线性代数02 线性方程组的解的情况(矩阵的秩)

在01中,我们提到出了一个问题:关于线性方程组的解是否可以根据消元过程中的结构来探究?
博主给出了答案是可以的,那么具体的情况是如何呢?我们先来明确几个概念:

1 主元与矩阵的秩

上一节01,我们提到了关于主元的概念,就是在阶梯矩阵中的非零行中,第一个不为零的数。那么很简单能够知道,主元的个数=非零行的数量。 如此一来。我们可以从主元出发,得到一个新的概念:矩阵的秩(Rank)=主元的数量=非零行的数量。

2 矩阵的秩与线性方程组的解的情况

对于线性方程组的解,我们已经明确只有三种情况,因此不妨分情况讨论:

(1) 唯一解
唯一解的情况非常好理解,就是每个变量均有唯一值,在高斯-诺尔当消元法中,对应的情况就是,增广矩阵中的系数矩阵A可以化简为单位矩阵:
实例如下:
在这里插入图片描述
可以看到,若矩阵的秩R==原线性方程组变量的个数(也是增广矩阵的列数)n,那么此时线性方程组有唯一解。

(2) 无解
根据上一节中,无解的实例ex1,我们可以看到,若存在任意行有0=d(常数项)。那么线性方程组无解。因此这种情况,就无需看矩阵的秩与n的关系,可以直接通过是否存在“0=d”方程来判断。

(3) 无穷多解
根据上一节中,无穷多解的实例ex2,可以很容易的发现。若矩阵的秩R<n,就一定有自由变量F的存在。
这里解释一下自由变量F:不是主元的变量就称作自由变量。
思考:为什么R<n,就一定存在自由变量?
因为有一行全为0,那么就一定存在主元的数量<变量的数量。

因此,结论是:若存在矩阵的秩R<n,那么线性方程组一定有无穷多解。

3 总结

(1) 矩阵的秩R<n,那么线性方程组一定有无穷多解
(2) 若存在任意行有0=d(常数项)。那么线性方程组无解。
(3) 矩阵的秩R==原线性方程组变量的个数(也是增广矩阵的列数)n,那么此时线性方程组有唯一解。

在这篇博文中,主要介绍了矩阵的秩的概念,并且将矩阵的秩与线性方程组的解的情况联系了起来。在下一章节,我想从n阶矩阵的行列式来关联到含有n个线性方程,n个变量的线性方程组的解的情况的说明,并且根据齐次线性方程组与非齐次线性方程组的不同来撰写。

概念

单位矩阵
矩阵的秩
主元

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