2.2 消元法的概念

一、消元法介绍

消元法（elimination）是一个求解线性方程组的系统性方法。下面是使用消元法求解一个 $2\times 2$ 线性方程组的例子。消元之前，两个方程都有 $x$ 和 $y$，消元后，第一个未知数 $x$ 将从第二个方程消失：

新的方程 $8y=8$ 能够直接得到 $y=1$，再将 $y=1$ 回代到第一个方程 $x-2y=1$，求得 $x=3$，则解就是 $(x,y)=(3,1)$。
消元法的目的是得到一个上三角形系统。非零系数 $1,-2,8$ 形成一个三角形，这个系统从底部向上求解。首先得到 $y=1$，然后求得 $x=3$。这个过程称之为回代。经过消元法得到的三角形，回代可以在任意大小（行和列）的上三角形上使用。
重点： 原始方程组有着相同的解 $x=3,y=1$。Figure 2.5 中对这两个系统都使用了一对直线来表示，它们均相交于点 $(3,1)$。即经过消元后，它们会交于相同的点，每一步的方程都有相同的解。

如何从第一对直线得到第二对直线呢？将第一个方程乘 $3$，然后用第二个方程减去第一个方程。目的是消去未知数 $x$：

消去 $x$：从方程 $2$ 减去方程 $1$ 的倍数

$3$ 乘 $x-2y=1$ 得到 $3x-6y=3$，从方程 $3x+2y=11$ 减去上面的方程，右侧得到 $8$，重点是左侧 $3x$ 与 $3x$ 相消得到 $2y-(-6y)=8y$，消去了 $x$，系统变成了三角形。
如何得到乘数 $l=3$ 呢？第一个方程包含 $1x$，所以第一个主元是 $1$（$x$ 的系数），第二个方程包含 $3x$，所以乘数是 $3$。$3x-3x$ 就可以得到零和三角形。
如果将第一个方程变为 $4x-8y=4$（同样的直线，但是第一个主元变成 $4$）。现在乘数就变成了 $l=3/4$。把需要消去的系数 $3$ 除以主元 $4$ 就可以得到乘数：

最终仍然是个三角形系统，通过最后一个方程得到 $y=1$。回代后得到 $4x-8=4$，解得 $x=3$。这里虽然改变了数字，但是直线是不变的，解也就不会变。

$$\begin{gathered} 主元=经过消元后的行的第一个非零数 \\ 乘数=（需要消去的元）/（主元）=3/4 \end{gathered}$$

新的第二个方程是从第二主元开始的，主元是 $8$。如果要解 $n$ 个方程，那么需要 $n$ 个主元，完成消元后，这些主元都会在三角形的对角线上。

二、消元法失效

正常情况下消元法可以找到解，但是也有失效的情况。有时会遇到除以 $0$ 的情况，这种情况下可能需要调整顺序，也可能消元法完全失效。
一般有如下三种例题的情况：例 1 是无解的情况，例 2 是有无穷解，例 3 可以通过交换方程的顺序来解决。
【例1】无解而完全失效。消元过后可以清楚的看到：$$\begin{array}{c}x-2y=1\\ 3x-6y=11\end{array}消元后\begin{array}{c}x-2y=1\\ 0y=8\end{array}$$ $0y=8$ 无解。正常情况下是右侧的 $8$ 除以第二个主元，但是这里没有第二个主元（零不允许是主元）。从 Figure 2.6 中的行图像和列图像可以看出失效的原因。如果系统无解，那么消元过程中就会出现类似 $0y=8$ 这样形式的方程。

行图像中可以发现这是两条平行线，平行线是没有交点的，若方程组有解，那么这个解必定会同时落在两条直线上。这两条直线没有交点，所以方程组无解。
列图像中可以看出两个列向量 $(1,3)$ 和 $(-2,-6)$ 位于同一个方向（同向或反向），所有列的线性组合都在同一直线上，但是右侧的列 $(1,11)$ 不在这条直线上。不存在正确列的线性组合可以得到右侧的向量，因此方程组无解。
若将右侧改为 $(1,3)$，那么会因为一整条直线都是解而失效。例 2 是由无穷多个解。
【例2】无限多解而失效。将 $\mathbf{b}$ 从 $(1,11)$ 改成 $(1,3)$。$$\begin{array}{c}x-2y=1\\ 3x-6y=3\end{array}消元后\begin{array}{c}x-2y=1\\ 0y=0\end{array}仍然仅有一个主元$$所有的 $y$ 都满足方程 $0y=0$，实际上只有一个方程 $x-2y=1$。未知数 $y$ 是自由的，当 $y$ 选定后，通过 $x=2y+1$ 也就可以确定 $x$。
Figure 2.7 是该方程组的行图像和列图像。

此时的行图像，两条平行线变成了同一条直线，直线上的每一点都同时满足两个方程。
列图像中，$\mathbf{b}=(1,3)$ 与列 $1$ 相同。所以列的线性组合可以是 $x=1,y=0$，也可以是 $x=0,y=-1/2$。对于每一行的解 $(x,y)$ 同样也是列的解。
关于消元法：

失效 $n$ 个方程无法得到 $n$ 个主元
消元法得到方程 $0\ne 0$（无解），或 $0=0$（无限多解）
得到 $n$ 个主元表示成功，但是可能需要交换这 $n$ 个方程的顺序。

第三种消元法失效的情况下可以通过交换方程的顺序来解决。假设第一个主元的位置是 $0$，而 $0$ 不能作为主元。当第一个方程没有 $x$ 项时，我们可以将它与下面的方程交换：
【例3】暂时失效（主元出现 $0$）。交换行可以得到两个主元：$$重新排列\begin{array}{c}0x+2y=4\\ 3x-2y=5\end{array}两个方程交换\begin{array}{c}3x-2y=5\\ 2y=4\end{array}$$新的系统已经是三角形了。这个例子可以直接进行回代，最后一个方程得到 $y=2$，回代到第一个方程可以得到 $x=3$。本例行图像是正常的（两条相交直线），列图像也是正常的（列向量不在同一方向）。主元 $3$ 和 $2$ 也是正常的。但是需要进行一次行交换。
例 1 和例 2 是奇异的 —— 没有第二个主元。例 3 是非奇异的 —— 每个主元都存在，仅有一个解。奇异方程无解或有无限多解，非奇异方程仅有一个解。主元因为要做除数，所以不能是零。

三、三个方程三个未知数

为了更深入的理解高斯消元法，$2\times 2$ 的系统是不够的，下面将以 $3\times 3$ 的系统为例。现在的系数矩阵都是方形的 —— 行数与列数相等。$$\begin{array}{c}2x+4y-2z=2\\ 4x+9y-3z=8\\ -2x-3y+7z=10\end{array}(\mathrm{2.2.1})$$第一个主元是 $2$（左上角），这个主元下方是要消去的 $4$，第一个乘数就是 $4/2=2$。第一个方程乘 $l_{21}=2$ 后，用第二个方程减去上面的结果，即可将 $4x$ 消去：
步骤1： 从方程 2 中减去 2 乘方程 1，得：$y+z=4$
我们也需要使用第一个主元消去第三个方程中的 $-2x$。最快的方法是将方程 3 与方程 1 相加，但是为了更系统的实现消元，我们仍然使用相同的方法，使用先乘后减的方法。乘数 $l_{31}=-2/2=-1$，将其与第一个方程相乘后，在从第三个方程减去上述结果：
步骤2： 方程 3 减去 $-1$ 乘方程 1，得：$y+5z=12$。
新的方程只包含了两个未知数 $y$ 和 $z$，第二个主元是 $1$：$$x已经被消去\begin{array}{c}1y+1z=4\\ 1y+5z=12\end{array}$$我们已经得到一个 $2\times 2$ 的系统，最后一步消去 $y$ 得到 $1\times 1$ 的系统：
步骤3： 新的方程 3 减去 $1$ 乘新的方程 2，乘数是 $l_{32}=1/1=1$，得到 $4z=8$。
原始的 $A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ 转换成了上三角形 $U\mathbf{x}=\mathbf{c}$：

至此消元的目的达成，从 $A$ 到 $U$ 完成了前向消元。注意 $U$ 的对角线就是主元 $2,1,4$。原始系统中主元 $1$ 和 $4$ 被隐藏了，通过消元法可以找到它们。$U\mathbf{x}=\mathbf{c}$ 的形式可以使用回代来解方程组了：$$(4z=8得z=2)(y+z=4得y=2)(2x+4y-2z=2得x=-1)$$方程组的解是 $(x,y,z)=(-1,2,2)$。行图像中三个方程形成三个平面，这三个平面都会经过解。原始的平面都是倾斜的，经过消元后最后一个平面 $4z=8$ 是水平的。
列图像显示列向量的线性组合 $A\mathbf{x}$ 产生右侧的向量 $\mathbf{b}$，组合系数 $(x,y,z)=(-1,2,2)$：$$A\mathbf{x}=(-1)\left[\begin{array}{c}2\\ 4\\ -2\end{array}\right]+2\left[\begin{array}{c}4\\ 9\\ -3\end{array}\right]+2\left[\begin{array}{c}-2\\ -3\\ 7\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}2\\ 8\\ 10\end{array}\right]=\mathbf{b}(\mathrm{2.2.3})$$三角形 $U\mathbf{x}=\mathbf{c}$ 与 $A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ 有相同的列向量组合 $(-1,2,2)$ 产生右侧向量。

四、从 A 到 U 的消元法

对于 $4\times 4$ 或者 $n\times n$ 的问题，消元法的步骤都是一样的。当高斯消元法成功时，系数矩阵将一列接一列的从 $A$ 变成 $U$。
列1.   \,\,利用第一个方程将第一个主元下的都变成 0.
列2.   \,\,利用新得到的第二个方程将第二个主元下的都变成 0.
列 3 到列 n.   \,\,重复上述步骤，找到 $n$ 个主元和上三角矩阵 $U$.
$$列2之后有\left[\begin{array}{cccc}x& x& x& x\\ 0& x& x& x\\ 0& 0& x& x\\ 0& 0& x& x\end{array}\right]，最终目标\left[\begin{array}{cccc}x& x& x& x\\ 0& x& x& x\\ 0& 0& x& x\\ 0& 0& 0& x\end{array}\right](\mathrm{2.1.4})$$前向消元法的结果是一个上三角形系统，如果 $n$ 个主元均存在（非零数字），则矩阵是非奇异的。

五、主要内容总结

1. 线性系统 $A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ 成功消元后变成上三角形 $U\mathbf{x}=\mathbf{c}$。
2. 从方程 $i$ 减去 $l_{ij}$ 乘方程 $j$ 使得单元 $(i,j)$ 为 $0$。
3. 乘数 $l_{ij}=\frac{行i要消去的单元}{行j的主元}$，主元不为 $0$。
4. 当主元的位置为 $0$ 时，如果下面有非零单元，交换行。
5. 上三角 $U\mathbf{x}=\mathbf{c}$ 使用回代的方法求解。（从底到上）
6. 当消元法完全失效时，$A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ 无解或有无限多解。

六、例题

【例4】对矩阵 $A$ 进行消元法，第一主元和第二主元是什么？第一步的乘数 $l_{21}$ 是什么（行 2 减去 $l_{21}$ 乘行 1）？$$A=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ 1& 2& 1\\ 0& 1& 2\end{array}\right]\to \left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ 0& 1& 1\\ 0& 1& 2\end{array}\right]\to \left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ 0& 1& 1\\ 0& 1& 1\end{array}\right]=U$$矩阵 $A$ 的 $(2,2)$ 位置上数字变为多少会使得行 $2$ 和行 $3$ 必须交换？
为什么左下角的乘数 $l_{31}=0$，需要行 $3$ 减去 $0$ 乘行 $1$？
如果将角落的单元 $a_{33}=2$ 改成 $a_{33}=1$，为什么会使得消元法失败？
解： 第一主元是 $1$，第二主元也是 $1$，乘数 $l_{21}=1/1=1$。
若将矩阵 $A$ 的 $(2,2)$ 位置的单元改成 $1$，那么就必须要交换行 $2$ 和行 $3$。
因为 $a_{31}=0$，所以 $l_{31}=0/1=0$。某一行的开始是 $0$ 则不需要消元。矩阵 $A$ 是一个带状矩阵，中心带之外的都为 $0$。
如果原始角落的单元 $a_{33}$ 改成 $1$，消元法就会产生 $0$。没有第三个主元，消元法失败。

【例5】假设 $A$ 是一个三角形矩阵（上三角或下三角），主元会在什么位置？对于任意的 $\mathbf{b}$，什么情况下 $A\mathbf{x}=\mathbf{b}$ 有且仅有一个确切的解？
解： 矩阵的对角线就是主元的位置。
当这些主元全都不是 $0$ 时，消元法执行成功可以。若 $A$ 是上三角，使用回代；若 $A$ 是下三角，使用前向代入。

【例6】使用消元法得到上三角形矩阵 $U$。通过回代求解，或者解释为什么无法执行？主元（不为 $0$）是什么？必要时可以交换方程的顺序。下面两个系统的唯一区别是最后一个方程的 $-x$。$$成功\begin{array}{c}x+y+z=7\\ x+y-z=5\\ x-y+z=3\end{array}失败\begin{array}{c}x+y+z=7\\ x+y-z=5\\ -x-y+z=3\end{array}$$解： 对于系统 1，方程 2 和方程 3 分别减去方程 1（乘数 $l_{21}=1,l_{31}=1$），由于 $(2,2)$ 的位置会变成 0，所以交换方程 2 和 3 的顺序：$$成功\begin{array}{c}x+y+z=7\\ 0y-2z=-2\\ -2y+0z=-4\end{array}交换行后\begin{array}{c}x+y+z=7\\ -2y+0z=-4\\ -2z=-2\end{array}$$回代后可得 $z=1,y=2,x=4$。主元是 $1,-2,-2$。
对于系统 2，执行消元后：$$失败\begin{array}{c}x+y+z=7\\ 0y-2z=-2\\ 0y+2z=10\end{array}\begin{array}{c}列2没有主元(它就是列1)\\ 进一步消元得到0z=8\\ 三个平面不相交于一点\end{array}$$平面 1 与平面 2 相交于一条直线，平面 2 与 平面 3 平行，该方程组无解。
如果将第三个方程中的 $3$ 改成 $-5$，则消元法会得到 $0=0$，有无限多个解。三个平面相交于一条直线。此时第三个平面和第二个平面重合。

【例7】若矩阵 $A$ 已知，则使用 MATLAB 得到新的第二行，该新行是从行 2 减去 3 乘行 1 。
解： MATLAB 程序

A = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9]; % 创建矩阵 A
A(2, :) - 3 * A(1, :)	   % 得到新的行 2，A(2,:)为取矩阵 A 的第 2 行

运行结果：

【例8】MATLAB 指令 [L,U] = lu(rand(3))。找出第一、第二、第三主元的平均大小。abs(U(1,1)) 大于 1/2 是因为 lu 会选取列 1 最大可能的主元。
解： MATLAB 程序

[L, U] = lu(rand(3)); % rand(3) 是随机 3×3 矩阵，其单元均为 0~1 之间的数。 lu() 函数是进行 LU 分解
abs(U(1, 1)) % 第一主元 abs()函数是 求绝对值
abs(U(2, 2)) % 第二主元
abs(U(3, 3)) % 第三主元

运行结果：