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1、第三章线性方程组第1页，本讲稿共40页线性方程组主要内容：消元法 n 维向量空间 线性相关性 矩阵的秩 线性方程组有解的判断定理 线性方程组有解的结构第2页，本讲稿共40页线性方程组1 消元法1 1 消消 元元 法法考虑一般的线性方程组l 当s=n时，若D0，则方程组有唯一解，并可由Cramer法则求解。l 当s=n时，若D=0，利用Cramer法则无法判断方程组是否有解。l 当sn时，没有求解线性方程组的有效方法。第3页，本讲稿共40页线性方程组1 消元法 线性方程组的矩阵表示法其中系数矩阵未知向量右端向量第4页，本讲稿共40页线性方程组1 消元法 用一个非零的数乘以某一个方程；线性方程组的
2、初等变换 把某一个方程的倍数加到另一个方程；互换两个方程的位置；用一个非零的数乘以矩阵的某一行；矩阵的初等行变换 把矩阵某一行的倍数加到矩阵的另一行；交换矩阵中某两行的位置；方程组的初等变换相当于对系数矩阵做相应的初等行变换。方程组的初等变换是否会改变线性方程组的解？定理：方程组的初等变换将一个线性方程组变为一个与它同解的线性方程组。第5页，本讲稿共40页线性方程组1 消元法 增广矩阵由线性方程组的系数和右端常数组成的矩阵称为该线性方程组的增广矩阵。线性方程组与增广矩阵是一一对应的定理：对线性方程组的增广矩阵 进行初等行变换化为 ，则以 为增广矩阵的线性方程组与原线性方程组同解。一个线性方程组
3、的增广矩阵可通过初等行变换化为怎样的简单形式？第6页，本讲稿共40页线性方程组1 消元法定理：任何一个sn阶矩阵A，都可通过一系列初等行变换化为一个阶梯形矩阵。定理：线性方程组与以下形式的阶梯形线性方程组同解。第7页，本讲稿共40页线性方程组1 消元法l 当 时，该线性方程组无解。l 当 时，该方程组有解，并分两种情况：(i)若 r=n，则阶梯形方程组为方程组有唯一解。第8页，本讲稿共40页线性方程组1 消元法(ii)若 r n，则阶梯形方程组为可改写为方程组有无穷多解。自由未知量第9页，本讲稿共40页线性方程组例题：例1、解线性方程组例2、解线性方程组1 消元法第10页，本讲稿共40页线性方
4、程组1 消元法定理：在齐次线性方程组中，如果 s s,则向量组必定线性相关。若个数多的向量组能由个数少的向量组线性表出，则个数多的向量组必定线性相关。推论3：n+1个 n 维向量必定线性相关。第23页，本讲稿共40页线性方程组3 线性相关性 极大线性无关组 定义：如果向量组的一个部分组是线性无关的，而且向量组中的任一向量都可由它线性表出，则称是向量组的一个极大线性无关组。例5 求向量组的一个极大线性无关组。向量组的极大线性无关组不是唯一的定理 一个向量组的任何极大线性无关组都含有相同个数的向量。第24页，本讲稿共40页线性方程组3 线性相关性定义 一个向量组的极大线性无关组中所含向量的个数称为
5、这个向量组的秩(rank)。例7 求下面向量组的秩例8 设B是矩阵A经过初等行变换得到的矩阵，则矩阵A、B的列向量具有完全相同的线性关系。例9 一个向量组中的任何一个线性无关组，都可以扩充为该向量组的一个极大线性无关组。确定极大线性无关组的初等变换方法第25页，本讲稿共40页线性方程组4 矩阵的秩4 4 矩阵的秩矩阵的秩定义 矩阵的行秩就是矩阵的行向量组的秩；列秩就是矩阵的列向量组的秩。例1 求矩阵的行秩和列秩。是否任意矩阵的行秩和列秩都相同？第26页，本讲稿共40页线性方程组4 矩阵的秩引理 如果齐次线性方程组的系数矩阵的行秩 r n，那么该齐次线性方程组有非零解。第27页，本讲稿共40页线
6、性方程组4 矩阵的秩定理 矩阵的行秩与列秩相等。定义 矩阵的行秩与列秩统称为矩阵的秩。矩阵的秩不会超过矩阵的行数和列数例2 求下面矩阵的秩例3 设A是一个秩为r的mn阶矩阵，从A中任划去 m-s 行与 n-t 列后，其余元素按原来的位置排成一个 st 阶矩阵C，证明：秩Cr+s+t-m-n第28页，本讲稿共40页线性方程组4 矩阵的秩定理 nn 阶矩阵的行列式为零的充分必要条件是 A 的秩小于 n。n 阶方阵 A 的行列式|A|0 的充要条件是 A 的秩等于 n。推论 齐次线性方程组有非零解的充分必要条件是其系数矩阵的行列式等于0。第29页，本讲稿共40页线性方程组4 矩阵的秩定义 在一个 s
7、n 阶矩阵 A 中任意选定k行和k列，1kmin s,n，位于这些选定的行和列的交点上的 k2 个元素按原来的顺序组成一个 k 阶方阵，定理 矩阵 A 的秩为 r 的充分必要条件是矩阵中有一个 r 阶子式不为零，而这个方阵称为 A 的一个 k 阶子阵，其行列式称为 A 的一个 k 阶子式。所有的 r+1 阶子式全为零。例4 求下面矩阵的秩第30页，本讲稿共40页线性方程组5 线性方程组有解的判别定理5 5 线性方程组有解的判别定理线性方程组有解的判别定理定理：线性方程组有解的充分必要条件是系数矩阵 A 的秩与其增广矩阵有相同的秩。第31页，本讲稿共40页线性方程组5 线性方程组有解的判别定理定
8、理：线性方程组的系数矩阵 A 与其增广矩阵有相同的秩 r，则(1)当 r=n 时，方程组有唯一解；(2)当 r n 时，方程组有无穷多个解。第32页，本讲稿共40页线性方程组4 矩阵的秩例1 设线性方程组例2 当 a，b 取何值时，线性方程组无解？有解？有解时求其一般解。第33页，本讲稿共40页线性方程组4 矩阵的秩例3 解线性方程组有解，且系数矩阵 A 的秩为 r1，而方程组无解，且系数矩阵 B 的秩为 r2，证明矩阵的秩r1+r2+1。第34页，本讲稿共40页线性方程组6 线性方程组解的结构6 6 线性方程组解的结构线性方程组解的结构设齐次线性方程组 齐次线性方程组解的结构的解有如下两个重
9、要性质：性质1：齐次线性方程组的两个解的和仍是该方程组的解。性质2：齐次线性方程组的任一解的倍数仍是该方程组的解。齐次线性方程组的任意线性组合仍是该方程组的解齐次线性方程组的任意线性组合仍是该方程组的解第35页，本讲稿共40页线性方程组5 线性方程组有解的判别定理(1)定义：齐次线性方程组的一组解称为它的基础解系，如果线性无关；(2)该齐次方程组的任一解都能表示为的线性组合。定理：齐次线性方程组有非零解的情况下，它有基础解系，而且基础解系所含向量的个数等于 n-r，其中 n 为未知量的个数，r 为系数矩阵 A 的秩。基础解系不唯一，任何一个线性无关且与基础解系基础解系不唯一，任何一个线性无关且
10、与基础解系等价的向量组都是该齐次线性方程组的基础解系等价的向量组都是该齐次线性方程组的基础解系例1 求齐次线性方程组的一个基础解系。第36页，本讲稿共40页线性方程组5 线性方程组有解的判别定理例2 证明：齐次线性方程组的解全是方程的解的充要条件是向量可由向量组线性表出。第37页，本讲稿共40页线性方程组6 线性方程组解的结构定义：把一般线性方程组 一般线性方程组解的结构的右端项换为0所得的齐次线性方程组称为该方程组的导出组。性质1：一般线性方程组的两个解的差是其导出组的解。性质2：一般线性方程组的一个解与其导出组的一个解之和仍是该 线性方程组的解。一般线性方程组与其导出组的解的关系：第38页
11、，本讲稿共40页线性方程组6 线性方程组解的结构定理：如果g g 0是线性方程组的一个特解，那么方程组的任一解g g 可表示为其中 h h 是其导出组的一个解，当h h 取遍它导出组的全部解时，g g 就给出该推论 在线性方程组有解的条件下，其解唯一的充要条件是它的导出组只有零解。线性方程组的全部解。第39页，本讲稿共40页线性方程组5 线性方程组有解的判别定理例3 设 h h0 是线性方程组的一个解，是它的导出组的一个基础解系。令证明此方程组的任一解 g g 都可表示为其中例4 设线性方程组是非齐次的(即至少有一个bi0)，且系数矩阵的秩为r。证明：若该方程组有解，则有n-r+1个解向量线性无关，且每个解向量都可由它线性表出。第40页，本讲稿共40页