b,c,da, b, c, d 均為實數, X0=[x0y0],X1=[x1y1],X2=[x2y2],X3=[x3y3]X_0=\begin{bmatrix}x_0\\y_0\end{bmatrix} , X_1=\begin{bmatrix}x_1\\y_1\end{bmatrix} , X_2=\begin{bmatrix}x_2\\y_2\end{bmatrix} , X_3=\begin{bmatrix}x_3\\y_3\end{bmatrix},請選出正確選項:

(1) 若 adbc=0ad-bc=0,且 abcd0abcd\neq0X0X_0 為坐標平面上之一點,則 AX0AX_0 必落在斜率為 ca\frac{c}{a} 且通過原點的直線上。

(2) 若 adbc=0ad-bc=0,且 abcd0abcd\neq0,則滿足方程式 A[xy]=[00]A\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix} 的所有 [xy]\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} 必落在斜率為 ac-\frac{a}{c} 且通過原點的直線上。

(3) 若 A=[15352565]A=\begin{bmatrix}\frac15&\frac35\\[2mm]\frac25&\frac65\end{bmatrix}X0X_0 為坐標平面上之一點,則 AX0AX_0X0X_0 在直線 y=2xy=2x 上之投影。

(4) 若 adbc0ad-bc\neq0,且 X1,X2,X3X_1 , X_2 , X_3 為坐標平面上不共線三點,則 AX1,AX2,AX3AX_1 , AX_2 , AX_3 三點亦不共線。

(5) 若坐標平面上任一點 [xy]\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix} 皆可依序先由二階方陣 AA 變換,再經方陣 [4334]\begin{bmatrix}4&-3\\3&4\end{bmatrix} 變換至 [xy]\begin{bmatrix}-x\\-y\end{bmatrix},則矩陣 AA 為鏡射矩陣。

解答

(1) ○ det(A)=0\det(A)=0 則必然第二列是第一列的 kk 倍,即 c=ka,d=kbc=ka , d=kb。 那麼 AX0=[abkakb]X0AX_0=\begin{bmatrix}a&b\\ka&kb\end{bmatrix}X_0 乘完結果必然第二列也是第一列的 kk 倍,即 yy 坐標必為 xx 坐標的 k=cak=\frac{c}{a} 倍。

(2) × 等同於求解聯立方程式 {ax+by=0kax+kby=0\begin{cases}ax+by=0\\kax+kby=0\end{cases},故斜率應為 ab-\frac{a}{b}

(3) × 投影矩陣 PP 必滿足 P2=PP^2=P,顯然此矩陣不合。

(4) ○ X1X2X3\triangle X_1X_2X_3 在經方陣 AA 變換後,其面積必變為原來的 det(A)\vert\det(A)\vert 倍。因為 det(A)0\det(A) \neq 0,所以面積不為 0,故變換後的三點亦不共線,選項正確。

(5) ×B=[4334]=5T1B=\begin{bmatrix}4&-3\\3&4\end{bmatrix}=5T_1,其中 T1T_1 為轉 θ\theta 角的旋轉矩陣,cos(θ)=45\cos(\theta)=\frac45。 由題意 AB=IAB=-I,則 A=15T2A=\frac15T_2,其中 T2T_2 為轉 180θ180^{\circ}-\theta 角的旋轉矩陣。旋轉矩陣乘上純量,顯然不是鏡射矩陣。


補充解析: 選項 (3) 亦可由另一個角度來看: 如果 AX0AX_0X0X_0L:y=2xL:y=2x 上的投影,那麼 AX0X0AX_0-X_0 便是 LL 的法向量,換句話說,其與 LL 的方向向量垂直,便可列式:

[12](AX0X0)=0[12](AI)X0=0[12][45352515]X0=0[01]X0=0\begin{align*} \begin{bmatrix}1&2\end{bmatrix} (AX_0-X_0)=&\,0\\[4mm] \Rightarrow\quad \begin{bmatrix}1&2\end{bmatrix}\big(A-I\big)X_0=&\,0\\[4mm] \Rightarrow\quad \begin{bmatrix}1&2\end{bmatrix} \begin{bmatrix}-\frac45&\frac35\\[2mm] \frac25&\frac15\end{bmatrix}X_0=&\,0\\[4mm] \Rightarrow\quad \begin{bmatrix}0&1\end{bmatrix}X_0=&\,0 \end{align*}

顯然這並不是對任意 X0X_0 皆成立的。


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