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求基础解系的一般步骤如下:
确定自由未知量 :
首先,通过初等行变换将系数矩阵化为阶梯形矩阵。阶梯形矩阵的非零行数即为系数矩阵的秩 $r$。
自由未知量的个数等于未知数的总数 $n$ 减去矩阵的秩 $r$,即 $n - r$。
转化为同解方程组 :
将阶梯形矩阵的每一行最左端的非零元素保留在方程组的左端,其余的 $n - r$ 个未知量移到等式右端。
令右端的 $n - r$ 个未知量中的一个为 1,其余为零,从而得到 $n - r$ 个解向量。
验证基础解系 :
验证这 $n - r$ 个解向量是否线性无关,并且方程组的任意解都可以由这 $n - r$ 个解向量线性表示。
写出基础解系 :
将这 $n - r$ 个解向量写成向量组的形式,这个向量组即为方程组的基础解系。
示例
假设有一个齐次线性方程组 $Ax = 0$,其系数矩阵 $A$ 是一个 $m times n$ 矩阵,且 $A$ 经过初等行变换化为阶梯形矩阵后,非零行数为 $r$。
确定自由未知量 :
自由未知量个数 $n - r$。
转化为同解方程组 :
将阶梯形矩阵转化为同解方程组,令自由未知量分别取值为 $[1, 0, ldots, 0]$,$[0, 1, ldots, 0]$,$ldots$,$[0, 0, ldots, 1]$,代入同解方程组求解。
验证基础解系 :
验证解向量是否线性无关,并且方程组的任意解都可以由这些解向量线性表示。
写出基础解系 :
将验证通过的解向量组写成向量组的形式,即为基础解系。
结论
基础解系是齐次线性方程组解集的极大线性无关组,其个数等于未知数的总数减去矩阵的秩。通过初等行变换将系数矩阵化为阶梯形矩阵,然后令自由未知量分别取特定值,求出对应的解向量组,即可得到基础解系。基础解系不是唯一的,因为自由未知量的取法可以不同。