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秩。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 个 。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:
- ,方程组无解;
- ,方程组有唯一解;
- ,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。