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@ -0,0 +1,88 @@
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### 原理
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**线性方程组解的判定**
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对非齐次线性方程组 $A_{m\times n}x=b$,
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1. 无解的充要条件是 $\text{rank}A < \text{rank}[A\ \ b]$；
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2. 有唯一解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b] = n$；
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3. 有无穷多解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b] < n$。
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注:上述定理也说明非齐次线性方程组有解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b]$。
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把以上结论应用到齐次线性方程组，可得
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推论 齐次线性方程组 $A_{m\times n}x=0$ 有非零解（无穷多解）的充要条件是 $\text{rank}A < n$，即系数矩阵的秩小于未知数个数。
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**矩阵方程解的判定**
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本质上和线性方程组是一脉相承的，只是形式上更一般化。
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最常见的矩阵方程是 $\boldsymbol{AX} = \boldsymbol{B}$，其中$\boldsymbol{A}$是 $m\times n$ 矩阵，$\boldsymbol{B}$ 是 $m\times p$ 矩阵，$\boldsymbol{X}$ 是待求的$n\times p$矩阵。
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1. 有解的充要条件：
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矩阵方程有解的充要条件是系数矩阵 $\boldsymbol{A}$ 的秩等于增广矩阵 $[\boldsymbol{A} \ \boldsymbol{B}]$的秩，即：
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$$r(\boldsymbol{A}) = r([\boldsymbol{A} \ \boldsymbol{B}])$$
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这个结论和非齐次线性方程组有解的条件完全一致。
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2. 解的结构：
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- 唯一解：当$r(\boldsymbol{A}) = r([\boldsymbol{A} \ \boldsymbol{B}]) = n$ 时，方程有唯一解。
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- 无穷多解：当 $r(\boldsymbol{A}) = r([\boldsymbol{A} \ \boldsymbol{B}]) < n$ 时，方程有无穷多解。
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可逆矩阵
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- 当 $\boldsymbol{A}$ 是 n 阶可逆矩阵时，矩阵方程 $\boldsymbol{AX} = \boldsymbol{B}$有唯一解:$\boldsymbol{X} = \boldsymbol{A}^{-1}\boldsymbol{B}$
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其他形式的矩阵方程
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- 对于 $\boldsymbol{XA} = \boldsymbol{B}$ 形式的方程，可以转置为 $\boldsymbol{A}^T\boldsymbol{X}^T = \boldsymbol{B}^T$，再套用上述方法，或类似于方程 $AX = B$ 有解的充要条件是$\text{rank} \begin{bmatrix} A & B \end{bmatrix} = \text{rank}A$，由方程 $XA = B$ 有解可知 $\text{rank} \begin{bmatrix} A \\ B \end{bmatrix} =\text{rank}A$
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- 对于 $\boldsymbol{AXB} = \boldsymbol{C}$ 形式的方程，当 $\boldsymbol{A} 和 \boldsymbol{B}$ 都可逆时，有唯一解 $\boldsymbol{X} = \boldsymbol{A}^{-1}\boldsymbol{C}\boldsymbol{B}^{-1}$。
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>[!example] **例1**
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>设矩阵
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>$$A = \begin{bmatrix}
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1 & a_1 & a_1^2 & a_1^3 \\
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1 & a_2 & a_2^2 & a_2^3 \\
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1 & a_3 & a_3^2 & a_3^3 \\
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1 & a_4 & a_4^2 & a_4^3
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\end{bmatrix},
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\quad
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x = \begin{bmatrix}
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x_1 \\ x_2 \\ x_3 \\ x_4
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\end{bmatrix},
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\quad
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b = \begin{bmatrix}
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1 \\ 1 \\ 1 \\ 1
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\end{bmatrix}$$
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其中常数 $a_1, a_2, a_3, a_4$ 互不相等，则线性方程组 $Ax = b$ 的解为 ______________。
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**答**：$(1,0,0,0)^T$。
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**解析**：由范德蒙行列式的性质可知 $|A| \neq 0$，从而线性方程组 $Ax = b$ 有唯一解。
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又由
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$$
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\begin{bmatrix}
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1 & a_1 & a_1^2 & a_1^3 \\
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1 & a_2 & a_2^2 & a_2^3 \\
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1 & a_3 & a_3^2 & a_3^3 \\
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1 & a_4 & a_4^2 & a_4^3
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|
\end{bmatrix}
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|
\begin{bmatrix}
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1 \\
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0 \\
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|
0 \\
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0
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|
\end{bmatrix}
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=
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\begin{bmatrix}
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1 \\
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1 \\
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1 \\
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1
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\end{bmatrix}
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$$
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可知 $Ax = b$ 的解为
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$$
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\begin{bmatrix}
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1 \\
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0 \\
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|
0 \\
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|
0
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|
\end{bmatrix}
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$$
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>[!example] **例2**
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> 设 $A, B$ 均为 $n$ 阶方阵，满足$\text{rank} \begin{bmatrix} A \\ B \end{bmatrix} = \text{rank}B,$ 且方程 $XA = B$ 有解。若 $\operatorname{rank} A = k$，则$\text{rank} \begin{bmatrix} B & O \\ A & E \end{bmatrix} =\underline{\hspace{3cm}}.$
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**解析**：
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类似于方程 $AX = B$ 有解的充要条件是$\text{rank} \begin{bmatrix} A & B \end{bmatrix} = \text{rank}A$，由方程 $XA = B$ 有解可知 $\text{rank} \begin{bmatrix} A \\ B \end{bmatrix} = \text{rank}B=\text{rank}A=k$，由初等变换不改变秩得$$\text{rank} \begin{bmatrix} B & O \\ A & E \end{bmatrix} =\text{rank} \begin{bmatrix} B & O \\ O & E \end{bmatrix}=n+k$$
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