MIT线性代数笔记Lecture7-Lecture8

本文深入讲解了线性代数中的关键概念,包括齐次和非齐次线性方程组的求解方法,零空间和列空间的理解,以及矩阵秩的详细解析。通过实例演示了消元法的应用,探讨了方程组可解性的条件,以及如何求解特解和通解。

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Lecture7 求解齐次线性方程组Ax=0Ax=0Ax=0

1.零空间的计算

  • 计算方法
    例如:
    A=[1222246836810] A=\begin{bmatrix} 1&2&2&2\\ 2&4&6&8\\ 3&6&8&10 \end{bmatrix} A=1232462682810
    求解A的零空间。
    方法:利用消元法
    (消元法的本质是将一个方程的n倍加到另一个方程,因此不会改变方程组的解,可以用来求解零空间):

    过程如下:
    Step1:
    A=[1222246836810]→[122200240024] A= \begin{bmatrix} 1&2&2&2\\ 2&4&6&8\\ 3&6&8&10 \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1&2&2&2\\ 0&0&2&4\\ 0&0&2&4 \end{bmatrix} A=1232462682810100200222244
    通过消元,我们发现在第二行第二列的位置为0且在下面的几行中也找不到可以替换的行,说明第二列其实是前面各列的线性组合,也即和前面的列线性相关。这时候可以称第二列是自由(free)的。
    Step2:
    [122200240024]→[122200240000]=U \begin{bmatrix} 1&2&2&2\\ 0&0&2&4\\ 0&0&2&4 \end{bmatrix} \rightarrow \begin{bmatrix} 1&2&2&2\\ 0&0&2&4\\ 0&0&0&0 \end{bmatrix}=U 100200222244100200220240=U
    进一步,将矩阵可以化成如下的阶梯状的形式(echelon form)。通过观察可以看出矩阵的主元数量为2,也就是有效方程的个数为2,矩阵的秩(rank)是2。
    秩(Rank)在算法中的意义:
    对于一个m×nm \times nm×n的矩阵,
    它的秩r=r=r= 消元后主元的个数,从方程组的角度本质是有效方程的数量。
    如果它的秩为rrr,它的自由变量的个数为n−rn-rnr
    Step3:
    根据UUU的主元变量,即每一行第一个不为零的数,得到主元列(pivot columns)和自由列(free columns),上例中主元列为1,3列,自由列为2,4列。
    free的含义:
    对于2,4列而言,我们可以取任意的两个数x2x_2x2x4x_4x4,之后可以根据任取的x2x_2x2x4x_4x4,利用方程组来求解x1x_1x1x3x_3x3
    Step4:
    (1) 假设:x2=1x_2=1x2=1x4=0x_4=0x4=0
    可以解得:x1=−2x_1=-2x1=2x3=0x_3=0x3=0,也即x=[−2100]x=\begin{bmatrix}-2\\1\\0\\0\end{bmatrix}x=2100
    对于xxx:
    通过xxx可知第一列的-2倍加上第二列等于0向量。
    xxx是方程组的一个特解。
    xxx是0空间中的1个向量。
    (2) 假设:x2=0x_2=0x2=0x4=1x_4=1x4=1
    可以解得:x1=−2x_1=-2x1=2x3=0x_3=0x3=0,也即x′=[20−21]x^\prime=\begin{bmatrix}2\\0\\-2\\1\end{bmatrix}x=2021x′x^\primex也是0空间中的1个向量。
    (3) 由以上两步得到零空间中的两个向量,由这两个向量的线性组合,可以得到整个零空间中的向量满足。
    xN=c[−2100]+d[20−21]x_N=c\begin{bmatrix}-2\\1\\0\\0\end{bmatrix}+d\begin{bmatrix}2\\0\\-2\\1\end{bmatrix}xN=c2100+d2021
    Step5:
    为了以一种更清楚的方式得到零空间中的一组线性无关列向量:
    UUU简化得到简化的阶梯矩阵RRR(reduced row echelon form):
    向上进行消元,将主元列中除主元外其他项变成0,然后将主元变为1;
    U=[122200240000]→[120−200240000]→[120−200120000]=R U= \begin{bmatrix} 1&2&2&2\\ 0&0&2&4\\ 0&0&0&0 \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1&2&0&-2\\ 0&0&2&4\\ 0&0&0&0 \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1&2&0&-2\\ 0&0&1&2\\ 0&0&0&0 \end{bmatrix}=R U=100200220240100200020240100200010220=R
    通过观察可以看出,在主元列和主元行恰好构成了一个单位阵III
    而自由列和自由行构成的部分,设为FFF
    假设RRR的前rrr列为主元列。
    RRR可以写为:R=[I∣   F]R=\begin{bmatrix}I&| \ \ \ F&\end{bmatrix}R=[I   F]
    RRR的0空间为NNN列向量构成的空间,
    RN=0,R=[I∣   F]RN = 0,R=\begin{bmatrix}I&| \ \ \ F&\end{bmatrix} RN=0,R=[I   F]
    ⇒N=[−F− −I] \Rightarrow N= \begin{bmatrix}-F\\-\ -\\I\end{bmatrix} N=F I
    上述寻找NNN的过程可以描述为:
    (1)先在自由变量的位置写上一个III矩阵
    相当于寻找每个特解时,将一个自由变量设为1,其余全部设为0,对于上例:
    N=[∗∗10∗∗01] N= \begin{bmatrix} *&*\\ 1&0\\ *&*\\ 0&1 \end{bmatrix} N=1001
    (2)RRR的自由列取反后补充到剩余位置
    N=[−22100−201] N= \begin{bmatrix} -2&2\\ 1&0\\ 0&-2\\ 0&1 \end{bmatrix} N=21002021

Lecture8 求解非齐次线性方程组Ax=bAx=bAx=b

1.解法

  • 例如:
    A=[1222246836810],Ax=b,b=[156] A=\begin{bmatrix} 1&2&2&2\\ 2&4&6&8\\ 3&6&8&10 \end{bmatrix} ,Ax=b,b=\begin{bmatrix}1\\5\\6\end{bmatrix} A=1232462682810,Ax=b,b=156
    Ax=0Ax=0Ax=0类似,也是利用消元法:
    写出Ax=bAx=bAx=b的增广矩阵(augmented matrix),之后经过消元变为阶梯矩阵的形式。
    [1222∣b12468∣b236810∣b3]→[1222∣b10024∣b2−2b10024∣b3−3b1]→[1222∣b1(1)0024∣b2−2b1(3)0000∣b3−b2−b1(0)] \begin{bmatrix} 1&2&2&2&|&b_1\\ 2&4&6&8&|&b_2\\ 3&6&8&10&|&b_3 \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1&2&2&2&|&b_1\\ 0&0&2&4&|&b_2-2b_1\\ 0&0&2&4&|&b_3-3b_1 \end{bmatrix}\rightarrow \begin{bmatrix} 1&2&2&2&|&b_1(1)\\ 0&0&2&4&|&b_2-2b_1(3)\\ 0&0&0&0&|&b_3-b_2-b_1(0) \end{bmatrix} 1232462682810b1b2b3100200222244b1b22b1b33b1100200220240b1(1)b22b1(3)b3b2b1(0)
  • 方程组可解性(Solve Ability):
    由之前学过的知识可知bbbAAA的列空间时,方程组有解。
    这里可以用另一种思维考虑:
    若A的行的线性组合可以产生0行,右侧b按同种规则组合也为0。
  • 如何求解Ax=bAx=bAx=b
    (1) Step1:找到一个特解(particular solution)
    将方程组的所有自由变量设成0,求解主元变量。
    上例中为:
    {x1+2x3=22x3=3\begin{cases} x_1+2x_3=2\\ 2x_3=3\\ \end{cases} {x1+2x3=22x3=3
    特解可以得出为:xp=[−203/20]x_p=\begin{bmatrix}-2\\0\\3/2\\0\end{bmatrix}xp=203/20
    (2)Step2:方程的解可以加上0空间中任何向量,得到通解(complete solution)
    x=xp+xNx = x_p+x_Nx=xp+xN
    解释:
    xpx_pxp得到的过程可知Axp=bAx_p=bAxp=b。而AxN=0Ax_N=0AxN=0
    得到:A(xp+xN)=Axp+AxN=0A(x_p+x_N)=Ax_p+Ax_N=0A(xp+xN)=Axp+AxN=0
    所以例子中的解为:
    x=xN+xp=c[−2100]+d[20−21]+[−203/20] x=x_N+x_p=c\begin{bmatrix}-2\\1\\0\\0\end{bmatrix}+d\begin{bmatrix}2\\0\\-2\\1\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}-2\\0\\3/2\\0\end{bmatrix} x=xN+xp=c2100+d2021+203/20
    是4维空间内的一个平面。
  • 关于矩阵秩的讨论
    m×nm\times nm×n矩阵秩为rrr
    r≤m,r≤nr\leq m,r\leq nrm,rn
    满秩情况分为两种:
    (1)列满秩(r=nr = nr=n):意味着每一列都有主元,也就是没有自由变量。N(A)N(A)N(A)中只有零向量。
    x=xpx = x_px=xp(Unique solution if it exist)
    Ax=bAx=bAx=b如果存在解则为有唯一解。
    (2)行满秩(r=mr = mr=m):每一行都有主元。
    Ax=bAx=bAx=b一定有解,因为无解只出现在消元后方程组左侧为0,右侧不为0的情况。行满秩意味着消元后左侧没有零行。
    将会有n−rn-rnr个自由变量。
    (3)总结
    • r=m=nr = m = nr=m=n:有且仅有唯一解,方阵可逆。
      A消元后的矩阵为[ I ]\begin{bmatrix} \ I \ \end{bmatrix}[ I ]
    • r=n&lt;mr = n &lt; mr=n<m:有唯一解或无解。
      A消元后的矩阵为[ I −−0]\begin{bmatrix} \ I \ \\ -- \\ 0\end{bmatrix} I 0
    • r=m&lt;nr = m &lt; nr=m<n:一定有无穷多解,且解的形式为一个特解+零空间内任意向量。
      A消元后的矩阵为[ I ∣  F]\begin{bmatrix} \ I \ &amp;| \ \ &amp;F\end{bmatrix}[ I   F]
    • r&lt;m , r&lt;nr &lt; m \ , \ r&lt;nr<m , r<n:可能无解,也可能有无穷多解。
      A消元后的矩阵为[ I ∣  F−−−−−− 0 ∣  0]\begin{bmatrix} \ I \ &amp;| \ \ &amp;F \\ --&amp;--&amp;--\\ \ 0\ &amp;| \ \ &amp;0 \end{bmatrix} I  0     F0
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