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=[acbd],其中 a,b,c,d 均為實數,
X0=[x0y0],X1=[x1y1],X2=[x2y2],X3=[x3y3],請選出正確選項:
(1) 若 ad−bc=0,且 abcd=0,X0 為坐標平面上之一點,則 AX0 必落在斜率為 ac 且通過原點的直線上。
(2) 若 ad−bc=0,且 abcd=0,則滿足方程式 A[xy]=[00] 的所有 [xy] 必落在斜率為 −ca 且通過原點的直線上。
(3) 若 A=[51525356],X0 為坐標平面上之一點,則 AX0 為 X0 在直線 y=2x 上之投影。
(4) 若 ad−bc=0,且 X1,X2,X3 為坐標平面上不共線三點,則 AX1,AX2,AX3 三點亦不共線。
(5) 若坐標平面上任一點 [xy] 皆可依序先由二階方陣 A 變換,再經方陣 [43−34] 變換至 [−x−y],則矩陣 A 為鏡射矩陣。
解答
解
(1) ○ det(A)=0 則必然第二列是第一列的 k 倍,即 c=ka,d=kb。
那麼 AX0=[akabkb]X0 乘完結果必然第二列也是第一列的 k 倍,即 y 坐標必為 x 坐標的 k=ac 倍。
(2) × 等同於求解聯立方程式 {ax+by=0kax+kby=0,故斜率應為 −ba。
(3) × 投影矩陣 P 必滿足 P2=P,顯然此矩陣不合。
(4) ○ △X1X2X3 在經方陣 A 變換後,其面積必變為原來的 ∣det(A)∣ 倍。因為 det(A)=0,所以面積不為 0,故變換後的三點亦不共線,選項正確。
(5) × 設 B=[43−34]=5T1,其中 T1 為轉 θ 角的旋轉矩陣,cos(θ)=54。
由題意 AB=−I,則 A=51T2,其中 T2 為轉 180∘−θ 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 AX0 是 X0 在 L:y=2x 上的投影,那麼 AX0−X0 便是 L 的法向量,換句話說,其與 L 的方向向量垂直,便可列式:
[12](AX0−X0)=⇒[12](A−I)X0=⇒[12][−54525351]X0=⇒[01]X0=0000
顯然這並不是對任意 X0 皆成立的。