第3节 线性方程组解的结构

§3 线性方程组解的结构§3线性方程组解的结构对于齐次线性方程组111122121122221122000n n n n m m mn n a x a x a x a x a x a x a x a x a x +++=⎧⎪+++=⎪⎨⎪⎪+++=⎩记11121121222212,n n m m mn n a a a x a a a x A x a a a x ⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（4.6）则（4.6）式可写为向量方程.0Ax =引言问题：什么是线性方程组的解的结构？答：所谓线性方程组的解的结构，就是当线性方程组有无限多个解时，解与解之间的相互关系。

备注：●当方程组存在唯一解时，无须讨论解的结构。

●下面的讨论都是假设线性方程组有解。

解向量的定义定义：设有齐次线性方程组Ax = 0，如果x1= ξ11，x2= ξ21，...，x n= ξn1为该方程组的解，则称为方程组的解向量．11211nξξξξ⎛⎫⎪⎪=⎪⎪⎝⎭有关齐次线性方程组的定义定义：对于齐次线性方程组1111221211222211220,0,0.n n n n m m mn n a x a x a x a x a x a x a x a x a x +++=⎧⎪+++=⎪⎨⎪⎪+++=⎩记111212122212,n n m m mn a a a a a a A a a a ⎛⎫ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭12,n x x X x ⎛⎫⎪ ⎪= ⎪ ⎪⎝⎭则上边的齐次方程组可写为向量方程AX =0。

回顾：线性方程组的解的判定1.包含n个未知数的齐次线性方程组Ax =0有非零解的充分必要条件是系数矩阵的秩R(A) < n。

2.包含n个未知数的非齐次线性方程组Ax =b有解的充分必要条件是系数矩阵的秩R(A) = R(A, b)，并且☐当R(A) = R(A, b) = n时，方程组有唯一解；☐当R(A) = R(A, b) < n时，方程组有无限多个解．齐次线性方程组的解的性质性质1：若x= x1，x= x2是齐次线性方程组Ax = 0的解，则x= x1+ x2还是Ax = 0的解．证明：A(x1+ x2 ) = Ax1+ Ax2 = 0 + 0 = 0。

证：若r=n, 方程组只有零解，不存在基础解系
a11 a12? …a1r
若R(A) =r<n，不妨设
a21 a22? …a2r ………………
0,
则(1)可写成
ar1 ar2? …arr
a11x1 a12x2 a1r xr a1,r1xr1 a1nxn
a21x1 a22x2 a2r xr a2,r1xr1 a2nxn
来代替自由未知量(xr+1,…,xn), 就得到(2)的
解，也就是(1)的nr个解:
1 (c11, c12 , , c1r ,1，0， ，0）
2 (c21, c22, , c2r，0，1， ，0）
(3)
nr (cnr,1, cnr,2 , , cnr,r，0，0， ，1）
要证明(3)是(1)的基础解系，需证
2 ．基础解系
定义 齐次线性方程组(1)的一组解
1,2,…,r，若满足 1) 1,2,…,r线性无关；
2) 齐次线性方程组(1)的任意一解都可
由1,2,…,r线性表出； 则称1,2,…,r为齐次线性方程组(1) 的一
个基础解系；
4 ．基础解系存在性
定理 在齐次线性方程组(1)有非零解的 情况下，它有基础解系，并且基础解系 所含解向量的个数等于nr, 其中r 为方程 组系数矩阵的秩。
1,2,…,nr
2）求出(4)的一个特解0；
3）写出(4)的一般解为
= 0+k11 + k22 +…+knrn r
① 1,2,…,n-r线性无关 令k11+ k22+…+kn-rn-r=0, 则k11+ k22 +…+kn-rn-r=(*,…,*,k1, k2,…,kn-r)=0，从而 k1=k2=…=kn-r=0, 所以1,2,…,n-r线性无

下面证明1 ,2 ,,nr 是齐次线性方程组解空 间的一个基．
(1)证明1,2 ,,n 线性无关.
1 0
0
由于 n r个 n r 维向量
0 ,
1
,
,
0
0 0
1
线性无关， 所以 n r 个 n 维向量 1 ,2 ,,nr 亦
线性无关(定理5).
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(2)证明解空间的任一解都可由 1,2 ,,nr
故 x 1 2 也是Ax 0的解.
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（2）若 x 1 为 Ax 0的解， k 为实数，则 x k1也是 Ax 0 的解．
由以上两个性质可知，方程组的全体解向量 所组成的集合，对于加法和数乘运算是封闭的， 因此构成一个向量空间，称此向量空间为齐次线
性方程组 Ax 0 的解空间,记作 S.
2
3
1
6
故通解为
x3
k1
1
k2
0
(k1, k2 R).
x4 x5
0 0
1 3
1
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事实上，为了避免分数运算，也可以把系数矩阵化为 行阶梯形矩阵,便得到基础解系.
1 2 1 3 0 1 2 1 3 0
A
0
2
1
1
0
0
2
1
1
0
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注: 1.解空间的基不是唯一的; 2. n元齐次线性方程组Amnx 0的全体解所构 成的集合S是一个向量空间,当R( Amn) r时, 解空间S的维数为n r.
当R( A) n时,方程组只有零解,故没有基础解 系(此时解空间只含一个零向量,为0维向量空间).
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所以向量组
α 1 ,α 2 ,α 3 ,α 4
α α
3 4
= (0,0,0,5 )
= (0,0,0,0 ) 的秩为3⎞ ⎛ 1⎞ ⎛ 3⎞ ⎛ 1⎞ ⎜ 0⎟ ⎜ 2⎟ ⎜ −1 ⎟ ⎜ 4⎟ β1 = ⎜ ⎟ , β 2 = ⎜ ⎟ , β 3 = ⎜ ⎟ , β 4 = ⎜ ⎟ ⎜ 0⎟ ⎜ 0⎟ ⎜ 0⎟ ⎜ 5⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 0⎠ ⎝ 0⎠ ⎝ 0⎠ ⎝ 0⎠ 7 1 而 可以验证 β 1 , β 2 , β 4 线性无关， β 3 = β 1 − β 2 + 0 β 4 2 2 所以向量组 β 1 , β 2 , β 3 , β 4 的一个极大无关组是 β 1 , β 2 , β 4
知，要求齐次线性方程组的通解，只需求出它 的基础解系.
3. 基础解系的求法
设系数矩阵 A 的秩为 r , 并不妨设 A 的前 r 个 列向量线性无关, 于是 A 的行最简形矩阵为
⎛1 ⎜ ⎜ ⎜0 B = ⎜ ⎜0 ⎜ ⎜ ⎜0 ⎝ 0 1 b 11 br1 b 1 ,n − r ⎞ ⎟ ⎟ b r,n − r ⎟ ⎟, 0 ⎟ ⎟ ⎟ 0 ⎟ ⎠
⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝
x1 ⎞ ⎛ − b 11 ⎞ ⎛ − b 12 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜− b ⎟ ⎜−b xr r1 r2 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ x r +1 ⎟ = c1 ⎜ 1 ⎟ + c 2 ⎜ 0 ⎟ ⎜ ⎜ 1 xr+2 ⎟ 0 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ xn ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 0
⎛x1 ⎞ ⎛−b ⎞ ⎛−b ⎞ ⎛−b,n−r ⎞ 11 12 1 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟, ⎜ ⎟ =⎜ ⎟ ,⎜ ⎟ , ,⎜ ⎜x ⎟ ⎜−b ⎟ ⎜−b ⎟ ⎜−b ⎟ ⎝ r ⎠ ⎝ r1⎠ ⎝ r2 ⎠ ⎝ r,n−r ⎠