高等代数 · 课程学习笔记

第 P39 集 · 二十一:齐次线性方程组解空间维数

Dimension of Solution Space for Homogeneous Linear Systems
北大丘维声教授 · 清华大学 2011 级 进度 P39 / 151 集 核心概念:基础解系 · 解空间维数 · 非齐次解集结构
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◎学习目标

  1. 掌握齐次线性方程组基础解系的构造方法:自由位置变量取特殊值得到线性无关的解向量;
  2. 理解并会运用定理一:\(n\) 元齐次线性方程组 \(Ax=0\) 的解空间维数为 \(n-r(A)\);
  3. 理解定理二:非齐次线性方程组 \(Ax=\beta\) 的解集 \(U\) 等于一个特解加齐次解空间的平移,即 \(U=\gamma_0+W\);
  4. 会用增广矩阵经初等行变换化为阶梯形的方法求出齐次与非齐次方程组的全部解;
  5. 认识到基础解系就是解空间的一组基,从而将方程组的求解统一到线性空间的理论框架下。

1基础解系的构造方法 ⏱ 00:01

上一集已经知道,系数矩阵 \(A\) 的秩为 \(r\) 时,方程组 \(Ax=0\) 有无穷多解,解向量中含有 \(n-r\) 个自由位置(自由变量)。本集第一个核心问题是:如何系统性地找出解空间的一组基(即基础解系)?⏱ 01:30

构造方法 设阶梯形系数矩阵的秩为 \(r\),自由位置为第 \(x_{r+1},\dots,x_n\) 位。依次让每个自由位置取 1、其余自由位置取 0,代入一般解公式,得到 \(n-r\) 个解向量 \(\alpha_1,\alpha_2,\dots,\alpha_{n-r}\)。

为什么这样得到的向量组线性无关?这 \(n-r\) 个解向量在自由位置上的分量恰好构成一个 \((n-r)\times(n-r)\) 单位阵(或对角元全非零的上三角阵),其行列式不等于 0,故线性无关。⏱ 04:00

关键性质 自由位置所起的数构成一个对角元全为 1(或全非零)的方阵,行列式非零,从而这 \(n-r\) 个解向量线性无关。
延伸组保持线性无关性的说明

将上述 \(n-r\) 个解向量在自由位置上的部分记为向量组 \(\beta_1,\dots,\beta_{n-r}\),它们显然线性无关。再将每个 \(\beta_i\) 添上前面 \(r\) 个固定位置的数值(由自由变量唯一确定),得到原方程组的解向量 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\)。⏱ 08:30

由于"线性无关向量组的延伸组仍线性无关",故 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\) 也线性无关。这是本集证明中的关键一步。

2定理一:解空间维数公式 ⏱ 11:20

定理一 · 齐次线性方程组解空间维数 数域 \(K\) 上 \(n\) 元齐次线性方程组 \(Ax=0\),设系数矩阵 \(A\) 的秩为 \(r\),则其解空间 \(W\) 的维数为:
\[ \dim W = n - r. \]
即解空间是 \(K^n\) 的一个 \((n-r)\) 维子空间。⏱ 12:21
证明(构造基础解系并验证)

第一步:先构造 \(n-r\) 个线性无关的解向量 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\)(见本节 s1 的构造方法)。⏱ 00:11

第二步:再证任意解 \(\eta\) 均可由 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\) 线性表出。设 \(\eta=(c_1,\dots,c_n)^T\) 是任一解,则由一般解公式,自由位置 \(x_{r+k}=c_{r+k}\),而固定位置的值由自由位置唯一确定。⏱ 03:30

第三步:将固定位置用一般解公式替换,提取公因子 \(c_{r+1},\dots,c_n\),可得:

\[ \eta = c_{r+1}\alpha_1 + c_{r+2}\alpha_2 + \cdots + c_n\alpha_{n-r}. \]
这说明 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\) 能线性表出全部解,且它们本身线性无关,故构成解空间 \(W\) 的一组基。⏱ 09:45

结论:\(\dim W = n-r\),基就是这 \(n-r\) 个解向量,称为基础解系。

重要结论 齐次线性方程组的全部解就是其基础解系的全体线性组合:
\[ x = k_1\alpha_1 + k_2\alpha_2 + \cdots + k_{n-r}\alpha_{n-r}, \quad k_i\in K. \]
只要找到一组基础解系,就完全刻画了解集结构。⏱ 16:00

3定理二:非齐次方程组解集结构 ⏱ 17:05

接下来考虑非齐次线性方程组 \(Ax=\beta\)(\(\beta\neq 0\)),记其解集为 \(U\)。直觉上,\(U\) 应与相应齐次方程组 \(Ax=0\) 的解空间 \(W\) 有密切联系。⏱ 17:50

两个基本性质 性质一:若 \(\gamma_1,\gamma_2\in U\)(都是非齐次方程的解),则 \(\gamma_1-\gamma_2\in W\)(是对应齐次方程的解)。
性质二:若 \(\gamma\in U\),\(\alpha\in W\),则 \(\gamma+\alpha\in U\)(非齐次解加齐次解仍是非齐次解)。
性质一的证明

设 \(\gamma_1=(a_1,\dots,a_n)^T\),\(\gamma_2=(b_1,\dots,b_n)^T\) 都是 \(Ax=\beta\) 的解,则 \(A\gamma_1=\beta\),\(A\gamma_2=\beta\)。⏱ 20:20

于是 \(A(\gamma_1-\gamma_2)=A\gamma_1-A\gamma_2=\beta-\beta=0\),即 \(\gamma_1-\gamma_2\in W\)。证毕。

性质二的证明

设 \(\gamma\in U\),\(\alpha\in W\),则 \(A\gamma=\beta\),\(A\alpha=0\)。⏱ 22:30

于是 \(A(\gamma+\alpha)=A\gamma+A\alpha=\beta+0=\beta\),即 \(\gamma+\alpha\in U\)。证毕。

定理二 · 非齐次方程组解集结构 设 \(\gamma_0\) 是非齐次方程组 \(Ax=\beta\) 的一个特解,\(W\) 是相应齐次方程组 \(Ax=0\) 的解空间,则非齐次方程组的解集为:
\[ U = \gamma_0 + W = \{\gamma_0 + \alpha \mid \alpha\in W\}. \]
即解集 \(U\) 是解空间 \(W\) 沿特解 \(\gamma_0\) 的平移,也称 \(U\) 为 \(W\) 的一个仿射子空间(线性流形/陪集)。⏱ 14:48
定理二的完整证明

第一步(\(\gamma_0+W\subseteq U\)):对任意 \(\alpha\in W\),由性质二知 \(\gamma_0+\alpha\in U\),故 \(\gamma_0+W\subseteq U\)。⏱ 15:42

第二步(\(U\subseteq\gamma_0+W\)):对任意 \(\gamma\in U\),考虑 \(\gamma-\gamma_0\)。由性质一知 \(\gamma-\gamma_0\in W\),记 \(\alpha=\gamma-\gamma_0\),则 \(\gamma=\gamma_0+\alpha\in\gamma_0+W\)。故 \(U\subseteq\gamma_0+W\)。⏱ 16:42

结论:两集合互相包含,故相等。证毕。

重要结论 非齐次方程组的全部解可写为:
\[ x = \gamma_0 + k_1\alpha_1 + k_2\alpha_2 + \cdots + k_{n-r}\alpha_{n-r}, \quad k_i\in K, \]
其中 \(\gamma_0\) 是非齐次方程的一个特解,\(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\) 是齐次方程组的基础解系。⏱ 17:29

4求解方法总结 ⏱ 19:54

齐次方程组求解步骤
  1. 将系数矩阵 \(A\) 经初等行变换化为阶梯形,读出秩 \(r\) 和自由位置;
  2. 写出一般解公式,自由位置分别取 \((1,0,\dots,0),(0,1,\dots,0),\dots,(0,0,\dots,1)\);
  3. 得到 \(n-r\) 个解向量 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\),即为基础解系;
  4. 全部解 = 基础解系的全体线性组合。
非齐次方程组求解步骤
  1. 将增广矩阵\((A|\beta)\) 经初等行变换化为阶梯形;
  2. 令所有自由位置取 0,得到一个特解\(\gamma_0\);
  3. 去掉常数项列,得到齐次方程组的一般解公式,按齐次方法求基础解系 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\);
  4. 全部解 = \(\gamma_0\) + 基础解系的全体线性组合。
老师提示 "这个研究完了,下面我们就研究非齐次线性方程组的解集。"⏱ 17:05丘老师强调,通过解空间理论和矩阵的秩,已经完全解决了线性方程组"有没有解、解的情况、解的结构"这三个根本问题。⏱ 19:30

★重点回顾

1
解空间维数定理:\(n\) 元齐次方程组 \(Ax=0\) 的解空间维数 \(\dim W = n-r(A)\)。
2
基础解系:解空间的一组基,由 \(n-r\) 个线性无关的解向量组成,包含全部解信息。
3
非齐次解集结构定理:\(U=\gamma_0+W\),解集是齐次解空间的平移,称仿射子空间或线性流形。
4
两个基本性质:①非齐次两解之差属于齐次解空间;②非齐次解加齐次解仍是非齐次解。
5
求解流程:增广矩阵→阶梯形→自由位置→特殊取值→基础解系→一般解公式。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 混淆基础解系与特解:基础解系 \(\alpha_1,\dots,\alpha_{n-r}\) 是齐次方程组的解;特解 \(\gamma_0\) 是非齐次方程组的解,二者不能混淆。
  2. 维数公式的记忆:解空间维数是 \(n-r\)(未知数个数减秩),不是 \(r\),也不是其他组合。
  3. 自由位置取值:取 \((1,0,\dots,0),\dots,(0,\dots,0,1)\) 是为了保证线性无关,并非唯一取法——取其他非零值也可以,只要能构成满秩方阵即可。
  4. 非齐次解集不是子空间:解集 \(U=\gamma_0+W\) 不含零向量(除非 \(\beta=0\)),对加法不封闭,因此 不是 线性子空间,而是仿射子空间。
  5. 特解的选取:求特解时令自由位置全取 0 是最简便的做法,但并非唯一做法;任何满足 \(Ax=\beta\) 的解都可以作为 \(\gamma_0\)。

✎自测与作业

  1. 求解齐次方程组 \(\begin{cases}x_1+2x_2-x_3=0\\2x_1+4x_2-2x_3=0\\x_1+2x_2+ x_3=0\end{cases}\),写出基础解系和全部解。
  2. 求非齐次方程组 \(\begin{cases}x_1+x_2-x_3=1\\2x_1+2x_2-2x_3=2\\x_1-x_2+x_3=0\end{cases}\) 的全部解(提示:先求特解,再求对应齐次方程组的基础解系)。
  3. 验证定理二:设 \(\gamma_0=(1,0,1)^T\) 是某非齐次方程的特解,\(W=\text{span}\{(1,-1,0)^T,(0,1,1)^T\}\),说明 \(\gamma_0+W\) 中每个向量都满足该非齐次方程。
  4. (思考题)为什么解空间维数公式是 \(\dim W=n-r\)?从"自由变量个数"的直观角度给出解释。
  5. (思考题)非齐次方程组的解集 \(U=\gamma_0+W\) 为什么不是子空间?举一个具体反例说明它对加法不封闭。
  6. (选做)若 \(n\) 元齐次方程组有 \(n\) 个方程且系数矩阵满秩(\(r=n\)),解空间维数是多少?此时解集是什么?
下一集预告 第 P40 集 · 二十二:n元非齐次方程组解集的继续讨论及子空间运算(子空间的交与和),为后续子空间维数公式做准备。