线性代数(八)非齐次方程组的解的结构

给定方程组,写出增广矩阵, ,消元化为阶梯型矩阵,

可得,显然首先要保证方程组才可能有解决。

设,,。

进一步探讨方程组有解的条件,由之前的知识可知,b向量必须是A的列向量空间的子空间,方程组才有解;即b向量必须可以通过A的列向量线性组合而成,方程组才有解。

观察阶梯型系数矩阵,可知主元有两个,分别为x1、x3,则rank=2;主列则为第一列、第三列;

可令自由元x2、x4都等于0,则方程组可以简化为 ,易得解为

因为自由元有两个,还需要找两个齐次方程组得自由解。我们不妨用上一讲介绍的方法来求解。先把矩阵化为R(主列相邻的行最简形式)

,其中;则解,由于该方程组有两个自由元,则有两组基础解系,分别为和;由于x2、x3互换了位置,所以需要换回来,则解为和。两组齐次方程组的基础解系加上一个非齐次方程组的特解,构成非齐次方程组的所有解(这里有一个有趣的问题,为什么非齐次方程组的解只需要一个特解呢?),即。

齐次方程组的解集:,这显然构成了中的子空间,由于有两个自由系数c、k,则该子空间是一个二维平面。加上一个特解之后,代表对这个平面进行了平移,则非齐次方程组的解集构成了另一个平面,但此时其却并不构成子空间。

接下来我们进行更广义的非齐次方程组求解。

矩阵大小为,,r为主元个数,显然r<=m,因为主元个数不可能超过行数;r<=n,主元个数也不可能超过列数,每一列最多有1个主元。分类讨论:

1.,即列满秩。

列满秩意味着所有列都是主列,不存在自由元,此时零空间只有零向量,则方程组的解只有特解,且特解仅有一个;如特解不存在,则为0个。所以此时方程组解只有0个或1个。

如,该矩阵列满秩,则该矩阵可以化为,如果此时b为A的两列的线性组合,方程组有唯一解;如果b不为其线性组合,如,显然此时方程组是无解的。

2.,即行满秩;如果矩阵行满秩,那么行数必然小于列数,即m<=n;因为rank<=min(m,n)

行满秩意味着每一行都有主元,这意味着经过消元之后系数矩阵中不会出现纯0行,此时对于任意b方程组都有解(关于为什么恒有解有多种方法证明;如b的维度必然等于m,而线性无关的列向量数目为m,因此m个线性无关的列向量必然可以找到组合出m维的b的方法)。

如果m<n,那么则有n-r个自由变量,对应齐次方程组中的n-r个基础解系,

如果m=n,即m=r=n,系数矩阵A可逆,矩阵必然有唯一解。

3.r<m<n或者r<n<m

要么矩阵无解,要么矩阵有无穷组解。

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