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3.2 矩阵的秩与方程组解的情况

秩的概念

行阶梯形矩阵或行最简形矩阵非零行的个数,也就是主元的个数,本质上就是这个方程组的有效方程的个数

我们将这个数称为矩阵的。矩阵 的秩用 表示。

无解时的秩

考虑下面这个方程组。

我们把增广矩阵写出来,然后进行变换。

我们可以看出 ,而

关注变换后的最后一行。翻译一下,其实就是 ,显然不成立。也就是说,此方程组无解。

从秩的角度看,只要 ,就会在最后出现 这样的方程。也就是说,只要 ,方程组就无解。

唯一解时的秩

考虑下面这个方程组。

我们把增广矩阵写出来,然后进行变换。

,有解。我们继续将其化为行最简形矩阵。

这里我们注意到,,也就是未知数的个数。当我们最终化到行最简型矩阵的时候,我们实际上写出了 。只有秩等于未知数的个数时,方程才解出了唯一解。

无穷多解时的秩

考虑下面这个方程组。

我们把增广矩阵写出来,然后进行变换。

,有解。我们继续将其化为行最简形矩阵。

无法继续化简。这就是行最简型矩阵了。我们把它化成方程组。

显然,这个方程组有无穷多解。其秩小于未知数的个数。

秩与方程组解的情况的关系

我们用 来表示未知数的个数,就有:

  1. ,方程组无解;
  2. ,方程组有唯一解;
  3. ,方程组有无穷多解。

我们其实已经基本讨论清楚了如何用矩阵解线性方程组。我们将在下一节介绍如歌将无穷多解的通解表示出来。