线性代数讲稿.docx
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1、第一章Gauss消元法与矩阵的初等变换教学目的与要求,1 .掌握GaUSS消元法解跷性方程祖的根本思世,会用矩阵的初等变换解线性方程组;2 .蒙梅雄性方程组有斛的判定方法:3 .掌握矩阵的我的概念及会求矩阵的秩:I.掌握矩阵的标准形的概念.点,线性方程组有解的判定定理:矩降的初等行变换魔点:矩阵的初等变换解现性方程组.问1.1(解的存在性和惟一性何趣1.eOntief(列品捷夫)静态投入产出模型”中的线性方程如是否有解?如果有解.解是否惟一?问SS1.2对于仃解的线性Zf程组,怎样求得其全部解或解的衣达式? 1 1.1线性方程组与GaUSS消元法1.1.1 线性方程蛆引例(i)空间中三个平面U
2、X-2),-z=24.x-6y+2z=-26.x+2y-7z=-24是否有交点?(ii)如果有交点,有多少个交点?I1.x-2y-z=24分析:解决此何题的关键是求解线性方程组JK-6y+2z=-26的解.(1.1.1).v+2y-7z=-24定义1.1.1:-般地,设n个变尿.卬x2,,Xn之间满足如下形式的规性美系内+。”占+43=4,211.+2,X2+-+2nn=,.,1.1.1.4)4内+1X=&那么称(1.1.2)为含有n个未知里个方程的妓性方程组(1.inearSystems),简称为jx型然性方程俎(或n元线性方程组),其中卬占,,X”代表(1.1.2)中出现的n个未知为,a,
3、amt称为方程组的系数.b,%称为常数项.方程组的解:满足n元设性方程殂(1.1.2)的一个有序实效组(c1.,C2,-,CD.方程组的解柒:方程组(1.1.2)的所有解构成的集合.“翻译”成如下代数问题(多见引言中的问题1.1):HS1.i1.1.2(i)方程组(1.1.1.)是否有解?(ii)如果有解.有多少个解?注意:如果两个mXn线性方程组的系数和常数项对应相等,加么这两个方程组贴相同的.例如(1.1.1)1.;以下方程组是相同的:(1.1.3)11.x1.-2x,-Vj=24.x1-6,v2+Ixy=-26,Xy+2xi-7xj=-24.1.1.2 Gaus消元法例1判断线性方程组是
4、否行解W-X/3XJ=I1-x,-xj=3d-X,+3/=1 2 )3x2+2x,=-I:(2)_:(3).44土+2.v4-2Ox3-4解(I)方程组有解,且只有一个解:x1=-3,=-1,a3=1s(2)显然,假设令x,=G-2=b.a,/为任意实数,那么方程组的解为:x=(3+/)-2(1+a)x2=b,x3-2(1+)x4-a.所以该方程组彳!解,且有无穷多个解.(3)该方程组无耨,因为对任意.0Ar&来说0都是不可能成立的也称这样的方程组为“不相容的.总结:设性方程蛆的解的情况:无蟒有唯一解有无数多个解一般的线性方程组可能不具有“阶梯形”,但我们可以使用GaUSS消元法把它化成阶梯形
5、.其思路是:用“初等变换”对方程组进行同解变形.例1化的以下线性方程组并判断其是否有的:1112x,-X3=24,x1.-6.r,+2xi=-26,.t1+2.r,-7.V,=-24.解作如下变形:先把第一个与第三个方程互换位置,方程祖化为xi+2xz-7X3=-24.r1-6.v,+2x=-26(1.1.4)1Ix1.-2x,-Xy=24将(1.14)中笫二个方程减去第一个方程,第三个方程战士第一个方程的11倍,这样后两个方程中的x都被消去,U1.4)化为i+2.v,-7*3=-24(1.1.5)-8x,+9a=-2-24.0+76.=288将(1.1.5)中第三个方程减去第二个方程的三倍得
6、49Xj-294,然后将该方程乘以京,(1.1.5)化成“阶梯形”方程细x1+2x,-7.t,=-24-8x2+9x=-2AT3=6(1.1.6)(I.1.6)只有一个裤:芭=4,电=7,&=6,又由于(1.1.6),(1.1.5),(1.1.4)、(1.1.1)均为同解的方程组,故(1.1.J)有价且只有一个解,即(4,7.6).定义1.1.2:线性方程组的初等变换(c1cmcnIaryopera1.ions):1、互换两个方程的位置:Ik用一个非零数乘某个方程:IIK把第j个方程乘以一个(非零)数再加到第i个方程上.定理1.1.1施行初等变换不会改变税性方程组的好.即:假i殳一个mXn现性
7、方程组羟过某一个初等变换后变为另一个方程处,那么这两个方程组同解.线性方程组的,广矩阵(augmentedmetrix):线性方程组的系数和常数项IU出来按原次序排列起来,就确定了一个长方形的去.例如本例中方程组的增广矩阵为:2-8利用线性方程组的增广矩阵可以把本例中的消元化简过程描述如下:2-I2462-262-7-24以最后,个表为增广矩阵的方程组就是一阶楮形”方程殂(1.1.6).例3化简然性方程性(1.1.7)并判断其是否有解.1.1.x1-2x,-50.=24x-6.+2xj=-26(1.1.7).1+2x,-7,=-24M我们利用线性方程组(1.1.7)的增广矩阵来描述消元化简过程
8、:以粉后一个表为增广矩阵的方程组就是“阶梯形”方程组x1.+2xi-Ixy-24-8x?+9.q=-2(1.1.8)0=294显然方程组(1.1.8)无解,因而(1.1.7)无解.从例1.1.1例1.1.3中我们百到.有的线性方程组无解.有的有惟一解.有的有无穷多个例.自然要问:是否还有其它的情况出现?一个统性方程组在什么条件下一定有解?在什么条件下有惟解?1.2矩阵的初等行变换与矩阵的秩1.2.1 矩阵及其初等行交换线性方程阻的系数矩阵(coefficient,ma1.rix):找性方程组的系数取出来按原次序排列起来所确定的长方形的我.例如(1.1.1)的系数矩阵为:11-21-6212-7
9、更一般地,我们有以下定义.定义1.2.1一个mxn个实数排成行、n列的表k.iJ称为一个mxn矩阵matrix),其中的每一个数都称为该矩阵的元索.位于第i行与第Ij列交叉处的元素称为矩阵的(i,j)元,而mxn称为矩阵的型.1定:一个1X1矩阵就是一个数.UH(,)=例如方程组(1.1.2)的系数矩阵和增广矩阵分别是mXn矩阵和mXS-D矩阵特别.(1.1.1)的增广掂阵是一个3X4矩阵.(1.1.I)的系数矩阵是一个3X3电阵,其系数矩阵的(2.3)元是2,(3,1)元是1,其型为3X3.矩阵常用大写字母来发示,为了指明一个矩阵A有行n歹J,我们果用符号A.Xm如果矩阵飞”的(i,j)元是
10、铀,加么可以记成儿“=(%).零矩阵:zeromatrix):元素全为。的矩阵,记为0“或简记为().方阵(SqUaremi11rix):行数与列数相等的矩阵.例如AMI称为U阶方阵.n阶单位JE阵:idcn1.ytrix):可简记为&=(,其中a,=,为克罗内克(Kronecker)符号.例如E:,就是方程祖x+0x1+0.r,=H0演+占+0,=b的系数电阵.0x1.+(k,+x3=C同型矩阵:行数与列数均相等的两个矩阵相等的矩如果矩阵A、B的行数、列数、对应元素全都相等的矩阵,记为A=B.与雄性方程组的三种初等变换相对应(注记1.1.1),对矩阵也有三种变形,称为矩阵的(三种)初等行变换
11、(e1.ementaryrowoperations):I .互换两行,比方第i行和第j行.记为:rir,:II .用一个非军数8乘某行比方第i行,记为:比或kxr”III .把第j行乘以非零数人加到第i行(ij).记为:ri+kri不难看出,初等行变换都是“可逆的.也就是说,假设R可通过初等变换变成B,那么通过相应的“逆变换”就可把B及原为A.例如对匕作变换耳+2zi后得到一个新的矩阵,但是再作变换zi-2后就更原了:fOO)p20p00Ey=010;i-JI0:0I0.J)O1.j1,0011001;在一匕一节我们看到,对线性方程组进行消元化筒就是对增广矩阵使用了掂阵的初等行变换.例1判断以
12、下方程祖是否有解.0.v1+0,+OXj+Ox4=()由例1.1.1(2)知,(1.2.1)有无穷多个解.I-1上例中,与“阶拂形”方程组对应的矩阵0000设后一个矩阵对应的“阶梯形”方程组为:x1-2-xj+Ox4=3f.v1-X1-x3=3Ox1+Ox,+j+2x4-2即,xi+2.v4-2(1.2.2)0=0-103I2-2具有两个特点:000(1)元素全为0的行(称为零行)均在下方(如果有零行的话):(2)两个相如的非零行中,下一行的从左边数起的第一个非0元家称为该行的主元)必GZ于上行的生元的仃边.今后我们称具有这两个特点的犯阵称为行阶梯形矩阵(roueche1.onBaIriX).
13、任何,个非零矩阵R都可以经过一系列(有限次)初等行变换化成行阶梯形矩阵,这个矩阵称为A的一个行阶悌形.1-10、例2:化用阵221为行阶梯鞭矩阵.、64Oy结论:矩阵的行阶梯型矩阵可能不唯一.矩阵的不同行阶悌蟹矩阵的非零行的行数相等.1.2.2矩阵的费定义1.2.2假设非零矩阵hn的一个行阶梯形B.X”有r个非零行,那么称r为地阵A的松(rank),记为rank(八)=r(或简写成R(R)-r).规定,等矩阵品”的秩为零.注记1.2.2容易看出,行阶梯形矩阵1.x”的非,零行数就是其主元的个数,所以R(八)就是1.x”的主元个数.由于BnXn的主元必位于不同的行、不同的列,所以R(八)Wmin
14、(m,n,也就是说,R(八)Wm和R(八)Wn总是成立的.注意到初等行变换都是“可逆”的,所以由上述结论和定理1.2不难得出推怆初等行变换不会改变矩阵的秩.于是,为了计算出矩阵的秩R(八),只要用矩阵的的初等行变换把电阵A化为它的一个行阶梯形,然后计算这个行阶梯形的主元的个数就可以得到R(八).11-2-1、例3(八)设方程组(1.1.1)的系数矩阵为A,增广矩阵为B,那么A=I-62,b2-7)I1.-2-I-24,B=I-62-26,且由例I.1.2后的讨论过程可以看出R(八)=R(B)=3、I2-7-24,(b)设方程组(1.1.7)的系数矩阵为A,增广矩阵为B,那么R(八)=2,R(B
15、)=3.(c)在例1.1.I中的三个方程空中,系数矩阵A的秩与增广矩阵B的秩分别是:(1)R(八)=K(B)=3:(2)R(八)=R(B)=2:R(八)=1.R(B)=2.可见.只要用矩阵的初等行变换把矩阵A化为它的一个行阶梯形,就可算出A的秩R(八).1.3线性方程组解的存在性和惟一性在这一节中我们要对-淡的Xn级性方程姐(1.1.2)答复本堂引言中的问题1.1,即讨论融性方程组解的存在性和惟一性问题.1.3.1 主要结论定理1.3.1(判定定理一)设mXn线性方I组C.I.2)的系数矩阵为A,,广矩阵为B.那么:(1)方程组(1.1.2)有解当且仅当R(八)=R(B):(2)方程组(1.1
16、.2)有惟一解当且仅当R(八)=R(B)=M(3)方程俎(1.1.2)有无穷多个解当且仅当R(八)=R(B)”时.注意,由于R(八)不可能大于RB),所以?(八)KR(B)就意味着R(八)R(B).2u-3v+1.w+5t=1例1利陆方程如是否有解.w-v+w-1.=I+v-8v+=04-3v+5f=0解用B我示该方程组的增广矩阵,A表示其系数矩阵.下面计算R(B)和R00.将B化成行阶梯形:I-I1.-IIP-I10-1575i6+2匕Io-1500I169i20010000-81I100I-I71616f2-3i-II14-371-8O5-12-37I1-84-30-15-1z,j-2r1
17、.ri-r5-9-4-41/所以R(B)=4,而R(八)=3,由定理1.3.1(判定定理一),原方程组无解.3,v1+x,-x-2x1=2试确定t的值使方程组X1-5x,+2a-3+x4=-1.有解2x1.+6,-3xj-3x4=1+2-x1.-11.x,+5x,+4.v4=-431-1-22CI-52I-I26-3-31.+-I1.54-4,4-普1-521-1、016-7-55016-7-53+21.0-1675-5;*-521016-7-50000,0000解5-2O当2关2时,-20.所以R(八)=2,R(B)-3.原方程组无解:1U=2时,?(八)=RB)=2-=4,原方程俎有解,且
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