线性代数 --- 高斯消元法的几何解释

用几何图形来更加形象的展示高斯消元法的过程

高斯消元法不改变方程组的解:

现有如下2x2方程组:

\LARGE \begin{matrix} 3x+2y=11 & \\ x-2y=1 & \end{matrix}\mathbf{}

Tips:

下面用矩阵的行视图来展示方程组消元前后的差异。

        首先,可以看到,不论是消元前还是消元后,两条直线的交点不变,即,方程组的解不变。这说明高斯消元不会改变原始方程组的解。但是,经过消元后,原始方程3x+2y=11变成一条水平线了。

拓展阅读:矩阵的列视图与行视图(个人笔记扫描版)_松下J27的博客-CSDN博客版权声明:所有的笔记,可能来自很多不同的网站和说明,在此没法一一列出,如有侵权,请告知,立即删除。https://blog.csdn.net/daduzimama/article/details/120509298https://blog.csdn.net/daduzimama/article/details/120509298


高斯消元后,方程组无解的三种情况

(行视图)

        一般情况下,在消元的过程中如果遇到主元为0的情况,即可判定改方程组无解(对于一个nxn的矩阵而言,主元即为主对角线上的元素,a11,a22,a33...ann)。但,也有例外,下面我们对确实无解例外逐一说明。

case 1:无解

\LARGE \begin{matrix} x-2y=1 & \\ 3x-6y=11& \end{matrix}

        消元后得到的0y=8,说明该方程无解,因为无论y等于多少都无法令等式两端成立。下面的几何图像也更加直观的说明了这一问题。下图左边的行视图和右边的列视图都说明了,无论你怎么化简,怎么消元,最终都无法避免,无解,这一事实。

        一方面,就行视图而言,我们可以发现,两个方程的直线相互平行,永远不会有交点,也就是无解。 

        另一方面,就列视图而言,我们可以发现,向量[1,3]和向量[-2,-6]永远无法通过线性组合得到向量b=[1,11]。

        进一步说,参照下图的图示(注意下图所示方程和本例的方程不同),你找不到一个合适的权重(x,y)使得两个向量的线性组合等于b。 

case 2:无穷多个解

由于上述方程无解,现在把原方程的右边改成1,3:

\LARGE \begin{matrix} x-2y=1 & \\ 3x-6y=3& \end{matrix}

 对于化简得到的新方程0y=0,他不是无解,而是任何一个y都能满足,又叫自由变量y。

下图为行视图和列视图的说明:

        对于行视图,我们看到两个方程的直线重叠在一起了,按照行视图对于方程组的解的定义,两条直线的交点即为方程组的解。现在这种情况,这条直线上的每一个点都是方程组的解,也就是说有无穷多个解。 

        对于列视图,向量b=[1 3]'正好等于第一列的向量col1[1 3]'。我们可以选择x=1,y=0得到b,我们也可以令x=0,y = -1/2得到b。行视图中直线上的每一个点,也就是方程组的解,都能作为列视图中的两个向量线性组合的权重,得到b。

case 3: “false alarm”,通过行交换可解

        现在我们要说的就是文章前面提到的例外。这种情况,主元为0,一眼看上去是无解的。但是,通过行交换,可以把主元为0的方程调换一个位置。就能继续求解方程了,最终得上三角矩阵。

(全文完)

作者---松下J27

鸣谢(参考文献):

1,Introduction to Linear Algebra - Gilbert Strang.

2,
Linear Algebra | Mathematics | MIT OpenCourseWarehttps://ocw.mit.edu/courses/mathematics/18-06-linear-algebra-spring-2010/https://ocw.mit.edu/courses/mathematics/18-06-linear-algebra-spring-2010/

格言摘抄:

心怀二意的人,在他一切所行的路上都没有定见。----雅各书1章8节

(A double minded man is unstable in all his ways. ---James 1:8)

  (配图与本文无关)

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