线性方程组是线性代数的重要应用!掌握线性方程组的求解方法,是学习线性代数的关键。
什么是线性方程组?
线性方程组(System of Linear Equations)是多个线性方程的集合。
一般形式
一个 m 个方程、n 个未知数的线性方程组:
⎩⎨⎧a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=b2⋮am1x1+am2x2+⋯+amnxn=bm
矩阵形式
线性方程组可以写成矩阵形式:
Ax=b
其中:
- A:系数矩阵
- x:未知数向量
- b:常数向量
线性方程组的解
解的个数
线性方程组可能有:
- 唯一解:有且仅有一个解
- 无穷多解:有无限多个解
- 无解:没有解
判断方法
线性方程组 Ax=b 的解的情况:
- 唯一解:rank(A)=rank([A∣b])=n(未知数个数)
- 无穷多解:rank(A)=rank([A∣b])<n
- 无解:rank(A)<rank([A∣b])
求解方法
方法 1:高斯消元法
高斯消元法(Gaussian Elimination)是通过初等行变换将增广矩阵化为行阶梯形,然后回代求解。
步骤:
- 写出增广矩阵 [A∣b]
- 通过初等行变换化为行阶梯形
- 回代求解
例子:求解线性方程组
{x+2y=53x+4y=11
增广矩阵:
[1324∣∣511]
初等行变换:
[102−2∣∣5−4]→[1021∣∣52]
回代:
从第二个方程:y=2
代入第一个方程:x+2×2=5,所以 x=1
解:x=1,y=2
方法 2:逆矩阵法
如果 A 是 n×n 方阵且可逆,则:
x=A−1b
例子:求解线性方程组
{x+2y=53x+4y=11
矩阵形式:
[1324][xy]=[511]
逆矩阵:
A−1=[−2231−21]
解:
[xy]=[−2231−21][511]=[12]
方法 3:克莱默法则
克莱默 法则(Cramer's Rule)使用行列式求解线性方程组。
对于线性方程组 Ax=b,如果 det(A)=0,则:
xi=det(A)det(Ai)
其中 Ai 是将 A 的第 i 列替换为 b 得到的矩阵。
例子:求解线性方程组
{x+2y=53x+4y=11
det(A)=1324=−2
x=−251124=−2−2=1
y=−213511