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更具可视性,原来可能是规则的变更导致矩阵变形了。变化的规则是在$符号前后加
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2023-11-25 23:56:34 +08:00
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@@ -1,17 +1,20 @@
# 第八讲:求解$Ax=b$:可解性和解的结构
# 第八讲求解Ax=b可解性和解的结构
举例,同上一讲:$3 \times 4$矩阵
$
举例,同上一讲:$`3 \times 4`$矩阵
$$
A=
\begin{bmatrix}
1 & 2 & 2 & 2\\
2 & 4 & 6 & 8\\
3 & 6 & 8 & 10\\
\end{bmatrix}
$,求$Ax=b$的特解:
$$
写出其增广矩阵augmented matrix$\left[\begin{array}{c|c}A & b\end{array}\right]$
求Ax=b的特解
写出其增广矩阵augmented matrix$`\left[\begin{array}{c|c}A & b\end{array}\right]`$
$$
\left[
@@ -31,34 +34,34 @@ $$
\right]
$$
显然,有解的必要条件为$b_3-b_2-b_1=0$。
显然,有解的必要条件为$`b_3-b_2-b_1=0`$。
讨论$b$满足什么条件才能让方程$Ax=b$有解solvability condition on b当且仅当$b$属于$A$的列空间时。另一种描述:如果$A$的各行线性组合得到$0$行,则$b$端分量做同样的线性组合,结果也为$0$时,方程才有解。
讨论$b$满足什么条件才能让方程$`Ax=b`$有解solvability condition on b当且仅当$`b`$属于$`A`$的列空间时。另一种描述:如果$`A`$的各行线性组合得到$`0`$行,则$b$端分量做同样的线性组合,结果也为$`0`$时,方程才有解。
解法:令所有自由变量取$0$,则有$
解法:令所有自由变量取$`0`$,则有$`
\Big\lbrace
\begin{eqnarray*}
x_1 & + & 2x_3 & = & 1 \\
& & 2x_3 & = & 3 \\
\end{eqnarray*}
$
`$
,解得
$
$`
\Big\lbrace
\begin{eqnarray*}
x_1 & = & -2 \\
x_3 & = & \frac{3}{2} \\
\end{eqnarray*}
$
,代入$Ax=b$求得特解
$
`$
,代入$`Ax=b`$求得特解
$`
x_p=
\begin{bmatrix}
-2 \\ 0 \\ \frac{3}{2} \\ 0
\end{bmatrix}
$。
`$。
令$Ax=b$成立的所有解:
令$`Ax=b`$成立的所有解:
$$
\Big\lbrace
@@ -72,8 +75,8 @@ A & x_n & = & 0 \\
A(x_p+x_n)=b
$$
即$Ax=b$的解集为其特解加上零空间,对本例有:
$
即$`Ax=b`$的解集为其特解加上零空间,对本例有:
$`
x_{complete}=
\begin{bmatrix}
-2 \\ 0 \\ \frac{3}{2} \\ 0
@@ -82,12 +85,12 @@ x_{complete}=
c_1\begin{bmatrix}-2\\1\\0\\0\\\end{bmatrix}
+
c_2\begin{bmatrix}2\\0\\-2\\1\\\end{bmatrix}
$
`$
对于$m \times n$矩阵$A$,有矩阵$A$的秩$r \leq min(m, n)$
对于$`m \times n`$矩阵$`A`$,有矩阵$`A`$的秩$`r \leq min(m, n)`$
列满秩$r=n$情况:
$
列满秩$`r=n`$情况:
$`
A=
\begin{bmatrix}
1 & 3 \\
@@ -95,29 +98,41 @@ A=
6 & 1 \\
5 & 1 \\
\end{bmatrix}
$
$rank(A)=2$,要使$Ax=b, b \neq 0$有非零解,$b$必须取$A$中各列的线性组合此时A的零空间中只有$0$向量。
`$
$`rank(A)=2`$,要使$`Ax=b, b \neq 0`$有非零解,$`b`$必须取$`A`$中各列的线性组合此时A的零空间中只有$`0`$向量。
行满秩$r=m$情况:
$
行满秩$`r=m`$情况:
$`
A=
\begin{bmatrix}
1 & 2 & 6 & 5 \\
3 & 1 & 1 & 1 \\
\end{bmatrix}
$
$rank(A)=2$$\forall b \in R^m都有x \neq 0的解$,因为此时$A$的列空间为$R^m$$b \in R^m$恒成立,组成$A$的零空间的自由变量有n-r个。
`$
$`rank(A)=2`$$`\forall b \in R^m`$都有$`x \neq 0`$的解,因为此时$`A`$的列空间为$`R^m`$$`b \in R^m`$恒成立,组成$`A`$的零空间的自由变量有n-r个。
行列满秩情况:$r=m=n$,如
$
行列满秩情况:$`r=m=n`$,如
$`
A=
\begin{bmatrix}
1 & 2 \\
3 & 4 \\
\end{bmatrix}
$
,则$A$最终可以化简为$R=I$,其零空间只包含$0$向量。
`$
,则$`A`$最终可以化简为$`R=I`$,其零空间只包含$`0`$向量。
总结:
$$\begin{array}{c|c|c|c}r=m=n&r=n\lt m&r=m\lt n&r\lt m,r\lt n\\R=I&R=\begin{bmatrix}I\\0\end{bmatrix}&R=\begin{bmatrix}I&F\end{bmatrix}&R=\begin{bmatrix}I&F\\0&0\end{bmatrix}\\1\ solution&0\ or\ 1\ solution&\infty\ solution&0\ or\ \infty\ solution\end{array}$$
$$\begin{array}{c|c|c|c}r=m=n&r=n\lt m&r=m\lt n&r\lt m,r\lt n\\$$R=I&R=\begin{bmatrix}I\\0\end{bmatrix}&$R=\begin{bmatrix}I&F\end{bmatrix}`$&R=\begin{bmatrix}I&F\\0&0\end{bmatrix}\\1\ solution&0\ or\ 1\ solution&\infty\ solution&0\ or\ \infty\ solution\end{array}$$
---
$`\begin{array}{c|c|c|c}r=m=n&r=n\lt m&r=m\lt n&r\lt m,r\lt n\\`$
R=I
&
$`R=\begin{bmatrix}I\\0\end{bmatrix}`$&
$`R=\begin{bmatrix}I&F\end{bmatrix}`$&
$`R=\begin{bmatrix}I&F\\0&0\end{bmatrix}`$\\
1\ solution & 0\ or\ 1\ solution & \infty\ solution&0\ or\ \
infty\ solution\end{array}$$