• 线性代数学习笔记4-5:求解线性方程组


    方程组何时有解

    首先从几何上理解:

    • 从角度2(多个列向量的线性组合):
      三个列向量线性无关,它们张成整个三维空间,则方程一定有唯一解(将三个列向量视为”基“,那么任意向量在该坐标系下的”坐标“是唯一的);
      三个列向量线性相关,方程可能无解:它们只能张成一个平面/一条线,一旦向量 v \boldsymbol v v没有落在它们的张成空间内,方程无解
    • 从角度3(向量的线性变换):
      d e t ( A ) ≠ 0 det(\mathbf A)\neq 0 det(A)=0,矩阵 A \mathbf A A为可逆矩阵/非奇异矩阵,对应同维度下的线性变换,因此给出变换后的向量,则变换前的向量唯一确定
      d e t ( A ) = 0 det(\mathbf A)=0 det(A)=0,矩阵 A \mathbf A A为不可逆矩阵/奇异矩阵,方程可能无解:矩阵对应降维的线性变换,因此一旦列空间(变换后新的基向量所张成的空间)不包含向量 v \boldsymbol v v,方程无解

    线性方程组求解

    线性方程组解的结构:判断方程组的解的情况

    对于一般的情况,方程组的系数矩阵不为方阵,当然也就不存在行列式,所以情况更复杂,我们先通过秩判断解的情况(唯一解/无穷解?),然后再求出具体的解

    1. 何时有解?
      方程组的系数矩阵的秩=方程组增广矩阵的秩,有解;非则无解。
      (理解:这里是保证方程组里的所有方程都是不冲突的,即化简后不会出现"0=3"之类的情况)
    2. 有解时,解的个数情况?
      方程组的系数矩阵的秩=未知数的个数(列数)时/系数矩阵列满秩,有唯一解;方程组的系数矩阵的秩<未知数的个数时,有无穷个解
      (从方程的角度,有几个未知数,就应该有几个方程
      从几何意义上,后者就相当于矩阵对应了降维的变换,那么自然会有多个向量被变换到同一个向量上了)

    接下来,具体分情况讨论有解的情况下,解有多少个的问题

    齐次线性方程组

    对于齐次线性方程组 A x = 0 \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol 0 Ax=0

    零空间/解空间:线性方程组 A x = 0 \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol 0 Ax=0全体解向量的集合
    (有唯一零解时,解空间就是一个点;
    解不唯一/有非零解时,系数矩阵对应降维变换,解空间为一条线/一个平面)
    基础解系:解空间中的一组基(其中的基向量可以张成整个解空间)

    • 齐次线性方程组,其解向量的线性组合,仍是它的解
      (除了唯一解的情况,就是无穷解的情况,即系数矩阵对应一个降维变换,此时所有解必然都在同一个解空间中)
    • 对于n元齐次线性方程组(系数矩阵 A \mathbf A A有n列):
      ①若 R a n k ( A ) = n Rank(\mathbf A)=n Rank(A)=n,有唯一零解
      ②若 R a n k ( A ) < n Rank(\mathbf A)Rank(A)<n,则矩阵对应降维变换,则方程组解空间维度>0(解不唯一/有非零解),且解空间的维度(基础解系中所含的基向量的个数)为 n − R a n k ( A ) n-Rank(\mathbf A) nRank(A),且方程的通解(无穷个可能的解)可以由基础解系线性表出

    齐次线性方程组

    对于齐次线性方程组 A x = b \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol b Ax=b

    • 核心在于: A x = b \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol b Ax=b的一个解 + A x = 0 \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol 0 Ax=0的一个解 = A x = b \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol b Ax=b的一个解
      其暗含的意思是:
      ①若 R a n k ( A ) = n Rank(\mathbf A)=n Rank(A)=n,那么 A x = 0 \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol 0 Ax=0有唯一零解,则 A x = b \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol b Ax=b也只有唯一解
      ②若 R a n k ( A ) < n Rank(\mathbf A)Rank(A)<n,则矩阵对应降维变换,那么 A x = 0 \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol 0 Ax=0有解空间(维度大于零,无穷个非零解),进而 A x = b \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol b Ax=b通解= A x = b \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol b Ax=b的一个特解 + A x = 0 \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol 0 Ax=0的基础解系的任意线性组合

    矩阵可逆    ⟺    \iff 行列式不为0    ⟺    \iff 非奇异矩阵    ⟺    \iff 对应方程组有唯一解(克拉默法则)    ⟺    \iff n个特征值不全为0

    求解方程组具体流程

    对于线性方程组 A x = v \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol v Ax=v
    线性代数中的通用解法——高斯消元法

    • 对于齐次线性方程组,主要就是将系数矩阵化为最简阶梯形,然后写出对应的化简后的方程(其实也就是高斯消元法了),任取 n − R a n k ( A ) n-Rank(\mathbf A) nRank(A)个自由未知量作为基础解系,即得通解;
    • 对于非齐次线性方程组,只要再求一个特解,加上基础解系即得通解
      详见:线性方程组的求解及应用解线性方程组

    高斯消元法,表面上就是几个方程相加减(这样不会改变方程内在的约束,即不会改变解)
    本质上,这就是行初等变换,而这样做既然不改变解(不会通过降维等变换来增加解的个数),那么也就是说初等行变换不改变列秩/行秩/秩

    克拉默法则:系数矩阵为方阵时,求解方程的通法

    注意使用前提:适用于变量和方程数目相等的线性方程组(系数矩阵为方阵)
    克拉默法则在使用时并不实用,但提供了另一种思想,本质是通过逆矩阵来求解: x ⃗ = A − 1 v ⃗ \vec x=\mathbf A^{-1}\vec v x =A1v

    对于线性方程组 A x = v \mathbf A \boldsymbol x=\boldsymbol v Ax=v

    • d e t ( A ) ≠ 0 det(\mathbf A)\neq 0 det(A)=0时,方程组有唯一解 ( D 1 D , D 2 D , . . . , D n D ) (\frac{D_1}{D},\frac{D_2}{D},...,\frac{D_n}{D}) (DD1,DD2,...,DDn),其中 D = d e t ( A ) , D j = d e t ( A 中第 j 列换成常数列 v ,其他元素不变 ) D=det(\mathbf A),D_j=det(\mathbf A中第j列换成常数列\boldsymbol v,其他元素不变) D=det(A),Dj=det(A中第j列换成常数列v,其他元素不变)
      意义: A \mathbf A A是非奇异矩阵/可逆矩阵,对应同维度下的线性变换,因此给出变换后的向量,则变换前的向量唯一确定
      特别的,对齐次线性方程组( v \boldsymbol v v为零向量),这个唯一解就是零解
    • d e t ( A ) = 0 det(\mathbf A)=0 det(A)=0时,方程组有无穷解
      意义: A \mathbf A A的变换导致维度压缩,则解空间就不止一个向量了,可能是一条线/一个平面
      特别的,对齐次线性方程组,说明有非零解(不只有唯一的那个零解)
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/Insomnia_X/article/details/125501912