Skip to content

Latest commit

 

History

History
151 lines (134 loc) · 2.73 KB

chapter07.md

File metadata and controls

151 lines (134 loc) · 2.73 KB

第七讲:求解$Ax=0$,主变量,特解

举例:$3 \times 4$矩阵 $ A= \begin{bmatrix} 1 & 2 & 2 & 2\ 2 & 4 & 6 & 8\ 3 & 6 & 8 & 10\ \end{bmatrix} $,求$Ax=0$的特解:

找出主变量(pivot variable): $$ A= \begin{bmatrix} 1 & 2 & 2 & 2\ 2 & 4 & 6 & 8\ 3 & 6 & 8 & 10\ \end{bmatrix} \underrightarrow{消元} \begin{bmatrix} \underline{1} & 2 & 2 & 2\ 0 & 0 & \underline{2} & 4\ 0 & 0 & 0 & 0\ \end{bmatrix} =U $$

主变量(pivot variable,下划线元素)的个数为2,即矩阵$A$的秩(rank)为2,即$r=2$。

主变量所在的列为主列(pivot column),其余列为自由列(free column)。

自由列中的变量为自由变量(free variable),自由变量的个数为$n-r=4-2=2$。

通常,给自由列变量赋值,去求主列变量的值。如,令$x_2=1, x_4=0$求得特解 $x=c_1\begin{bmatrix}-2\1\0\0\\end{bmatrix}$; 再令$x_2=0, x_4=1$求得特解 $x=c_2\begin{bmatrix}2\0\-2\1\\end{bmatrix}$。

该例还能进一步简化,即将$U$矩阵化简为$R$矩阵(Reduced row echelon form),即简化行阶梯形式。

在简化行阶梯形式中,主元上下的元素都是$0$: $$ U= \begin{bmatrix} \underline{1} & 2 & 2 & 2\ 0 & 0 & \underline{2} & 4\ 0 & 0 & 0 & 0\ \end{bmatrix} \underrightarrow{化简} \begin{bmatrix} \underline{1} & 2 & 0 & -2\ 0 & 0 & \underline{1} & 2\ 0 & 0 & 0 & 0\ \end{bmatrix} =R $$

将$R$矩阵中的主变量放在一起,自由变量放在一起(列交换),得到

$$ R= \begin{bmatrix} \underline{1} & 2 & 0 & -2\ 0 & 0 & \underline{1} & 2\ 0 & 0 & 0 & 0\ \end{bmatrix} \underrightarrow{列交换} \left[ \begin{array}{c c | c c} 1 & 0 & 2 & -2\ 0 & 1 & 0 & 2\ \hline 0 & 0 & 0 & 0\ \end{array} \right]

\begin{bmatrix} I & F \ 0 & 0 \ \end{bmatrix} \textrm{,其中}I\textrm{为单位矩阵,}F\textrm{为自由变量组成的矩阵} $$

计算零空间矩阵$N$(nullspace matrix),其列为特解,有$RN=0$。

$$ x_{pivot}=-Fx_{free} \\ \begin{bmatrix} I & F \\ \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_{pivot} \\ x_{free} \\ \end{bmatrix}=0 \\ N=\begin{bmatrix} -F \\ I \\ \end{bmatrix} $$

在本例中 $ N= \begin{bmatrix} -2 & 2 \ 0 & -2 \ 1 & 0 \ 0 & 1 \ \end{bmatrix} $,与上面求得的两个$x$特解一致。

另一个例子,矩阵 $ A= \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \ 2 & 4 & 6 \ 2 & 6 & 8 \ 2 & 8 & 10 \ \end{bmatrix} \underrightarrow{消元} \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \ 0 & 2 & 2 \ 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} \underrightarrow{化简} \begin{bmatrix} 1 & 0 & 1 \ 0 & 1 & 1 \ 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 \ \end{bmatrix} =R $

矩阵的秩仍为$r=2$,有$2$个主变量,$1$个自由变量。

同上一例,取自由变量为$x_3=1$,求得特解 $ x=c \begin{bmatrix} -1 \ -1 \ 1 \ \end{bmatrix} $