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◎学习目标
- 理解齐次线性方程组解集构成 \(K^n\) 的子空间(解空间);
- 掌握基础解系的定义:解空间的一组基;
- 会证明解空间对加法和数乘封闭;
- 掌握基础解系中向量个数的公式:\(n - r\),其中 \(r = \mathrm{rank}(A)\);
- 学会通过自由未知量赋值法构造基础解系;
- 能用基础解系写出齐次方程组的通解公式。
1解空间的定义与子空间判定 ⏱ 00:02
考虑数域 \(K\) 上的 \(n\) 元齐次线性方程组:
所有解的集合记作 \(W\),即:
证明:解空间 \(W\) 是 \(K^n\) 的子空间
非空性:零向量 \(\mathbf{0} \in K^n\) 满足 \(A\mathbf{0} = \mathbf{0}\),故 \(\mathbf{0} \in W\),\(W \neq \emptyset\)。⏱ 03:30
加法封闭性:设 \(\alpha, \beta \in W\),即 \(A\alpha = \mathbf{0}\),\(A\beta = \mathbf{0}\)。则:
故 \(\alpha + \beta \in W\),加法封闭。⏱ 05:20
数乘封闭性:设 \(\alpha \in W\),\(k \in K\)。则:
故 \(k\alpha \in W\),数乘封闭。综上,\(W\) 是 \(K^n\) 的子空间。⏱ 06:45
2基础解系的概念 ⏱ 08:30
既然解空间 \(W\) 是 \(K^n\) 的子空间,我们就可以用子空间理论来研究它。关键是找到 \(W\) 的一组基。
- \(\xi_1, \xi_2, \ldots, \xi_s\) 线性无关;
- \(W\) 中任一解向量均可由 \(\xi_1, \xi_2, \ldots, \xi_s\) 线性表出。
3解空间维数公式 ⏱ 13:00
证明思路:阶梯形矩阵的自由未知量
对系数矩阵 \(A\) 作初等行变换化为阶梯形矩阵 \(U\)。由于初等行变换不改变矩阵的秩,\(U\) 的非零行数也是 \(r\),即有 \(r\) 个主元(约束量),\(n - r\) 个自由未知量。⏱ 15:45
解空间维数 ≥ n-r:通过自由未知量赋值法可构造出 \(n-r\) 个线性无关的解向量(见下节构造方法),故 \(\dim W \geq n - r\)。
解空间维数 ≤ n-r:任一解由 \(n-r\) 个自由未知量唯一确定(约束量由自由未知量线性表出),故解空间与 \(K^{n-r}\) 同构,\(\dim W \leq n - r\)。
综上,\(\dim W = n - r\)。⏱ 18:20
4基础解系的构造方法 ⏱ 20:00
设 \(A\) 是 \(m \times n\) 矩阵,\(\mathrm{rank}(A) = r < n\)。构造基础解系的标准步骤如下:
- 化阶梯形:对 \(A\) 作初等行变换化为行最简阶梯形,确定 \(r\) 个约束量和 \(n-r\) 个自由未知量。
- 写出一般解:将约束量用自由未知量表示,得到一般解参数形式。
- 依次赋值:令第 \(i\) 个自由未知量取 1,其余自由未知量取 0(\(i = 1, 2, \ldots, n-r\)),回代求出约束量的值,得到 \(n-r\) 个解向量 \(\xi_1, \xi_2, \ldots, \xi_{n-r}\)。
- 验证无关:这 \(n-r\) 个解向量在自由未知量位置构成的子向量是标准基向量,故线性无关,构成基础解系。
为什么这样构造的向量一定线性无关?
设自由未知量为 \(x_{r+1}, x_{r+2}, \ldots, x_n\),对应的解向量为:
后 \(n-r\) 个分量(自由未知量对应位置)构成单位矩阵 \(I_{n-r}\),故 \(\xi_1, \ldots, \xi_{n-r}\) 线性无关。⏱ 24:30
又因为任一解都可以写成自由未知量的线性组合,进而可以写成 \(\xi_1, \ldots, \xi_{n-r}\) 的线性组合,所以它们张成整个解空间。证毕。
5具体计算示例 ⏱ 28:00
例:求齐次方程组
的基础解系和通解。
完整计算过程
第一步:系数矩阵化为阶梯形
第二步:确定约束量与自由未知量
\(\mathrm{rank}(A) = r = 2\),约束量为 \(x_1, x_3\),自由未知量为 \(x_2, x_4\)。自由未知量个数 \(n - r = 4 - 2 = 2\)。⏱ 30:20
第三步:写出一般解
一般解为:
第四步:取基础解系
第五步:写出通解
解空间 \(W = \mathrm{span}(\xi_1, \xi_2)\),\(\dim W = 2 = 4 - 2\)。⏱ 33:10
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 混淆约束量与自由未知量:约束量(主元变量)对应阶梯形矩阵的主元列;自由未知量对应非主元列。选错会导致一般解表达式错误。
- 基础解系向量个数算错:基础解系含 \(n - r\) 个向量,其中 \(r = \mathrm{rank}(A)\) 是系数矩阵的秩,不是增广矩阵的秩,也不是方程个数 \(m\)。
- 忘记验证线性无关:虽然按上述方法构造的向量天然线性无关,但在其他情形下随意取几个解向量,必须验证它们线性无关才能称其为"基础解系"。
- 把特解当基础解系:特解是非齐次方程组的单个解;基础解系是齐次方程组解空间的基,二者概念完全不同。
- 系数矩阵秩为零的情形:若 \(A = O\)(零矩阵),则 \(\mathrm{rank}(A) = 0\),解空间为全空间 \(K^n\),基础解系就是标准基 \(e_1, \ldots, e_n\),维数为 \(n\)。
✎自测与作业
- 验证解空间 \(W = \{x \in K^n \mid Ax = \mathbf{0}\}\) 对加法和数乘封闭,从而是 \(K^n\) 的子空间(参照本笔记 s1 折叠证明)。
- 求下列齐次方程组的基础解系和解空间维数:
\(\begin{cases} x_1 + x_2 - x_3 + x_4 = 0 \\ 2x_1 + 2x_2 - 2x_3 + 2x_4 = 0 \\ 3x_1 + 3x_2 - 3x_3 + 3x_4 = 0 \end{cases}\) - 设 \(A\) 是 \(5 \times 7\) 矩阵,\(\mathrm{rank}(A) = 3\)。求齐次方程组 \(Ax = \mathbf{0}\) 解空间的维数,并说明基础解系含几个向量。
- (证明题)设 \(\xi_1, \ldots, \xi_{n-r}\) 是齐次方程组 \(Ax = \mathbf{0}\) 的 \(n-r\) 个线性无关解,证明它们构成解空间的一组基(即构成基础解系)。
- 设 \(A\) 是 \(n\) 阶方阵。证明:\(A\) 不可逆 \(\iff\) 齐次方程组 \(Ax = \mathbf{0}\) 有非零解 \(\iff\) \(\mathrm{rank}(A) < n\)。
- (思考)解空间 \(W\) 与矩阵 \(A\) 的零空间 \(\ker(A)\) 是同一个概念吗?它们在什么意义上等价?