3线性方程组典型习题解析

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线性代数第3章_线性方程组习题解答

习题33-1．求下列齐次线性方程组的通解：（1）⎪⎩⎪⎨⎧=--=--=+-087305302z y x z y x z y x .解对系数矩阵施行行初等变换，得⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----−→−⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----=1440720211873153211A)(000720211阶梯形矩阵B =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-−→−⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-−→−0002720211)(000271021101行最简形矩阵C =⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛−→−，与原方程组同解的齐次线性方程组为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=+0270211z y z x ，即⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=z y z x 27211（其中z 是自由未知量），令1=z ，得到方程组的一个基础解系T)1,27,211(--=ξ, 所以，方程组的通解为,)1,27,211(Tk k --=ξk 为任意常数．（2）⎪⎩⎪⎨⎧=+++=+++=++++086530543207224321432154321x x x x x x x x x x x x x .解对系数矩阵施行行初等变换，得⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--−→−⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=21202014101072211086530543272211A)(7000014101072211阶梯形矩阵B =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-−→−⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-−→−70000141010211201)(100000101001201行最简形矩阵C =⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛−→−，与原方程组同解的齐次线性方程组为⎪⎩⎪⎨⎧==+=++0002542431x x x x x x ，即⎪⎩⎪⎨⎧=-=--=02542431x x x x x x （其中43,x x 是自由未知量），令34(,)T x x =(1,0)T ，(0,1)T，得到方程组的一个基础解系T)0,0,1,0,2(1-=ξ，T)0,1,0,1,1(2--=ξ，所以，方程组的通解为=+2211ξξk k T T k k )0,1,0,1,1()0,0,1,0,2(21--+-，21,k k 为任意常数．（3）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-+-+=-++-=-+-=--+0742420436240203543215432143215421x x x x x x x x x x x x x x x x x x ．解对系数矩阵施行行初等变换，得11031112104263424247A --⎛⎫ ⎪--⎪= ⎪-- ⎪ ⎪--⎝⎭11031022210003100000--⎛⎫⎪- ⎪−−→⎪- ⎪⎪⎝⎭)(阶梯形矩阵B =)(0000031100065011067011行最简形矩阵C =⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----−→−，与原方程组同解的齐次线性方程组为⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=-=--=-+03106506754532531x x x x x x x x ，即⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+=+-=54532531316567x x x x x x x x （其中53,x x 是自由未知量），令=T x x ),(53(1,0)T ，(0,1)T，得到方程组的一个基础解系T )0,0,1,1,1(1-=ξ，T )1,31,0,65,67(2=ξ，所以，方程组的通解为=+2211ξξk k T T k k )1,31,0,65,67()0,0,1,1,1(21+-，21,k k 为任意常数．3-2．当λ取何值时，方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-+=+-=++z z y x y z y x x z y x λλλ6774334 有非零解？解原方程组等价于⎪⎩⎪⎨⎧=+-+=++-=++-0)6(707)4(303)4(z y x z y x z y x λλλ, 上述齐次线性方程组有非零解的充分必要条件是它的系数行列式0671743134=-----λλλ，即0)756(2=-+λλλ，从而当0=λ和2123±-=λ时方程组有非零解．3-3．求解下列非齐次线性方程组：（1）⎪⎩⎪⎨⎧=++--=-+-=++-5521212432143214321x x x x x x x x x x x x .解对增广矩阵A 施行行初等变换⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----=551211112111121A ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-−→−000001100011121B =，因为()()r A r A =，所以方程组有解，继续施行行初等变换B ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-−→−000001100000121C =，与原方程组同解的齐次线性方程组为⎩⎨⎧==+-124321x x x x , 即⎩⎨⎧=-=124321x x x x （其中32,x x 为自由未知量），令TT x x )0,0(),(32=，得到非齐次方程组的一个解T )1,0,0,0(0=η，对应的齐次方程组（即导出方程组）为⎩⎨⎧=-=024321x x x x （其中32,x x 为自由未知量），令T x x ),(32(1,0)T =，(0,1)T，得到对应齐次方程组的一个基础解系T )0,0,1,2(1=ξ，T )0,1,0,1(2-=ξ,方程组的通解为0112212(0,0,0,1)(2,1,0,0)(1,0,1,0)T T T k k k k ηηξξ=++=++-，其中21,k k 为任意常数．（2）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+--=+--=+--=-+-810957245332231324321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x .解对增广矩阵A 施行行初等变换⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--------=810957245113322311312A ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----−→−000000000039131024511B =，因为()()r A r A =，所以方程组有解，继续施行行初等变换B ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----−→−000000000039131015801C =，与原方程组同解的齐次线性方程组为⎩⎨⎧-=-+-=-+3913158432431x x x x x x , 即⎩⎨⎧+--=+--=4324319133581x x x x x x （其中43,x x 为自由未知量），令34(,)(0,0)T Tx x =，得到非齐次方程组的一个解T )0,0,3,1(0--=η,对应的齐次方程组（即导出方程组）为⎩⎨⎧+-=+-=43243191358x x x x x x （其中43,x x 为自由未知量），令34(,)T x x =(1,0)T ，(0,1)T，得到对应齐次方程组的一个基础解系T )0,1,13,8(1--=ξ，T )1,0,9,5(2-=ξ，方程组的通解为0112212(1,3,0,0)(8,13,1,0)(5,9,0,1)T T T k k k k ηηξξ=++=--+--+-,其中21,k k 为任意常数．（3）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++=-+=-+-=-+10013212213321321321321x x x x x x x x x x x x ．解对增广矩阵A 施行行初等变换⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---−→−⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=101400201034101311100111132112121311A ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----−→−96000540034101311101400540034101311，因为3)(4)(=≠=A r A r ，所以方程组无解.3-4．讨论下述线性方程组中，λ取何值时有解、无解、有惟一解？并在有解时求出其解．⎪⎩⎪⎨⎧=++++=+-+=+++3)3()1(3)1(2)3(321321321x x x x x x x x x λλλλλλλλ．解方程组的系数行列式为231211(1)3(1)3A λλλλλλλλ+=-=-++.（1）当0A ≠时，即01λλ≠≠且时，方程组有惟一解．（2）当0A ＝时，即01λλ＝或＝时， (i) 当0λ＝时,原方程组为12323133200333x x x x x x x ++=⎧⎪-+=⎨⎪+=⎩，显然无解．(ii) 当1λ＝时，原方程组为⎪⎩⎪⎨⎧=++=+=++346112432131321x x x x x x x x ，对该方程组的增广矩阵A 施行行初等变换412110111011012361430000A ⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪=→-- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，因为()()23r A r A ==<，所以方程组有无穷多组解，与原方程组同解的方程组为1323123x x x x +=⎧⎨-=-⎩，即1323132x x x x =-⎧⎨=-+⎩（其中3x 为自由未知量），令30x =，得到非齐次方程组的一个解0(1,3,0)T η=-，对应的齐次方程组（即导出方程组）为13232x x x x =-⎧⎨=⎩（其中3x 为自由未知量），令31x =，得到对应齐次方程组的一个基础解系(1,2,1)T ξ=-，方程组的通解为0(1,3,0)(1,2,1)T T k k ηηξ=+=-+-，其中k 为任意常数．3-5．写出一个以1222341001x c c -⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪- ⎪ ⎪=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭为通解的齐次线性方程组．解由已知，1(2,3,1,0)Tξ=-和2(2,4,0,1)T ξ=-是齐次线性方程组AX O =的基础解系，即齐次线性方程组AX O =的基础解系所含解向量的个数为2，而未知数的个数为4，所以齐次线性方程组AX O =的系数矩阵A 的秩为422-=，故可设系数矩阵1112131421222324a a a a A a a a a ⎛⎫=⎪⎝⎭, 由AX O =可知()111121314,,,a a a a α=和()221222324,,,a a a a α=满足方程组()12342234,,,1001x x x x O -⎛⎫ ⎪-⎪= ⎪ ⎪⎝⎭, 即方程组123124230240x x x x x x -+=⎧⎨-++=⎩的线性无关的两个解即为12,αα,方程组的系数矩阵2310204324010111-⎛⎫⎛⎫→ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭,该方程组等价于134234243x x x x x x =--⎧⎨=--⎩（其中43,x x 为自由未知量），令34(,)T x x =(1,0)T ，(0,1)T，得到该齐次方程组的一个基础解系1(2,1,1,0)T α=--，23(,1,0,1)2T ξ=--，故要求的齐次线性方程组为AX O =，其中211031012A --⎛⎫⎪= ⎪--⎝⎭,即12312420302x x x x x x --+=⎧⎪⎨--+=⎪⎩. 3-6．设线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=+++=++0022111212111n mn m m n n x a x a x a x a x a x a，的解都是02211=+++n n x b x b x b 的解，试证Tn b b b ),,,(21 =β是向量组T n a a a ),,,(112111 =α,T n a a a ),,,(222212 =α, ,),,,(21mn m m m a a a =α的线性组合．证把该线性方程组记为（*），由已知，方程组（*）的解都是02211=+++n n x b x b x b 的解，所以方程组（*）与方程组111122111221122000n n m m mn n n n a x a x a x a x a x a x b x b x b x ++=⎧⎪⎪⎨+++=⎪⎪+++=⎩, 同解，从而有相同的基础解系，于是二者有相同的秩，则它们系数矩阵的行向量组12,,,m ααα和12,,,,m αααβ的秩相同，故β可由12,,,m ααα线性表示．3-7．试证明：()()r AB r B =的充分必要条件是齐次线性方程组O ABX =的解都是O BX =的解．证必要性.因为()()r AB r B =，只须证O ABX =与O BX =的基础解系相同．O ABX =与O BX =的基础解系都含有()n r B -个线性无关的解向量．又因为O BX =的解都是O ABX =得解．所以O BX =的基础解系也是O ABX =的基础解系．即O ABX =与O BX =有完全相同的解．所以O ABX =的解都是O BX =的解．充分性.因O ABX =的解都是O BX =的解，而O BX =的解都是ABX O =的解，故O ABX =与O BX =有完全相同的解，则基础解系也完全相同，故()()n r AB n r B -=-，所以()()r AB r B =．3-8．证明()1r A =的充分必要条件是存在非零列向量a 及非零行向量Tb ，使T A ab =．证充分性.若存在列向量12m a a a a ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭及行向量()12T n b b b b =，其中,i j a b 不全为零1,,i m =，1,,j n =，则有()1111212212221212n n T n m m m m n a a b a b a b aa b a b a b A ab b b b a a b a b a b ⎛⎫⎛⎫⎪⎪ ⎪ ⎪=== ⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭, 显然矩阵A 的各行元素对应成比例，所以()1r A =．必要性.若()1r A =，则A 经过一系列的初等变换可化为标准形100000000D ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭，而矩阵D 可以表示为()100100001,0,,0000D ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，则存在可逆矩阵P ，Q 使得1P AQ D -=，从而()11101,0,,00A PDQ P Q --⎛⎫ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪⎝⎭，其中1,P Q -均可逆，记100a P ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭， ()11,0,,0T b Q -=，又因为P 可逆，则P 至少有一行元素不全为零，故列向量a 的分量不全为零，同理，因为1Q -可逆，所以行向量Tb 的分量不全为零．因此，存在非零列向量a 及非零行向量Tb ，使TA ab =．补充题B3-1.设A 是m n ⨯矩阵，AX O =是非其次线性方程组AX b =所对应齐次线性方程组，则下列结论正确的是（ D ）.（A ）若AX O =仅有零解，则AX B =有惟一解；（B ）若AX O =有非零解，则AX B =有无穷多个解；（C ）若AX B =有无穷多个解，则AX O =仅有零解；（D ）若AX B =有无穷多个解，则AX O =有非零解．B3-2.设A 为n 阶实矩阵，T A 是A 的转置矩阵，则对于线性方程组（ⅰ）AX O =；（ⅱ）TA AX O =，必有（ D ）．（A ）（Ⅱ）的解是（Ⅰ）的解，（Ⅰ）的解也是（Ⅱ）的解；（B ）（Ⅱ）的解是（Ⅰ）的解，但（Ⅰ）的解不是（Ⅱ）的解；（C ）（Ⅰ）的解不是（Ⅱ）的解，（Ⅱ）的解也不是（Ⅰ）的解；（Ｄ）（Ⅰ）的解是（Ⅱ）的解，但（Ⅱ）的解不是（Ⅰ）的解．B3-3．设线性方程组AX B =有n 个未知量，m 个方程组，且()r A r =，则此方程组（ A ）．（Ａ）r m =时，有解；（Ｂ）r n =时，有惟一解；（Ｃ）m n =时，有惟一解；（Ｄ）r n <时，有无穷多解．B3-4．讨论λ取何值时，下述方程组有解，并求解：⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++21λλλλλz y x z y x z y x ．解（法一）方程组的系数行列式21111(1)(2)11A λλλλλ==-+，（1）当0A ≠时，即12λλ≠≠-且时，方程组有惟一解211(1),,222x y z λλλλλ++=-==+++．（2）当0A ＝时，即12λλ-＝或＝时 (i) 当λ＝1时,原方程组为1x y z ++=，因为()()1r A r A ==，所以方程组有无穷多组解，其通解为0112212(1,0,0)(1,1,0)(1,0,1)T T T k k k k ηηξξ=++=+-+-,其中21,k k 为任意常数． (ii) 当λ＝-2时，原方程组为212224x y z x y z x y z -++=⎧⎪-+=-⎨⎪+-=⎩，对该方程组的增广矩阵A 施行行初等变换2111112412120112112400015A --⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪=--→- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭，因为()2()3r A r A =≠=，所以方程组无解．解（法二）对该方程组的增广矩阵A 施行行初等变换2211111111111111A λλλλλλλλλλ⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪=→ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭2223110110111λλλλλλλλλ⎛⎫⎪→--- ⎪ ⎪---⎝⎭22223110110021λλλλλλλλλλλ⎛⎫ ⎪→--- ⎪⎪--+--⎝⎭2221101100(1)(2)(1)(1)B λλλλλλλλλλ⎛⎫ ⎪→---= ⎪ ⎪-+-+⎝⎭，(1)当12λλ≠≠-且时, ()()3r A r A ==，方程组有惟一解211(1),,222x y z λλλλλ++=-==+++.(2) 当λ＝1时， ()()1r A r A ==，方程组有无穷多组解，其通解为0112212(1,0,0)(1,1,0)(1,0,1)T T T k k k k ηηξξ=++=+-+-,其中21,k k 为任意常数．(3) 当λ＝-2时，由B 知，()2()3r A r A =≠=，所以方程组无解．B3-5.若321,,ηηη是某齐次线性方程组的一个基础解系，证明：122331,,ηηηηηη+++也是该方程组的一个基础解系．证设有三个数123,,k k k 使得112223331()()()0k k k ηηηηηη+++++=,则有131122233()()()0k k k k k k ηηη+++++=,因为321,,ηηη是某齐次线性方程组的一个基础解系，所以321,,ηηη线性无关，故131223000k k k k k k +=⎧⎪+=⎨⎪+=⎩, 该方程组的系数行列式10111020011=≠, 所以该方程组只有零解．即1230k k k ===．即122331,,ηηηηηη+++线性无关．又由齐次线性方程组的性质知122331,,ηηηηηη+++都是方程组的解．所以122331,,ηηηηηη+++构成方程组的一个基础解系．B3-6.设四元非齐次线性方程组的系数矩阵的秩为3，已知321,,ξξξ是它的三个解向量，且⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=54321ξ，⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+432132ξξ，求该方程组的通解．解因为4,3n r ==，故原方程组的导出组的基础解系含有1n r -=个解向量，所以只须找出其导出组的一个非零解向量即可．由解的性质知，1213,ξξξξ--均为导出组的解，所以1213123()()2()ξξξξξξξ-+-=-+为导出组的解，即123342()56ηξξξ⎛⎫⎪ ⎪=-+= ⎪ ⎪⎝⎭,为导出组的解．故原方程组的通解为123344556k k ξξη⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪=+=+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，k 为任意常数．B3-7. 设*ξ是非齐次线性方程组B AX =的一个解，r n -ηηη,,,21 是它对应的齐次线性方程组的一个基础解系，证明：（1）,*ξr n -ηηη,,,21 线性无关；（2）r n -+++ηξηξηξξ*2*1**,,,, 线性无关．证（１）反证法.设,*ξr n -ηηη,,,21 线性相关，由r n -ηηη,,,21 是对应的齐次线性方程组的一个基础解系知r n -ηηη,,,21 线性无关，故*ξ可由r n -ηηη,,,21 线性表示，即*ξ是对应的齐次线性方程组的解，与题设矛盾．故,*ξr n -ηηη,,,21 线性无关．（2）反证法.设r n -+++ηξηξηξξ*2*1**,,,, 线性相关，则存在不全为零的数012,,,,n r k k k k -，使得****01122()()()0n r n r k k k k ξξηξηξη--+++++++=,即*0121122()0n r n r n r k k k k k k k ξηηη---++++++++=,由（１）知，,*ξr n -ηηη,,,21 线性无关，则0120n r k k k k -++++=，10k =，20k =，．．．，0n r k -=,从而00k =，这与012,,,,n r k k k k -不全为零矛盾,故r n -+++ηξηξηξξ*2*1**,,,, 线性无关．B3-8．设线性方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+++=+++=+++nn nn n n n n n n b x a x a x a b x a x a x a b x a x a x a22112222212*********，的系数矩阵的秩等于矩阵⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛02121222221111211nn nn n n n n b b b b a a a b a a a b a a a 的秩，试证这个方程组有解．证令111212122212n n n n nn a a a aa a A a a a ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭, 11121121222212n n n n nn n a a a b a a a b A a a a b ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭, 11121121222212120n n n n nn n na a ab a a a b B a a a b b b b ⎛⎫ ⎪ ⎪⎪= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭, 因为A 比A 多一列，B 比A 多一行，故()()()r A r A r B ≤≤,而由题设()()r A r B =，所以()()r A r A =，所以原方程组有解．B-9．设A 是n 阶方阵，*A 是A 的伴随矩阵，证明：⎪⎩⎪⎨⎧-<-===*1,01,1,n r n r nr n r A A A A 当当当. 证若A r n =，因为0A ≠，而**AA A A A E ==，1*0n A A-=≠，故A r n *=．若1A r n =-，因为0A =，所以*AA A E O ==，又因为A AA A r r r n **≥+-，而0AA r *=，所以1A r *≤；又因为1A r n =-，所以至少有一个代数余子式0ij A ≠，从而1A r *≥，故1A r *=．若1A r n <-，则A 的任一个代数余子式0ij A =，故*0A =，所以0A r *=．B3-10．设A 是m n ⨯阶方阵，证明：AX AY =，且A r n =，则X Y =．证因为AX AY =，所以()A X Y O -=，又因为A r n =，所以方程组()A X Y O -=只有零解，即X Y O -=，所以X Y =．。

试题：线性方程组：求解与性质分析

1.在线性代数中，如果一个线性方程组有唯一解，那么它的系数矩阵的秩与增广矩阵的秩关系如何？o A. 增广矩阵的秩大于系数矩阵的秩o B. 增广矩阵的秩小于系数矩阵的秩o C. 增广矩阵的秩等于系数矩阵的秩，且等于未知数的个数o D. 两者秩的关系无法确定参考答案: C解析:当一个线性方程组有唯一解时，表明它的系数矩阵和增广矩阵的秩相等，并且这个秩等于未知数的个数。

2.线性方程组Ax=b中，如果A是一个3×3的可逆矩阵，那么这个方程组的解是？o A. 有无穷多个解o B. 无解o C. 有且仅有一个解o D. 以上都不是参考答案: C解析:当A是可逆矩阵时，线性方程组Ax=b有且仅有一个解，可通过x=A−1b计算得到。

3.如果线性方程组的系数矩阵A是一个阶梯形矩阵，且每一行都有一个首非零元，那么这个方程组解的情况是？o A. 无解o B. 有唯一解o C. 有无穷多个解o D. 解的个数依赖于常数项参考答案: B解析:如果A是一个阶梯形矩阵且每一行都有一个首非零元，表明它是一个简化阶梯形矩阵，且未知数的个数等于方程的个数，因此方程组有唯一解。

4.线性方程组Ax=b中，如果A的列向量组线性相关，那么这个方程组可能是？o A. 无解o B. 有唯一解o C. 有无穷多个解o D. 以上所有情况都有可能参考答案: C解析:当A的列向量组线性相关时，表明存在多余方程或矛盾方程，如果方程组不矛盾，那么它可能有无穷多个解。

5.什么是克莱姆法则（Cramer’s Rule）解决线性方程组的前提？o A. 系数矩阵必须是方阵o B. 系数矩阵的行列式必须等于零o C. 方程组的解集必须是空集o D. 方程组的未知数个数必须少于方程个数参考答案: A解析:克莱姆法则适用于系数矩阵为方阵的线性方程组，且该矩阵的行列式不为零时。

6.如果线性方程组的系数矩阵A的秩小于未知数的个数，那么方程组？o A. 有唯一解o B. 必定无解o C. 必定有无穷多个解o D. 解的情况需要更多信息才能确定参考答案: D解析:A的秩小于未知数个数，意味着存在自由变量，但这并不一定意味着方程组有无穷多个解，因为方程组可能矛盾。

典型例题分析线性方程组

第三章线性方程组典型例题分析§3.1 基本知识一向量组的线性相关性1 设βααα,,,,21s 是数域p 上的n 维向量，若存在数域p 中的数,,,,21s k k k ，使得s s k k k αααβ+++= 2211,则称β是s ααα,,,21 的线性组合,或说β可由向量组s ααα,,,21 线性表出.2 若向量组s ααα,,,21 中的每个向量都可由向量组t βββ,,,21 线性表出，则称向量组s ααα,,,21 可由向量组t βββ,,,21 线性表出，若两个向量组可以互相线性表出，则称它们是等价的.3 向量组的等价是一个等价关系.4 线性相关性：若存在不全为零的数s k k k ,,,21 使02211=+++s s k k k ααα其中∈i k 数域P , s i ,,2,1 =,则称向量组s ααα,,,21 在数域p 上线性相关；否则称其在p 上线性无关.5 n 维单位向量)1,0,,0(,),0,,0,1,0(),0,,0,1(21 ===n εεε线性无关，且任何n 维向量都可由它线性表出.6 向量组)2(,,,21≥s s ααα 线性相关的充分必要条件是：s ααα,,,21 中有一个向量可以被其余的向量线性表出.7 设r ααα,,,21 与s βββ,,,21 是两个向量组，若 1)向量组r ααα,,,21 可由s βββ,,,21 线性表出. 2)s r>则向量组r ααα,,,21 线性相关.8(替换定理)设向量组r ααα,,,21 , (1) s βββ,,,21 . (2)(1) 中每一个i α可由(2) 中的向量j β线性表出且(1)组向量线性无关,则1) r ≤ s;2) 必要时可对(2) 中向量重新编号,使得用r ααα,,,21 替换r βββ,,,21 后所得向量组r ααα,,,21 ,s r ββ,,1 + (3)与(2)等价.二向量组的极大无关组与秩1 若向量组r ααα,,,21 有部分组r j j j ααα,,,21 满足: 1)rjj j ααα,,,21线性无关,2)每个)1(n i i ≤≤α都可由r j j j ααα,,,21 线性表出,则称r j j j ααα,,,21 为n ααα,,,21 的一个极大线性无关组.2 设n ααα,,,21 是含有非零向量的一个向量组,则其中一个极大线性无关组中所含的向量个数称为此向量组的秩．3 任何向量组都与其极大无关组等价.4 一个向量组若含有非零向量,则其任意两个极大线性无关组所含的向量个数相等.5 向量组n ααα,,,21 的秩为n 的充分必要条件为: n ααα,,,21 线性无关.三矩阵的秩 1矩阵A 的行向量组的秩称为A 的行秩，A 的列向量组的秩称为A 的列秩.2 一个矩阵中非零子式的最大级数称为这个矩阵的秩.矩阵的秩等于其行秩也等于其列秩. 一个矩阵的秩用“秩A ”或“r(A)”表示.3 以下变换称为矩阵的初等变换： 1)交换矩阵的任意两行（列）；2)用非零数k 乘矩阵的某一行（列）；3)用数k 乘某一行（列）中所有元素并加到另一行（列）上去. 4 初等变换不改变矩阵的秩.对任何矩阵A 都可经过初等变换化为以下标准形：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛0011 ，其中主对角线上1的个数等于矩阵A 的秩.四线性方程组 1 线性方程组有解的判定定理：设线性方程组)1(,,,22112222212111212111⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+++=+++=+++s n sn s s n n n n b x a x a x a b x a x a x a b x a x a x a的系数矩阵与增广矩阵分别为A 和A ，则方程组（1）有解的充分必要条件为：秩A =秩A ，并且1)当秩=A 秩n r A ==时,(1)有唯一解; 2)当秩=A 秩n r A <=时,(1)有无穷解; 2解线性方程组的步骤:1)对增广矩阵A 施行行初等变换,将A 化成阶梯形矩阵B (阶梯形矩阵不唯一)；2)由B 可知秩A 与秩A 是否相等，从而判断原方程组是否有解,及判断有唯一解或有无穷多解； 3)解出以B 为增广矩阵的线性方程组（它与原方程组同解），在有解时，一般继续将阶梯形矩阵B 通过行初等变换化为行简化阶梯形，所谓行简化阶梯形是指这样的矩阵，其每个非零行的首非零元为1，各行的首非零元的列标递增，零行在所有非零行的下方.注意当方程组有无穷多解时，必有n-r 个自由未知量.五线性方程组解的结构1 齐次线性方程组(1)的一组解向量t ηηη,,,21 称为)1(的一个基础解系，若 1）(1)的任意解向量都能表成t ηηη,,,21 的线性组合； 2）t ηηη,,,21 线性无关.2 设A 为某一非齐次线性方程组的系数矩阵，则以A 为系数矩阵的齐次线性方程组称为原非齐次线性方程组的导出组.3 齐次线性方程组解向量的线性组合仍为该齐次线性方程组的解向量.4设A 是一个n s ⨯矩阵,则以A 为系数矩阵的齐次线性方程组有非零解的充分必要条件为：秩A <n(且此时方程组的每个基础解系都含有-n 秩A 个向量).特别地，含个n 未知量n 个方程的齐次线性方程组有非零解的充分必要条件是其系数行列式等于零.5非齐次线性方程组的一般解:如果0r 是非齐次线性方程组)1(的一个特解，r n -ηηη,,,21 是其导出组的一个基础解系，则)1(的任意解r 都可以表成r n r n k k k r r --++++=ηηη 22110,其中r n k k k -,,,21 为任意数.六二元高次方程组 1 称行列式nmmm mnnnb b b b b b b b b b b a a a a a a a a a a10210210110210为多项式n n n a x a x a x f ++=-110)( m m m b x b x b x g +++=- 110)( （它们可以是零多项式）的结式，记为),(g f R . 2 设 n n n a x a x a x f +++=- 110)(， m m m b x b x b x g +++=- 110)(是][x p 中两个多项式，0,>n m ，于是它们的结式0),(=g f R 的充要条件是)(x f 与)(x g 在][x p 中有非常数的公因式或它们的第一个系数00,b a 全为零.3 设),(y x f ，),(y x g 是两个复系数的二元多项式，求方程组⎩⎨⎧==0),(0),(y x g y x f （1）在复数域中的全部解，将),(y x f 与),(y x g 写成)()()(),(110y a x y a x y a y x f n n n +++=- ， )()()(),(110y b x y b x y b y x g m m m +++=- ，其中m j n i y b y a i i ,,1,0,,,1,0),(),( ==是y 的多项式,把),(y x f 与),(y x g 看作是x 的多项式，令=),(g f R x )()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(102102101010210y b y b y b y b y b y b y b y b y b y b y b y a y a y a y a y a y a y a y a y a y a m m m n n n这是一个y 的复系数多项式.由2即得如果),(00y x 是方程组(1)的一个复数解，则0y 就是),(g f R x 的一个根；反过来，如果0y 是),(g f R x 的一个复根，则)()(0000y b y a ==0，或存在一个复数0x 使),(00y x 是方程组)1(的一个解.§3.2 例题例1 将向量β表成向量组4321,,,αααα的线性组合:'),1,1,2,1(=β,'1)1,1,1,1(=α,'2)1,1,1,1(--=α,'3)1,1,1,1(--=α,'4)1,1,1,1(--=α.解法一：设44332211ααααβx x x x +++=即='),1,1,2,1(+'1)1,1,1,1(x '2)1,1,1,1(--x +--+'3)1,1,1,1(x '4)1,1,1,1(--x'4321432143214321),,,(x x x x x x x x x x x x x x x x +---+---++++=于是得方程组：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+--=-+-=--+=+++.1,1,2,14321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x因为方程组的系数行列式D 0≠，由克兰姆法则得此方程组的唯一解是：,41,41,41,454321-=-===x x x x故 432141414145ααααβ--+=.解法二⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--−−−→−⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=41100041010041001045000111111111112111111111初等行变换A 故 432141414145ααααβ--+=. 点评：一个向量能否由一个向量组线性表出的问题，本质上等价于对应的非齐次线性方程组是否有解的问题.这就是上面的解法一.解法一可以简化为对矩阵施行初等行变换，即设=A ],,,,[4321βαααα ，−−−→−初等行变换A 行简化阶梯形，这样的求解较简捷，这就是上面的解法二.例2 设向量组n i a a a in i i i ,,2,1),,,,(21 ==α;且行列式0212222111211≠=nnn n nna a a a a a a a a D，求证：向量组n ααα,,,21 线性无关.证法一：设 02211=+++n n k k k ααα ，即0),,,(),,,(),,(21222212112111=+++nn n n n n n a a a k a a a k a a a k由此得0),,,(221122221211212111=+++++++++nn n n n n n n n a k a k a k a k a k a k a k a k a k上式相当于以n k k k ,,,21 为未知量的线性方程组)1(000221122221121221111⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+++=+++=+++n nn n n nn n n k a k a k a k a k a k a k a k a k a因为这个齐次方程组(1)的系数行列式,0'212221212111≠=D a a a a a a a a a nnn nn n故此方程组只有唯一解 021====n k k k .证法二：（反证法）假设n ααα,,,21 线性相关，则向量组n ααα,,,21 中必有某一向量，不妨设i α是其余向量的线性组合，即有n n i i i i i k k k k ααααα+++++=++-- 111111.用n i i k k k k ----+-,,,,,111 分别乘以行列式D 的第n i i ,,1,1,,1 +-各行后，都加到第i 行上去，则D 的第i 行所有元素都变为零，故行列式0=D ，此与假设矛盾.点评: 这是证明一个向量组线性无关的问题.通常采用两种基本证法:第一种，欲证n ααα,,,21 线性无关，只需证明:由02211=+++n n k k k ααα 可以推出021====n k k k ，证法一属于这种方法;第二种是反证法，因线性相关与线性无关是两个互相排斥的概念，故在证明这类命题时，反证法具有基本的重要性.上面方法二就属于这种证法.当然我们还可以利用向量组的等价性、极大无关组、秩等方法证明向量组的线性相关性.例如，为判断n 维向量空间np 中向量组m ααα,,,21 的线性相关性，我们以这些向量的分量为列作矩阵A ，若A 的秩小于向量组的个数m ，则该向量组线性相关，若秩A 等于m ，则该向量组线性无关.例3 设r a a a ,,,21 为n 维向量，r a a a b +++= 321,r a a a b +++= 312,121,-+++=r r a a a b ,试证：组Ⅰ:r b b b ,,,21 与组Ⅱ:r a a a ,,,21 等价，因而有相同的秩.证法一：)1()1())(1(1111j r j j r j a r a a a a r b b b -++++++-=+++++-将j b 表达式乘)1(-r ,得：)2())(1()1(111r j j j a a a a r b r +++++-=-+-)1(式减去)2(式得：r j b b r b r a r j j ,,2,1],)2([111 =++-++-=于是组Ⅱ也可由组Ⅰ线性表出，故两者等价，从而秩相等.证法二：原来的r 个等式可合并写成：=),,,(21r b b b A a a a r ),,,(21 ，其中⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0111101111011110 A ，)1()1(]1)1(0[)10(11≠--=⋅-+-=--r r A r r ，故A 可逆，从而又有=),,,(21r a a a 121),,,(-A b b b r ，两者可相互线性表出，故等价，所以有相同的秩.点评: 已知组Ⅰ可由组Ⅱ线性表出，只需再证组Ⅱ可由组Ⅰ线性表出即可.证法一和证法二的思路相同，证法二较简捷，只不过要在学完矩阵运算后才可用. 例4设'1)3,4,3,0,1(=α,'2)3,1,2,1,3(-=α,'3)2,5,0,1,1(-=α,'4)8,10,5,0,3(=α，'5)2,2,1,0,1(---=α，求54321,,,,ααααα的一个极大线性无关组及秩.解法一：由题意知，向量21,αα线性无关，添加3α,看向量组321,,ααα的线性关系.因 0011213301≠-- 故321,,ααα线性无关，应保留3α.再添加4α于321,,ααα，考察4α是否能由321,,ααα线性表出.设 3322114ααααk k k ++=，于是得：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=++=++=+=+-=-+823310545230033213212132321k k k k k k k k k k k k k解之得，321k k k ==，从而3214αααα++=，故4321,,,αααα线性相关，应去掉4α，再添加5α，看5α是否能由前面的向量线性表出，利用同样的方法可得3215αααα--=,所以应去掉5α，故321,,ααα是向量组54321,,,,ααααα的一个极大无关组，且其秩为3.解法二以54321,,,,ααααα为列作矩阵A ，对矩阵A 施行初等行变换，化为阶梯形：B =⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--−−−→−⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----000000000011100110101100128233210514150230011013131初等行变换 54321βββββ由于初等行变换不改变列向量之间的线性关系，又易知B 的列向量组中，321,,βββ是极大线性无关组，且3214ββββ++=，3215ββββ--=，故321,,ααα是原向量组的一个极大线性无关组，且3214αααα++=，3215αααα--=所以原向量组的秩为3.点评：解法一是使用逐项添加的方法.先取该向量组的两个线性无关的非零向量，然后逐一添加，若添加的向量可以由前面的向量线性表出，则去掉，否则就保留下来.继续往下验证，直到最后一个向量为止.解法二是以所求的向量组为列作矩阵A ，然后对A 进行初等行变换得到等价矩阵B ，则求出B 的列向量组的极大线性无关组即可.一般将B 化为阶梯形，这时B 中非零行的首非零元所在的列对应A 中的列即极大线性无关组，而A 的秩即B 中的非零行数.例5 设向量组'1)3,1,1,1(=α,'2)1,5,3,1(--=α,'3)2,1,2,3(+-=p α,'4),10,6,2(p --=α，1)p 为何值时，该向量组线性无关?并在此时将向量')10,6,1,4(=α用4321,,,αααα线性表出；2)p 为何值时，该向量组线性相关?并在此时求出它的秩和一个极大线性无关组. 解：对矩阵],,,,[4321ααααα 做初等行变换：⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+--------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-----2674021********042311102136101511623142311 p p p p⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----------→82900707003412042311 p p ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--------→p p 12000101003412042311 1)当2≠p 时，向量组4321,,,αααα线性无关.此时设44332211αααααk k k k +++=，解得: 21,1,243,24321--==--==p pk k p p k k . 4321212432ααααα--++--+=p p p p 2) 当2=p 时，向量组4321,,,αααα线性相关.此时向量组的秩等于3.321,,ααα（或431,,ααα）为其一个极大线性无关组.点评：4个4维向量是否线性相关，可直接由其构成的行列式是否为零来判断.或考虑到还要求把α用4321,,,αααα线性表出，即求44332211αααααk k k k +++=的解，两步结合在一起进行，直接通过初等行变换化矩阵],,,,[4321ααααα 为阶梯形，在p 确定时，求向量组的秩和极大线性无关组可按常规方法处理.例6 已知两个向量组有相同的秩，且其中之一可被另一个线性表出，证明：这两个向量组等价.证法一：设s a a a ,,,21 （1）与t βββ,,,21 （2）为两个秩为r 的向量组，并且向量组（2）可由向量组（1）线性表出.若,0=r 此时（1）与(2)都只含有零向量，显然它们等价. 若,0>r 此时可设，向量组（1）的一个极大线性无关组为ri i i ααα,,,21（3）向量组（2）的一个极大线性无关组为rj j j βββ,,,21（4）由题设知，（4）可由（1）线性表出，所以，（4）也可由（3）线性表出，由替换定理知，（4）与（3）等价.因两个向量组的等价关系具有自反性、对称性、传递性，故（1）与（2）也等价.证法二：当0=r 时，命题显然成立.下证当0>r 时，命题亦成立.由证法一可知，此时只需证)3(与)4(等价.由题设易知，)4(可由)3(线性表出.欲证)3(与)4(等价，只需证)3(可由)4(线性表出.用反证法，假设)3(中有向量i α不能由)4(线性表出.由习题3的逆否命题知，i j j j rαβββ,,,,21线性无关，又因为向量组i j j j rαβββ,,,,21中的每一向量都可由)3(线性表出，且r r >+1，故i j j j r αβββ,,,,21 线性相关，此与i j j j r αβββ,,,,21 线性无关矛盾.所以)3(可由)4(线性表出，因此，)3(与)4(等价.由此易知，)1(与)2(也等价.点评: 这是一个需证两个向量组等价的命题.我们知道，一方面，一个向量组的核心，是它的一个极大无关组，而一个向量组总是与它的任一极大无关组等价的，因而，证明两个向量组等价可以转化为证明这两个向量组的极大无关组等价，这样可使问题大为简化；另一方面，两个向量组等价的问题，从本质上来说，可以归结为一个向量组的每一个向量可由另一向量组线性表出的问题.例7设321,,x x x 是复数域C 上的向量空间V 中的三个向量,它们线性无关，证明：向量,21x x +,32x x +13x x +也线性无关，如何把这种情况推广到V 中m 个向量？解：1）设++)(211x x k ++)(322x x k ,0)(133=+x x k则由0)()()(332221131=+++++x k k x k k x k k ，以及321,,x x x 线性无关得 ⎪⎩⎪⎨⎧=+=+=+000322131k k k k k k解得：0321===k k k ，故,21x x +,32x x +13x x +线性无关.2）推广到V 中m 个向量：若m x x x ,,,21 线性无关，问,21x x +,32x x +1,x x m + 是否也线性无关？由++)(211x x k ++)(322x x k ,0)(1=++x x k m m 得)1(0001211⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=+=+-m m m k k k k k k)1(的系数行列式：⎩⎨⎧=-+=+,,0,,2)1(1110011000011100011为偶数时当为奇数时当m m m故当m 为奇数时，,21x x +,32x x +1,x x m + 也线性无关; 当m 为偶数时，,21x x +,32x x +1,x x m + 线性相关.点评：当证明了由321,,x x x 线性无关，可推得,21x x +,32x x +13x x +也线性无关后，不能盲目地断言由,21x x +,32x x +13x x +线性无关，也可得到,21x x +,32x x +1,x x m + 线性无关，而是按通常判定向量组线性相关性的方法，转化成判断一个齐次线性方程组是否有非零解，若有非零解则线性相关，否则线性无关.例8 设向量组I ：t ααα,,,21 和向量组II ：s βββ,,,21 的秩分别为p 和q . 证明：1）若 I 可由II 线性表出，则q p ≤；2）若 I 与II 等价，则q p =. 证明：分两种情况：若0=p ，显然有q p ≤，并且当I 与II 等价时，则有0=q ，此时q p =，故结论成立. 若0>p ，则向量组I 含有非零向量.又因为I 可由II 线性表出，所以II 中也含有非零向量，于是有0>q ，此时可设I 的一个极大线性无关组为III:pii i ααα,,,21，II 的一个极大线性无关组为 IV ：qj j j βββ,,,21 ，由题设可知，I 可由II 线性表出，于是，III 也可由IV 线性表出.又因为向量组III 线性无关,所以，由替换定理得q p ≤.因为当I 与II 等价时，III 与IV 也等价,所以，IV 可由III 线性表出, 再由替换定理知，p q ≤，从而q p =.点评：因为一个向量组的秩，就是这个向量组的极大线性无关组中所含向量的个数，证明两个向量组的秩之间具有某种关系，通常归结为这两个向量组的极大线性无关组之间的关系.这样，可使我们对问题的实质看得更清楚.例9 设向量β可由向量组r a a a ,,,21 线性表出，证明：r a a a ,,,21 线性无关的充要条件是表示法是唯一的.证法一：（用同一法）设β由r a a a ,,,21 线性表出，有两种方法：r r k k k αααβ+++= 2211， r r l l l αααβ+++= 2211 .由此可得：0)()()(222111=-++-+-r r r l k l k l k ααα .因为r a a a ,,,21 线性无关，所以),,2,1(0r i l k i i ==-，即),,2,1(r i l k i i ==由此可见，这两种表示法是相同的.反之，设r r k k k αααβ+++= 2211表示方法唯一，如果r a a a ,,,21 线性相关，则有r l l l ,,,21 不全为零，使02211=+++r r l l l ααα ，于是r r r l k l k l k αααβ)()()(222111++++++= 与原表示法不同，矛盾，因而r a a a ,,,21 线性无关. 证法二：（用反证法）假设有两种不同的表出方法：)1(2211rr k k k αααβ+++= ， )2(2211rr l l l αααβ+++= .其中至少有一个i k 与i l 不相等，即i i l k ≠.)2()1(-得：0)()()()(222111=-++-++-+-r r r i i i l k l k l k l k αααα 因为i i l k ≠，故0≠-i i l k 于是有一组不全为零的数),,2,1(r j l k t j j j =-=使 02211=+++++r r i i t t t t αααα .所以r a a a ,,,21 线性相关，与题设矛盾.反之，同证法一，由β的表示法唯一推出r a a a ,,,21 线性无关.点评：这是数学命题中的一种重要类型，是一个证明“唯一性”的命题.证明这类命题，在代数中往往采用以下两种方法：一是用“同一法”，设满足题设条件的事物有两个，然后证明这两个相同.二是用“反正法”，假设满足题设条件的事物不唯一，从而推出矛盾.对于这个例题两种方法本质上是一样的.例10 设向量组n ααα,,,21 线性无关，向量组n αααβ,,,,21 （其中0≠β）线性相关，则n αααβ,,,,21 中有且仅有一个向量i α可由其前面的向量线性表出.存在性：证法一因向量组n αααβ,,,,21 线性相关，故可以找到一组不全为零的数n k k k k ,,,,21 使02211=++++n n k k k k αααβ （1）设在)1(中依从右到左的顺序第一个不为零的数为i k ，i k 不可能为k ，否则，即有0,021≠====k k k k n ，此时)1(式变为0=βk ，因已知0≠β，又有0≠k ，这是不可能的，故)1(式必为)2()1(,0112211n i k k k k k i i i i ≤≤=+++++--ααααβ因在)2(式中0≠i k ，故i α可由121,,,,-i αααβ 线性表出.点评：此证法不但证明了存在性，还给出了求法，即找一个向量，这个向量能被其前面的向量线性表出.证法二：（用反证法）假设n αααβ,,,,21 中的每一个向量i α都不能由它前面的i 个向量（包括β）线性表出，则向量组n αααβ,,,,21 线性无关，这与题设矛盾.所以，至少有一个向量i α可由它前面的i 个向量线性表出.唯一性：证明（用反证法）假设n αααβ,,,,21 中有两个不同的向量)(,j i j i <αα可分别由其前面的向量线性表出，于是有112211--++++=i i i k k k k αααβα （1） 11112211----++++++=j j i i j l l l l l ααααβα（2）因i i αααα,,,,121- 线性无关，故0≠k ，于是有i i i kk k k k k k ααααβ1112211+----=-- （3）把（3）代入（2）得：1111111222111)1()()()(--++---+++++-++-+-=j j i i i i i i i j l l kl k lk l k lk l k lk l ααααααα 上式说明j ααα,,,21 线性相关，这与题设矛盾，唯一性得证.点评: 这个命题需要证明“存在性”和“唯一性”两方面.证明“存在”的命题，常用两个方法，第一个方法是设法直接找出所要求的对象，命题即得证.这样，不但证明了存在性，还给出了求法;第二个证法，是用逻辑推理的方法;论证其存在，但没有给出寻找的方法.例11设 ,1611541139*********75211⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=A 求A 的秩. 解法一：因初等变换不改变矩阵的秩，所以，为了求秩A ，我们先对A 施行初等变换：→-⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=加到下列各行上。

考研数学三线性代数(线性方程组)模拟试卷4(题后含答案及解析)

考研数学三线性代数（线性方程组）模拟试卷4(题后含答案及解析) 题型有：1. 选择题 3. 解答题选择题下列每题给出的四个选项中，只有一个选项符合题目要求。

1．AX=0和BX=0都是n元方程组，下列断言正确的是( )．A．AX=0和BX=0同解r(A)=r(B)．B．AX=0的解都是BX=0的解r(A)≤r(B)．C．AX=0的解都是BX=0的解r(A)≥r(B)．D．r(A)≥r(B)AX=0的解都是BX=0的解．正确答案：C解析：AX=0和BX=0同解(A)=r(B)，但r(A)=r(B)推不出AX=0和BX=0同解，排除(A).AX=0的解都是BX=0的解，则AX=0的解集合BX=0的解集合，于是n一r(A)≤n一r(B)，即r(A)≥r(B)．(C)对，(B)不对．n一r(A)≤n —r(B)推不出AX=0的解集合BX=0的解集合，(D)不对．知识模块：线性代数2．设A是m×n矩阵，r(A)=r．则方程组AX=βA．在r=m时有解．B．在m=n时有唯一解．C．在r＜n时有无穷多解．D．在r=n时有唯一解．正确答案：A解析：此题的考点是解的情况的判别法则以及矩阵的秩的性质。

在判别法则中虽然没有出现方程个数m，但是m是r(A)和r(A|β)的上限．因此，当r(A)=m 时，必有r(A|β)=r(A)，从而方程组有解，(A)正确．(C)和(D)的条件下不能确定方程组有解．(B)的条件下对解的情况不能作任何判断．知识模块：线性代数3．的一个基础解系为A．(0，一1，0，2)T．B．(0，一1，0，2)T，(0，1／2，0，1)T．C．(1，0，一1，0)T，(一2，0，2，0)T．D．(0，一1，0，2)T，(1，0，一1，0)T．正确答案：D解析：用基础解系的条件来衡量4个选项．先看包含解的个数．因为n=4，系数矩阵为其秩为2，所以基础解系应该包含2个解．排除(A)．再看无关性(C)中的2个向量相关，不是基础解系，也排除．(B)和(D)都是两个无关的向量，就看它们是不是解了．(0，一1，0，2)T在这两个选项里都出现，一定是解．只要看(0，1／2，0，1)T或(1，0，一1，0)T(其中一个就可以)．如检查(1，0，一1，0)T是解，说明(D)正确．或者检查出(0，1／2，0，1)T不是解，排除(B)．知识模块：线性代数4．当A=( )时，(0，1，一1)和(1，0，2)构成齐次方程组AX=0的基础解系．A．B．C．D．正确答案：A解析：由解是3维向量知n=3，由基础解系含有两个解得到3一r(A)=2，从而r(A)=1．由此着眼，只有(A)中的矩阵符合此要求．知识模块：线性代数5．A=r(A)=2，则( )是A*X=0的基础解系．A．(1，一1，0)T，(0，0，1)T．B．(1，一1，0)T．C．(1，一1，0)T，(2，一2，a)T．D．(2，一2，a)T，(3，一3，b)T．正确答案：A解析：由A是3阶矩阵，因此未知数个数n为3．r(A)=2，则r(A*)=1．A*X=0的基础解系应该包含n一1=2个解，(A)满足．(1，一1，0)T，(0，0，1)T显然线性无关，只要再说明它们都是A*X=0的解．A*A=|A|E=0，于是A的3个列向量(1，一1，0)T，(2，一2,a)T，(3，一3，b)T都是A*X=0的解．由于r(A)=2，a和b不会都是0，不妨设a≠0，则(0，0，a)T=(2，一2，a)T一2(1，一1，0)T也是A*X=0的解．于是(0，0，1)T=(0，0，a)T／a也是解．知识模块：线性代数6．设A=(α1，α2，α3，α4)．是4阶矩阵，A*为A的伴随矩阵，若(1，0，1，0)T是方程组AX=0的一个基础解系，则A*X=0的基础解系可为( ) A．α1，α3B．α1，α2．C．α1，α2，α3．D．α2，α3，α4．正确答案：D解析：AX=0的一个基础解系由一个向量构成，说明4一r(A)=1，r(A)=3，从而r(A*)=1．则A*X=0的基础解系应该包含3个解．排除(A)和(B)．由于(1，0，1，0)T是AX=0的解，有α1+α3=0，从而α1，α2，α3线性相关，排除(C)．知识模块：线性代数7．线性方程组的通解可以表示为A．(1，一1，0，0)T+c(0，1，一1，0)T，c任意．B．(0，1，1，1)T+c1(0，一2，2，0)T+c2(0，1，一1，0)T，c1，c2任意．C．(1，一2，1，0)T+c1(一1，2，1，1)T+c2(0，1，一1，0)T，c1，c2任意．D．(1，一1，0，0)T+c1(1，一2，1，0)T+c2(0，1，一1，0)T，c1，c2任意．正确答案：C解析：非齐次方程组AX=β的通解是它的一个特解加上导出组AX=0的一个基础解系的线性组合．因此表达式中带参数的是导出组的基础解系，无参数的是特解．于是可从这两个方面来检查．先看导出组的基础解系．方程组的未知数个数n=4，系数矩阵的秩为2，所以导出组的基础解系应该包含2个解．(A)中只一个，可排除．(B)中用(0，一2，2，0)T，(0，1，一1，0)T为导出组的基础解系，但是它们是相关的，也可排除．(C)和(D)都有(1，一2，1，0)T，但是(C)用它作为特解，而(D)用它为导出组的基础解系的成员，两者必有一个不对．只要检查(1，一2，1，0)T，确定是原方程组的解，不是导出组的解，排除(D)．知识模块：线性代数8．设ξ1，ξ2是非齐次方程组AX=β的两个不同的解，η1，η2为它的导出组AX=0的一个基础解系，则它的通解为( )A．k1η1+k2η2+(ξ1一ξ2)／2．B．k1η2+k2(η1一η2)+(ξ1+ξ2)／2．C．k1η1+k2(ξ1一ξ2)+(ξ1一ξ2)／2．D．k1η1+k2(ξ1一ξ2)+(ξ1+ξ2)／2．正确答案：B解析：先看特解．(ξ1一ξ2)／2是AX=0的解，不是AX=β的解，从而(A)，(C)都不对．(ξ1+ξ2)／2是AX=β的解．再看导出组的基础解系．在(B)中，η1，η1一η2是AX=0的两个解，并且由η1，η2线性无关容易得出它们也线性无关，从而可作出AX=0的基础解系，(B)正确．在(D)中，虽然η1，ξ1一ξ2都是AX=0的解，但不知道它们是否无关，因此(D)作为一般性结论是不对的．知识模块：线性代数9．设线性方程组AX=β有3个不同的解γ1，γ2，γ3，r(A)=n一2，n 是未知数个数，则( )正确．A．对任何数c1，c2，c3，c1γ1+c2γ2+c3γ3都是AX=β的解；B．2γ1—3γ2+γ3是导出组AX=0的解；C．γ1，γ2，γ3线性相关；D．γ1—γ2，γ2一γ3是AX=0的基础解系．正确答案：B解析：Aγi=β，因此A(2γ1一3γ2+γ3)=2β一3β+β=0，即2γ1一3γ2+γ3是AX=0的解，(B)正确．c1γ1+c2γ2+c3γ3都是AX=β的解c1+c2+c3=1，(A)缺少此条件．当r(A)=n一2时，AX=0的基础解系包含两个解，此时AX=β存在3个线性无关的解，因此不能断定γ1，γ2，γ3线性相关．(C)不成立．γ1—γ2，γ2—γ3都是AX=0的解，但从条件得不出它们线性无关，因此(D)不成立．知识模块：线性代数解答题解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤。

第二章-线性方程组习题解答

第二章线性方程组习题解答习题2.1解下列线性方程组（1）⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=-+.053,12,1321321321x x x x x x x x x解：对方程组的增广矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-300002101111342002101111015311211111 由最后一行可得原方程组无解.（2）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-+-=+-=-+=-+.153,22,132,3321321321321x x x x x x x x x x x x解：对方程组的增广矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------0000210030102001000021003010501100001050051103111102205230511031111513212113123111原方程组有唯一解.2,3,2321===x x x（3）⎪⎩⎪⎨⎧=-++=--+=-++.165105,8362,42432143214321x x x x x x x x x x x x解：对方程组的增广矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----10100310203102140400013204112116511058316241121⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-→10100232101000001 方程组有无穷多解，其通解为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==+==,,1,223,04321c x x c x x 其中c 为任意数.（4）⎪⎩⎪⎨⎧=+--=-+-=+--.032,03,0432143214321x x x x x x x x x x x x解对方程组系数矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------000021001011210042001111321131111111 方程组的通解为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===+=,,2,,242312211c x c x c x c c x 其中21,c c 为任意数.习题2.21.用初等行变换将下列矩阵化成阶梯形矩阵，并求它们的秩.（1）⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-21110042220010251413027245310251102517245341302⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→0000021110010251秩为2.⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00000100117500104111750030000016000104111750101305004522000104111373104018174188701041)2(秩为3.⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛00000000006310052010410013618600189300631005210410016128650281332063100520104100177326543214321631005201041001)3(秩为3.2.求下列各方程组的系数矩阵和增广矩阵的秩.（1）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-+=-+=-+=-+.8852,9934,7532,1278321321321321x x x x x x x x x x x x解对增广矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----000011001191012781770077001191012781132042101191012781132051301791301278188529934753212781系数矩阵与增广矩阵秩均为3.（2）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=++=-+-=++=+++.14,432,152,1224214314314321x x x x x x x x x x x x x解对增广矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---3400056200313201221122200562003132012211222002512031320122111411413021510212211系数矩阵与增广矩阵的秩均为4.习题2.31.解下列各非齐次线性方程组.（1）⎪⎩⎪⎨⎧=+-=-+=+-.3,053,32321321321x x x x x x x x x解对方程组增广矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---340031103111311098403111311205133111311105133112 ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→4/31004/150100001 原方程组有唯一解43,415,0321-=-==x x x . （2）⎪⎩⎪⎨⎧=++--=-+-=++-.52,12,12432143214321x x x x x x x x x x x x解由第一个方程和第三个方程可得原方程组无解（3）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++-=++-=++-=++-.149132,21111784,72463,735424321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解对方程组增广矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----211521003525350035253500149132173542211117847246314913211491321211117847246373542 ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-→000000000017/510017/20210000000000757001491321因此原方程组有无穷多解，其通解为⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=-==++=,,751,,7221242312211c x c x c x c c x 其中21,c c 为任意数.2.解下列各齐次线性方程组（1）⎪⎩⎪⎨⎧=+-=-+=+-.33,053,022321321321x x x x x x x x x解对方程组系数矩阵作初等行变换⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---5001440311122513311311513122 系数矩阵秩为3，原方程组只有零解.即解为.0,0,0321===x x x（2）⎪⎩⎪⎨⎧=+-+=-+-=+-+.0111353,0333,04523432143214321x x x x x x x x x x x x解对方程组系数矩阵作初等行变换化为行简化阶梯形得⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----00003/73/8109/29/10100003/73/8103/23/10378307830452311135333134523原方程组的一般解为⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧==-=+-=,,,3738,92912413212211c x c x c c x c c x 其中21,c c 为任意数. （3）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+-=--=+-=+-.0,0,0,05416521642531x x x x x x x x x x x x x解对方程组系数矩阵作初等行变换化为行简化阶梯形得⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----001100201100101010010101001100100110101010010101011001110011101010010101⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛---→10000000110000101001100120000201100101010010101 原方程组的通解为⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧=====-=,0,,,,,625141312211x c x c x c x c x c c x 其中21,c c 为任意数.3.某工厂为两家企业加工3种零件，现3种零部件各有,1,2,3t t t 两家企业需要3种部件分别为t 4和t 2.用)3,2,1;2,1(==j i x ij 表示第i 家企业需要第j 种部件的数量，试列出ij x 所满足的方程组，并求解. 解根据题意可得ij x 所满足的方程组为⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+=+=+=++=++12324231322122111232221131211x x x x x x x x x x x x ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--→⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛000000021110001100100201001011100011100100201001030010012111000000000011001002010010300100121110004000111其通解为.2,1,2,123222123132212232211x x x x x x x x x x --=-=-=++=4.当a 为何值时，方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++++=+-+=+++3)3()1(3,)1(,2)3(321321321x a ax x a a x x a ax a x x x a （1）有唯一解.（2）有无穷多解.（3）无解?解法一：系数行列式为)1(33332333323130103)1(311213222222-=-+----=-+--+---=-+---+--=++-+a a aa aaa a a a a a a a a a a a a a a a a a （1）当,0≠a 且1≠a 时，方程组有唯一解.（2）当时1=a ，原方程组为⎪⎩⎪⎨⎧=++=+=++.346,1,12432131321x x x x x x x x 增广矩阵作初等行变换化为阶梯形⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛000032101101321011013210341611011214 方程组有无穷多解，其通解为⎪⎩⎪⎨⎧=+-=-=,,23,1321c x c x c x 其中c 为任意数. （3）当0=a 时，原方程组为增广矩阵作初等行变换化为阶梯形⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-300001100213311001100213330301100213 因此方程组无解.解法二：对方程组的增广矩阵作初等行变换化为阶梯形.⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----+-→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++-+a a a a aa a a a a a a a a a a a a a a aa a 331103133001233323311012333)1(3112132⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----+--+-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----+-→a a a a a ar r a a a a a a a a a 33110361100123)2(331103330012322232⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛----+--→)1)(39()1(003611001232222a a a a a a a (1)当,0≠a 且1≠a 时，系数矩阵与增广矩阵的秩都为3，方程组有唯一解. (2)当0=a 时，系数矩阵的秩为2，增广矩阵的秩为3，方程组无解.(3)当1=a 时，系数矩阵与增广矩阵的秩都为2，方程组有无穷多解.此时增广矩阵化为⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-000032101101000032103303000032100113其通解为⎪⎩⎪⎨⎧=+-=-=,,23,1321c x c x c x 其中c 为任意数. 5.问当b a ,为何值时，方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++-=++-=++=++bx x x ax x x x x x x x x 321321321321453,7,132,632 （1）有唯一解.（2）有无穷多解.（3）无解？解：对方程组增广矩阵作初等行变换化为阶梯形得⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+--→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--500002001351207015000020013516321185101331013510632145371111326321b a b a b a b a （1）当5,2=-≠b a 时方程组有唯一解，其解为0,13,20321==-=x x x . （2）当5,2=-=b a 时方程组有无穷多解，其通解为⎪⎩⎪⎨⎧=-=+-=,,513,720321c x c x c x 其中c 为任意数. (3)当5≠b 时，方程组无解.总复习题2（A ）1.填空题（1）非齐次线性方程组（系数矩阵为n m ⨯矩阵A ，增广矩阵为B ）有唯一解的充分必要条件是n B r A r ==)()(.（2）线性方程组无解，系数矩阵为A ，且,3)(=A r 则增广矩阵的秩为=),(b A r 4 . （3）若n x x x ,,,21 取任意数都是齐次线性方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+++=+++=+++0,,0,0221122221211212111n mn m m nn n n x a x a x a x a x a x a x a x a x a 的解，则系数矩阵A 的秩=)(A r 0 .（4）若矩阵⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=20224312a A 的秩为2，则=a 2 .方法一：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=20011031211064031220224312a a a A .方法二：显然A 取1,2两行以及1,2两列的2阶子式不为0，要使A 的秩为2，则024812282224312||=-=+--=-=a a a A . 2.选择题（1）方程组⎩⎨⎧=+=+,0,02121x x x x λλ当=λ（ C ）时，方程组仅有零解.A.1-B. 1C. 2D.任意实数要使齐次线性方程组只有零解，则系数矩阵的秩为2，当1±=λ时秩为1.（2）当=k （ A ）时，方程组⎪⎩⎪⎨⎧--=--=+=-+)4)(3()2)(1(2242332321k k x k k x x x x x 无解.A. 2B. 3C. 4D. 5（3）A 为n m ⨯矩阵，,)(n m A r <=下列结论正确的是（ B ，D ) A.以A 为系数矩阵的齐次线性方程组仅有零解 B.以A 为系数矩阵的齐次线性方程组有非零解 C.以A 为系数矩阵的非齐次线性方程组仅有一解 D.以A 为系数矩阵的非齐次线性方程组有无穷多解系数矩阵的秩等于行数，增广矩阵的秩也等于行数，而且秩小于未知数的个数，因此有无穷多解.（4）对于非齐次线性方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+++=+++=+++n n nn n n n n n n b x a x a x a b x a x a x a b x a x a x a 22112222212*********,,,以下结论中，（B ）不正确.A.若方程组无解，则系数行列式D=0B.若方程组有解，则系数行列式0≠DC.若方程组有解，则方程组或者有唯一解或者有无穷多解D.系数行列式0≠D 是方程组有唯一解的充分必要条件（5）A 为n m ⨯矩阵，,)(r A r =下列结论中正确的是（ B )A.n r =时，以A 为系数矩阵的非齐次线性方程组有唯一解B.n m r ==时，以A 为系数矩阵的非齐次线性方程组有唯一解C.n r <时，以A 为系数矩阵的非齐次线性方程组有无穷多解D.n m =时，以A 为系数矩阵的非齐次线性方程组有解非齐次线性方程组有解的充要条件是系数矩阵的秩等于增广矩阵的秩，当n r =时，若n m >，有可能增广矩阵为1+n .因此A,C 不正确，当n m =时，系数矩阵与增广矩阵秩未必相等.D 也不正确.（6）已知非齐次线性方程组的系数行列式为零，则（ D ）.A.方程组有无穷多解B.方程组无解C.方程组有唯一解或无穷多解D.方程组可能无解，也可能有无穷多解（B ）1.用矩阵消元法解下列方程组（1）⎪⎩⎪⎨⎧=++--=-+-=++-.552,12,12432143214321x x x x x x x x x x x x解：对方程组增广矩阵作初等行变换得⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----000001100000121440002200011121551************ 方程组有无穷多解，其通解为⎩⎨⎧=-=124321x x x x ，其中32,x x 为自由未知量. （2）⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+++=-++=-++=+++=-++.2255,123,1222,132,13243214321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x解：对方程组增广矩阵作初等行变换得⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------→⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-------------→⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---00000291200156001351011321361350228401142013510113212125511123112221113211321 ⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛→⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→00000010006/101006/100106/100010000001000156001351015701方程组有唯一解.0,614321====x x x x（3）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++-=+-+=-+-=+-+.0327,01613114,02332,075434321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解：对方程组系数矩阵作初等行变换化为阶梯形得⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----605751020191702019170987131272019170233298713127161311423327543⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--→0000000017/2017/191017/1317/301 方程组有无穷多解，通解为⎪⎩⎪⎨⎧-=-=432431172017191713173x x x x x x ，43,x x 为自由未知数.（4）⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+--=+-+-=+-+=-+-.03724,0347,0532,02534321432143214321x x x x x x x x x x x x x x x x解：对方程组系数矩阵作初等行变换化为阶梯形得⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-------152326071116002103471152326071116071317034713724347115322153⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----→100072100021034711529007210002103471 方程组只有零解. 2.对方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-+++=+++=-+++=++++,3345,3622,323,15432154325432154321b x x x x x x x x x a x x x x x x x x x x b a ,为何值时，方程组有解.在方程组有解时，求其解.解：对方程组增广矩阵作初等行变换得⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛----------→⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--20000003622102511015622103622103622101111111334536221031123111111b a b a b a 当2,0==b a 时，方程组有解，其通解为54354325431,,,6223,52x x x x x x x x x x x ⎩⎨⎧---=+++-=为自由未知量. 3.d c b a ,,,满足什么条件时，方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=--+=+--=-+-=+++0,0,0,04321432143214321ax bx cx dx bx ax dx cx cx dx ax bx dx cx bx ax 只有零解？解：要使方程组只有零解，则系数矩阵秩为4，即系数行列式不为零.利用矩阵乘积的行列式等于行列式的积有⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛------=------=a b cdb a d cc d a b d cb aa b cd b a d cc d a bd c b a a b cdb a dc cd a b dc b a D 2222222222222222220000000000d c b a dc b ad c b a d c b a ++++++++++++=42222)(d c b a +++=.而D 中4a 的系数为负，故22222)(d c b a D +++-=.在实数范围内，当d c b a ,,,至少一个不为零时，方程组只有零解.4.问μλ,取何值时，齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++02,0,0321321321x x x x x x x x x μμλ有非零解？解：当且仅当系数矩阵秩小于3，即系数行列式为零时，方程组有非零解.)1(0011111211111--===λμμμλμμλD因此当,0=μ或1=λ时方程组有非零解.5.问λ取何值时，齐次线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=-++=+-+=+--0)1(,0)3(2,042)1(321321321x x x x x x x x x λλλ有非零解？解：当且仅当系数行列式为零时，该方程组有非零解.)2)(3(001121232311111324212+--=--++---=----=λλλλλλλλλλλλD .因此当230-===λλλ或或时，方程组有非零解.（C ）1.设方程组⎪⎩⎪⎨⎧=+++=+++=+++.,743,8234343212432114321b x x x x b x x x x b x x x x 证明此方程组对任意实数321,,b b b 都有解. 证明：对方程组增广矩阵作初等行变换得⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+---→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----→⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛321323313233217840034210111144210342101111111171438234b b b b b b b b b b b b b b 系数矩阵与增广矩阵的秩均为3，因此方程组对任意实数321,,b b b 都有解. 2.下图为一物流平衡图，其中1x 表示从站A 流向站B 的货物吨数，4x 表示从站B 流向站D 的货物吨数，20表示从站D 流向站C 的货物吨数等.如果要求在每一站流入吨数与流出吨数相等，问54321,,,,x x x x x 应如何选择？ABCDX 1X 2X 3X 4X 5 20解：根据题意可得⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-=+=--=-+2020005342541321x x x x x x x x x x选取54,x x 为自由未知量得，.20,20,5342541x x x x x x x +=-=+=3.投入产出模型设甲，乙，丙3个部门组成一个经济系统.各部门生产满足系统内部和外部的需求，同时也消耗系统内部各部门的产品，如下表所示直接消耗系数表表中，甲部门那一行的0.4表示生产该部门的1元钱产品需消耗甲部门的产品0.4元，同样0.3表示生产甲部门1元钱的产品需消耗乙部门的产品0.3元，其余类似.（第二行乙消耗丙为0.2，否则丙生产出的将在系统内部全部消耗完）（1）求321,,y y y 与321,,x x x 的关系.（2）当321,,y y y 分别为40亿元，24亿元，16亿元时，求321,,x x x 及321,,z z z . 解：（1）根据题意可得⎪⎩⎪⎨⎧+--=-+-=--=.6.01.03.0,2.05.02.0,2.03.06.0321232123211x x x y x x x y x x x y （2）当321,,y y y 分别为40亿元，24亿元，16亿元时，可解得321,,x x x 分别为 232亿元，212亿元和178亿元.2.233.02.04.011111=---=x x x x z 亿元，类似可得2.211.022==x z 亿元6.352.033==x z 亿元.。

线性代数《线性方程组》常见题型与典型例题

线性代数《线性方程组》常见题型与典型例题壹齐次线性方程组的基本公式与结论(1) 克莱姆法则若n个方程n个未知量构成的非齐次线性方程组AX=b的系数行列式|A|≠0，则方程组有唯一解，并且有其中|A i|是|A|中第i列元素(即x i的系数)替换成方程组右端的系数项b1,b2,…,b n所构成的行列式.(2) 齐次线性方程组解的存在性● 若n个方程n个未知量构成的齐次线性方程组AX=0的系数行列式|A|≠0，则方程组有唯一零解,● 若m个方程n个未知量构成的齐次线性方程组，若r(A)= n，即A的列向量组线性无关，则方程组有唯一零解；若r(A)= s<n，即A 的列向量组线性相关，则方程组有有非零解，且有n-s个线性无关解.(3) 求解方法之高斯消元法将系数矩阵A作初等行变换转换为阶梯型矩阵B，初等变换将方程组化为同解方程组，即Ax=0与Bx=0同解，只需要解Bx=0即可. 设n个变量m各方程构成的方程组，并设r(A)=r≤m≤n，则方程组的独立方程个数为r个，r也是独立变量的个数，故多余方程个数为m-r，自由变量的个数为n-r. 令自由变量为任意常数，回代求得独立未知变量，则得方程组的解.(4) 基础解系和解的结构基础解系：设x1,x2,…,x n-r是方程组Ax=0的解，若①x1,x2,…,x n-r 线性无关；②任一方程组Ax=0的解均由x1,x2,…,x n-r线性表出，则称x1,x2,…,x n-r是方程组Ax=0的一个基础解系.通解：设x1,x2,…,x n-r是方程组Ax=0的一个基础解系，则k1x1+k2x2+…+k n-r x n-r是方程组Ax=0的通解，其中k1，k2，…，k n-r为任意常数.贰非齐次线性方程组的基本公式与结论非齐次线性方程组AX=b，其导出组(即齐次方程组)AX=0，A系数矩阵，(A|b)增广矩阵。

(1) 解的性质● 导出组解的线性组合仍为导出组的解● 非齐次方程组的任意两个解的差为其导出组的解(2) 通解的结构● 导出组的n个线性无关组的线性组合为其通解● 非齐次线性方程组的通解等于其导出组的通解与其任意特解之和● 关于非齐次方程组AX=b解的讨论：若r(A)=r(A|b)=n(未知数个数)，则有唯一解若r(A)≠r(A|b)，则无解若r(A)=r(A|b)=m<n，则有无穷解，其基础解系所含解向量个数为n-m个(3) 求解方法求导出组的通解加上他的任意一个特解即可.叁常见题型(1) 有关线性方程组的概念与性质的命题解题方法：概念与性质必须娴熟。

线性代数第三章矩阵的逆(习题课)

线性代数第三章矩阵的逆( 习题课)
目录
• 矩阵的逆的定义和性质 • 逆矩阵的运算规则 • 逆矩阵的应用 • 习题解析与解答
01
矩阵的逆的定义和性质
定义与性质
逆矩阵的定义
如果存在一个矩阵A-1，使得A*A-1=I （单位矩阵），则称A为可逆矩阵， A-1为A的逆矩阵。
逆矩阵的性质
若A是可逆矩阵，则A的逆矩阵A-1也是可逆矩阵，且(A-1)-1=A。同时，若B是A的逆矩阵，则AB=BA=I。
03
逆矩阵的应用
解线性方程组
线性方程组
线性方程组是数学中一个常见的问题，它涉及到多个未知数和方程。通过矩阵的逆，我们可以找到线性方程组的解。
求解步骤
首先，将系数矩阵进行转置，然后计算其行列式值。如果行列式值不为零，则存在唯一解。最后，通过矩阵的逆计算出线性方程组的解。
应用场景
线性方程组广泛应用于各个领域，如物理、工程、经济等。通过矩阵的逆，我们可以更高效地解决这些领域中的问题。
综合题2解析
题目要求求一个给定矩阵的逆矩阵，并判断其是否可逆。同时，我们需要解决一个与该矩阵相关的问题。首先，我们判断矩阵是否可逆。如果可逆，我们再使用公式法或分块法计算逆矩阵。然后，我们将逆矩阵应用于实际问题中以获得解决方案。
综合题目3解析
题目要求求多个给定矩阵的乘积的逆矩阵，并验证其正确性。同时，我们需要解决一个与这些矩阵相关的问题。首先，我们计算多个给定矩阵的乘积。然后，我们使用公式法或分块法计算其逆矩阵。最后，我们通过乘以其原矩阵来验证逆矩阵的正确性。同时，我们将逆矩阵应用于实际问题中以获得解决方案。
量βi；最后，计算P^(-1)AP=B。

第3章线性方程组习题答案

即： 1
k 11 2 k 21 k s s1
k 12 k 22 ks2

k1 m 1 k2m 2 k sm m
1 , 2 , , n
记B的行向量，
a i 2 2 a in n
由题2-12的证明可知：
AB的第 i 个行向量= a i 1 1
AB的第 j 个列向量= b1 j A1
b 2 j A 2 b nj A n
则当 A1 , A 2 , , A n 线性无关时，由 AB=0 可知
i (1, t i , t i , , t i
2 n1
) ( i 1, 2 , , r , r n )
线性无关。
证明：将该向量组的向量当成行向量，写成 r n 矩阵形式：
1 1 A 1 t1 t2 tr t1
2 2

t2
11 21 m1 12 22 m2 k2 km 0 , 不含第 i1 , i 2 , , i s 个分量即 k1 1n 2n mn
(2)
(3)
( 1 i k 1 ) 1 ( 2 i k 2 ) 2 ( i 1 i k i 1 ) i 1
( i 1 i k i 1 ) i 1 ( m i k m ) m
r
n1 t2 n1 tr t2
n1
将A左边 r r 的子块记作 A’，求其行列式：

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故其基础解系为
, ,…
所以方程组的通解为
( 为任意常数)
(2)若 ,对矩阵B继续作初等行变换,有
当时, ,方程组有非零解,其同解方程为
得基础解系为所以通解为 (k为任意常数)
方法二由于系数行列式
故当或时,方程组有非零解。
(1)当时,有故方程组的同解方程为
由此行基础解系为
, ,…,
通解为 ( 为任意常数)
方法二通过(I)与(II)各自的通解,寻找公共解。可求得(II)的基础解系为
,
则 , 分别为(I),(II)的通解。
令其相等,即有
由此得
比较得
故公共解为
方法三
把(I)的通解代入(II)中,在为其解时寻求 , 应满足的关系式而求出公共解。
由于 ,要就是(II)的解,应满足(II)的方程,故
解出 ,从而可求出公共解为。
(2)当时,对系数矩阵进行初等行变换,有
故方程组的同解方程为
可得基础解系为 ,故通解为 (k为任意常数)
5、求下述数域K上的非齐次线性方程组的解空间
解:
第一步,求解方程组的特解。为此,先求出它的一般解公式,
所以,方程组的一般解为
(其中都就是自由变量)
由式可以推出方程组的一特解:
第二步,求导出组的一个基础解系。
故选A。
评析:本题解法颇多,只要验证选项中的向量组线性无关即可,但上述方法就是较为简单的方法,且不易出错;同时,我们可以瞧到,在解决一些有关向量组与线性方程组问题时,有时把矩阵这一数学工具拿来运用也未尝不就是一种简便！
3、设就是齐次线性方程组的一个基础解系。而 ,其中t1,t2就是实数,问当t1,t2满足什么关系时, 也就是方程组的基础解系？
3
1、已知方程组无解,试求的取值
解:方程组的增广矩阵 (初等行变换不影响线性方程组的解)
由于方程组无解
或
i)当时, ,方程组又无穷多解;
ii)当时, ,方程组无解
综上可得,
易错提示:对方程组有解、无解时的条件把握不牢固;在把增广矩阵化为解提醒矩阵的过程中不仔细导致错误。所以,我们在做题的过程中,一定要善于总结,通过练习找到自己的不足点。对于关于线性方程组解的判定、性质以及解的结构失无必要进行总结的,已做到深刻的理解与领悟。
2、非齐次线性方程组的解空间
我们已知线性方程组的解与非齐次线性方程组的解的关系,那么我们可首先求出非齐次线性方程组的一个解 (称其为方程组特解);然后在求对应的导出组的解空间(设该解空间的基础解系为 ),则(*)解空间的维数为n-r,且非齐次线性方程组的每一个解都可以表示为:
我们称其为该非齐次线性方程组(*)的通解、
3
3
3.1.1基本概念
1、方程组
称为含n个未知量m个方程的线性方程组,
i)倘若不全为零,则该线性方程组称为非齐次线性方程组;
ii)若 ,则该线性方程组就就是齐次线性方程组,
这时,我们也把该方程组称为的导出组,
(其中不全为零)
2、记
则线性方程组(*)又可以表示为矩阵形式
3、又若记
则上述方程游客一写成向量形式
。
同时,为了方便,我们记 ,称为线性方程组(*)的增广矩阵。
3.1.2线性方程组解的判断
1、齐次线性方程组 ,(n=线性方程组中未知量的个数
对于齐次线性方程组,它就是一定有解的(至少零就就是它的解),
i)那么,当时,有唯一零解;
ii)当时,又非零解,且线性无关解向量的个数为n-r、
2、非齐次线性方程组
由于原非齐次线性方程组的系数矩阵与其导出组的系数矩阵相同,
因此,我们只要把原方程组一般解公式的常数项去掉,就可得到导出组的一般解。
(其中都就是自由变量)
从而得到导出组的一个基础解系
第三步,写出非齐次线性方程组的解空间
评析:本题写出了求解一般非齐次线性方程组的最一般的解法及其步骤,作为线性方程组的最一般解法,我们就是必须掌握的。
3.1.3线性方程组的解空间
1、齐次线性方程组的解空间
(作为线性方程组的一个特殊情形,在根据其次线性方程与非齐次线性方程组解的关系,我们这里首先讨论齐次线性方程组的解空间)
定理:对于数域K上的n元齐次线性方程组的解空间W的维数为
,
其中A就是方程组的系数矩阵。那么,当齐次线性方程组有非零解时,它的每个基础解系所含解向量的数目都等于。
所以,该线性方程组得通解为:
易错提示:按常规思路,如果把三个解代入方程组先求其参数,再求通解,则计算就是非常繁琐的,在限定时间内就是很难达到很好的效果,有时这种方法也就是行不通的;而倘若我们对方程组的性质与其解的结构都能够很好的理解,那么当遇到相关类型的题目时也就不至于困惑了。
7、问k为何值时,线性方程组 ,有唯一解,无解,无穷多解？并且,当有解时求出其所有解。
2、设A为n阶方阵, ,且就是的三个线性无关的解向量,则下面哪个就是的基础解系( )
解:由的基础解系个数为
又因为就是的解,所以四个选项中的向量都就是方程组的解,而我们只要验证瞧其就是否线性无关即可,现在我们利用矩阵这里工具来进行求解:
因为:
所以,向量组线性无关,而其余三个都就是线性相关的该方程组的解。
解:即方程组的系数矩阵为A,则
i)由已知条件知: 时相应的齐次线性方程组的两个线性无关的解向量
由
又系数矩阵A有二阶子式
系数矩阵A的秩r(A)
因此,由*)与**)
ii)由i) 齐次线性方程组基础解系由个解向量构成,即就是齐次线性方程组的一基础解系
解:记线性方程组的系数矩阵为A,即 ,则
,
i)当 ,即且时,方程组有唯一解,
我们用克莱姆法则求之,
。
ii)当时,
方程组的增广矩阵 ,
因此,方程组无解;
iii)当时,
方程组的增广矩阵
,可知方程组有无穷多解,于就是 ,令 ,则通解为 ,亦即。
点评:本题属于含有参数变量的线性方程组问题,这类问题一直都就是本章的一个重要考察点,务必要好好把握。
评析:本题就是关于两个方程组解的讨论,其实考察的也就是关系线性方程组的解的结构问题,近几年的考研试题中也常有所涉及,所以还就是值得我们注意的。
解:显然, 为的解,下证在线性无关时,t1,t2应满足的关系。
设
由线性无关知
由于线性无关,此方程组只有零解,即
故当时,即s为偶数时, ,s为奇数时, ,这时为的一个基础解系。
4、设齐次线性方程组 , ,试问a为何值时,该方程组有非零解,并求其解。
解:方法一
对系数矩阵进行初等行变换
(1)若 , ,方程组有非零解,其同解方程为
8、设有两个4元齐次线性方程组
(I) ;(II)
(1)求线性方程(I)的基础解系;
(2)试问方程组(I)与(II)就是否有非零的公共解？若有,则求出所有的非零公共解;若没有,则说明理由。
解:(1)(I)的基础解系为
,
(2)关于共公解有下列方法:
方法一
把(I)(II)联立起来直接求解,令
由 ,基础解系为 ,从而(I),(II)的全部公共解为 ,(k为任意实数)