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第3章 线性方程组 周忠荣 编 第3章 线性方程组 本章主要内容 解方程组的高斯—约当消元法;线性方程组的相容性定理 n维向量的概念与线性运算;向量组的线性相关性;向量组的秩 齐次线性方程组的解的性质和结构;非齐次线性方程组的解的性质和结构 第3章 线性方程组(续一) 本章以矩阵为工具讨论一般线性方程组的解的情况(包括系数行列式等于零的情况和方程组中未知量的个数和方程的个数不相同的情况),并回答以下3个问题: (1)用什么方法判定线性方程组是否有解? (2)在有解的情况下,解是否惟一? (3)在解不惟一时,解的结构如何? 第3章 线性方程组(续二) 非齐次线性方程组的一般形式是 (3-1) 齐次线性方程组的一般形式是 (3-2) 第3章 线性方程组(续三) 利用矩阵,可以把线性方程组(3-1)和(3-2)分别表示为 AX=b (3-3) 和 AX=O (3-4) 式中 , , 第3章 线性方程组(续四) 矩阵 ,即 称为线性方程组(3-1)的增广矩阵。 显然,线性方程组(3-1)完全由它的增广矩阵决定。 第3章 线性方程组(续五) 方程组(3-3)与方程组(3-1)等价。方程组(3-4)与方程组(3-2)等价。以后为了叙述的方便,可能采用方程组的不同表示方式。 如果方程组(3-4)与方程组(3-3)的系数矩阵相同,则称方程组(3-4)是方程组(3-3)对应的齐次方程组。 系数矩阵和增广矩阵在判定线性方程组解的情况时起决定性作用。 3.1 高斯—约当消元法 定义3-1 若两个线性方程组解的集合相同,则称这两个方程组为同解方程组。 定理3-1 对线性方程组(3-3)进行初等行变换得到的新方程组与方程组(3-3)同解。 证明 显然,只要对方程组(3-3)作一次初等行变换的情况进行证明就可以了。 对方程组(3-3)作一次初等行变换相当于用相应的初等矩阵R左乘方程组的两端,即 RAX=Rb (a) 3.1 (续一) 续证 若X0是方程组(3-3)的解,则AX0=b。据此得 RAX0=Rb 即X0也是方程组(a)的解。 若X0是方程组(a)的解,则RAX0=Rb。又因为初等矩阵R是可逆矩阵,则有 R-1RAX0=R-1Rb 即AX0=b,从而X0也是方程组(3-3)的解。 综上所述,定理3-1得证。 3.1 (续二) 高斯—约当消元法 例3-1 解线性方程组 解 3.1 (续三) 续解 于是,原方程组的解是: 3.1 (续四) 例3-2 解线性方程组 解 3.1 (续五) 续解 与最后得到的阶梯形矩阵所对应的方程组为 原方程组无解。 3.1 (续六) 例3-3 解线性方程组 解 3.1 (续七) 续解 这个阶梯矩阵所对应的方程组为 将该方程组中的x3移到等号右边解得: 3.1 (续八) 显然,未知数x3任意取一个值,代入上页表达式就可以求得相应的x1,x2的值。这样得到的x1,x2,x3的一组值就是原方程组的一组解。 由于x3可以任意取值,故原方程组有无穷多组解。上页表达式右端的未知数x3 称为自由未知量,实际上,本题也可以选x1(或x2)为自由未知量。 某些方程组,自由未知量可以有多个。 3.1 (续九) 在方程组有无穷多组解时,用自由未知量表达的解通常称为该方程组的一般解。 前面介绍的三个例题分别代表了线性方程组有惟一一组解、无解和有无穷多组解三种情况。 例3-2是这样一类方程组的代表:方程组中存在与其他方程矛盾的方程。 3.1 (续十) 例3-3是这样一类方程组的代表:方程组中没有矛盾方程,但可能存在多余的方程,且独立的方程个数小于未知量的个数。 在某些方程组中,可能同时存在矛盾方程和多余方程。 3.1 (续十一) 解线性方程组的具体步骤。 (1) 用初等行变换将由所有系数和常数组成的增广矩阵变为阶梯形矩阵(或简化的阶梯形矩阵); (2) 写出阶梯形矩阵对应的线性方程组; 3.1 (续十二) (3) 如果该阶梯形矩阵对应的线性方程组有惟一一组解,则从最后一个方程开始求解(对例3-1而言,就是从解答的第2个矩阵开始写出对应的线性方程组求解),或者对该阶梯形矩阵继续进行初等行变换,将其化成简化的阶梯形矩阵,然后直接写出该方程组的解(如例3-1的解答);如果该阶梯形矩阵对应
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