高等代数 · 课程学习笔记

第 4 集 二:矩阵消元法、初等行变换、解的情况

丘维声 · 清华高等代数(全 151 集)
主讲:北京大学 邱维声 面向:清华大学物理系 核心概念:矩阵消元法、初等行变换、主变量、自由未知量
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◎学习目标

  1. 明确解线性方程组时“在哪个数集里解”的约定:默认在有理数集 / 实数集 / 复数集内求解(消元常需除以系数,结果可能是分数),而非只在整数集内解;
  2. 会用矩阵消元法(初等行变换)把增广矩阵化为阶梯形,并据此判断方程组是否有解;
  3. 理解无解的判据:阶梯形方程组中出现形如 \(0 = d\)(\(d\neq 0\))的方程,则方程组无解;
  4. 理解无穷多解:当阶梯形中非零行数目小于未知量个数时,存在自由未知量,可用一般解(主变量 = 自由未知量的线性组合 + 常数)表示无穷多个解;
  5. 能区分并描述主变量与自由未知量,会写出一般解;并掌握矩阵消元法的完整流程与小结。

0承接:矩阵消元法与初等行变换 ⏱ 00:00

承接第 3 集:矩阵消元法 = 把线性方程组写成它的增广矩阵,通过矩阵的三种初等行变换(①一行的若干倍加到另一行;②两行互换;③一行乘一个非零数),把增广矩阵化为阶梯形矩阵乃至简化行阶梯形矩阵,直接读出解,并观察解的情况(无解 / 唯一解 / 无穷多解)。

本集主线 通过两个具体例子,体会矩阵消元法“到底能不能直接读出解、有多少解”:一个无解的例子(阶梯形出现 \(0=d,\ d\neq0\))和一个无穷多解的例子(有自由未知量、写一般解)。

1在哪个数集里解方程组 ⏱ 03:00

解线性方程组时,未知量到底可以取哪些数?先要事前约定:在某个数集里解。本集例子中系数是有理数(甚至整数),但消元时要对未知量做除法,除完不一定还是整数,很可能是分数。因此:

约定 · 在“有理数集”内解 本集例子的系数是有理数,故约定在有理数集内解线性方程组——即每个解出来的未知量可以取有理数(可取分数,不限于整数)。当然,也可以约定在实数集或复数集内解(系数、未知量、常数项都相应取在该数集内)。
为什么不能只在整数集里解? 第 7 集会强调这一点:若在整数集内解,则方程 \(2x=1\) 无解(\(x=\tfrac12\) 不是整数),而这明显不合理——把求解范围限制得“太死”。因此解线性方程组时,数集必须对加减乘除(除数为 0 外)“畅通无阻”,有理数集、实数集、复数集满足,整数集不满足。这是后文引入数域(域)概念的动机。

2例子一:无解(阶梯形出现 \(0 =\) 非零数)⏱ 04:10

以一个三元一次方程组为例,用矩阵消元法求解。增广矩阵为:

\[ \begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \mid & 1\\ 1 & -1 & -1 & \mid & 3\\ 2 & -2 & -1 & \mid & 3 \end{pmatrix} \]
消元过程(点击展开)
  1. 第 1 行的 \(-1\) 倍加到第 2 行(消去第 2 行 \(x_1\) 的系数);
  2. 第 1 行的 \(-2\) 倍加到第 3 行(消去第 3 行 \(x_1\) 的系数);
  3. 将第 2 行乘一个非零数(如 \(-\tfrac12\))使主元变为 1,再用它消去第 3 行的 \(x_2\) 系数。

化为阶梯形后,最后一个方程变成形如 \(0x_1+0x_2+0x_3 = -2\),即 \(0 = -2\)(左边恒为 0,右边是非零数)——矛盾,该方程无解,从而整个方程组无解。

无解的判据 阶梯形方程组中,若出现“左边全 0、右边是非零数”(即 \(0=d,\ d\neq0\))的方程,则该方程组无解;由于阶梯形方程组与原方程组同解,故原方程组也无解。 本例说明:初中学过的三元一次方程组“总有解”的假设在大学不再成立——系数或常数项的细微差别(如把常数项 3 改为 5)就可能导致无解。

3例子二:无穷多解(自由未知量与一般解)⏱ 06:20

把上面例子的第三个方程的常数项由 3 改为 5,即:

\[ \begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \mid & 1\\ 1 & -1 & -1 & \mid & 3\\ 2 & -2 & -1 & \mid & 5 \end{pmatrix} \]

消元后化为简化行阶梯形矩阵。此时阶梯形方程组为(主元列标为 1 与 3):

\[ \begin{aligned} x_1 - x_2 + 0 x_3 &= 2,\\ 0\, x_1 + 0\, x_2 + x_3 &= -1,\\ 0\, x_1 + 0\, x_2 + 0\, x_3 &= 0. \end{aligned} \]
主变量 与 自由未知量
  • 主变量(主未知量):以主元为系数的未知量。本例中主元列是第 1 列和第 3 列,故 \(x_1, x_3\) 是主变量;
  • 自由未知量:除主变量以外的未知量。本例中 \(x_2\) 是自由未知量——它可以任取(有理数集内可取无穷多个值)。
把自由未知量移到等号右边,用“自由未知量 + 常数项”来表示主变量,得到方程组的一般解:
\[ \begin{aligned} x_3 &= -1,\\ x_2 &\ \text{(自由,可任取)},\\ x_1 &= x_2 + 2. \end{aligned} \]
因为自由未知量 \(x_2\) 可取无穷多个有理数,故方程组有无穷多个解。
一般解的形式 一般解的特点:等号左边是主变量,等号右边是自由未知量(带系数)与常数项。给定自由未知量的一组取值,主变量随之被唯一确定,就得到方程组的一个解;自由未知量取无穷多组值,就得到无穷多个解。这就是“一般解”表示无穷多解的方式。

4简化行阶梯形与“矩阵消元法”小结 ⏱ 09:30

小结 · 矩阵消元法的步骤
  1. 把线性方程组写出它的增广矩阵;
  2. 用矩阵的三种初等行变换(一行若干倍加到另一行、两行互换、一行乘非零数)把增广矩阵化成阶梯形矩阵;
  3. (可选)继续化为简化行阶梯形矩阵:主元都变成 1、主元所在列的其余元素都变成 0;
  4. 写出相应的(简化)阶梯形方程组,直接读出解:
    • 若出现 \(0=d\ (d\neq0)\):无解;
    • 若无 \(0=d\),且非零行数目 \(r\) 等于未知量个数 \(n\):唯一解;
    • 若 \(r
到底有没有解、有多少解,从最后化出的(简化)阶梯形矩阵才能看出来。
与第 5、6 集的关系 本集的两个例子分别对应“无解”与“无穷多解”两种情况,第 3 集的例子对应“唯一解”。三种情况都已摆出,第 5、6 集将把“非零行数目 \(r\) 与未知量个数 \(n\) 的关系”系统整理成解的情况判别准则(定理一)。

★重点回顾

1
矩阵消元法:写增广矩阵 \(\to\) 初等行变换 \(\to\) 阶梯形(进一步化为简化行阶梯形)\(\to\) 读出解与解的情况。
2
初等行变换三种:一行若干倍加到另一行、两行互换、一行乘非零数;变换前后方程组同解。
3
解的“数集约定”:本集在有理数集内解(消元常得分数);也可约定实数集、复数集;整数集不适合(\(2x=1\) 无解)。
4
无解判据:阶梯形方程组出现 \(0=d\ (d\neq0)\) 的方程,则原方程组无解。
5
主变量 / 自由未知量:以主元为系数的未知量是主变量,其余是自由未知量;自由未知量可任取(无穷多组)。
6
一般解:把自由未知量移到右边,主变量 = 自由未知量的线性组合 + 常数项;因自由未知量可取无穷多值,故有无穷多个解。

⚠易错点提醒

常见错误
  1. 在整数集里解方程组:消元需要除以系数得到分数,应约定在有理数 / 实数 / 复数集内解;整数集会得出“明明有解却无解”的矛盾结论。
  2. 把 \(0=d\)(\(d\neq0\))误判为“有解”:左边恒 0、右边非零,是矛盾方程,整个方程组无解。
  3. 把常数项的微小差别忽略:把 3 改成 5,解的情况可能从“无解”变“无穷多解”——必须按实际常数项算。
  4. 混淆主变量与自由未知量:主变量 = 以主元为系数的未知量;自由未知量 = 其余的;自由未知量可任取,主变量由它决定。
  5. 写一般解时“把主变量也写自由”:一般解应让主变量在等号左边、自由未知量在右边。
  6. 以为“无穷多解”可以逐个列举:无穷多个解无法枚举,要用“一般解”(含自由未知量的表达式)表示。

✎自测题

  1. 把增广矩阵
    \[ \begin{pmatrix} 1 & -1 & -1 & \mid & 1\\ 1 & -1 & -1 & \mid & 3\\ 2 & -2 & -1 & \mid & 3 \end{pmatrix} \]
    用初等行变换化为阶梯形,并说明方程组是否有解、理由是什么。
  2. 解释:为什么把上例第三个方程的常数项由 3 改为 5 后,方程组由“无解”变为“无穷多解”?
  3. 写出上例(常数项为 5)在简化行阶梯形下的方程组,指出主变量、自由未知量,并写出一般解。
  4. 判断方程 \(2x=1\) 在“整数集”与“有理数集”内解的情况各如何,并说明为何解线性方程组不宜限定在整数集。
  5. 说明“一行乘一个非零数”为何是合法的初等行变换(同解),而“一行乘 0”为什么不行。
  6. 简述矩阵消元法的完整步骤(从写增广矩阵到读出解的情况)。
下一集预告 第 5 集:三:解的情况以及判别准则(上)——系统整理“非零行数目 \(r\) 与未知量个数 \(n\) 的关系”,给出线性方程组解的情况(无解 / 唯一解 / 无穷多解)的判别准则,并讨论“只有三种情况”的由来。