线性代数03 齐次/非齐次线性方程组的解(行列式与解的关系)

上一篇文章介绍了关于矩阵的秩与线性方程组的解之间的关系。现在我们可以探究另一个非常重要的概念(行列式)与线性方程组的解的情况之间的关系。

1 行列式

首先,我们需要了解什么是行列式。
行列式,是一个相对于矩阵的概念,并且必须是方阵才有行列式的概念。重要的话说三遍:方阵才有行列式的概念,方阵才有行列式的概念,方阵才有行列式的概念。
我们可以认为行列式是一个值,通过对n阶方阵进行行列式的运算,可以得到一个值,我们记矩阵A的行列式为|A|,有的地方也记作det A,这是因为行列式的英文是“determinant”,行列式的计算方法是将矩阵进行LU分解,将矩阵化成上三角矩阵的形式,这样对角线上的积就是|A|,这里有些不严谨,实际上应该是对于行列式进行变换,得到三角行列式,然后对角线的乘积就是行列式的值,中间计算还会涉及到一些符号的细节,由于本篇博文重点不在于行列式的计算,就此省略。
现在我们就来看看行列式是如何告诉我们线性方程组的解的情况,并且为什么这样。


2 齐次线性方程组

简而言之就是常数项全为0的方程组。

我们必须要明确一点,齐次线性方程组是指的那些满足常数项全为0的线性方程组,而并没有规定必须是n个方程,n个未知数,但我们在讨论系数矩阵的行列式与齐次线性方程组的关系的时候,由于行列式的概念只存在于方阵中,因此我们只在这篇博文中讨论n个方程,n个未知数的线性方程组。


3 行列式的值与齐次线性方程组的关系

对于n个方程,n个未知数的齐次线性方程组Ax=0,我们可以提取出它的系数矩阵A,计算系数矩阵A的行列式det A,通过det A的值来判断齐次线性方程组的解的情况。
首先,我们需要明确一点:对于齐次线性方程组,只存在两种解的情况,要么只有唯一解(x=0),要么有非零解(无穷多解)。
为什么没有无解的情况,因为对于Ax=0来说,至少存在一个解,就是x全取0的解的情况。
那么行列式的值,又如何来确定这两种情况呢?
(1)我们先思考一下行列式的值的计算过程,看一下实例:
在这里插入图片描述
(2)观察以上实例,再结合之前提到过的高斯-诺尔当算法,以及矩阵的秩与解的情况的关系。是不是觉得行列式的变化过程与矩阵化为行阶梯的过程很像?
事实上,我们不难发现,其实增广矩阵的秩,就是系数矩阵的秩,对于系数矩阵来说,它包含的信息才是包含主元和自由变量的信息主体(可以仔细体会下这句话)。
可以说,我们如果只是想要判断解的情况,就根本不需要考虑常数项。而计算行列式时,若行列式的值det A=0,那么便是系数矩阵变化的过程中,出现了全为0的行,那么对于齐次线性方程组来说,其常数项又都是0,这样一来,det A=0,就对应增广矩阵化为阶梯矩阵后,存在一行全为0。即原方程组有无穷多解。

(3)那么如果det A≠0呢,说明计算行列式det A时,对角线上每一个数字都不为0,即系数矩阵化简到阶梯形式时,系数矩阵的秩R=n。这个时候,方程组有唯一解。因为齐次线性方程组的特殊性,我们可以得到,此唯一解就是0解。

小结:
对于齐次线性方程组Ax=0:
(1) 若det A=0,则方程组有无穷解,也叫非零解。
(2) 若det A≠0,则方程组有0解


4 非齐次线性方程组

常数项不全为零的线性方程组称为非齐次线性方程组。非齐次线性方程组的表达式为:Ax=b。
解析过程与齐次线性方程组的过程类似,但是唯一的区别就是,因为推广到增广矩阵时,常数项不为0了,所以有以下结论:
(1) 若det A=0,则方程组有无穷解/无解。
(2) 若det A≠0,则方程组有一个唯一解。

对无解的情况说明下,行列式det A=0只能说明,在高斯-诺尔当消元中,增广矩阵的左边,即系数矩阵存在一行为0,但是有可能出现这一行的情况是[0 0 0 0 | 1],其中1是原线性方程中的常数项,就出现了0=d(常数)的情况,当然是无解了。


5 总结

本篇博文从n个方程,n个未知数的线性方程组的齐次情况和非齐次情况来讨论了系数矩阵A的行列式det A是如何来反应线性方程组的解的。
下一篇博文,我将详细的说明关于行列式的性质,这些性质在计算行列式的时候非常的重要,有些性质的推导过程非常的精妙。值得我们反复推敲。

概念链接:

非齐次线性方程组
齐次线性方程组
行列式

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