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Update chapter08.md
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$符号前后加
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@@ -1,17 +1,20 @@
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# 第八讲:求解$Ax=b$:可解性和解的结构
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# 第八讲:求解Ax=b:可解性和解的结构
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举例,同上一讲:$3 \times 4$矩阵
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$
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举例,同上一讲:$`3 \times 4`$矩阵
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$$
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A=
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\begin{bmatrix}
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1 & 2 & 2 & 2\\
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2 & 4 & 6 & 8\\
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3 & 6 & 8 & 10\\
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\end{bmatrix}
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$,求$Ax=b$的特解:
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$$
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写出其增广矩阵(augmented matrix)$\left[\begin{array}{c|c}A & b\end{array}\right]$:
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,求Ax=b的特解:
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写出其增广矩阵(augmented matrix)$`\left[\begin{array}{c|c}A & b\end{array}\right]`$:
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$$
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\left[
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@@ -31,34 +34,34 @@ $$
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\right]
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$$
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显然,有解的必要条件为$b_3-b_2-b_1=0$。
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显然,有解的必要条件为$`b_3-b_2-b_1=0`$。
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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。
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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。
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解法:令所有自由变量取$0$,则有$
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解法:令所有自由变量取$`0`$,则有$`
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\Big\lbrace
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\begin{eqnarray*}
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x_1 & + & 2x_3 & = & 1 \\
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& & 2x_3 & = & 3 \\
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\end{eqnarray*}
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$
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`$
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,解得
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$
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$`
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\Big\lbrace
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\begin{eqnarray*}
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x_1 & = & -2 \\
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x_3 & = & \frac{3}{2} \\
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\end{eqnarray*}
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$
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,代入$Ax=b$求得特解
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$
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`$
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,代入$`Ax=b`$求得特解
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$`
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x_p=
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\begin{bmatrix}
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-2 \\ 0 \\ \frac{3}{2} \\ 0
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\end{bmatrix}
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$。
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`$。
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令$Ax=b$成立的所有解:
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令$`Ax=b`$成立的所有解:
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$$
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\Big\lbrace
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@@ -72,8 +75,8 @@ A & x_n & = & 0 \\
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A(x_p+x_n)=b
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$$
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即$Ax=b$的解集为其特解加上零空间,对本例有:
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$
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即$`Ax=b`$的解集为其特解加上零空间,对本例有:
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$`
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x_{complete}=
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\begin{bmatrix}
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-2 \\ 0 \\ \frac{3}{2} \\ 0
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@@ -82,12 +85,12 @@ x_{complete}=
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c_1\begin{bmatrix}-2\\1\\0\\0\\\end{bmatrix}
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+
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c_2\begin{bmatrix}2\\0\\-2\\1\\\end{bmatrix}
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$
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`$
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对于$m \times n$矩阵$A$,有矩阵$A$的秩$r \leq min(m, n)$
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对于$`m \times n`$矩阵$`A`$,有矩阵$`A`$的秩$`r \leq min(m, n)`$
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列满秩$r=n$情况:
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$
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列满秩$`r=n`$情况:
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$`
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A=
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\begin{bmatrix}
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1 & 3 \\
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@@ -95,29 +98,41 @@ A=
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6 & 1 \\
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5 & 1 \\
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\end{bmatrix}
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$
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,$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。
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`$
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,$`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。
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行满秩$r=m$情况:
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$
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行满秩$`r=m`$情况:
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$`
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A=
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\begin{bmatrix}
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1 & 2 & 6 & 5 \\
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3 & 1 & 1 & 1 \\
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\end{bmatrix}
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$
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,$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。
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`$
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,$`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。
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行列满秩情况:$r=m=n$,如
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$
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行列满秩情况:$`r=m=n`$,如
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$`
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A=
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\begin{bmatrix}
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1 & 2 \\
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3 & 4 \\
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\end{bmatrix}
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$
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,则$A$最终可以化简为$R=I$,其零空间只包含$0$向量。
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`$
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,则$`A`$最终可以化简为$`R=I`$,其零空间只包含$`0`$向量。
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总结:
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$$\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}$$
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$$\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}$$
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---
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$`\begin{array}{c|c|c|c}r=m=n&r=n\lt m&r=m\lt n&r\lt m,r\lt n\\`$
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R=I
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&
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$`R=\begin{bmatrix}I\\0\end{bmatrix}`$&
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$`R=\begin{bmatrix}I&F\end{bmatrix}`$&
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$`R=\begin{bmatrix}I&F\\0&0\end{bmatrix}`$\\
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1\ solution & 0\ or\ 1\ solution & \infty\ solution&0\ or\ \
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infty\ solution\end{array}$$
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