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📐 · 第 9 堂

矩陣運算 — 學測 1-2 題全拿

⏱ 約 30 分鐘📝 12 題深度測驗
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矩陣運算 — 學測 1-2 題全拿

📖 一、核心解析

1. 矩陣運算的第一步是「認清階數」:m×n 表示 m 列 n 行。
2. 同階矩陣才能相加減,對應位置相加,別急著把不同階矩陣湊在一起。
3. 純量乘法要乘在「每一個元素」上,不是只乘第一列第一行。
4. 矩陣乘法 A_{m×n} B_{n×p} = C_{m×p},重點是 A 的行數 = B 的列數。
5. C 的 (i,j) 就是「A 第 i 列」與「B 第 j 行」的內積。
6. 矩陣乘法「不具交換律」,AB 與 BA 通常不同,解題時順序要保留。
7. 二階逆矩陣公式:[[a,b],[c,d]]^{-1} = 1/(ad−bc) [[d,−b],[−c,a]]。
8. 學測愛考「矩陣與遞迴數列」或「線性變換」的結合,本質仍是乘法與逆矩陣。
階數迷思所謂「內行數相等」指的是 A 的行數等於 B 的列數,才可以相乘。
交換律反例取 A=[[1,1],[0,1]]、B=[[1,0],[1,1]],可算出 AB≠BA,代表矩陣乘法不是交換律。
背逆矩陣口訣「主對角線交換,副對角線變號,再除以行列式。」

看到乘法先檢查「內行數」! AB=零矩陣,不代表 A 或 B 是零矩陣! det(A)=0 ⇒ A 不可逆,這是秒殺題。

🔤 二、重點表

運算類型公式/規則常見陷阱記憶口訣
加法(A+B)_{ij}=a_{ij}+b_{ij}必須同階對位相加
純量乘法(kA)_{ij}=k·a_{ij}每個位置都乘整片伸縮
乘法C_{ij}=Σ a_{ik}b_{kj}內行數相等列乘行相加
交換律AB 不一定等於 BA不能隨便交換左乘右乘有差
零矩陣所有元素為 0AB=O 不代表 A 或 B = O零矩陣有陷阱
單位矩陣I_n 對角線為 1與數字 1 意義不同矩陣的「1」
逆矩陣A^{-1}=1/det(A) adj(A)det=0 不可逆主換副變號
行列式det(A)=ad−bc勿與絕對值混淆叉積相減
轉置(A^T)_{ij}=A_{ji}(AB)^T=B^T A^T轉置要調換位置
矩陣相等同階且全位置相等必須全部檢查一個都不能少

🎯 三、SOP:學測矩陣題解法

Step 1:確認題目要求——是求「乘積」「反矩陣」還是「解方程組」?
Step 2:建立階數表——把每個矩陣的 (m,n) 寫出來,圈出「內行數」。
Step 3:動手算——每一步都保留完整矩阵,或至少寫下中間過程,不要心算跳步。
Step 4:驗證關鍵性質——乘法算完可抽一個元素檢查;逆矩陣先確認 det(A)≠0。
Step 5:對答案——將得到的矩陣或數字對照選項,特別注意正負號、位置、階數。

📝 四、實戰演練

例題 1:A=[[1,2],[3,4]],B=[[0,1],[1,0]]。求 AB 與 BA,並判別兩者是否相等。

解析:AB = [[1×0+2×1, 1×1+2×0],[3×0+4×1,3×1+4×0]] = [[2,1],[4,3]];
BA = [[0×1+1×3, 0×2+1×4],[1×1+0×3,1×2+0×4]] = [[3,4],[1,2]]。
可見 AB≠BA,且 AB 相當於將 A 的兩列交換,BA 則交換兩行。

例題 2:求 A=[[2,3],[1,4]] 的逆矩陣,並解方程組 [[2,3],[1,4]][[x],[y]]=[[5],[6]]。

解析:det(A)=2×4−3×1=5≠0,所以 A^{-1}=1/5 [[4,−3],[−1,2]]。
因此 [[x],[y]] = A^{-1}[[5],[6]] = 1/5 [[4×5−3×6],[−1×5+2×6]] = 1/5 [[2],[7]] = (2/5, 7/5)。
驗算:2×2/5+3×7/5 = 4/5+21/5=25/5=5,正確。

📝 深度測驗(12題)