线代强化NO14|线性方程组|习题3|综合问题

综合问题

![[Pasted image 20251120085656.png]]

解:(1) (1−23−401−1104−31)→(1−23−401−11001−3)→(1001010−2001−3), 基础解系为 (−1231)\begin{aligned} &\text{解:(1)}\ \begin{pmatrix} 1 & -2 & 3 & -4 \\ 0 & 1 & -1 & 1 \\ 0 & 4 & -3 & 1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & -2 & 3 & -4 \\ 0 & 1 & -1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & -3 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & -2 \\ 0 & 0 & 1 & -3 \end{pmatrix},\ \text{基础解系为}\ \begin{pmatrix} -1 \\ 2 \\ 3 \\ 1 \end{pmatrix} \\ \end{aligned}解:(1) 100214313411100210311413100010001123, 基础解系为 1231
(2) (1−23−4∣10001−11∣010120−3∣001)→(1−23−4∣10001−11∣01004−31∣−101)→(1−23−4∣10001−11∣010001−3∣−1−41)→(1−205∣412−3010−2∣−1−31001−3∣−1−41)→(1001∣26−1010−2∣−1−31001−3∣−1−41)对 Aβ1=(100),对应 (1001∣2010−2∣−1001−3∣−1), 通解为 P1=c1(−1231)+(2−1−10)=(2−c1−1+2c1−1+3c1c1), c1∈R对 Aβ1=(010),对应 (1001∣6010−2∣−3001−3∣−4), 通解为 P1=c2(−1231)+(6−3−40)=(6−c2−3+2c2−4+3c2c2), c2∈R对 Aβ1=(001),对应 (1001∣−1010−2∣1001−3∣1), 通解为 P1=c3(−1231)+(−1110)=(−1−c31+2c31+3c3c3), c3∈R\begin{aligned} &(2)\ \begin{pmatrix} 1 & -2 & 3 & -4 & \bigm| & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 & 1 & \bigm| & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 2 & 0 & -3 & \bigm| & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & -2 & 3 & -4 & \bigm| & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 & 1 & \bigm| & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 4 & -3 & 1 & \bigm| & -1 & 0 & 1 \end{pmatrix} \\ &\to \begin{pmatrix} 1 & -2 & 3 & -4 & \bigm| & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -1 & 1 & \bigm| & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & -3 & \bigm| & -1 & -4 & 1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & -2 & 0 & 5 & \bigm| & 4 & 12 & -3 \\ 0 & 1 & 0 & -2 & \bigm| & -1 & -3 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & -3 & \bigm| & -1 & -4 & 1 \end{pmatrix} \\ &\to \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 & \bigm| & 2 & 6 & -1 \\ 0 & 1 & 0 & -2 & \bigm| & -1 & -3 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & -3 & \bigm| & -1 & -4 & 1 \end{pmatrix} \\ &\text{对}\ A\beta_1 = \begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix}\text{,对应}\ \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 & \bigm| & 2 \\ 0 & 1 & 0 & -2 & \bigm| & -1 \\ 0 & 0 & 1 & -3 & \bigm| & -1 \end{pmatrix},\ \text{通解为}\ P_1 = c_1\begin{pmatrix} -1 \\ 2 \\ 3 \\ 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 2 \\ -1 \\ -1 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 - c_1 \\ -1 + 2c_1 \\ -1 + 3c_1 \\ c_1 \end{pmatrix},\ c_1\in\mathbb{R} \\ &\text{对}\ A\beta_1 = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix}\text{,对应}\ \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 & \bigm| & 6 \\ 0 & 1 & 0 & -2 & \bigm| & -3 \\ 0 & 0 & 1 & -3 & \bigm| & -4 \end{pmatrix},\ \text{通解为}\ P_1 = c_2\begin{pmatrix} -1 \\ 2 \\ 3 \\ 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 6 \\ -3 \\ -4 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 - c_2 \\ -3 + 2c_2 \\ -4 + 3c_2 \\ c_2 \end{pmatrix},\ c_2\in\mathbb{R} \\ &\text{对}\ A\beta_1 = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}\text{,对应}\ \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 1 & \bigm| & -1 \\ 0 & 1 & 0 & -2 & \bigm| & 1 \\ 0 & 0 & 1 & -3 & \bigm| & 1 \end{pmatrix},\ \text{通解为}\ P_1 = c_3\begin{pmatrix} -1 \\ 2 \\ 3 \\ 1 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} -1 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 - c_3 \\ 1 + 2c_3 \\ 1 + 3c_3 \\ c_3 \end{pmatrix},\ c_3\in\mathbb{R} \\ \end{aligned}(2) 1012123104131000100011002143134111010100011002103114131010140011002100015234111234311100010001123211634111 Aβ1=100,对应 100010001123211, 通解为 P1=c11231+2110=2c11+2c11+3c1c1, c1R Aβ1=010,对应 100010001123634, 通解为 P1=c21231+6340=6c23+2c24+3c2c2, c2R Aβ1=001,对应 100010001123111, 通解为 P1=c31231+1110=1c31+2c31+3c3c3, c3R
B=(2−c16−c2−1−c3−1+2c1−3+2c21+2c3−1+3c1−4+3c21+3c3c1c2c3),其中c1,c2,c3为任意常数 \boxed{B} = \begin{pmatrix} 2 - c_1 & 6 - c_2 & -1 - c_3 \\ -1 + 2c_1 & -3 + 2c_2 & 1 + 2c_3 \\ -1 + 3c_1 & -4 + 3c_2 & 1 + 3c_3 \\ c_1 & c_2 & c_3 \end{pmatrix} ,其中c_{1},c_{2},c_{3}为任意常数B=2c11+2c11+3c1c16c23+2c24+3c2c21c31+2c31+3c3c3,其中c1,c2,c3为任意常数
【小结】对矩阵方程Ax=B,如果矩阵A不为可逆矩阵(不可逆或是不为方阵),① 思路:结合线性方程组,设x=(ξ1,⋯ ,ξn), B=(β1,⋯ ,βn),代入可得Aξi=βi, i=1,⋯ ,n。可见,计算x相当要求解这n个非齐次线性方程组;② 注意:不必分别对(A∣βi), i=1,2,⋯ ,n做初等行变换,将这些线性方程组的常数列写在一起,对大型增广矩阵(A∣B)做一次初等行变换即可。\begin{aligned} &\text{【小结】对矩阵方程}Ax = B\text{,如果矩阵}A\text{不为可逆矩阵(不可逆或是不为方阵),} \\ &①\ \text{思路:结合线性方程组,设}x = (\xi_1,\cdots,\xi_n),\ B = (\beta_1,\cdots,\beta_n)\text{,代入可得} \\ &\quad A\xi_i = \beta_i,\ i = 1,\cdots,n\text{。可见,计算}x\text{相当要求解这}n\text{个非齐次线性方程组;} \\ &②\ \text{注意:不必分别对}(A|\beta_i),\ i = 1,2,\cdots,n\text{做初等行变换,将这些线性方程组的常数列} \\ &\quad\text{写在一起,对大型增广矩阵}(A|B)\text{做一次初等行变换即可。} \\ \end{aligned}【小结】对矩阵方程Ax=B,如果矩阵A不为可逆矩阵(不可逆或是不为方阵), 思路:结合线性方程组,设x=(ξ1,,ξn), B=(β1,,βn),代入可得Aξi=βi, i=1,,n。可见,计算x相当要求解这n个非齐次线性方程组; 注意:不必分别对(Aβi), i=1,2,,n做初等行变换,将这些线性方程组的常数列写在一起,对大型增广矩阵(AB)做一次初等行变换即可。
![[Pasted image 20251120181411.png]]

解:(A∣B)=(1−1−1∣222a1∣1a−11a∣−a−1−2)→(1−1−1∣220a+23∣−3a−400a−1∣1−a0)① 若a+2=0,即a=−2(1−1−1∣22003∣−3−600−3∣30)→(1−1−1∣22001∣−1−2000∣0−6), r(A)=2, r(A∣B)=3,故无解.② 若a+2≠0, a=1时(1−1−1∣22033∣−3−3000∣00)→(100∣11011∣−1−1000∣00), 其中Ax=(21−2)的通解为(1−1−c1c1),故X=(11−1−c1−1−c2c1c2)\begin{aligned} &\text{解:}(A|B) = \begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \bigm| & 2 & 2 \\ 2 & a & 1 & \bigm| & 1 & a \\ -1 & 1 & a & \bigm| & -a-1 & -2 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \bigm| & 2 & 2 \\ 0 & a+2 & 3 & \bigm| & -3 & a-4 \\ 0 & 0 & a-1 & \bigm| & 1-a & 0 \end{pmatrix} \\ &①\ \text{若}a+2 = 0\text{,即}a = -2 \\ &\quad\begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \bigm| & 2 & 2 \\ 0 & 0 & 3 & \bigm| & -3 & -6 \\ 0 & 0 & -3 & \bigm| & 3 & 0 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \bigm| & 2 & 2 \\ 0 & 0 & 1 & \bigm| & -1 & -2 \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 0 & -6 \end{pmatrix},\ r(A) = 2,\ r(A|B) = 3\text{,故无解.} \\ &②\ \text{若}a+2 \neq 0,\ a = 1\text{时} \\ &\quad\begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \bigm| & 2 & 2 \\ 0 & 3 & 3 & \bigm| & -3 & -3 \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 0 & 0 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & \bigm| & 1 & 1 \\ 0 & 1 & 1 & \bigm| & -1 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 0 & 0 \end{pmatrix},\ \text{其中}Ax = \begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ -2 \end{pmatrix}\text{的通解为}\begin{pmatrix} 1 \\ -1 - c_1 \\ c_1 \end{pmatrix} , \text{故}X = \begin{pmatrix} 1 & 1\\ -1 - c_{1}&-1 - c_2 \\ c_1 &c_2\\ \end{pmatrix}\\ \end{aligned}解:(AB)=1211a111a21a12a21001a+2013a1231a2a40 a+2=0,即a=2100100133233260100100110210226, r(A)=2, r(AB)=3,故无解. a+2=0, a=1100130130230230100010010110110, 其中Ax=212的通解为11c1c1,X=11c1c111c2c2
③ 当a≠−2且a≠1时(1−1−1∣220a+23∣−3a−400a−1∣1−a0)→(1−10∣120a+20∣0a−4001∣−10)→(100∣13aa+2010∣0a−4a+2001∣−10)\begin{aligned} &\text{③ 当}a \neq -2\text{且}a \neq 1\text{时} \\ &\quad\begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \bigm| & 2 & 2 \\ 0 & a+2 & 3 & \bigm| & -3 & a-4 \\ 0 & 0 & a-1 & \bigm| & 1-a & 0 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & -1 & 0 & \bigm| & 1 & 2 \\ 0 & a+2 & 0 & \bigm| & 0 & a-4 \\ 0 & 0 & 1 & \bigm| & -1 & 0 \end{pmatrix} \\ &\quad\to \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & \bigm| & 1 & \frac{3a}{a+2} \\ 0 & 1 & 0 & \bigm| & 0 & \frac{a-4}{a+2} \\ 0 & 0 & 1 & \bigm| & -1 & 0 \end{pmatrix} \\ \end{aligned}③ a=2a=11001a+2013a1231a2a401001a+200011012a40100010001101a+23aa+2a40
方程有唯一解,此时方程的解为 X=(13aa+20a−4a+2−10);\text{方程有唯一解,此时方程的解为}\ X = \begin{pmatrix} 1 & \dfrac{3a}{a+2} \\ 0 & \dfrac{a-4}{a+2} \\ -1 & 0 \end{pmatrix};方程有唯一解,此时方程的解为 X=101a+23aa+2a40;
![[Pasted image 20251120194252.png]]

解:(1) A经初等列变换化为B,则A与B等价,r(A)=r(B)A=(12α13027−α)→(12α01−α03−3α)→(12α01−α000), r(A)=2.B=(1α2011−111)→(1α20110α+13)→(1α2011002−α), 当α=2时,r(B)=r(A)=2.\begin{aligned} &\text{解:(1)}\ A\text{经初等列变换化为}B\text{,则}A\text{与}B\text{等价,}r(A) = r(B) \\ &A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & \alpha \\ 1 & 3 & 0 \\ 2 & 7 & -\alpha \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 2 & \alpha \\ 0 & 1 & -\alpha \\ 0 & 3 & -3\alpha \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 2 & \alpha \\ 0 & 1 & -\alpha \\ 0 & 0 & 0 \end{pmatrix},\ r(A) = 2. \\ &B = \begin{pmatrix} 1 & \alpha & 2 \\ 0 & 1 & 1 \\ -1 & 1 & 1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & \alpha & 2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & \alpha + 1 & 3 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & \alpha & 2 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 2 - \alpha \end{pmatrix},\ \text{当}\alpha = 2\text{时,}r(B) =r(A)= 2. \\ \end{aligned}解:(1) A经初等列变换化为B,则AB等价,r(A)=r(B)A=112237α0α100213αα3α100210αα0, r(A)=2.B=101α11211100α1α+1213100α10212α, α=2时,r(B)=r(A)=2.
(2) 设P=(ξ1,ξ2,ξ3), B=(β1,β2,β3)(122∣122130∣01127−2∣−111)→(122∣12201−2∣−1−1−103−6∣−3−3−3)→(106∣34401−2∣−1−1−1000∣000), P=(3−6k14−6k24−6k3−1+2k1−1+2k2−1+2k3k1k2k3)P→(344−1−1−1k1k2k3)→(011111k1k2k3)→(011100k1k2k3)→(10001100k3−k2), 当k3≠k2时,P可逆.即 P=(3−6k14−6k24−6k3−1+2k1−1+2k2−1+2k3k1k2k3), k3≠k2\begin{aligned} &(2)\ \text{设}P = (\xi_1, \xi_2, \xi_3),\ B = (\beta_1, \beta_2, \beta_3) \\ &\begin{pmatrix} 1 & 2 & 2 & \bigm| & 1 & 2 & 2 \\ 1 & 3 & 0 & \bigm| & 0 & 1 & 1 \\ 2 & 7 & -2 & \bigm| & -1 & 1 & 1 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 2 & 2 & \bigm| & 1 & 2 & 2 \\ 0 & 1 & -2 & \bigm| & -1 & -1 & -1 \\ 0 & 3 & -6 & \bigm| & -3 & -3 & -3 \end{pmatrix} \\ &\to \begin{pmatrix} 1 & 0 & 6 & \bigm| & 3 & 4 & 4 \\ 0 & 1 & -2 & \bigm| & -1 & -1 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix},\ P = \begin{pmatrix} 3 - 6k_1 & 4 - 6k_2 & 4 - 6k_3 \\ -1 + 2k_1 & -1 + 2k_2 & -1 + 2k_3 \\ k_1 & k_2 & k_3 \end{pmatrix} \\ &P \to \begin{pmatrix} 3 & 4 & 4 \\ -1 & -1 & -1 \\ k_1 & k_2 & k_3 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ 1 & 1 & 1 \\ k_1 & k_2 & k_3 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 0 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & 0 \\ k_1 & k_2 & k_3 \end{pmatrix} \\ &\to \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & k_3 - k_2 \end{pmatrix},\ \text{当}k_3 \neq k_2\text{时,}P\text{可逆}. \\ &\text{即}\ P = \begin{pmatrix} 3 - 6k_1 & 4 - 6k_2 & 4 - 6k_3 \\ -1 + 2k_1 & -1 + 2k_2 & -1 + 2k_3 \\ k_1 & k_2 & k_3 \end{pmatrix},\ k_3 \neq k_2 \\ \end{aligned}(2) P=(ξ1,ξ2,ξ3), B=(β1,β2,β3)112237202101211211100213226113213213100010620310410410, P=36k11+2k1k146k21+2k2k246k31+2k3k3P31k141k241k301k111k211k301k110k210k310001001k3k2, k3=k2时,P可逆. P=36k11+2k1k146k21+2k2k246k31+2k3k3, k3=k2
(1) A经初等列变换化为B  ⟹  r(A)=r(B)但反过来不成立。A=(1000010000000000), B=(0000000000100001), r(A)=r(B)=2,但A不可能通过初等列变换化为B.则(1)的解法有可能扩大解的范围,故解得结果应该再验证。\begin{aligned} &(1)\ A\text{经初等列变换化为}B \implies r(A) = r(B) \\ &\quad\text{但反过来不成立。} \\ &A = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix},\ B = \begin{pmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix},\ r(A) = r(B) = 2, \\ &\quad\text{但}A\text{不可能通过初等列变换化为}B. \\ &\quad\text{则}(1)\text{的解法有可能扩大解的范围,故解得结果应该再验证。} \\ \end{aligned}(1) A经初等列变换化为Br(A)=r(B)但反过来不成立。A=1000010000000000, B=0000000000100001, r(A)=r(B)=2,A不可能通过初等列变换化为B.(1)的解法有可能扩大解的范围,故解得结果应该再验证。
如何验证?(2) 法2:A可经初等列变换化为矩阵B说明存在一个可逆矩阵P,满足AP=B,也即AX=B存在一个可逆的解X.(A∣B)=(12α∣1α2130∣01127−α∣−111)→(12α∣1α201−α∣−11−α−103−3α∣−31−2α−3)→(12α∣1α201−α∣−11−α−1000∣0α−20)为保证AX=B有解,α=2.当α=2时,重复第2问过程,则P存在,故A可通过初等列变换化为矩阵B.\begin{aligned} &\text{如何验证?} \\ &(2)\ \text{法2:}A\text{可经初等列变换化为矩阵}B \\ &\quad\text{说明存在一个可逆矩阵}P\text{,满足}AP = B, \\ &\quad\text{也即}AX = B\text{存在一个可逆的解}X. \\ &(A|B) = \begin{pmatrix} 1 & 2 & \alpha & \bigm| & 1 & \alpha & 2 \\ 1 & 3 & 0 & \bigm| & 0 & 1 & 1 \\ 2 & 7 & -\alpha & \bigm| & -1 & 1 & 1 \end{pmatrix} \\ &\to \begin{pmatrix} 1 & 2 & \alpha & \bigm| & 1 & \alpha & 2 \\ 0 & 1 & -\alpha & \bigm| & -1 & 1-\alpha & -1 \\ 0 & 3 & -3\alpha & \bigm| & -3 & 1-2\alpha & -3 \end{pmatrix} \to \begin{pmatrix} 1 & 2 & \alpha & \bigm| & 1 & \alpha & 2 \\ 0 & 1 & -\alpha & \bigm| & -1 & 1-\alpha & -1 \\ 0 & 0 & 0 & \bigm| & 0 & \alpha-2 & 0 \end{pmatrix} \\ &\text{为保证}AX = B\text{有解,}\alpha = 2. \\ &\text{当}\alpha = 2\text{时,重复第2问过程,} \\ &\text{则}P\text{存在,故}A\text{可通过初等列变换化为矩阵}B. \\ \end{aligned}如何验证?(2) 2A可经初等列变换化为矩阵B说明存在一个可逆矩阵P,满足AP=B,也即AX=B存在一个可逆的解X.(AB)=112237α0α101α11211100213αα3α113α1α12α213100210αα0110α1αα2210为保证AX=B有解,α=2.α=2时,重复第2问过程,P存在,故A可通过初等列变换化为矩阵B.
【小结】① 矩阵A通过初等变换化为B的充要条件是r(A)=r(B);矩阵A通过初等列(行)变换化为B的必要非充分条件是r(A)=r(B)。② 一般来说,在解题中,利用必要非充分条件解题,均有可能扩大解的范围,若求出有两个解,则必须验证是否会舍掉一个解,若求出只有一个解,则不必验证,因为从考试规律来看,题目均是有解的。\begin{aligned} &\text{【小结】}①\ \text{矩阵}A\text{通过初等变换化为}B\text{的充要条件是}r(A) = r(B)\text{;矩阵}A\text{通过初等} \\ &\quad\text{列(行)变换化为}B\text{的必要非充分条件是}r(A) = r(B)\text{。} \\ &②\ \text{一般来说,在解题中,利用必要非充分条件解题,均有可能扩大解的范围,若求出有} \\ &\quad\text{两个解,则必须验证是否会舍掉一个解,若求出只有一个解,则不必验证,因为从考试} \\ &\quad\text{规律来看,题目均是有解的。} \\ \end{aligned}【小结】 矩阵A通过初等变换化为B的充要条件是r(A)=r(B);矩阵A通过初等列(行)变换化为B的必要非充分条件是r(A)=r(B) 一般来说,在解题中,利用必要非充分条件解题,均有可能扩大解的范围,若求出有两个解,则必须验证是否会舍掉一个解,若求出只有一个解,则不必验证,因为从考试规律来看,题目均是有解的。

评论
成就一亿技术人!
拼手气红包6.0元
还能输入1000个字符
 
红包 添加红包
表情包 插入表情
 条评论被折叠 查看
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值