高等代数教案第四章线性方程组

1 第四章第四章 线性方程组线性方程组 一一 综述综述 线性方程组是线性代数的主要内容之一 本章完满解决了关于线性方程组的三方面的问题 即何时有 解 有解时如何求解 有解时解的个数 这在理论上是完美的 作为本章的核心问题是线性方程组有解判定定理 相容性定理 为解决这个问题 从中学熟知的消 元法入手 分析了解线性方程组的过程的实质是利用同解变换 即将方程的增广矩阵作行变换和列的换法 变换化为阶梯形 相应得同解方程组 由此相应的简化形式可得出有无解及求其解 为表述由此得到的 结果 引入了矩阵的秩的概念 用它来表述相容性定理 其中实质上也看到了一般线性方程组有解时 也可 用克莱姆法则来求解 由此得所谓的公式解 用原方程组的系数及常数项表示解 内容紧凑 方法具 体 其中矩阵的秩的概念及求法也比较重要 也体现了线性代数的重要思想 标准化方法 线性方程组内容的处理方式很多 由于有至少五种表示形式 其中重要的是矩阵形式和线性形式 因 而解线性方程组的问题与矩阵及所谓线性相关性关系密切 本教材用前者 矩阵 的有关问题讨论了 有解判定定理 用后者讨论了 有无穷解时 解的结构 实际上线性相关性问题是线性代数非常重要的问 题 在以后各章都与此有关 另外 从教材内容处理上来讲 不如先讲矩阵及线性相关性 这样关于线性方程 组的四个问题便可同时讨论 二二 要求要求 掌握消元法 矩阵的初等变换 秩 线性方程组有解判定定理 齐次线性方程组的有关理论 重点 线性方程组有解判别法 矩阵的秩的概念及求法 4 1 消元法消元法 一一 教学思考教学思考 本节通过具体例子分析解线性方程组的方法 消元法 实质是作方程组的允许变换 同解变换 化为标准形 由此得有无解及有解时的所有解 其理论基础是线性方程组的允许变换 换法 倍法 消法 是方程组的同解变换 而从形式上看 施行变换的过程仅有方程组的系数与常数项参与 因而可用矩阵 线性方程组的增广矩阵 表述 也就是对 增广 矩阵作矩阵的行 或列换法 初等变换化为阶梯形 进而化为标准阶梯形 其体现了线性代数的一种重要的思想方法 标准化的方法 二二 内容要求内容要求 主要分析消元法解线性方程组的过程与实质 以及由同解方程组讨论解的情况 存在性与个数 为下节作准备 同时指出引入矩阵的有关问题 初等变换等 的必要性 矩阵的初等变换和方程组的同解 变换间的关系 三三 教学过程教学过程 1 引例 引例 解方程组 1 25 3 4 2 33 3 5 1 3 1 2 1 321 321 321 xxx xxx xxx 定义 定义 我们把上述三种变换叫做方程组的初等变换 且依次叫换法变换 倍法变换 消法变换 2 消元法的理论依据 消元法的理论依据 TH4 1 1 初等变换把一个线性方程组变为与它同解的线性方程组 即线性方程组的初等变换是同 解变换 3 转引 转引 在上面的讨论中 我们看到在对方程组作初等变换时 只是对方程组的系数与常数项进行了运算 而 未知数没有参加运算 也就是说线性方程组有没有解以及有什么样的解完全决定于它的系数和常数项 因 2 此在讨论线性方程组时 主要是研究它的系数和常数项 因而消元法的过程即用初等变换把方程组化为阶 梯形方程组 来解决求解问题 此可转用另一种形式表述 为此引入 4 矩阵及其初等变换 矩阵及其初等变换 1 概念 概念 定义定义 1 由个数排成的一个行 列 数 表叫做一个行 列 或ts ij cst stss t t ccc ccc ccc 21 22221 11211 st 矩阵 叫做这个矩阵的元素 常用大写字母 A B 等表示矩阵 有时为明确矩阵记为ts ij cts 或 ts A ts ij cA 定义补定义补 由线性方程组的系数作成的矩阵 mnmnmm nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa 2211 22222121 11212111 叫做线性方程组的系数矩阵 用 A 表示 由它的系数和常数项作成的矩阵 mnmm n n aaa aaa aaa 21 22221 11211 叫做线性方程组的增广矩阵 用表示 mmnm n n baa baa baa 1 2221 1111 A 2 矩阵的初等变换 矩阵的初等变换 定义定义 2 矩阵的 列 初等变换指的是对一个矩阵作下列变换 1 交换矩阵的两行 列 换法变换 2 用一个不等于零的数乘矩阵的某一行 列 倍法变换 3 用一个数乘某行 列 后加到另一行 列 消法变换 3 线性方程组的同解变换与矩阵的初等变换的关系 线性方程组的同解变换与矩阵的初等变换的关系 显然 对一个线性方程组施行的同解变换即一个方程组的初等变换 相当于对它的增广矩阵施行对 应的行初等变换 而化简线性方程组相当于用行初等变换化简它的增广矩阵 因此将要通过化简矩阵来 讨论化简方程组的问题 这样做不仅讨论起来方便 而且能够给予我们一种方法 就一个线性方程组的增 广矩阵来解这个线性方程组 而不必每次把未知量写出 我国古代数学书 九章算术 三世纪 中就 是用这种方法解线性方程组的 成为算筹 下面的问题是 化简到什么形式 什么程度 理论上将给予解 决 4 矩阵经初等变换 行 列 化为阶梯形矩阵 矩阵经初等变换 行 列 化为阶梯形矩阵 TH4 1 2 设 A 是一个行列矩阵 mn 3 则 A 可经过一系列行初等变换和第一种列初等变换化为如下形式 A mnmm n n aaa aaa aaa 21 22221 11211 000000 000000 1000 10 1 1 rr b 进而化为以下形式 其中表示不同的元素 000000 000000 1000 0010 0001 1 212 111 rnrr nr nr cc cc cc 0 nrmrr 5 用矩阵的初等变换解线性方程组 用矩阵的初等变换解线性方程组 对线性方程组 1 mnmnmm nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa 2211 22222121 11212111 由定理 1 其系数矩阵可经过行初等变换和列换法变换化为 A mnmm n n aaa aaa aaa 21 22221 11211 则对其增广矩阵 000000 000000 1000 0010 0001 1 212 111 rnrr nr nr cc cc cc 4 作同样的初等变换可化为 从而方程组 1 与所对A m r rrnrr nr d d dcc dcc B 00000 00000 100 001 1 1 1111 B 应的方程组 2 在某种意义上同解 此是 m r rnrnrrrr nnrr nnrr d d dycycy dycycy dycycy 0 0 1 11 221122 111111 n yyy 21 的一个重新排序 n xxx 21 下面讨论 2 的解的情况 情形 1 当且不全为零时 因有矛盾式 2 无解 故 1 无解 mr mr dd 1 情形 2 当或且时 2 直观上无矛盾式 且与 3 mr mr 0 1 mr dd 同解 rnrnrrrr nnrr nnrr dycycy dycycy dycycy 11 221122 111111 当时 3 即为有唯一解 nr nn dy dy dy 22 11 当时 3 即为nr 于是任给一组值 可得 3 的一个解 nrnrrrrr nnrr nnrr ycycdy ycycdy ycycdy 11 211222 111111 nr yy 1 nr kk 1 5 这也是 1 的解 由的任意性 1 有无穷多解 nn rr nrnrrrrr nnrr nnrr ky ky kckcdy kckcdy kckcdy 11 11 211222 111111 nr kk 1 例例 1 解线性方程组 21592 8252 342 532 4321 4321 421 4321 xxxx xxxx xxx xxxx 解 对增广矩阵作行初等变换 00000 00000 6 13 2 1 100 2 3 2 1 021 215921 82521 31042 51321 A 所原方程组与方程组同解 故原方程组的一般解为 6 13 2 1 2 3 2 1 2 43 421 xx xxx 43 421 2 1 6 13 2 1 2 2 3 xx xxx 4 2 矩阵的秩矩阵的秩 线性方程组可解判别法线性方程组可解判别法 一一 教学思考教学思考 1 本节在上节消元法对线性方程组的解的讨论的基础上 引入了矩阵的秩的概念 以此来表述有解 判定定理 在有解时从系数矩阵的秩与未知数的个数间的关系可讨论解的个数 其中在有无数解时引入了 一般解与通解的概念 2 矩阵的秩的概念是一个重要的概念 学生易出问题 定义的表述不易理解 应指出秩是一个数 非 负整数 其含义是至少有一个阶非零子式 所有大于阶 若有时 子式全为 0 重要的是 秩 的性rrr 质 初等变换下不变 提供了求秩的另一方法 初等变换法 3 本节内容与上一节和下一节互有联系 结论具体 方法规范 注意引导总结归纳 二二 内容要求内容要求 1 内容 矩阵的秩 线性方程组可解判定定理 2 要求 掌握矩阵的秩的概念 求法及线性方程组求解判定定理 二二 教学过程教学过程 1 矩阵的秩 矩阵的秩 1 定义 定义 6 1 在矩阵中 任取行列 位于这些行列交点处的元素构成的阶行列式叫作矩 s t A kk ks t k 阵的一个阶子式 Ak 2 矩阵中 不等于零的子式的最大阶数叫做矩阵的秩 若没有不等于零的子式 认为其 s t A AA 秩为零 的秩记为秩 或 AA r A 2 矩阵的秩的初等变换不变性 矩阵的秩的初等变换不变性 TH4 2 1 矩阵的初等变换不改变矩阵的秩 3 一般线性方程组解的理论 一般线性方程组解的理论 对线性方程组 1 mnmnmm nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa 2211 22222121 11212111 由上节知 对 1 的系数矩阵可经过行初等变换和列换法变换化为 A mnmm n n aaa aaa aaa 21 22221 11211 000000 000000 1000 0010 0001 1 212 111 rnrr nr nr cc cc cc 则对其增广矩阵作同样的初等变换可化为 则 1 与A m r rrnrr nr d d dcc dcc B 00000 00000 100 001 1 1 1111 相应的方程组同解 由上节讨论知 当或且时 即时Bmr mr 0 1 mr dd r Ar A 1 有解 当且不全为零时 即时 1 无解 总之 1 有解mr mr dd 1 r Ar A 且在 1 有解时 当 即时有唯一解 当 即 r Ar A rn r Ar An rn 时有无穷解 此即 r Ar An TH4 2 2 3 线性方程组 1 有解 当 即时有唯一解 r Ar Ar rn r Ar An 当 即时有无穷解 rn r Ar An 例例 1 判断方程组有无解 有解时 求一般解 12345 12345 2345 12345 1 3233 2266 54331 xxxxx xxxxx xxxx xxxxx 例例 2 对进行讨论 何时方程组有解 无解 有解时求一般解 7 123 123 2 123 1xxx xxx xxx 4 3 线性方程组的公式解线性方程组的公式解 一一 教学思考教学思考 1 本节在理论上解决了当线性方程组有解时 用原方程组的系数和常数项将解表示出来 即公 式解 结论的实质是克拉默法则的应用 其中过程是在有解判定的基础上选择个适当方程而得 可归纳r 方法步骤 方程的选择 自由未知量的选择 内容规范完整 理论作用较大 实用性较小 2 作为特殊的线性方程组 齐次线性方程组的解的理论有特殊的结果 易于叙述和理解 需注意 其特殊性 与一般的区别 解的存在性 解的个数等 二二 内容要求内容要求 1 内容 线性方程组的公式解 齐次线性方程组的解 2 要求 了解线性方程组的公式解 掌握齐次线性方程组的解的结论 三三 教学过程教学过程 1 线性方程组的公式解 线性方程组的公式解 本节讨论当方程组 1 有解时 用方程组的系数和常数项把解 mnmnmm nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa 2211 22222121 11212111 表示出来的问题 公式解 处理这个问题用前面的方法 消元法是不行的 因为这个过程使得系数和 常数项发生了改变 但其思想即化简得同解线性方程组的思想是重要的 所以现今能否用其它方法把 1 化简得同解方程组且系数和常数项不变 才可能寻求公式解 为此看例 考察 2 1231 1232 1233 22 233 47 xxxG xxxG xxxG 显然间有关系 此时称是的结果 即可用线性表示 则方程 123 G G G 312 2GGG 3 G 12 G G 12 G G 组 2 与同解 332 22 2321 1321 Gxxx Gxxx 同样地 把 1 中的个方程依次用表示 若在这个方程中 某个方程是其它m 12 m G GG m i G 若干个方程的结果 则可把 1 中的舍去 从而达到化简的目的 即现在又得到化简 1 的方法 不 i G 考虑 1 中那些是其它若干个方程的结果 而剩下的方程构成与 1 同解的方程组 现在的问题是这样 化简到何种程度为止 或曰这样化简的方程组最少要保留原方程组中多少个方程 由初等变换法 若 1 的 则可把 1 归结为解一个含有个方程的线性方程组 同样 r Ar r TH4 3 1 设方程组 1 有解 则可以在 1 中的个方程中选取个方程 0 r Ar Ar mr 使得剩下的个方程是这个方程的结果 因而解 1 归结为解由这个方程