主要内容

第一部分:齐次线性方程组

  1. 一、有非零解的条件
  2. 二、解的性质与解空间
  3. 三、基础解系

第二部分:非齐次线性方程组

  1. 四、有解的条件
  2. 五、解的结构

一、有非零解的条件(齐次)

1.1 齐次线性方程组的形式

  • 矩阵形式:
  • 向量形式:

1.2 核心定理

定理 1:设 为 矩阵,则齐次线性方程组 有非零解:

特别地,当 (方阵)时: 有非零解。

反之: 仅有零解。


二、解的性质与解空间(齐次)

性质 1:若 是 的解,则 也是 的解。

推论: 的解 的任意线性组合 也是 的解。

关键理解:齐次线性方程组的解集合对加法和数乘封闭,构成一个线性空间——称为 的解空间(space of solutions)。这正是 §4.5 中定义的 。


三、基础解系(齐次)

3.1 定义

基础解系:齐次线性方程组 的解空间的一组基称为该方程组的一个基础解系。

即若 是基础解系,则:

  1. 每个 都是 的解
  2. 线性无关
  3. 的任意解都可由它们线性表示

通解:,其中 为任意常数。

3.2 基础解系的存在性

定理:设 是 矩阵,,则 存在基础解系,且基础解系含 个解向量。

3.3 求基础解系的两种策略

策略做法
法 1:先求通解,再得基自由变量 → 参数化解 → 提出参数 → 得基向量
法 2:先求基,再得通解逐个令自由变量取 → 得基 → 写通解

两者本质相同,只是视角不同。法 2 更规范,常用于考试答题。


例题 1(基础解系——标准题型)★

例 1:求齐次方程组的通解:

解:

Step 1:写出系数矩阵并化行最简形:

Step 2:写出同解方程组:

自由变量:。,,基础解系含 个解向量。

Step 3(法 2):令自由变量分别取 和 :

  • 令 →
  • 令 →

通解:()。

思路:

  1. 化行最简形 → 区分主元和自由变量
  2. 逐次令一个自由变量为 ,其余为 → 得到基解向量
  3. 基础解系 = 这些基解向量,通解 = 它们的线性组合

例题 2(仅零解的情形)

练习 1:求齐次方程组 的通解。

解:

→ 仅有零解 。


例题 3(证明题:利用基础解系证秩不等式)★

例 2:设 为 矩阵, 为 矩阵,。 试证:(即 )。

证明思路: 是 基础解系所含向量的个数 → 转化为解空间问题。

证:

即 的每个列向量 都是齐次方程组 的解向量。

  • 若 ,则 只有零解,,。
  • 若 ,则 有基础解系 , 的每个列向量都可由基础解系线性表出 → 的列秩 → 。

思路:这道题的关键在于把”矩阵乘积为零”翻译为”每个列向量是齐次方程的解”,再借助基础解系的维数 = 来限制秩。


例题 4(伴随矩阵的秩——经典结论)

练习:设 为 阶方阵,证明:

(证法涉及 和秩不等式,课上作为拓展练习)


四、有解的条件(非齐次)

4.1 非齐次线性方程组的形式

  • 矩阵形式:
  • 向量形式:
  • 增广矩阵:

4.2 有解条件(四个等价命题)

定理 1:非齐次线性方程组 有解:

四个等价表述,层层递进——本质就是一个: 在系数矩阵列向量的张成空间中()。


五、解的结构(非齐次)

5.1 核心定理

定义:与非齐次方程组 系数矩阵相同的齐次方程组 称为 的导出组(又称对应的齐次方程组)。

定理 2(解的情况判定 + 结构定理):设 为 矩阵:

条件结论
无解
有唯一解
有无穷多解,且:

即:

其中:

  • : 的一个特解
  • :导出组 的一个基础解系

5.2 证明(关键步骤)

为什么 “通解 = 特解 + 导出组通解”?

  1. 设 是 的任意解, 是一个特解 → → 是导出组的解 → 存在 使得 → 。

  2. 反过来,任意 显然满足 。

几何理解:非齐次方程组的解空间 = 导出组解空间(过一个子空间)平移一个特解向量。


例题 5(非齐次方程组——标准求解)★

例 1:解非齐次方程组

解:

Step 1:写出增广矩阵并化行最简形:

→ 有无穷多解。

Step 2:写出同解方程组,自由变量 :

法 1(直接写通解):令 :

法 2(特解 + 基础解系):

  • 特解(令 ):

  • 导出组基础解系(令 取 ): ,

  • 通解:()

思路:两种方法等价。关键步骤:行最简形 → 识别自由变量 → 构造通解结构 = 特解 + 导出组通解。


例题 6(含参数的线性方程组——分类讨论)★★ 考试热题

例 2:设有方程组 ,问 为何值时,方程组有唯一解、无穷多解、无解?当有无穷多解时,求全部解。

解:

Step 1:对增广矩阵作初等行变换:

Step 2:分类讨论:

参数条件结论
且 唯一解
无解
无穷多解
无解
无穷多解

Step 3:求无穷多解:

当 : 通解:()

当 : 通解:()

思路:

  1. 先化简消元,尽量将参数集中到右下角
  2. 根据主元行数和最后一行约束分类讨论
  3. 四类情况:唯一解(满秩相容)、无解(不相容)、无穷多解(降秩相容 ×2 组)

另法:系数矩阵为方阵时,也可先求 (行列式法),:

  • → 唯一解
  • 时再分别代回 讨论有无穷多解还是无解

变式参考:类似题目如 ,行列式 ,讨论方法相同。


例题 7(已知解的关系求通解)★ 概念题

例 3:设四元非齐次线性方程组的系数矩阵的秩为 ,已知 为该方程组的三个解,且: 求该方程组的通解。

解:

分析:, → 导出组基础解系含 个解向量 → 只需找到一个导出组的非零解即可。

Step 1:利用非齐次解的关系构造导出组解。

由解的性质: 是一个解, 也是解(解的凸组合仍是解,因为系数和为 )。

也是 的解。

Step 2:两个非齐次解之差是导出组解:

这是导出组 的非零解 → 就是基础解系(唯一的一个)。

Step 3:通解 = 特解 + 基础解系:

思路总结:

  1. 由 和 确定导出组基础解系含几个向量
  2. 利用”非齐次解之差 = 导出组解”构造导出组解
  3. 利用”非齐次解的凸组合仍是解”(系数和为 1)构造更多非齐次解

例题 8(证明题:解的结构与线性无关性)

例 4:已知 为 的一个特解, 为导出组 的一个基础解系。证明:

  1. 向量组 线性无关;
  2. 有 个线性无关的解。

证明:

1. 证 线性无关:

反证法。假设线性相关。由于 本身线性无关(它们是基础解系),则 必可由 线性表出。

从而 也是 的解。但这与 是 ()的特解相矛盾。

原假设不成立,向量组线性无关。 ✓

2. 构造 个线性无关的 的解:

令 。

则 是 的 个解。

设 ,代入:

由第 1 部分结论( 和 线性无关),所有系数全为零:

这 个解线性无关。 ✓


六、全章总结:秩与方程组解的关系

情况条件解的数量解的结构
齐次仅有零解
齐次无穷多解(基础解系通解)
非齐次无解—
非齐次唯一解
非齐次无穷多解(特解 + 导出组通解)

记忆口诀:

  • 有解 秩相等()
  • 唯一 秩等 (满秩相容)
  • 无穷 秩等但小于 (降秩相容)
  • 非齐次通解 = 特解 + 导出组通解

整理时间:2026-05-26 | 来源:课堂PPT(周老师)