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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,
则
,
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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