基础解系怎么求

赫顿百知 · 2025-01-02 18:11:06

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。

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