非齐次线性方程组$Ax = b$的求解步骤如下:
一、判断解的存在性
系数矩阵与增广矩阵的秩
通过初等行变换将增广矩阵$(A|b)$化为行阶梯形矩阵,判断系数矩阵$A$的秩$R(A)$与增广矩阵的秩$R(A|b)$的关系:
若$R(A) neq R(A|b)$,则方程组无解;
若$R(A) = R(A|b)$,则方程组有解。
二、求解步骤
行阶梯形矩阵的化简
对增广矩阵$(A|b)$进行初等行变换,化为行阶梯形矩阵,确定自由未知量(未被主元覆盖的未知量)。
求齐次线性方程组的通解
对应的齐次线性方程组$Ax = 0$的通解由基础解系和自由未知量构成:
通过回代法或参数化方法求出基础解系${a_1, a2, dots, a{n-r}}$(其中$r = R(A)$)。
求非齐次线性方程组的一个特解
可令自由未知量取特定值(如全零或单位向量),代入行阶梯形方程组求出特解$xi$。
合成通解
非齐次线性方程组的通解为齐次解与特解之和:
$$
X = xi + k_1a_1 + k_2a2 + dots + k{n-r}a_{n-r}
$$
其中$k_1, k2, dots, k{n-r}$为任意常数。
三、示例说明
以方程组:
$$
begin{cases}
x_1 + x_2 + x_3 = 1
x_1 - x_2 + x_4 = 2
0x_1 + x_2 + x_3 = 0
end{cases}
$$
为例:
增广矩阵为$left[begin{array}{cccc|c}1 & 1 & 1 & 0 & 1 1 & -1 & 0 & 1 & 2 0 & 1 & 1 & 0 & 0end{array}right]$,化为行阶梯形后得:
$$
left[begin{array}{cccc|c}1 & 1 & 1 & 0 & 1 0 & -2 & -1 & 1 & 1 0 & 1 & 1 & 0 & 0end{array}right]
$$
确定自由未知量$x_3, x_4$,令$x_3=1, x_4=0$,解得特解$xi=(5, -3, 1, 0)^T$;令$x_3=0, x_4=1$,解得另一特解$eta=(-2, 1, 0, 1)^T$。
基础解系为${a_1=(-2, 1, 1, 0)^T, a_2=(-2, 1, 0, 1)^T}$,通解为:
$$
X = (5, -3, 0, 0)^T + k_1(-2, 1, 1, 0)^T + k_2(-2, 1, 0, 1)^T
$$
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