高等代數(shù)線性方程組-課件PPT

1、2021/8/261線性方程組 第三章 線性方程組2021/8/262線性方程組主要內(nèi)容： 消元法 n 維向量空間 線性相關(guān)性 矩陣的秩 線性方程組有解的判斷定理 線性方程組有解的結(jié)構(gòu)2021/8/263線性方程組1 消元法1 1 消消 元元 法法考慮一般的線性方程組snsnssnnnnbxaxaxabxaxaxabxaxaxa22112222212111212111l 當(dāng)s=n時(shí)，若D0，則方程組有唯一解，并可由Cramer法則求解。l 當(dāng)s=n時(shí)，若D = 0，利用Cramer法則無法判斷方程組是否有解。l 當(dāng)sn時(shí)，沒有求解線性方程組的有效方法。2021/8/264線性方程組1 消元法

2、線性方程組的矩陣表示法snsnssnnnnbxaxaxabxaxaxabxaxaxa22112222212111212111bAx 其中snssnnaaaaaaaaaA212222111211nxxxx21sbbbb21系數(shù)矩陣未知向量右端向量2021/8/265線性方程組1 消元法 用一個(gè)非零的數(shù)乘以某一個(gè)方程； 線性方程組的初等變換 把某一個(gè)方程的倍數(shù)加到另一個(gè)方程； 互換兩個(gè)方程的位置； 用一個(gè)非零的數(shù)乘以矩陣的某一行； 矩陣的初等行變換 把矩陣某一行的倍數(shù)加到矩陣的另一行； 交換矩陣中某兩行的位置；方程組的初等變換相當(dāng)于對(duì)系數(shù)矩陣做相應(yīng)的初等行變換。方程組的初等變換是否會(huì)改變線性方程組

3、的解？定理：方程組的初等變換將一個(gè)線性方程組變?yōu)橐粋€(gè)與它同解的線性方程組。2021/8/266線性方程組1 消元法 增廣矩陣由線性方程組的系數(shù)和右端常數(shù)組成的矩陣ssnssnnbaaabaaabaaa21222221111211稱為該線性方程組的增廣矩陣。AbA線性方程組與增廣矩陣是一一對(duì)應(yīng)的定理：對(duì)線性方程組的增廣矩陣 進(jìn)行初等行變換化為 ，則以 為增廣矩陣的線性方程組與原線性方程組同解。ABB一個(gè)線性方程組的增廣矩陣可通過初等行變換化為怎樣的簡單形式？2021/8/267線性方程組1 消元法定理：任何一個(gè)sn階矩陣A，都可通過一系列初等行變換化為一個(gè)階梯形矩陣。定理：線性方程組與以下形式的

4、階梯形線性方程組同解。)0(000001222222111212111iirrnrnrrrnnrrnnrrcddxcxcdxcxcxcdxcxcxcxc2021/8/268線性方程組1 消元法l 當(dāng) 時(shí)，該線性方程組無解。01rdl 當(dāng) 時(shí)，該方程組有解，并分兩種情況：01rd(i) 若 r = n，則階梯形方程組為)0(2222211212111iinnnnnnnncdxcdxcxcdxcxcxc方程組有唯一解。2021/8/269線性方程組1 消元法(ii) 若 r n，則階梯形方程組為)0(11,2211, 222221111, 11212111iirnrnrrrrrrnnrrrrnnr

5、rrrcdxcxcxcdxcxcxcxcdxcxcxcxcxc可改寫為)0(11,211, 222222111, 111212111iinrnrrrrrrrnnrrrrnnrrrrcxcxcdxcxcxcdxcxcxcxcdxcxcxc方程組有無窮多解。自由未知量2021/8/2610線性方程組例題：例1、 解線性方程組例2、 解線性方程組1424524132321321321xxxxxxxxx1 消元法05631242725432143214321xxxxxxxxxxxx2021/8/2611線性方程組1 消元法000221122221211212111nsnssnnnnxaxaxaxaxa

6、xaxaxaxa定理：在齊次線性方程組中，如果 s s , 則向量組t,21必定線性相關(guān)。若個(gè)數(shù)多的向量組能由個(gè)數(shù)少的向量組線性表出，則個(gè)數(shù)多的向量組必定線性相關(guān)。推論3：n + 1個(gè) n 維向量必定線性相關(guān)。2021/8/2624線性方程組3 線性相關(guān)性 極大線性無關(guān)組 定義：如果向量組s,21的一個(gè)部分組riii,21是線性無關(guān)的，而且向量組s,21中的任一向量都可由它線性表出，則稱riii,21是向量組s,21的一個(gè)極大線性無關(guān)組。例5 求向量組) 3 , 2 , 1, 2(),4 , 5 , 2, 4(),1 , 3 , 1, 2(321的一個(gè)極大線性無關(guān)組。向量組的極大線性無關(guān)組不是

7、唯一的定理 一個(gè)向量組的任何極大線性無關(guān)組都含有相同個(gè)數(shù)的向量。2021/8/2625線性方程組3 線性相關(guān)性定義 一個(gè)向量組的極大線性無關(guān)組中所含向量的個(gè)數(shù)稱為這個(gè)向量組的秩 (rank)。例7 求下面向量組的秩)3 , 6, 2 , 0(),1, 3, 0 , 1 (),3, 1, 1 , 2(),0 , 1 , 4 , 1 (4321例8 設(shè)B是矩陣A經(jīng)過初等行變換得到的矩陣，則矩陣A、B的列向量具有完全相同的線性關(guān)系。例9 一個(gè)向量組中的任何一個(gè)線性無關(guān)組，都可以擴(kuò)充為該向量組的一個(gè)極大線性無關(guān)組。確定極大線性無關(guān)組的初等變換方法2021/8/2626線性方程組4 矩陣的秩4 4 矩陣

8、的秩矩陣的秩定義 矩陣的行秩就是矩陣的行向量組的秩；列秩就是矩陣的列向量組的秩。例1 求矩陣2100420023202121A的行秩和列秩。是否任意矩陣的行秩和列秩都相同？2021/8/2627線性方程組4 矩陣的秩引理 如果齊次線性方程組snssnnaaaaaaaaaA212222111211的系數(shù)矩陣000221122221211212111nsnssnnnnxaxaxaxaxaxaxaxaxa的行秩 r n，那么該齊次線性方程組有非零解。2021/8/2628線性方程組4 矩陣的秩定理 矩陣的行秩與列秩相等。定義 矩陣的行秩與列秩統(tǒng)稱為矩陣的秩。矩陣的秩不會(huì)超過矩陣的行數(shù)和列數(shù)例2 求下

9、面矩陣的秩10030116030242201211A例3 設(shè)A是一個(gè)秩為r的mn階矩陣，從A中任劃去 m - s 行與 n - t 列后，其余元素按原來的位置排成一個(gè) st 階矩陣C，證明：秩Cr+s+t-m-n2021/8/2629線性方程組4 矩陣的秩定理 nn 階矩陣nnnnnnaaaaaaaaaA212222111211的行列式為零的充分必要條件是 A 的秩小于 n。n 階方陣 A 的行列式 |A|0 的充要條件是 A 的秩等于 n。推論 齊次線性方程組000221122221211212111nnnnnnnnnxaxaxaxaxaxaxaxaxa有非零解的充分必要條件是其系數(shù)矩陣的行

10、列式等于0。2021/8/2630線性方程組4 矩陣的秩定義 在一個(gè) sn 階矩陣 A 中任意選定k行和k列，1kmin s, n，位于這些選定的行和列的交點(diǎn)上的 k2 個(gè)元素按原來的順序組成一個(gè) k 階方陣，定理 矩陣 A 的秩為 r 的充分必要條件是矩陣中有一個(gè) r 階子式不為零，而這個(gè)方陣稱為 A 的一個(gè) k 階子陣，其行列式稱為 A 的一個(gè) k 階子式。所有的 r +1 階子式全為零。例4 求下面矩陣的秩810062535973701045031A2021/8/2631線性方程組5 線性方程組有解的判別定理5 5 線性方程組有解的判別定理線性方程組有解的判別定理定理：線性方程組snsn

11、ssnnnnbxaxaxabxaxaxabxaxaxa22112222212111212111有解的充分必要條件是系數(shù)矩陣 A 的秩與其增廣矩陣A有相同的秩。2021/8/2632線性方程組5 線性方程組有解的判別定理定理：線性方程組snsnssnnnnbxaxaxabxaxaxabxaxaxa22112222212111212111的系數(shù)矩陣 A 與其增廣矩陣A有相同的秩 r，則(1) 當(dāng) r = n 時(shí)，方程組有唯一解；(2) 當(dāng) r n 時(shí)，方程組有無窮多個(gè)解。2021/8/2633線性方程組4 矩陣的秩例1 設(shè)線性方程組175997343322213224321432143214321

12、321xxxxxxxxxxxxxxaxxxxx例2 當(dāng) a，b 取何值時(shí)，線性方程組bxxxxxaxxxxxaxxxxxxxxxx543215432154321543213345122234323695543無解？有解？有解時(shí)求其一般解。2021/8/2634線性方程組4 矩陣的秩例3 解線性方程組有解，且系數(shù)矩陣 A 的秩為 r1，而方程組無解，且系數(shù)矩陣 B 的秩為 r2，證明矩陣)1(22112222212111212111mnmnmmnnnndxaxaxadxaxaxadxaxaxa)2(22112222212111212111msmsmmsssscxbxbxbcxbxbxbcxbxb

13、xbmmmsmmnmmsnsncdbbaaacdbbaaacdbbaaaG12122221222211111111211的秩r1+ r2 +1。2021/8/2635線性方程組6 線性方程組解的結(jié)構(gòu)6 6 線性方程組解的結(jié)構(gòu)線性方程組解的結(jié)構(gòu)設(shè)齊次線性方程組000221122221211212111nsnssnnnnxaxaxaxaxaxaxaxaxa 齊次線性方程組解的結(jié)構(gòu)的解有如下兩個(gè)重要性質(zhì)：性質(zhì)1：齊次線性方程組的兩個(gè)解的和仍是該方程組的解。性質(zhì)2：齊次線性方程組的任一解的倍數(shù)仍是該方程組的解。齊次線性方程組的任意線性組合仍是該方程組的解齊次線性方程組的任意線性組合仍是該方程組的解20

14、21/8/2636線性方程組5 線性方程組有解的判別定理(1) 定義：齊次線性方程組的一組解t,21稱為它的基礎(chǔ)解系，如果線性無關(guān)；t,21(2) 該齊次方程組的任一解都能表示為的線性組合。t,21定理：齊次線性方程組有非零解的情況下，它有基礎(chǔ)解系，而且基礎(chǔ)解系所含向量的個(gè)數(shù)等于 n-r，其中 n 為未知量的個(gè)數(shù)，r 為系數(shù)矩陣 A 的秩。基礎(chǔ)解系不唯一，任何一個(gè)線性無關(guān)且與基礎(chǔ)解系基礎(chǔ)解系不唯一，任何一個(gè)線性無關(guān)且與基礎(chǔ)解系等價(jià)的向量組都是該齊次線性方程組的基礎(chǔ)解系等價(jià)的向量組都是該齊次線性方程組的基礎(chǔ)解系例1 求齊次線性方程組01117840246303542432143214321xxx

15、xxxxxxxxx的一個(gè)基礎(chǔ)解系。2021/8/2637線性方程組5 線性方程組有解的判別定理例2 證明：齊次線性方程組000221122221211212111nsnssnnnnxaxaxaxaxaxaxaxaxa的解全是方程02211nnxbxbxb的解的充要條件是向量),(21nbbb可由向量組siaaainiii, 2, 1),(21線性表出。2021/8/2638線性方程組6 線性方程組解的結(jié)構(gòu)定義：把一般線性方程組 一般線性方程組解的結(jié)構(gòu)的右端項(xiàng)換為0所得的齊次線性方程組稱為該方程組的導(dǎo)出組。性質(zhì)1：一般線性方程組的兩個(gè)解的差是其導(dǎo)出組的解。性質(zhì)2：一般線性方程組的一個(gè)解與其導(dǎo)出組

16、的一個(gè)解之和仍是該 線性方程組的解。snsnssnnnnbxaxaxabxaxaxabxaxaxa22112222212111212111一般線性方程組與其導(dǎo)出組的解的關(guān)系：2021/8/2639線性方程組6 線性方程組解的結(jié)構(gòu)定理：如果 0是線性方程組的一個(gè)特解，那么方程組的任一解 可表示為其中 是其導(dǎo)出組的一個(gè)解，當(dāng) 取遍它導(dǎo)出組的全部解時(shí)， 就給出該推論 在線性方程組有解的條件下，其解唯一的充要條件是它的導(dǎo)出組只有零解。0線性方程組的全部解。2021/8/2640線性方程組5 線性方程組有解的判別定理例3 設(shè) 0 是線性方程組的一個(gè)解，t,21是它的導(dǎo)出組的一個(gè)基礎(chǔ)解系。令0101201,tt