齐次方程与非齐次方程

线性方程组与向量组其实是一回事
我们来看一般的非齐次线性方程组,就是系数
\begin{align}\left\{\begin{array}{c} a_{11} x_{1}+a_{12} x_{2}+\cdots+a_{1 n} x_{n}=b_{1}, \\ a_{21} x_{1}+a_{22} x_{2}+\cdots+a_{2 n} x_{n}=b_{2}, \\ \cdots \cdots \\ a_{m 1} x_{1}+a_{m 2} x_{2}+\cdots+a_{m n} x_{n}=b_{m} \end{array}\right.\end{align}
下面就是该方程组的系数矩阵,其中表示所给方程的个数而表示未知数的个数
\begin{align}\boldsymbol{A}=\left[\begin{array}{cccc} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2 n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{m 1} & a_{m 2} & \cdots & a_{m n} \end{array}\right]\end{align}
下面方程由若干个列向量拼成的,且其增广矩阵
\begin{align}\left[\begin{array}{cccc:c} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1 n} & b_{1} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2 n} & b_{2} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\ a_{m 1} & a_{m 2} & \cdots & a_{m n} & b_{m} \end{array}\right]\end{align}
而如果我们把最开始的非齐次线性方程组整理成向量组,就可以得到
\begin{align}x_{1}\left(\begin{array}{c} a_{11} \\ a_{21} \\ \vdots \\ a_{m 1} \end{array}\right)+x_{2}\left(\begin{array}{c} a_{12} \\ a_{22} \\ \vdots \\ a_{m 2} \end{array}\right)+\cdots+x_{n}\left(\begin{array}{c} a_{1 n} \\ a_{2 n} \\ \vdots \\ a_{m n} \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} b_{1} \\ b_{2} \\ \vdots \\ b_{m} \end{array}\right)\end{align}
而把向量组看成$\alpha $,那么就可以化简就可以得到
\begin{align}x_{1}\alpha_{1}+x_{2}\alpha_{2}+\cdots +x_{n}\alpha_{n}=\beta\end{align}
齐次方程
方程组,后面用(I)来表示,称为个方程,个未知量的齐次线性方程组
\begin{align}\left\{\begin{array}{c} a_{11} x_{1}+a_{12} x_{2}+\cdots+a_{1 n} x_{n}=0, \\ a_{21} x_{1}+a_{22} x_{2}+\cdots+a_{2 n} x_{n}=0, \\ \cdots \cdots \\ a_{m 1} x_{1}+a_{m 2} x_{2}+\cdots+a_{m n} x_{n}=0 \end{array}\right.\end{align}
其向量形式为
\begin{align}x_{1} \boldsymbol{\alpha}_{1}+x_{2} \boldsymbol{\alpha}_{2}+\cdots+x_{n} \boldsymbol{\alpha}_{n}=\mathbf{0}\end{align}
其中
\begin{align}\boldsymbol{\alpha}_{j}=\left[\begin{array}{c} a_{1 j} \\ a_{2 j} \\ \vdots \\ a_{m j} \end{array}\right], j=1,2, \cdots, n\end{align}
其矩阵形式为
\begin{align}\boldsymbol{A}_{m \times n} \boldsymbol{x}=\mathbf{0}\end{align}
其中
\begin{align}\boldsymbol{A}_{m \times n}=\left[\begin{array}{cccc} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2 n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{m 1} & a_{m 2} & \cdots & a_{m n} \end{array}\right], \quad \boldsymbol{x}=\left[\begin{array}{c} x_{1} \\ x_{2} \\ \vdots \\ x_{n} \end{array}\right]\end{align}
有解的条件
当时(线性无关),方程组(I)有唯一零解
当时(线性相关),方程组(I)有非零解,且有个线性无关解
解的性质
若,则,其中是任意常数
基础解系和解的结构
基础解系
设满足
- 是方程组的解
- 线性无关
- 方程组的任一解均可由线性表出,则称为的基础解系
通解
设是的基础解系,则是方程组的通解,其中是任意常数
求解方法与步骤
注意只能进行行变换
-
将系数矩阵作初等行变换化成阶梯形矩阵(或最简阶梯形矩阵),初等行变换将方程组化为同解方程组,故和同解,只需解即可。设
\begin{align}\boldsymbol{A} \xrightarrow{\text { 初等行变换 }} \boldsymbol{B}=\left[\begin{array}{cccccc} c_{11} & c_{12} & \cdots & c_{1 r} & \cdots & c_{1 n} \\ 0 & c_{22} & \cdots & c_{2 r} & \cdots & c_{2 n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & c_{r r} & \cdots & c_{r n} \\ 0 & 0 & \cdots & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & 0 & \cdots & 0 \end{array}\right]_{m \times n}\end{align}
其中,是原方程组中方程个数,是末知量个数
-
按列找出一个秩为的子矩阵,剩余列位置的末知数设为自由变量
-
按基础解系定义求出,并写出通解
例题
求齐次线性方程组的通解
\begin{align}\left\{\begin{array}{l} x_{1}+x_{2}-3 x_{4}-x_{5}=0, \\ x_{1}-x_{2}+2 x_{3}-x_{4}=0, \\ 4 x_{1}-2 x_{2}+6 x_{3}+3 x_{4}-4 x_{5}=0, \\ 2 x_{1}+4 x_{2}-2 x_{3}+4 x_{4}-7 x_{5}=0 \end{array}\right.\end{align}
解:将系数矩阵作初等行变换,化成阶梯形矩阵
()括号里面的运算表示行变换
\begin{align}\begin{array}{l} \boldsymbol{A}=\left[\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 0 & -3 & -1 \\ 1 & -1 & 2 & -1 & 0 \\ 4 & -2 & 6 & 3 & -4 \\ 2 & 4 & -2 & 4 & -7 \end{array}\right] \\ \xrightarrow[\text { (4) }-2(1)]{\substack{(2)-(1) \\ (3)-4(1)}}\left[\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 0 & -3 & -1 \\ 0 & -2 & 2 & 2 & 1 \\ 0 & -6 & 6 & 15 & 0 \\ 0 & 2 & -2 & 10 & -5 \end{array}\right] \\ \xrightarrow[\text { (4) }+ \text { (2) }]{\text { (3) }-3(2)}\left[\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 0 & -3 & -1 \\ 0 & -2 & 2 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 9 & -3 \\ 0 & 0 & 0 & 12 & -4 \end{array}\right] \\ \xrightarrow[\frac{1}{3}(3)]{\text { (4) }-\frac{4}{3}(3)}\left[\begin{array}{ccccc} 1 & 1 & 0 & -3 & -1 \\ 0 & -2 & 2 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 3 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right]=\boldsymbol{B}\\ \end{array}\end{align}
行阶梯型进阶
为行阶梯型
- 若有0行,全在下方
- 从行上看,自左边起出现连续0的个数自上而下严格单增
然后这边还能化成行最简阶梯型
\begin{align}\begin{aligned} \boldsymbol{B} & =\left[\begin{array}{rrrrr} 1 & 1 & 0 & -3 & -1 \\ 0 & -2 & 2 & 2 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 3 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right] \xrightarrow[\frac{1}{3}(3)]{-\frac{1}{2}(2)}\left[\begin{array}{rrrrrr} 1 & 1 & 0 & -3 & -1 \\ 0 & 1 & -1 & -1 & -\frac{1}{2} \\ 0 & 0 & 0 & 1 & -\frac{1}{3} \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right] \\ & \xrightarrow{(1)-(2)}\left[\begin{array}{rrrrr} 1 & 0 & 1 & -2 & -\frac{1}{2} \\ 0 & 1 & -1 & -1 & -\frac{1}{2} \\ 0 & 0 & 0 & 1 & -\frac{1}{3} \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right] \xrightarrow{(1)+2(3)}\left[\begin{array}{lllll} 1 & 0 & 1 & 0 & -\frac{7}{6} \\ 0 & 1 & -1 & 0 & -\frac{5}{6} \\ 0 & 0 & 0 & 1 & -\frac{1}{3} \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right]=\boldsymbol{C} \end{aligned}\end{align}
行最简阶梯型(包含行阶梯型的所有要求)
- 台脚(以来看,第二行第三行都是台脚)位置元素都是1
- 台脚正上方元素都为0
则和是同解方程组,且
按列找出一个秩为3的子矩阵,可取第一、二、四列,则剩余第三、五列位置的元素即设为自由末知量,我们求通解
方法一:
取自由未知量,代人方程得
\begin{align}\begin{array}{l} x_{4}=k_{2}, \\ x_{2}=x_{3}+x_{4}+\frac{1}{2} x_{5}=k_{1}+\frac{5}{2} k_{2}, \\ x_{1}=-x_{2}+3 x_{4}+x_{5}=-k_{1}+\frac{7}{2} k_{2} . \end{array}\end{align}
由此得通解
\begin{align}\left[\begin{array}{l} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ x_{4} \\ x_{5} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} -k_{1}+\frac{7}{2} k_{2} \\ k_{1}+\frac{5}{2} k_{2} \\ k_{1}+0 \\ 0+k_{2} \\ 0+3 k_{2} \end{array}\right]=k_{1}\left[\begin{array}{c} -1 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right]+k_{2}\left[\begin{array}{c} \frac{7}{2} \\ \frac{5}{2} \\ 0 \\ 1 \\ 3 \end{array}\right]\end{align}
其中是任意常数
方法二:
\begin{align}\boldsymbol{\xi}_{1}=(h_1,h_2,h_3,h_4,h_5)^\mathrm{T}\\\boldsymbol{\xi}_{2}=(l_1,l_2,l_3,l_4,l_5)^\mathrm{T}\end{align}
中和要线性无关,那么我们可以先把剩余第三、五列位置的元素设为1、0和0、1,然后把的每一行(至下而上)与(之后而前)相乘使其等于0,然后在把的每一行(至下而上)与(之后而前)相乘使其等于0,我们就可以得到
\begin{align}\boldsymbol{\xi}_{1}=(1,1,1,0,0)^\mathrm{T}\\\boldsymbol{\xi}_{2}=(\frac{7 }{2},\frac{5 }{2},0,1,3)^\mathrm{T}\end{align}
所以是通解
非齐次线性方程组
方程组,后面用(II)来表示,称为个方程,个未知量的非齐次线性方程组
\begin{align}\left\{\begin{array}{c} a_{11} x_{1}+a_{12} x_{2}+\cdots+a_{1 n} x_{n}=b_{1}, \\ a_{21} x_{1}+a_{22} x_{2}+\cdots+a_{2 n} x_{n}=b_{2}, \\ \cdots \cdots \\ a_{m 1} x_{1}+a_{m 2} x_{2}+\cdots+a_{m n} x_{n}=b_{m} \end{array}\right.\end{align}
其向量形式为,其中
\begin{align}\boldsymbol{\alpha}_{j}=\left[\begin{array}{c} a_{1 j} \\ a_{2 j} \\ \vdots \\ a_{m j} \end{array}\right], j=1,2, \cdots, n, \quad \boldsymbol{b}=\left[\begin{array}{c} b_{1} \\ b_{2} \\ \vdots \\ b_{m} \end{array}\right]\end{align}
其矩阵形式为,其中
\begin{align}\boldsymbol{A}=\left[\begin{array}{cccc} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2 n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{m 1} & a_{m 2} & \cdots & a_{m n} \end{array}\right], \quad \boldsymbol{x}=\left[\begin{array}{c} x_{1} \\ x_{2} \\ \vdots \\ x_{n} \end{array}\right]\end{align}
矩阵称为矩阵的增广矩阵,简记成
有解的条件
若(不能由线性表出),则方程组(II)无解
若(即线性无关,线性相关),则方程组(II)有唯一解
若,则方程组(II)有无穷多解
解的性质
设是非齐次线性方程组的解,是对应齐次线性方程组的解,则 :
- 是的解
- 是的解
求解方法与步骤
注意只能进行行变换
将增广矩阵作初等行变换化成阶梯形(或最简阶梯形)矩阵,求出对应齐次线性方程组的通解,再加上一个非齐次线性方程组的特解即是非齐次线性方程组的通解
- 写出的导出方程组,并求的通解
- 求出的一个特解
- 则的通解为,其中为任意常数
例题
求解非齐次线性方程组,并用对应的齐次线性方程组的基础解系表示通解
\begin{align}\left\{\begin{array}{l} x_{1}+5 x_{2}-x_{3}-x_{4}=-1, \\ x_{1}-2 x_{2}+x_{3}+3 x_{4}=3, \\ 3 x_{1}+8 x_{2}-x_{3}+x_{4}=1, \\ x_{1}-9 x_{2}+3 x_{3}+7 x_{4}=7 \end{array}\right.\end{align}
()括号里面的运算表示行变换
解:对增广矩阵作初等行变换化成阶梯形矩阵
\begin{align}\begin{array}{l}\left[\begin{array}{l:l} \boldsymbol{A} & \boldsymbol{b} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc:c} 1 & 5 & -1 & -1 & -1 \\ 1 & -2 & 1 & 3 & 3 \\ 3 & 8 & -1 & 1 & 1 \\ 1 & -9 & 3 & 7 & 7 \end{array}\right] \xrightarrow[(4)-(1)]{\substack{(2)-(1) \\ (3)-3(1)}}\left[\begin{array}{cccc:c} 1 & 5 & -1 & -1 & -1 \\ 0 & -7 & 2 & 4 & 4 \\ 0 & -7 & 2 & 4 & 4 \\ 0 & -14 & 4 & 8 & 8 \end{array}\right]\\ \xrightarrow[(4)-2(2)]{(3)-(2)}\left[\begin{array}{cccc:c} 1 & 5 & -1 & -1 & -1 \\ 0 & -7 & 2 & 4 & 4 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array}\right]\\ \end{array}\end{align}
解的条件:
-
对增广矩阵进行初等变换成阶梯形矩阵
-
判断阶梯型矩阵的秩
-
当,无解
-
当,有唯一解,其中的个数为未知数的个数,就是题目中的
-
当,有无穷多解,的个数同上
-
-
求出齐次方程的通解(增广矩阵中,求通解只求,不需要关里面的)加上一个非齐次方程的特解
方法一:
令自由未知量,代人得
\begin{align}\begin{array}{c} x_{2}=-\frac{1}{7}\left(4-2 k_{1}-4 k_{2}\right)=-\frac{4}{7}+\frac{2}{7} k_{1}+\frac{4}{7} k_{2}, \\ x_{1}=-1+k_{1}+k_{2}-5\left(-\frac{4}{7}+\frac{2}{7} k_{1}+\frac{4}{7} k_{2}\right)=\frac{13}{7}-\frac{3}{7} k_{1}-\frac{13}{7} k_{2} \end{array}\end{align}
得通解为
\begin{align}\left[\begin{array}{l} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ x_{4} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} \frac{13}{7}-\frac{3}{7} k_{1}-\frac{13}{7} k_{2} \\ -\frac{4}{7}+\frac{2}{7} k_{1}+\frac{4}{7} k_{2} \\ k_{1} \\ k_{2} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} \frac{13}{7} \\ -\frac{4}{7} \\ 0 \\ 0 \end{array}\right]+k_{1}\left[\begin{array}{c} -\frac{3}{7} \\ \frac{2}{7} \\ 1 \\ 0 \end{array}\right]+k_{2}\left[\begin{array}{c} -\frac{13}{7} \\ \frac{4}{7} \\ 0 \\ 1 \end{array}\right]\end{align}
其中是任意常数,为对应的齐次线性方程组的基础解系
方法二:
得出通解为:
\begin{align}\boldsymbol{\xi}_{1}=(-3,2,7,0)^\mathrm{T}\\\boldsymbol{\xi}_{2}=(-13,4,0,7)^\mathrm{T}\end{align}
接下来求齐次方程的特解,凡是自由项的位置统统为0,然后需要带进去求解:
求的
,我们直接把代入方程,可以求得,就可以得出非齐次方程的特解为:
\begin{align}\eta =(\frac{13}{7},-\frac{4}{7},0 ,0)^\mathrm{T}\end{align}
所以是通解
已知线性方程组
\begin{align}\left\{\begin{array}{l} x_{1}+x_{2}+x_{3}+x_{4}=1, \\ 3 x_{1}+2 x_{2}+x_{3}+x_{4}=a, \\ x_{2}+2 x_{3}+2 x_{4}=3, \\ 5 x_{1}+4 x_{2}+3 x_{3}+4 x_{4}=b \end{array}\right.\end{align}
则为何值时,方程组无解?为何值时,方程组有解?方程组有解时,求其全部解
解:对方程组的增广矩阵作初等行变换
\begin{align}\begin{aligned} {\left[\begin{array}{l:l} \boldsymbol{A} & \boldsymbol{b} \end{array}\right] } & =\left[\begin{array}{llll:l} 1 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ 3 & 2 & 1 & 1 & a \\ 0 & 1 & 2 & 2 & 3 \\ 5 & 4 & 3 & 4 & b \end{array}\right] \rightarrow\left[\begin{array}{cccc:c} 1 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & -1 & -2 & -2 & a-3 \\ 0 & 1 & 2 & 2 & 3 \\ 0 & -1 & -2 & -1 & b-5 \end{array}\right] \\ & \longrightarrow\left[\begin{array}{llll:c} 1 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 2 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & a \\ 0 & 0 & 0 & 1 & b-2 \end{array}\right] \longrightarrow\left[\begin{array}{cccc:c} 1 & 1 & 1 & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 2 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & b-2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & a \end{array}\right] \\ & \longrightarrow\left[\begin{array}{cccc:c} 1 & 0 & -1 & -1 & -2 \\ 0 & 1 & 2 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & b-2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & a \end{array}\right] . \end{aligned}\end{align}
当任意时,,方程组无解
当任意时,,方程组有无穷多解
后面通解懒得写了,解法一样的