麻省理工大学线性代数导论笔记 - Lecture 8 求解Ax=b:可解性和解的结构

学习视频来源:麻省理工公开课_线性代数导论 讲师:Gilbert Strang

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Lecture 8 求解Ax=b:可解性和解的结构

已知矩阵 A = ( 1 2 2 2 2 4 6 8 3 6 8 10 ) ,解方程组 { x 1 + 2 x 2 + 2 x 3 + 2 x 4 = b 1 2 x 1 + 4 x 4 + 6 x 3 + 8 x 4 = b 2 3 x 1 + 6 x 2 + 8 x 3 + 10 x 4 = b 3 。关键在于第三行是前两行之和。根据消元,右侧常数的关联立马可见:如果方程组有解,右侧常数需要满足 b 1 + b 2 = b 3

让我们写成增广矩阵形式 ( A b ) 并进行消元:

( 1 2 2 2 2 4 6 8 3 6 8 10 b 1 b 2 b 3 ) -> ( 1 2 2 2 0 0 2 4 0 0 2 4 b 1 b 2 2 b 1 b 3 3 b 1 ) -> ( 1 2 2 2 0 0 2 4 0 0 0 0 b 1 b 2 2 b 1 b 3 b 2 b 1 )

得出方程有解的条件为 b 3 b 1 b 2 = 0 ,和我们之前的主观判断一致。这就是所谓的Solvability 可解性 A x = b 有解当且仅当 b C ( A ) 中。<=> 如果 A 各行的线性组合会得到零行,那么右侧向量 b 中分量的同样组合也必须为零。

假设 b = ( 1 5 6 ) ,代入得: ( 1 2 2 2 0 0 2 4 1 3 ) 。现在我们的目标是求这个方程组的所有解。

step 1:求特定解(教授将 A x = b 特解表示为particular solution, A x = 0 基为special solution)。将所有自由变量 x 2 x 4 设为 0(自由变量可以任取),然后解出 A x = b 的主变量 x 1 x 3

方程组变为 { x 1 + 2 x 2 = 1 2 x 3 = 3 ,解得 x p a r t i c u l a r = ( 2 0 3 / 2 0 )

step 2:求零空间内的任何解 x n u l l s p a c e = c 1 ( 2 1 0 0 ) + c 2 ( 2 0 2 1 ) ,也被称为基础解系,解法详见前文。

step 3: x c o m p l e t e = x p a r t i c u l a r + x n u l l s p a c e 即为 A x = b 的所有解。( A x p a r t i c u l a r = b A x n u l l s p a c e = 0 A x p a r t i c u l a r + A x n u l l s p a c e = b 。对于方程组某解,其与零空间内任意向量之和仍为解。)图像上应该是一个由子空间从原点平移上来得到的平面。

推广到一般性的 m × n ,秩为 r 的矩阵 A ,始终有 r m r n 。矩阵的秩决定了方程组解的数目。

  • full column rank 列满秩的情况( r = n m ):主变量有 n 个,自由变量有 0 个。零空间 N ( A ) 内只有一个零向量 0 。而 A x = b 的全部解(如果解存在),只有特定解 x p a r t i c u l a r 。这种情况下 A x = b 只有 0 或 1 个解。
  • row column rank 行满秩的情况( r = m n ):主变量有 m 个,自由变量有 n m 个。对任意 b A x = b 都有解。
  • row column rank 方阵满秩的情况( r = m = n ):可逆,自由变量有 0 个。零空间 N ( A ) 内只有一个零向量 0 。而 A x = b 的全部解,只有特定解 x p a r t i c u l a r 。这种情况下 A x = b 只有 1 个解。
  • 都不满秩的情况( r m r n ):这种情况下 A x = b 无解或者无穷解。

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