线性代数拾遗(3)—— “系数矩阵的秩” 和 “齐次线性方程组基础解系向量个数” 的关系
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文章标签 线性代数 系数矩阵的秩 齐次线性方程组 基础解系 线性方程组 文章分类 运维
- 本文说明以下重要结论
元齐次线性方程组的解空间的维数(基础解系中向量个数),加上此方程组系数矩阵的秩
,等于未知量个数
- 考虑一个
元齐次线性方程组如下,它总共有
个未知数和
个方程(显式约束)
1. 行向量视角
- 将系数矩阵
用
个
维行向量
表示,原方程组变形为
设秩
,根据性质 “矩阵的秩 = 列向量组的秩 = 行向量组的秩”,得到行向量组
的秩也为
- 行向量组秩为
,说明只要
个方程,就能线性表示全部
个方程,这样就能通过行初等变换消去多余的方程(高斯消元法),留下的有效方程(约束)个数只有
个未知数只能约束
个,剩余的
个未知数就可以任意取值,因此解空间维数,即基础解系中(线性无关)向量个数为
- 综上,解空间的维数
+ 系数矩阵秩
= 未知数个数
2. 列向量视角
- 将系数矩阵
用
个
维列向量
表示,原方程组变形为
设秩
,根据性质 “矩阵的秩 = 列向量组的秩 = 行向量组的秩”,列向量组
的秩也为
- 把矩阵
通过初等行变换化阶梯型
,得到同解方程组
这时有
- 由于来自阶梯型矩阵,每个列向量
- 由于初等行变换不改变列向量线性相关性(说明见此文第2节),
的秩也为
- 由于同解,下面仅分析新方程的情况
- 由于秩为
,
中一共有
个阶梯,从每层阶梯任取一个列向量组成极大线性无关组。为了符号简便,不妨假设前
个列向量
,这意味着:
- 前
个列向量组成的齐次线性方程组
- 后
个列向量组成的向量组
的秩
- 由于每个列向量
的非零元素都集中在上方,极大线性无关组
可以唯一地线性表出任意后
个元素为
的
维列向量
同理
可以线性表出(不一定唯一)任意后
个元素为
的
维列向量
- 对化阶梯型得到的同解齐次线性方程组移项,把极大线性无关组向量和其他向量分别放在等号两边,即
这时,等号右边的
个未知数
可以任取以组合出任意后
个元素为
的
维列向量,由于
,根据前述分析,左边
。因此解空间维数,即基础解系中(线性无关)向量个数为
- 综上,解空间的维数
+ 系数矩阵秩
= 未知数个数
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