2025年新高考数学突破新定义压轴题综合讲义专题07 线性代数背景下的新定义(三大题型)(教师版).docxVIP

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专题07线性代数背景下的新定义

【题型归纳目录】

题型一:行列式背景

题型二:矩阵背景

题型三:向量组背景

【典型例题】

题型一:行列式背景

【典例1-1】(2024·高三·云南曲靖·阶段练习)定义行列式运算:,若函数??(,)的最小正周期是,将其图象向右平移个单位后得到的图象关于原点对称.

(1)求函数的单调增区间;

(2)数列的前项和,且,求证:数列的前项和.

【解析】(1)由题意:,

∵,即,

∴,

∴的图象向右平移个单位后得,

此函数为奇函数,则,

∵,∴,

∴,

由,可得,

∴的单调增区间为;

(2)由上可得,

∴,

当时,;

当时,,

又,适合此式,

∴,

∴,

∴.

【典例1-2】(2024·高一·北京·期末)对于任意实数a,b,c,d,表达式称为二阶行列式(determinant),记作,

(1)求下列行列式的值:

①;②;③;

(2)求证:向量与向量共线的充要条件是;

(3)讨论关于x,y的二元一次方程组()有唯一解的条件,并求出解.(结果用二阶行列式的记号表示).

【解析】(1)①

②;

③.

(2)证明:若向量与向量共线,则:

当时,有,即,

当时,有,即,

∴必要性得证.

反之,若,即,

当c,d不全为0时,即时,

不妨设,则,∴,

∵,∴,∴,∴与共线,

当且时,,∴与共线,

充分性得证.

综上,向量与向量共线的充要条件是.

(3)用和分别乘上面两个方程的两端,然后两个方程相减,消去y得:

,①

同理,消去x,得:

,②

∴当时,即时,由①②得:

,,

∴当时,关于x,y的二元一次方程组()有唯一解,

且,.

【变式1-1】(2024·高二·全国·单元测试)我们用(,、、、)表示矩阵的第行第列元素.已知该矩阵的每一行每一列都是等差数列,并且,,.

(1)求;

(2)求关于,的关系式;

(3)设行列式,求证:对任意、,、、时,都有.

【解析】由于该矩阵的每一行每一列都是等差数列,并且,,,则矩阵中第一行的公差为1,第二行的公差为2,从而第三行的公差为3,即有第行的公差为,则有第一列的公差为1,第二列的公差为2,从而第列的公差为,

则由等差数列的通项公式,即可得到

所以(1)

所以(2)

(3)证明:由于行列式,

即有,

故对任意,,,,时,都有

题型二:矩阵背景

【典例2-1】(2024·广东·一模)数值线性代数又称矩阵计算,是计算数学的一个重要分支,其主要研究对象包括向量和矩阵.对于平面向量,其模定义为.类似地,对于行列的矩阵,其模可由向量模拓展为(其中为矩阵中第行第列的数,为求和符号),记作,我们称这样的矩阵模为弗罗贝尼乌斯范数,例如对于矩阵,其矩阵模.弗罗贝尼乌斯范数在机器学习等前沿领域有重要的应用.

(1),,矩阵,求使的的最小值.

(2),,,矩阵求.

(3)矩阵,证明:,,.

【解析】(1)由题意得.

若,则,即.

因式分解得.因为,所以.

所以使的的最小值是10.

(2)由题得第1对角线上的平方和为,

第2对角线上的平方和为

第对角线上的平方和为

第对角线上的平方和为,

所以

所以.

(3)由题意知,证明

等价于证明,

注意到左侧求和式,

将右侧含有的表达式表示为求和式有

故只需证成立,

即证成立,令,

则需证成立,

记,则在上恒成立,所以在上单调递增,

所以,

所以在上恒成立,即成立,

所以原不等式成立.

【典例2-2】(2024·高三·海南省直辖县级单位·开学考试)由个数排列成行列的数表称为行列的矩阵,简称矩阵,也称为阶方阵,记作:其中表示矩阵中第行第列的数.已知三个阶方阵分别为,,其中分别表示中第行第列的数.若,则称是生成的线性矩阵.

(1)已知,若是生成的线性矩阵,且,求;

(2)已知,矩阵,矩阵是生成的线性矩阵,且.

(i)求;

(ii)已知数列满足,数列满足,数列的前项和记为,是否存在正整数,使成立?若存在,求出所有的正整数对;若不存在,请说明理由.

【解析】(1),则,即,

解得,

则,,,

故.

(2)(i),,

故,,

.

(ii),

故,

故,

,即,取验证不成立,

整理得到,,

当时,,不成立;当时,;当时,;

现说明当时不成立:

设,,,则,,

故单调递增,,

设,,,,,

故单调递减,,,,,

故时,不成立,

综上所述:使成立的所有的正整数对为,.

【变式2-1】(2024·高二·北京丰台·期末)已知数表,,,其中,,分别表示,,中第行第列的数.若,则称是,的生成数表.

(1)若数表,,且是,的生成数表,求;

(2)对,,

数表,,与满足第i行第j列的数对应相同().是,的生成数表,且.

(ⅰ)求,;

(ⅱ)若恒成立,求的最小值.

【解析】(1)由题意得,,

,,

所以.

(2)由题意得,

当,时,有①,

即,

(ⅰ)当时,

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