线性代数(七)主变量与特解

本篇主要讨论如何求解齐次方程组的解,即求解

举例,,首先容易想到的算法是通过初等行变换进行消元,将其化为行最简形式。这里指出,在进行初等变换的时候,解构成的空间是不会改变的。

因为,对系数矩阵初等行变换时要同时对右侧的零向量进行变换,这等价于用一个结果为0的方程减去另一个结果为0的方程,显然结果仍然为0,那么解同样属于0空间。

继续消元。显然矩阵A可以通过初等行变换转化为阶梯矩阵 ,每一行首个非零元对应的即主元,其余为自由元,主元的个数即矩阵的秩(rank)。矩阵A对应的主元的x1、x3,自有元为x2、x4。主元所在的列成为主列,显然第一列、第三列为主列,第二列、第四列成为自由列。

自由元的值可以随意给定,如x2=1,x4=0。容易求出x1=-2,x3=0。则解为:,显然这个解可以张成一个子空间,即,而这在中是一条过原点的直线。但这条直线并不能完全张成Ax=0的零空间。

重新设定自由元的值,x2=0,x4=1,容易求出x1=2,x3=-2。则解为,其张成的子空间为,显然这同样是中一条过原点的直线,并且这条直线与之前的方向不同。

两个特解进行线性组合,在几何空间中即两条方向不同的直线进行线性组合,其可以张成一个平面,也即Ax=0的解空间(或Ax=0的零空间)。

继续观察矩阵,主变量有两个,rank=2,表示只有两个方程起作用;4个待解变量,只有两个为需要求特定解,而其余的两个可以给定任意数值。

继续化简矩阵A,可以得到其行最简形式 ,将主列合并,可以得到:
,该矩阵可以表述为,其中I为二阶单位阵,F为自由列,不难注意到,F中的相反数构成了主元的解(课程中把这样形式的矩阵加做行最简矩阵,但国内的教材定义行最简矩阵并不要求把主列放在相邻的位置)。

矩阵,I为r阶,R为n阶,则矩阵R表示有r个主元、r个主列、n-r个自由元、自由列。

RN=0,则,矩阵N是由特解构成的矩阵,或称之为0零空间矩阵。

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