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线性方程组解法

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线性方程组解法

作者:Eric

创建时间:2026-07-20 14:14

这篇记什么

  • 矩阵消元法
  • 方程组解情况的判定
  • 数域

主要内容

矩阵消元法

阶梯型矩阵的特征

  • 0行在下方
  • 主元 列指标 随着 行指标 的增加而严格增大

行最简阶梯形矩阵的特征

  • 阶梯形矩阵
  • 主元 都是1
  • 主元 所在列的其余元素都是0

矩阵的初等行变换操作(只有三种)

  • 把一行的倍数加到另一行
  • 两行互换
  • 行乘以非零常数

总结

矩阵初等行变换得到的方程组和原方程组同解\boxed{矩阵初等行变换得到的方程组和原方程组同解}
  • 主变量:以主元为系数的未知量
  • 自由未知量:其他未知量
  • 一般解:含⾃由未知量的式⼦表示主变量

方程组解的情况

  1. nn 元线性方程组

    定理 1:在有理数集(或实数集、或虚数集)内,nn元线性方程组的解的情况有且只有三种可能:无解、唯一解、无穷解

    证明:

    nn 元线性方程组的 增广矩阵 经过 初等行变换 可化成阶梯形矩阵 JJ ,设 JJ 有 rr 个非零行,有 n+1n+1 列。

    • 情况 1:

      出现 “0=d0=d(dd 是非零数)”,方程组无解。

    • 情况 2:

      不出现 “0=d0=d(dd 是非零数)”,方程组有解。

      JJ 的第 rr 个主元 brtb_{rt} 不能位于 n+1n+1 列,故 t≤nt \le n ,又有 t≥rt \ge r ,从而 r≤nr \le n

      将 J→初等行变化J1J \xrightarrow[]{初等行变化} J_1 (最简阶梯形矩阵), J1J_1 也有 rr 个非零行,从而 J1J_1 有 rr 个主元。

      • 情况 2.1:( r=nr=n ,此时 J1J_1 有 nn 个主元)

        J1=(10⋯0c101⋯0c2⋮⋮⋱⋮⋮00⋯1cn00⋯00⋮⋮⋮⋮00⋯00)J_1 = \begin{pmatrix} 1 & 0 & \cdots & 0 & c_{1}\\ 0 & 1 & \cdots & 0 & c_{2}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots\\ 0 & 0 & \cdots & 1 & c_{n}\\ 0 & 0 & \cdots & 0 & 0\\ \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots\\ 0 & 0 & \cdots & 0 & 0 \end{pmatrix}

        其中,(c1,c2,...,cn)T(c_1, c_2, ...,c_n)^T 是原方程组的 唯一解\boxed{唯一解}。

      • 情况 2.2:( r<nr<n )

        此时 J1J_1 有 rr 个主变量 (x1,xj2,xj3,...,xjr)T(x_1,x_{j_2},x_{j_3},...,x_{j_r})^T,n−rn-r 个自由未知量 (xi1,xi2,xi3,...,xin−r)T(x_{i_1},x_{i_2},x_{i_3},...,x_{i_{n-r}})^T。本质是将 rr 个主变量和 n−rn-r 个自由未知量分离。

        其中,原方程组有 无穷解\boxed{无穷解},一般解为

        {xj1=b11xi1+⋯+b1,n−rxin−r+d1,xj2=b21xi1+⋯+b2,n−rxin−r+d2,⋮xjr=br1xi1+⋯+br,n−rxin−r+dr.\begin{cases} x_{j_1} = b_{11}x_{i_1} +\cdots+ b_{1,n-r}x_{i_{n-r}} +d_1,\\[4pt] x_{j_2} = b_{21}x_{i_1} +\cdots+ b_{2,n-r}x_{i_{n-r}} +d_2,\\[4pt] \qquad\vdots\\[4pt] x_{j_r} = b_{r1}x_{i_1} +\cdots+ b_{r,n-r}x_{i_{n-r}} +d_r. \end{cases}

        其中的 bkl=−aklb_{kl} = -a_{kl} ,akla_{kl}​ 是 J1J_1 中 第 kk 个主元方程 内第 ll 个自由未知量对应的系数。

  2. nn 元齐次线性方程组

    齐次线性方程组指:常数项全为 00 的线性方程组。

    其中,(0,0,...,0)T(0,0,...,0)^T(共 nn 个 00 )是该齐次线性方程组的一个解(称为零解);其余解(若有)称为非零解。

    • 推论 1: nn 元齐次线性方程组若有非零解 ⇔\Leftrightarrow 系数矩阵经过初等行变换化成的阶梯形矩阵非零行数目 r<nr < n ⇔\Leftrightarrow 方程组有无穷解。
      • 反证法:若非零解唯一,系数矩阵化为最简阶梯形矩阵时有 nn 个主元,对应着增广列有 nn 个 00。此时,唯一解一定是零解。
    • 推论 2: 若方程个数 s<ns<n ,则 r≤s<nr \le s < n ,故方程组有非零解。

数域

定义: 复数集的一个非空子集 KK 如果满足

  • 0,1∈K0, 1 \in K;
  • 加减、乘法完备性:a,b∈K⇒a±b,ab∈Ka, b \in K \Rightarrow a±b,ab \in K;
  • 除法完备性:a,b∈K,b≠0⇒ab∈Ka, b \in K, b≠0 \Rightarrow \frac{a}{b} \in K

则称 KK 为一个数域。

常见数域

  • 有理数域(最小的数域):Q\mathbb{Q}
  • 实数域:R\mathbb{R}
  • 复数域:C\mathbb{C}
  • 整数集不属于数域,因为其对除法不完备

相关

  • 高等代数(上册) - 丘维声著. 北京:清华大学出版社,2010.6