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        第四章线性方程组.ppt
       
 
       
        通识教育平台数学课程系列教材 一、 解线性方程组的消元法 二、 齐次线性方程组解的结构 三、 非齐次线性方程组解的结构 一、解线性方程组的消元法 §1.解线性方程组的消元法 一、线性方程组解的存在性 设 m 个方程 n 个未知量的线性方程组为 a11x1+a12x2+…+a1nxn b1, a21x1+a22x2+…+a2nxn b2, ………… am1x1+am2x2+…+amnxn bm 记 系数矩阵 解向量 右端向量 (1) 线性方程组的系数和右端项可由下面的矩阵表示: 增广矩阵 定义1 如果线性方程组有解 不论有多少组解 ,则称该线性方程组为相容线性方程组,简称为相容的,否则称其为不相容的。 线性方程组的分类: 非齐次线性方程组 Ax b , b ≠ 0 齐次线性方程组 Ax 0 , 又称为 Ax b 的导出方程组 线性方程组有解的判别定理 定理1 线性方程组(1)相容的充要条件是它的系数 矩阵的秩与其增广矩阵的秩相等,即 定理2 线性方程组(1)存在唯一解的充要条件是它的 系数矩阵的秩与其增广矩阵的秩都等于n,即 例 1 二、消元法 首先看一个用消元法解线性方程组的例子。 解线性方程组 观察知:线性方程组和矩阵的初等行变换一一对应,故解线性方程组可以利用其增广阵进行. 定理3 设线性方程组 Ax b的增广矩阵 经过初等行变换后所得到的矩阵为 则矩阵 所对应的线性方程组 Bx d 与原线性方程组 Ax b 同解,即它们有完全相同的解集合。 例 2 解线性方程组 例 3 解齐次线性方程组 §2.齐次线性方程组解的结构 一、齐次线性方程组有非零解的条件 设一般的 n 元齐次线性方程组为 Ax 0 其中 A 为 m × n 阶矩阵。可以将该方程组表示成向量形式: 其中 αi 为矩阵 A 的第 i 列。那么,下面三个命题等价: 齐次线性方程组 1 有非零解; 1 2 向量组 线性相关; 秩 A n 。 试给出该方程组只 有零解的等价条件 齐次线性方程组有非零解的判别定理 定理1 Ax 0 有非零解的充要条件是系数矩阵 A m X n 的秩 r A 小于未知数的个数 n . 推论3 当 m n 时, Ax 0 有非零解 ? | A | 0. Ax 0 只有零解 ? | A | ? 0. 推论1 Ax 0 只有零解 ? r A n. 推论2 当 m n 时,Ax 0 必有非零解. 解 用初等行变换化系数矩阵 可知, 有非零解. R A 2 3. 性方程组有非零解. ~ ~ 二、齐次线性方程组解的结构 定义1 记 S 为齐次线性方程组 Ax 0 的解集合,则 S 构成 一个向量空间,称之为该齐次线性方程组的解空间,那 么该解空间的一组基,称为齐次线性方程组 Ax 0 的一 个基础解系。 向量 ?1, ?2, …, ?t 称为齐次线性方程组Ax 0 的基础解系,如果 1 ?1, ?2, …, ?t 是 Ax 0 的一组线性无关的解向量; 2 Ax 0 的任一解都可以由 ?1, ?2, …, ?t 线性表出。 如果 ?1, ?2, …, ?t 是齐次线性方程组 Ax 0 的一组基础解系,则 Ax 0 的通解可表示为: X c1?1 + c2?2 + …+ cn ?r ?t 其中 c1, c2, …, ct 为任意实数. 问题: 1 齐次线性方程组 Ax 0 的基础解系中含有多少个 解向量? 2 如何确定齐次线性方程组 Ax 0 的一组基础解系? 定理2 设齐次线性方程组 Ax 0 的系数矩阵 A 的秩r n,则齐次线性方程组 Ax 0 的解空间是 n-r 维的,即 Ax 0 的基础解系中含有 n-r 个解向量。 证 于是得到与⑴同解的方程组: 矩阵,不妨令为 证 设R A r , 用初等行变换化系数矩阵 A 为行最简形 代入 ⑶ 的右端依次可得: 于是得到 ⑶ 的 解: n – r 个 对自由未知量 xr+1 , xr+2 ,…, xn 分别取值 下面证明解向量组 是 ⑶ 的一个基础解系, 首先,据定理 3⑵可知, 证明⑶的任意解都可由 从而它们也是 ⑴ 的一个基础解系. 其次, 是 ⑶ 的一个解. 根据齐次方程组解的性质可知,向量 也是 ⑶ 的一个解, 因此 这就证明了, 所以,⑴ 的基础解系含 n - r 个解. 方程组(1)的一个基础解系, 从而也是齐次 例 1 求下列齐次线性方程组的基础解系与通解. 解 对系数矩阵 A 作初等行变换,将其变为行最简形矩阵,得 于是得同解方程组 ~ ~ ~ 即得基础解系: 并得方
       
 
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