diff --git a/素材/线性方程组同解.md b/素材/线性方程组同解.md index 35ee541..3211c95 100644 --- a/素材/线性方程组同解.md +++ b/素材/线性方程组同解.md @@ -25,3 +25,4 @@ $N(A)\subset N(B)$可以得到什么呢? (C) $a = 2, b = 0, c = 1$; (D) $a = 2, b = 1, c = 2$. +解析: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$$\text{rank} \begin{bmatrix} B & O \\ A & E \end{bmatrix} =\text{rank} \begin{bmatrix} B & O \\ O & E \end{bmatrix}=n+k$$ \ No newline at end of file diff --git a/素材/解的问题.md b/素材/解的问题.md new file mode 100644 index 0000000..c21616c --- /dev/null +++ b/素材/解的问题.md @@ -0,0 +1,88 @@ +### 原理 +**线性方程组解的判定** +对非齐次线性方程组 $A_{m\times n}x=b$, +1. 无解的充要条件是 $\text{rank}A < \text{rank}[A\ \ b]$; +2. 有唯一解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b] = n$; +3. 有无穷多解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b] < n$。 +注:上述定理也说明非齐次线性方程组有解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b]$。 + +把以上结论应用到齐次线性方程组,可得 +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。 + +**矩阵方程解的判定** +本质上和线性方程组是一脉相承的,只是形式上更一般化。 +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。 +1. 有解的充要条件: +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: +$$r(\boldsymbol{A}) = r([\boldsymbol{A} \ \boldsymbol{B}])$$ +这个结论和非齐次线性方程组有解的条件完全一致。 +2. 解的结构: +- 唯一解:当$r(\boldsymbol{A}) = r([\boldsymbol{A} \ \boldsymbol{B}]) = n$ 时,方程有唯一解。 +- 无穷多解:当 $r(\boldsymbol{A}) = r([\boldsymbol{A} \ \boldsymbol{B}]) < n$ 时,方程有无穷多解。 + +可逆矩阵 +- 当 $\boldsymbol{A}$ 是 n 阶可逆矩阵时,矩阵方程 $\boldsymbol{AX} = \boldsymbol{B}$有唯一解:$\boldsymbol{X} = \boldsymbol{A}^{-1}\boldsymbol{B}$ + +其他形式的矩阵方程 +- 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 $\text{rank} \begin{bmatrix} A \\ B \end{bmatrix} =\text{rank}A$ +- 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 $\boldsymbol{X} = \boldsymbol{A}^{-1}\boldsymbol{C}\boldsymbol{B}^{-1}$。 + +>[!example] **例1** +>设矩阵 +>$$A = \begin{bmatrix} +1 & a_1 & a_1^2 & a_1^3 \\ +1 & a_2 & a_2^2 & a_2^3 \\ +1 & a_3 & a_3^2 & a_3^3 \\ +1 & a_4 & a_4^2 & a_4^3 +\end{bmatrix}, +\quad +x = \begin{bmatrix} +x_1 \\ x_2 \\ x_3 \\ x_4 +\end{bmatrix}, +\quad +b = \begin{bmatrix} +1 \\ 1 \\ 1 \\ 1 +\end{bmatrix}$$ +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 ______________。 + +**答**:$(1,0,0,0)^T$。 + +**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。 + +又由 +$$ +\begin{bmatrix} +1 & a_1 & a_1^2 & a_1^3 \\ +1 & a_2 & a_2^2 & a_2^3 \\ +1 & a_3 & a_3^2 & a_3^3 \\ +1 & a_4 & a_4^2 & a_4^3 +\end{bmatrix} +\begin{bmatrix} +1 \\ +0 \\ +0 \\ +0 +\end{bmatrix} += +\begin{bmatrix} +1 \\ +1 \\ +1 \\ +1 +\end{bmatrix} +$$ + 可知 $Ax = b$ 的解为 +$$ +\begin{bmatrix} +1 \\ +0 \\ +0 \\ +0 +\end{bmatrix} +$$ + +>[!example] **例2** +> 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$\text{rank} \begin{bmatrix} B & O \\ A & E \end{bmatrix} =\underline{\hspace{3cm}}.$ + +**解析**: +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$$\text{rank} \begin{bmatrix} B & O \\ A & E \end{bmatrix} =\text{rank} \begin{bmatrix} B & O \\ O & E \end{bmatrix}=n+k$$ \ No newline at end of file diff --git a/编写小组/讲义/线性方程组解的问题.md b/编写小组/讲义/线性方程组解的问题.md deleted file mode 100644 index ce84b16..0000000 --- a/编写小组/讲义/线性方程组解的问题.md +++ /dev/null @@ -1,8 +0,0 @@ -对非齐次线性方程组 $A_{m\times n}x=b$, -1. 无解的充要条件是 $\text{rank}A < \text{rank}[A\ \ b]$; -2. 有唯一解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b] = n$; -3. 有无穷多解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b] < n$。 -注:上述定理也说明非齐次线性方程组有解的充要条件是 $\text{rank}A = \text{rank}[A\ \ b]$。 - -把以上结论应用到齐次线性方程组,可得 -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。 \ No newline at end of file