求基础解系的方法如下:
确定自由未知量
设方程组为 $AX = b$,其中 $A$ 是系数矩阵,$X$ 是未知量向量,$b$ 是常数向量。
计算系数矩阵 $A$ 的秩 $r$。
自由未知量是那些在方程组中没有被明确指定的未知量,数量为 $n - r$,其中 $n$ 是未知量的总数。
对矩阵进行初等行变换
将系数矩阵 $A$ 通过初等行变换化为行最简形矩阵。行最简形矩阵的特点是:每一行的第一个非零元素(称为该行的主元)为1,且该元素所在列的其他元素均为0。
在行最简形矩阵中,标记出主元所在的列,这些列对应的未知量不是自由未知量。没有标记的列对应的未知量是自由未知量。
构造基础解系
令自由未知量分别取单位矩阵的每一列,得到 $n - r$ 个解向量。这些解向量构成了方程组的一个基础解系。
具体地,如果自由未知量是 $x_{r+1}, x_{r+2}, ldots, x_n$,则可以分别取值为 $[1, 0, ldots, 0]^T, [0, 1, ldots, 0]^T, ldots, [0, 0, ldots, 1]^T$,代入行最简形方程组求解。
验证基础解系
基础解系中的所有解向量必须是方程组的解,并且它们之间线性无关。
可以通过将基础解系中的解向量进行线性组合,验证其是否能表示方程组的所有解。
示例
假设有一个齐次线性方程组:
[
begin{cases}
2x_1 + 3x_2 - x_3 = 0
4x_1 + 5x_2 - 2x_3 = 0
end{cases}
]
确定自由未知量
系数矩阵 $A = begin{bmatrix} 2 & 3 & -1 4 & 5 & -2 end{bmatrix}$,秩 $r(A) = 2$,因此自由未知量有 $n - r = 3 - 2 = 1$ 个,即 $x_3$。
对矩阵进行初等行变换
通过初等行变换,得到行最简形矩阵:
[
begin{bmatrix}
1 & frac{5}{2} & -1
0 & -frac{1}{2} & 1
end{bmatrix}
]
标记主元所在的列,$x_1$ 和 $x_2$ 不是自由未知量,$x_3$ 是自由未知量。
构造基础解系
令 $x_3 = 1$,代入行最简形方程组:
[
begin{cases}
x_1 + frac{5}{2}x_2 - x_3 = 0
-frac{1}{2}x_2 + x_3 = 0
end{cases}
]
解得 $x_1 = -frac{5}{2}x_2$,取 $x_2 = 2$,则 $x_1 = -5$。
因此,一个基础解系为 $begin{bmatrix} -5 2 1 end{bmatrix}$。
通过以上步骤,我们求出了方程组的一个基础解系。