二二、方程Ax=b的行空间中的解

1. 假设 \vec{b} \in C(A) , 那么,行空间中存在唯一的元素 \vec{r}_0,是 A \vec{x} = \vec{b} 的解

一个解对应一个n0,但所有解对应一个r0

证明,假设:

\underset{m \times n}{A} = \begin{bmatrix} \vec{a}_1 & \vec{a}_2 & \cdots & \vec{a}_n \end{bmatrix}

\vec{b} \in C(A)

那么:

\begin{align*} \vec{b} &= x_1 \vec{a}_1 + x_2 \vec{a}_2 + \cdots + x_n \vec{a}_n\\ &= \begin{bmatrix} \vec{a}_1 & \vec{a}_2 & \cdots & \vec{a}_n \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \\ x_2 \\ \cdots \\ x_n \\ \end{bmatrix} \\ &= A \vec{x} \end{align*}

\vec{x} \in R^n

Rn中存在一个或多个向量x,满足上面的等式

下面画出Rn,矩阵A的列空间、零空间,A的零空间的正交补:

其中:

\begin{align*} & \vec{b} \in C(A) \\ & \vec{x} \in R^n \\ & \vec{n}_0 \in N(A) \\ & \vec{r}_0 \in N(A)^\perp \end{align*}

根据前面的介绍,假设:

\vec{x} = \vec{n}_0 + \vec{r}_0

那么

\begin{align*} \vec{b} &= A \vec{x} \\ &= A (\vec{n}_0 + \vec{r}_0) \\ &= A \vec{n}_0 + A \vec{r}_0 \\ &= \vec{0} + A \vec{r}_0 \\ &= A \vec{r}_0 \end{align*}

唯一性证明:

假设行空间中的r1也满足上面的方程,则:

A \vec{r}_1 = \vec{b}

又因为行空间是子空间,因此:

(\vec{r}_1 - \vec{r}_0) \in C(A^T)

A(\vec{r}_1 - \vec{r}_0) = A \vec{r}_1 - A \vec{r}_0 = \vec{b} - \vec{b} = \vec{0}

因此:

\vec{r}_1 - \vec{r}_0

既属于A的行空间,又属于A的零空间,所以

\vec{r}_1 - \vec{r}_0 = \vec{0}

\vec{r}_1 = \vec{r}_0

因此,如果向量b属于列空间,那么行空间中存在唯一的向量,满足Ax=b等式

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