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线性代数·4 线性方程组 ​

考纲内容 ​

  • 线性方程组的克拉默(Cramer)法则
  • 齐次线性方程组有非零解的充分必要条件
  • 非齐次线性方程组有解的充分必要条件
  • 线性方程组解的性质和解的结构,
  • 齐次线性方程组的基础解系和通解,解空间
  • 非齐次线性方程组的通解

一、克拉默法则 ​

考纲摘要:会用克拉默法则

对于这样的方程:

[a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋮an1an2⋯ann][x1x2⋮xn]=[b1b2⋮bn]

如果

|A|=|a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋮an1an2⋯ann|≠0

则方程有唯一解,且有:

xi=|a11a12⋯a1,i−1b1a1,i+1⋯a1na21a22⋯a2,i−1b2a2,i+1⋯a2n⋮⋮⋮⋮⋮⋮an1an2⋯an,i−1bnan,i+1⋯ann||A|

二、齐次线性方程组 ​

考纲摘要:

  1. 理解齐次线性方程组有非零解的充分必要条件
  2. 理解齐次线性方程组的基础解系、通解及解空间的概念,掌握齐次线性方程组的基础解系和通解的求法
  3. 掌握用初等行变换求解线性方程组的方法。

1. 齐次线性方程组的基础解系 ​

1. 定义 ​

齐次线性方程组的一般形式:Ax=0 n 元齐次线性方程组有非零解的充要条件是 R(A)<n。

  • 重要结论:若方程个数 m 小于未知数个数 n,则 Ax=0 必有非零解。

齐次线性方程组的解向量具有以下性质:

  • 若 x=ξ1,x=ξ2 是 Ax=0 的解,则 x=ξ1+ξ2 也是 Ax=0 的解
  • 如果 x=ξ1 是 Ax=0 的解,则 x=kξ1 也是 Ax=0 的解

将 Ax=0 的全体解的集合记作 S,如果能求得 S 的一个最大无关组 S0:ξ1,ξ2,⋯,ξt,则 S 中的每个向量都可以由 S0 线性表示,即

x=k1ξ1+k2ξ2+⋯+ktξt

这就是 Ax=0 的通解,S0 称为该齐次线性方程组的基础解系

2. 求法 ​

首先,求 A 的行最简型矩阵:

B=[1⋯0b11⋯b1,1−r⋮⋮⋮⋮0⋯1br1⋯br,n−r0⋯⋯0⋮⋮0⋯⋯0]

那么,Ax=0 的通解就是:

[x1⋮xrxr+1xr+2⋮xn]=c1[−b11⋮−br110⋮0]+c2[−b12⋮−br201⋮0]+⋯+cn−r[−b1,n−r⋮−br,n−r00⋮1]

在这里,xr+1=c1,xr+2=c2,⋯,xn=cn−r,也就是说,化为行最简型矩阵后,0 行对应的未知数可以直接作为自由未知数,作为通解的系数

也可以将上式记作 x=c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−r,

  • ξ1,ξ2,⋯ξn−r 是解集 S 的最大无关组,也是 Ax=0 的基础解系
  • 设 m×n 矩阵 A 的秩为 r,则 Ax=0 的解系 S 的秩为 RS=n−r

三、非齐次线性方程组 ​

考纲摘要:

  1. 理解非齐次线性方程组有解的充分必要条件
  2. 理解非齐次线性方程组解的结构及通解的概念
  3. 掌握用初等行变换求解线性方程组的方法。

1. 非齐次线性方程组有解的条件 ​

非齐次线性方程组的一般形式:

{a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=b2⋯⋯⋅⋯am1x1+am2x2+⋯+amnxn=bm

也可以写成:

[a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋮am1am2⋯amn][x1x2⋮xn]=[b1b2⋮bn],Ax=b

对于以上方程组:

  • 无解的充要条件是 R(A)<R(A,b)
  • 有唯一解的充要条件是 R(A)=R(A,b)=n
  • 有无限多解的充要条件 R(A)=R(A,b)<n
  • 对于矩阵方程:Am×nXn×l=Bm×l,则该方程有解的充要条件是 R(A)=R(A,B)

2. 非齐次线性方程组的通解 ​

对于 Ax=b,如果 x=η1,x=η2 都是它的解,则 x=η1−η2 是 Ax=0 的解

因此,如果求出 Ax=b 的其中一个特解 η∗,则它的通解为:

x=k1ξ1+⋯+kn−rξn−r+η∗

其中,ξ1,⋯,ξn−r 是 Ax=0 的基础解系

例题 ​

求以下非齐次线性方程组的通解

[1−1−111−11−31−1−23][x1x2x3x4]=[01−12]

对增广矩阵施加初等行变换:

[1−1−1101−11−311−1−23−12]∼[1−10−112001−21200000]

即:

{x1=x2+x4+12x3=2x4+12

显然,可以存在一个特解:

η∗=[120120]

考虑其所对应的齐次线性方程组:

{x1=x2+x4x3=2x4

取 (x2,x4)T=(1,0)T,(0,1)T,则 (x1,x3)T=(1,0)T,(1,2)T

因此,其通解为:

x=c1[1100]+c2[1021]+[120120]

题目整理 ​

  1. (3)设 α1,α2,α3,α4 为四维非零列向量组,令 A=(α1,α2,α3,α4),AX=0 的通解为 X=k(0,−1,3,0)T,则 A∗X=0 的基础解系为:A. α1,α3 B. α2,α3,α4 C. α1,α2,α4 D. α3,α4
  2. (填空2)设 A 为 n 阶矩阵,A 的歌行元素之和为 0,且 r(A)=n−1,则方程组 AX=0 的通解为____
  3. 设 A 为 n 阶矩阵,且 |A|=0,Aki≠0,则 AX=0 的通解为____
  4. (3) 设 η1=[1−102],η2=[21−14],η3=[45−311] 为 {a1x1+2x2+a3x3+a4x4=d14x1+b2x2+3x3+b4x4=d23x1+c2x2+5x3+c4x4=d3 的三个解,求其通解
  5. (7)设 A=(α1,α2,α3,α4,α5),其中,α1,α3,α5 线性无关,且 α2=3α1−α3−α5,α4=2α1+α3+6α5,求 AX=0 的通解
  6. (13)就 a,b 的不同取值,讨论方程组 {x1+x2−x3=12x1+(a+2)x2−(b+2)x3=3−3ax2+(a+2b)x3=−3 解的情况

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