第三章线性代数方程组精选PPT.ppt

《第三章线性代数方程组精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章线性代数方程组精选PPT.ppt（46页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三章线性代数方程组第1 页，本讲稿共46 页例 1：求下列矩阵的秩第2 页，本讲稿共46 页分析例中3 个矩阵的求秩过程，可以得到如下结论：（1）A=0 的充要条件是 rank(A)=0；（2）若A 有一个k阶子式不为零，那么r(A)k；当r(A)=k 时，则A 至少有一个不为零的k阶子式，但不是所有k阶子式都不为零，而且可以断言所有高于k 阶的子式(如果存在)都为零；(3)若A 是mn 矩阵，那么r(A)minm,n；r(A)=r(AT)；(4)若A 是n 阶矩阵，则r(A)n。r(A)=n detA0 是 A 可逆。称行列式不为零的矩阵为满秩阵(非退化阵)；行列式为零的矩阵为降秩阵(退化

2、阵)。第3 页，本讲稿共46 页 练习 1 对于矩阵 k取何值时，可使：（1）r(A)=1(2)r(A)=2(3)r(A)=3。练习2 证明 r(A)=r(AT)。第4 页，本讲稿共46 页3 1 2 计算定义2满足以下两个条件的mn 矩阵称为梯矩阵：1 第 k+1 行的首个非零元（如果有的话）前的零元个数多于第k行的非零元（如果存在）前的零元个数，k=1,2,m-1；2 如果某行都是零元，则其下所有行的元都是零。第5 页，本讲稿共46 页例 2 说明为梯矩阵，并求出rank(A)。第6 页，本讲稿共46 页 结论 如果A 是梯矩阵，那么r(A)=A 的 非零行的行数。对于一般的mn矩阵，从秩

3、的定义求A的秩是不方便的。希望将A经过初等变换，变换成梯矩阵，然后再求A的秩。问题：经过初等变换的矩阵，其秩会变化？第7 页，本讲稿共46 页定理 1 任一mn 矩阵A 经有限次初等变换后，其秩不变。证明 设A 经一次行初等变换后成为B，首 先证明 r(A)r(B)，（B=RA；）推得：r(B)r(A)，（因为 A=R-1B）得到 r(A)=r(B)。因此，只要分别对三类初等变换证明 r(A)r(B)。设r(A)=k。第8 页，本讲稿共46 页对第一类行初等变换，第9 页，本讲稿共46 页 因为r(A)=k，即A 中必有一个k阶子式Mk0。B 中有一个与Mk对应的k阶子式Nk，满足下述之一的条

4、件：（1）当Mk中不包含A 的第i 行和j 行的元素，那么 Mk=Nk；（2）当Mk中仅包含A 的第i 行（或j 行）元素；只要适当交换Nk的行，就可以得到Mk，Mk=Nk。（3）当Mk中包含A 的第i 行和第j 行，只要交换Mk中与A的第i、j 行对应的行，就可以得到Nk，所以 Mk=-Nk。综上所述，当A 中k阶子式Mk0，那么B 中存在k阶子式Nk0，所以，r(A)r(B)；第10 页，本讲稿共46 页对第二类行初等变换，：第11 页，本讲稿共46 页 设Mk0 是A 的一个k阶子式，Nk是B中与Mk对应的行组成的k阶子式。若Mk中含第i 行，则Nk=Mk0；若Mk中不含第i 行，则 N

5、k=Mk0，所以，r(A)r(B)；第12 页，本讲稿共46 页对于第3类初等变换，第13 页，本讲稿共46 页对于A 中的k阶子式Mk0，则有四种可能：（1）Mk中同时含A 的第i 和j 行，此时，B 中的k阶子式可以取与Mk对应的行，得到k阶子式Nk，那么Nk=Mk0，得到 r(A)r(B)；(相当于将Mk中的第i 行的 倍加到第j 行)（2）Mk中含A 的第i 行，但不含第j 行元，则B 中对应的Nk，必有Nk=Mk0，得到 r(A)r(B)；第14 页，本讲稿共46 页（3）M k中含A 的第j 行元，但不含第i 行元：选择B 中与M k中序号对应的行元组成N k，则其包含B 中第j

6、行元，但不含第i 行元，那么第15 页，本讲稿共46 页 由于Mk 0，所以Nk与N2k 不同时为零，否则 Mk=0，与题设矛盾。(讲义中的证明不完全正确)如果Nk0，已知Nk是B 的一个k阶子式，那么 r(B)r(A)；如果 N2k 0，它也与B 的一个k阶子式对应：将B 中第j行元替换成第i 行元，再取与Mk相同的行元组成的k阶子式，得到r(A)r(B)；（4）Mk中既不含A 的第i 行元，也不含A 的第j 行元，此时，在B 中取与Mk相同序号的行元，得到Nk，则有Nk=Mk0，得到r(A)r(B)。综上述，由（1，2，3，4）得到r(A)r(B)。第16 页，本讲稿共46 页l 推论1

7、任一mn 矩阵A，经有限次列初等变换后，不改变秩。l 推论2 A 是任一mn 矩阵，B 是任一m（或n）阶满秩矩阵，则必有：r(BA)=r(A)（或r(AB)=r(A)）l 推论3 设A 是任一mn 矩阵，已知其标准形分解 A=PNQ，其中，那么r(A)=r。第17 页，本讲稿共46 页 定理 2 任一mn 矩阵A，必可以通过有限次行初等变换而成为梯矩阵。例 3 给定矩阵A，依据证明的步骤，用初等行变换将其化成梯矩阵。第18 页，本讲稿共46 页l 练习3 确定矩阵A 的秩 第19 页，本讲稿共46 页3.2 线性代数方程组的解 相容性：一个存在解的线性代数方程组称为相容的，否则就是不相容或矛

8、盾方程。3.2.1 齐次方程组 m x n 的齐次线性代数方程组为：第20 页，本讲稿共46 页 写成矩阵向量形式：Ax=0，其中，x=0，是方程的一个解零解，称为平凡解。那么齐次方程总是相容的。对于齐次方程，需要解决的问题：1）在何种情况下，存在非平凡解？2）存在非零解的条件下，如何表示所有的解，即解的一般形式是什么？第21 页，本讲稿共46 页定理 3 方程Ax=0 存在非平凡解的充要条件是 r(A)n，且在任一通解式中含有n r(A)个任意参数。证 对m x n 系数矩阵A 作标准形分解，A=PNQ P：m 阶可逆阵，Q：n 阶可逆阵。因为，Ax=0 PNQx=0 NQx=0 记 y=Q

9、x,那么 Ny=0第22 页，本讲稿共46 页第23 页，本讲稿共46 页第24 页，本讲稿共46 页第25 页，本讲稿共46 页l 记 则构成方程的一个基础解系。而且方程的任一解x都可以表示成，由于解表达式中yi,i=r+1,n，是n-r 任意常数，故称为方程的通解。第26 页，本讲稿共46 页第27 页，本讲稿共46 页第28 页，本讲稿共46 页第29 页，本讲稿共46 页第30 页，本讲稿共46 页非齐次方程组的通解l 对于非齐次方程组 AX=b 设 是其导出组的一个基础解系，是非齐次方程的一个特解，那么方程组的通解：第31 页，本讲稿共46 页 课堂讨论题：(1)问：a,b 取何值时

10、方程组有解？在有解的情况下求出解。第32 页，本讲稿共46 页解：当a=0,b=2 时，方程有解。因为第33 页，本讲稿共46 页（2）问：a，b 取何值时方程组有解？在有解的情况下求出解。第34 页，本讲稿共46 页解：l 当 时有唯一解；l 当 时：第35 页，本讲稿共46 页第36 页，本讲稿共46 页l（a）时，没有解；l（b）b=5 时，有无穷多个解。l 当 时有无穷多解；l b=-1 时，所以方程没有解。因为 不论a 是何值！第37 页，本讲稿共46 页第38 页，本讲稿共46 页l(3)设 计算 采用两次加边的方法第39 页，本讲稿共46 页再加边，构成n+2 阶行列式。第40 页，本讲稿共46 页解答步骤3n+2 列减去第二列。第41 页，本讲稿共46 页解答步骤l 首先，3n+2 列减去第一列。l 然后，第42 页，本讲稿共46 页l(5)证明按第1 列分解成两个行列式之和。第43 页，本讲稿共46 页第44 页，本讲稿共46 页那么第45 页，本讲稿共46 页l 该题还可以用归纳法来证明：第46 页，本讲稿共46 页