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1、大学数学高数微大学数学高数微积分第三章分第三章线性方程性方程组第一第一节课堂堂讲解解现在来讨论一般线性方程组.所谓一般线性方程组是指形式为一、线性方程组的概念的方程组，其中 x1, x2 , , xn 代表 n 个未知量，s 是方程的个数，aij (i = 1, 2, , s, j = 1, 2, , n) 称为方程组的系数，Bi (i = 1, 2, , s) 称为常数项.方程中未知量的个数 n 与方程的个数 s 不一定相等.系数 aij 的第一个指标 i 表示它在第 i 个方程，第二个指标 j 表示它是 xj 系数.所谓方程组k1, k2 , , kn 组成的有序数组 ( k1, k2 ,
2、 , kn )，当x1, x2 , , xn 分别用 k1, k2, , kn 代入后，(1) 中每个等式都变成恒等式.方程组 (1) 的解的全体称为的一个解就是指由 n 个数它的解集合.解方程组实际上就是找出它全部的解，或者说，求出它的解集合.如果两个方程组有相同的解集合，它们就称为同解的.显然，如果知道了一个线性方程组的全部系数和常数项，那么这个线性方程组就基本上确定了.确切地说，线性方程组来表示.下面就来介绍如何用一般消元法解一般线性方程组.可以用下面的矩阵二、消元法 1 引例 例 用消元法解线性方程组 解 用消元法求解，其步骤如下： STEP 2 STEP 2 方程 (1) 乘以 -2
3、 加到方程 (2); STEP 1STEP 1 交换方程 (1) 与 (2) , 得方程 (1) 乘以 1 加到方程 (3), 得 STEP 3STEP 3 交换方程 (4) 与方程 (5), 得 STEP 4STEP 4 方程 (5) 乘以 -4 加到方程 (4) , 得 STEP 5STEP 5 方程 (6) 加到方程 (5) , 得 STEP 6STEP 6 方程 (7) 加到方程 (1), 方程 (6) 乘 例 1 中所用的消元法的过程, 实际上是对方以 -1 得程组施行如下的运算或变换： (1)(1) 一个方程的两端乘以一个不等于零的数一个方程的两端乘以一个不等于零的数; ; (2)
4、(2) 一个方程的两端乘以同一个数后加到另一个方程的两端乘以同一个数后加到另一个方程上去一个方程上去. .定义 1 变换变换 (1)(1)，(2)(2)，(3)(3) 称为线性方程组称为线性方程组的的初等变换. (3) (3) 交换两个方程在方程组中的位置交换两个方程在方程组中的位置; ;2 消元法的证明消元的过程就是反复施行初等变换的过程.下面证明，初等变换总是把方程组变成初等变换总是把方程组变成同解方程组.证明只证变换 (2)(2)对于方程组进行第二种初等变换.为简便起见，不妨把第二个方程的 k 倍加到第一个方程得到新方程组现在设 (c1, c2, , cn) 是 (1) 的任一解.因 (
5、1)与(2)的后 s - 1 个方程是一样的，所以(c1, c2, , cn) 满足 (2) 的后 s - 1 个方程.又 (c1, c2, , cn) 满足a11c1 + a12c2 + + a1ncn = b1 ,a21c1 + a22c2 + + a2ncn = b2 .把第二式的两边乘以 k，再与第一式相加，即为(a11+ka21)c1+(a12+ka22)c2+(a1n+ka2n)cn = b1+kb2 故 (c1, c2, , cn) 又满足 (2) 的第一个方程，因而是(2) 的解.类似地可证 (2) 的任一解也是 (1) 的解.这就证明了 (1) 与 (2) 是同解的.证毕(1
6、) 的前两个方程3 用消元法解一般线性方程组对于方程组 (1) ，首先检查 x1 的系数.如果 x1的系数全为零，那么方程组 (1) 对 x1 没有任何限制,x1 就可以取任意值，而方程组 (1) 可以看作 x2,xn的方程组来解.如果x1 的系数不全为零，那么利用初等变换 (3)(3) ，可以设 a11 0.利用初等变换 (2)(2)，分别地把第一个方程的倍加到第 i 个方程(i = 2, , s).于是方程组 (1) 就变成其中这样，解方程组 (1) 的问题就归结为解方程组的问题.显然，(4) 的一个解，代入 (3) 的第一个方程就定出 x1 的值，这就得出 (3) 的一个解；而 (3)
7、的解显然都是 (4) 的解.这就是说，方程组方程组 (3) (3) 有解有解的充分必要条件为方程组的充分必要条件为方程组 (4) (4) 有解，而有解，而 (3) (3) 与与 (1) (1) 是是同解的，因而，方程组同解的，因而，方程组 (1) (1) 有解的充分必要条件为有解的充分必要条件为方程组方程组 (4) (4) 有解有解. .对 (4) 再按上面的考虑进行变换，并且这样一步步作下去，最后就得到一个阶梯形方程组.为了讨论起来方便，不妨设所得的方程组为其中 cii 0, i =1, 2, , r .方程组“0 = 0”这样一些恒等式可能不出现，也可能出现,这时去掉它们也不影响 (5)
8、的解.而且 (1) 与 (5) 是同解的.下面讨论方程组 (5) 的解的情况.如果 (5) 中有方程 0 = dr+1，而 dr+1 0.这时不管 x1, , xn 取什么值都不能使它成为等式.故(5) 无解，因而 (1) 无解.当 dr+1 = 0 或 (5) 中根本没有“0 = 0”的方程时，分两种情况：中的情形一 r r = = n n这时阶梯形方程组为其中 cii 0, i =1, 2, , n .由最后一个方程开始，xn, xn-1 , , x1 的值就可以逐个地唯一地决定了.此时方程组有唯一的解.例 2 用消元法把线性方程组化成阶梯形方程，并由此判断方程组是否有解，若有解，求出其解
9、.解经过一系列初等变换后，它变成了如下x3 = -6 代入第二个方程解得 x2 = - 1; x2 = -1 代入第一个方程解得 x1 = 9 .由于在阶梯形方程组中 , 有效方程的个数 r 与方程的未知量的个数 n 相等，所以有唯一解.一解为 (9, -1, -6) .把再把 x3 = -6，故方程组的唯情形二 r r n n这时阶梯形方程组为其中 cii 0 , i = 1, 2, , r .把它变形，得由此可见，任给 xr+1, , xn 一组值，就唯一地确定 x1, x2, , xr 的值，也就是得到方程组的一个解.一般地，由上式我们可以把由上式我们可以把 x x1 1, , x x2
10、 2, , , , x xr r 通通过过 x xr r+1+1, , , , x xn n 表示出来，这样一组表达式称为方表示出来，这样一组表达式称为方程程 (1) (1) 的的一般解，而，而 x xr r+1+1, , , , x xn n 称为一组称为一组自由未知量.三、消元法的总结用消元法解线性方程组的整个过程，总起来说就是：首先用初等变换化线性方程组为阶梯形方首先用初等变换化线性方程组为阶梯形方程组，把最后的一些恒等式程组，把最后的一些恒等式“ “0 = 0”(0 = 0”(如果出现的如果出现的话话) ) 去掉去掉. .如果剩下的方程当中最后一个等式是零如果剩下的方程当中最后一个等式
11、是零等于一非零的数，那么方程组无解，否则有解等于一非零的数，那么方程组无解，否则有解. .在在有解的情况下，如果阶梯形方程组中方程的个数有解的情况下，如果阶梯形方程组中方程的个数 r r等于未知量的个数等于未知量的个数 n n，那么方程组有唯一的解，那么方程组有唯一的解; ;果阶梯形方程组中方程的个数果阶梯形方程组中方程的个数 r r 小于未知量的个数小于未知量的个数n n ，那么方程组就有无穷多个解，那么方程组就有无穷多个解. .如如把以上结果应用到齐次线性方程组，就有定理 1 在齐次线性方程组在齐次线性方程组中，如果中，如果 s s n n，那么它必有非零解，那么它必有非零解. .证明显然
12、，方程组在化成阶梯形方程组之后，方程的个数不会超过原方程组中方程的个数，即r r s s n n . .由 r n 得知，它的解不是唯一的，因而必有非零解.证毕四、线性方程组与矩阵如果知道了一个线性方程组的全部系数和常数项，那么这个线性方程组就其本上确定了.确切地说，线性方程组可以用下面的矩阵来表示,即对于给定的线性方程组可唯一地确定矩阵反之给定矩阵可唯一地确定线性方程组.这也就是说，线性方程组与矩阵一一对应线性方程组与矩阵一一对应.于是我们引进下述概念定义 2 设有线性方程组设有线性方程组令令则称则称 A A 为方程组的为方程组的系数矩阵；称为方程组的称为方程组的增广矩阵.显然，用初等变换化
13、方程组成阶梯形方程组就相当于用初等行变换化增广矩阵成阶梯形矩阵.因此，解线性方程组的第一步工作可以通过矩阵来进行，而从化成的阶梯形矩阵就可以判别方程组有解还是无解，在有解的情形，再回到阶梯形方程组去求解.例 3 用矩阵的初等行变换法判断方程组是否有解.单 击 这 里 开 始五、消元法的几何解释在本节的最后，我们来研究消元法的几何意义.以 3 元线性方程组为例.设有 3 元线性方程组并设其有唯一解 x = a , y = b , z = c. 我们知道，3 元线性方程在几何上表示一个平面，因此，上述线性方程组的几何意义是：这三个个平面交于一点 P(a, b, c).从另外一个角度来说，也就是，过
14、空间点 P(a, b, c) 可以作无穷多个平面，从这无穷多个平面中任选三个就可以确定空间点P.而在这些平面中以平面 x = a, y = b, z = c 的方程最简单，它们的位置也最特殊，因为它们平行于三个坐标面.由此可看出消元法的几何意义是：从给定平从给定平面出发，逐步用过点面出发，逐步用过点 P P( (a a, , b b, , c c) ) 的位置较特殊的平的位置较特殊的平面的方程取代方程组中的方程，直到方程组中的方面的方程取代方程组中的方程，直到方程组中的方程是过点程是过点 P P( (a a, , b b, , c c) ) 所作的所有平面中方程最简单所作的所有平面中方程最简单
15、的三个为止的三个为止. .例如显然,该方程组有唯一解, 且为 x = y = z = 1. P(1,1,1). 方程组的几何意义是这三个平面交于一点 方程组中的每一个方程表示一个空间平面, 故该上述设有三元线性方程组如图 3 - 1 .x+2y-zx+2y-z=2=22x-y+z2x-y+z=2=2x+y+z =3P(1,1,1)图 3 - 1L方程组的解所表示的点如图 3 - 2图 3 - 2P(1,1,1)所示.消元的过程即为也即导导 出出本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按
16、钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.本节内容已结束 !若想结束本堂课, 请单击返回按钮.汇报结束谢谢大家!请各位批评指正
