《线性代数入门》解题笔记 1.3
Yi Fan

《线性代数入门》,梁鑫等编著,清华大学出版社,2022 年.

1 线性映射和矩阵

1.3 线性方程组

1.3.1

  1. [123456789101112131415]倍加变换[1234505101520010203040]倍乘变换[123450123401234]倍加变换[101230123400000]\begin{bmatrix}1&2&3&4&5\\6&7&8&9&10\\11&12&13&14&15\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&2&3&4&5\\0&-5&-10&-15&-20\\0&-10&-20&-30&-40\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍乘变换}}\begin{bmatrix}1&2&3&4&5\\0&1&2&3&4\\0&1&2&3&4\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&0&-1&-2&-3\\0&1&2&3&4\\0&0&0&0&0\end{bmatrix}. 第一列是主列.
  2. [123450789101112131415]倍加变换[12345078910010203040]倍乘变换[1234507891001234]对换变换[1234501234078910]倍加变换[10123012340061218]倍乘变换[101230123400123]倍加变换[100000101200123]\begin{bmatrix}1&2&3&4&5\\0&7&8&9&10\\11&12&13&14&15\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&2&3&4&5\\0&7&8&9&10\\0&-10&-20&-30&-40\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍乘变换}}\begin{bmatrix}1&2&3&4&5\\0&7&8&9&10\\0&1&2&3&4\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{对换变换}}\begin{bmatrix}1&2&3&4&5\\0&1&2&3&4\\0&7&8&9&10\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&0&-1&-2&-3\\0&1&2&3&4\\0&0&6&12&18\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍乘变换}}\begin{bmatrix}1&0&-1&-2&-3\\0&1&2&3&4\\0&0&1&2&3\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&0&0&0&0\\0&1&0&-1&-2\\0&0&1&2&3\end{bmatrix}. 第二列是主列.
  3. 行简化结果为 [100787401034320019854]\begin{bmatrix}1&0&0&-\cfrac{7}{8}&-\cfrac{7}{4}\\0&1&0&\cfrac{3}{4}&\cfrac{3}{2}\\0&0&1&\cfrac{9}{8}&\cfrac{5}{4}\end{bmatrix}. 第三列是主列.
  4. 行简化结果为 [1010790120230001109]\begin{bmatrix}1&0&-1&0&-\cfrac{7}{9}\\0&1&2&0&\cfrac{2}{3}\\0&0&0&1&\cfrac{10}{9}\end{bmatrix}. 第四列是主列.
  5. 行简化结果为 [101200123000001]\begin{bmatrix}1&0&-1&-2&0\\0&1&2&3&0\\0&0&0&0&1\\\end{bmatrix}. 第五列是主列.

1.3.2

  1. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [123011]\begin{bmatrix}1&2&3\\0&1&1\end{bmatrix},解得 x=1,y=1x=1,y=1.
  2. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [13500120]\begin{bmatrix}1&3&5&0\\0&1&2&0\end{bmatrix},解得 x=z,y=2zx=z,y=-2z.
  3. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [100010000]\begin{bmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&0\end{bmatrix},解得 x=0,y=0x=0,y=0.
  4. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [121023001]\begin{bmatrix}1&2&1\\0&2&3\\0&0&1\end{bmatrix},注意到第三行出现方程 0=10=1,故此方程组无解.
  5. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [10100110]\begin{bmatrix}1&0&1&0\\0&1&1&0\end{bmatrix},解得 x=y=zx=y=-z.
  6. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [120010000]\begin{bmatrix}1&2&0\\0&1&0\\0&0&0\end{bmatrix},解得 x=0,y=0x=0,y=0.
  7. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [120010001]\begin{bmatrix}1&2&0\\0&1&0\\0&0&1\end{bmatrix},注意到第三行出现方程 0=10=1,故此方程组无解.
  8. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [11200001230000134000014]\begin{bmatrix}1&-\cfrac{1}{2}&0&0&0\\0&1&-\cfrac{2}{3}&0&0\\0&0&1&-\cfrac{3}{4}&0\\0&0&0&1&4\end{bmatrix},解得 x=1,y=2,z=3,t=4x=1,y=2,z=3,t=4.
  9. 构造增广矩阵,化为阶梯形并适当简化有 [11200001230000134000014]\begin{bmatrix}1&\cfrac{1}{2}&0&0&0\\0&1&\cfrac{2}{3}&0&0\\0&0&1&\cfrac{3}{4}&0\\0&0&0&1&4\end{bmatrix},解得 x=1,y=2,z=3,t=4x=-1,y=2,z=-3,t=4.

1.3.3

由 1.3.1.1 中的化简结果 [101230123400000]\begin{bmatrix}1&0&-1&-2&-3\\0&1&2&3&4\\0&0&0&0&0\end{bmatrix}

  1. 即解方程组 [12671112]x=[3813]\begin{bmatrix}1&2\\6&7\\11&12\end{bmatrix}\boldsymbol{x}=\begin{bmatrix}3\\8\\13\end{bmatrix}. 不难构造增广矩阵,由化简结果有 [101012000]\begin{bmatrix}1&0&-1\\0&1&2\\0&0&0\end{bmatrix},解得 x=[12]\boldsymbol{x}=\begin{bmatrix}-1\\2\end{bmatrix},即 [3813]=[1611]+2[2712]\begin{bmatrix}3\\8\\13\end{bmatrix}=-\begin{bmatrix}1\\6\\11\end{bmatrix}+2\begin{bmatrix}2\\7\\12\end{bmatrix}.
  2. 类似地构造增广矩阵,由化简结果有 [102013000]\begin{bmatrix}1&0&-2\\0&1&3\\0&0&0\end{bmatrix},解得 x=[23]\boldsymbol{x}=\begin{bmatrix}-2\\3\end{bmatrix},即 [4914]=2[1611]+3[2712]\begin{bmatrix}4\\9\\14\end{bmatrix}=-2\begin{bmatrix}1\\6\\11\end{bmatrix}+3\begin{bmatrix}2\\7\\12\end{bmatrix}.
  3. 类似地构造增广矩阵,由化简结果有 [103014000]\begin{bmatrix}1&0&-3\\0&1&4\\0&0&0\end{bmatrix},解得 x=[34]\boldsymbol{x}=\begin{bmatrix}-3\\4\end{bmatrix},即 [51015]=3[1611]+4[2712]\begin{bmatrix}5\\10\\15\end{bmatrix}=-3\begin{bmatrix}1\\6\\11\end{bmatrix}+4\begin{bmatrix}2\\7\\12\end{bmatrix}.

1.3.4

证明 先证充分性. 不妨构造一个增广矩阵 [a11a120a21a220]\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&0\\ a_{21}&a_{22}&0\end{bmatrix}[a11a120a21a220]倍乘变换[1a12a110a21a220]倍加变换[1a12a1100a22a21a12a110]\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&0\\ a_{21}&a_{22}&0\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍乘变换}}\begin{bmatrix}1&\cfrac{a_{12}}{a_{11}}&0\\ a_{21}&a_{22}&0\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&\cfrac{a_{12}}{a_{11}}&0\\0&a_{22}-\cfrac{a_{21}a_{12}}{a_{11}}&0\end{bmatrix},据第一行可知如果存在非零解,那么 x1,x20x_1,x_2\not = 0,既然 x20x_2\not ={0},那么 a22a21a12a11=0a_{22}-\cfrac{a_{21}a_{12}}{a_{11}}=0,即 a11a22a12a21=0a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}=0. 再证必要性. 可以解得 x1=a12a11x2x_1=-\cfrac{a_{12}}{a_{11}}x_2,而 x2x_2 可以为任意值,其中必有非零解.

1.3.5

  1. 构造增广矩阵 [1233b7]\begin{bmatrix}1&2&3\\3&b&7\end{bmatrix},化成阶梯形有 [1230b62]\begin{bmatrix}1&2&3\\0&b-6&-2\end{bmatrix},显然只要令 b=6b=6 则方程组无解.
  2. 构造增广矩阵 [321064c]\begin{bmatrix}3&2&10\\6&4&c\end{bmatrix},化成阶梯形有 [321000c20]\begin{bmatrix}3&2&10\\0&0&c-20\end{bmatrix},显然只要使 c20c\not ={20} 则方程组无解.
  3. 构造增广矩阵 [25104b120113]\begin{bmatrix}2&5&1&0\\4&b&1&2\\0&1&-1&3\end{bmatrix},化成阶梯形有 [251001130b1101]\begin{bmatrix}2&5&1&0\\0&1&-1&3\\0&b-11&0&-1\end{bmatrix},显然只要令 b=11b=11 则方程组无解.
  4. 构造增广矩阵 [b363b6]\begin{bmatrix}b&3&6\\3&b&-6\end{bmatrix},化成阶梯形有 [1b3203b2362b]\begin{bmatrix}1&\cfrac{b}{3}&-2\\0&3-\cfrac{b^2}{3}&6-2b\end{bmatrix},显然只要令 3b23=62b=03-\cfrac{b^2}{3}=6-2b=0 则方程组有无穷多解,解方程可得 b=3b=-3.
  5. 构造增广矩阵 [2b1648c]\begin{bmatrix}2&b&16\\4&8&c\end{bmatrix},化成阶梯形有 [2b16082bc32]\begin{bmatrix}2&b&16\\0&8-2b&c-32\end{bmatrix},显然只要令 82b=c32=08-2b=c-32=0 则方程组有无穷多解,解方程可得 b=4,c=32b=4,c=32.
  6. 构造增广矩阵 [1b0012100110]\begin{bmatrix}1&b&0&0\\1&-2&-1&0\\0&1&1&0\end{bmatrix},化成阶梯形有 [1b00011b+200011b+20]\begin{bmatrix}1&b&0&0\\0&1&\cfrac{1}{b+2}&0\\0&0&1-\cfrac{1}{b+2}&0\end{bmatrix},要使这个方程组有非零解,只需使 zz 有非零解,即 11b+2=01-\cfrac{1}{b+2}=0,解得 b=1b=-1.
  7. 构造增广矩阵 [b230bb40bbb0]\begin{bmatrix}b&2&3&0\\ b&b&4&0 \\ b&b&b&0\end{bmatrix},化成阶梯形有 [b2300b21000b40]\begin{bmatrix}b&2&3&0\\ 0&b-2&1&0 \\ 0&0&b-4&0\end{bmatrix},要使这个方程组有非零解,只需使 x,y,zx,y,z 的其中一个有非零解,分别解方程 b=0,b2=0,b4=0b=0,b-2=0,b-4=0,解得 b=0,2,4b=0,2,4.

1.3.6

不妨构造增广矩阵 [2110a0101030]\begin{bmatrix}2&1&1&0\\ a&0&-1&0\\-1&0&3&0\end{bmatrix},化成阶梯形有 [103001700031a0]\begin{bmatrix}-1&0&3&0\\0&1&7&0\\0&0&3-\cfrac{1}{a}&0\end{bmatrix},要使这个方程组有非零解,只需令 31a=03-\cfrac{1}{a}=0,解得 a=13a=\cfrac{1}{3}. 解原方程组可得 x1=3x3,x2=7x3x_1=3x_3,x_2=-7x_3.

1.3.7

不妨构造增广矩阵 [p1111p1p11pp2]\begin{bmatrix}p&1&1&1\\1&p&1&p\\1&1&p&p^2\end{bmatrix},化成阶梯形有 [11pp201pp1p(p1)00(p+2)(1p)(p+1)2(1p)]\begin{bmatrix}1&1&p&p^2\\0&1-p&p-1&p(p-1)\\0&0&(p+2)(1-p)&(p+1)^2(1-p)\end{bmatrix}. 若方程组无解,即 (p+2)(1p)=0(p+2)(1-p)=0(p+1)2(1p)0(p+1)^2(1-p)\not ={0},解得 p=2p=-2,而当 p=1p=1 时,(p+2)(1p)=(p+1)2(1p)=0(p+2)(1-p)=(p+1)^2(1-p)=0,此时方程有无穷多组解. 对于 p2,1p\not ={-2,1},有通解 x1=p2p(p+1)2p+2p(p+1)2p+2,x2=p+(p+1)2p+2,x3=(p+1)2p+2x_1=p^2-p-\cfrac{(p+1)^2}{p+2}-\cfrac{p(p+1)^2}{p+2},x_2=p+\cfrac{(p+1)^2}{p+2},x_3=\cfrac{(p+1)^2}{p+2}.

1.3.8

  1. 证明 构造增广矩阵 [110b1101b2011b3]\begin{bmatrix}1&1&0&b_1\\-1&0&1&b_2\\0&-1&-1&b_3\end{bmatrix},化成阶梯形有 [110b1011b1+b2000b1+b2+b3]\begin{bmatrix}1&1&0&b_1\\0&1&1&b_1+b_2\\0&0&0&b_1+b_2+b_3\end{bmatrix}. 根据第三个方程,如果方程组有解,等价于 b1+b2+b3=0b_1+b_2+b_3=0.
  2. 证明 利用第 1 小题结论,得到增广矩阵 [110001100000]\begin{bmatrix}1&1&0&0\\0&1&1&0\\0&0&0&0\end{bmatrix},解得 x=z,y=zx=z,y=-z. 令 z=kz=k,则解可以表示为 [kkk]\begin{bmatrix}k\\-k\\ k\end{bmatrix},于是方程组的解集就是 {kx1x1=[111],kR}\{kx_1|x_1=\begin{bmatrix}1\\-1\\1\end{bmatrix},k\in\R\}.
  3. 证明 不难得 Ax=bA\boldsymbol{x}=\boldsymbol{b} 通解为 x=zb2,y=zb3x=z-b_2,y=-z-b_3. 令 z=tz=t,那么解可以表示为 [tb2tb3t]\begin{bmatrix}t-b_2\\-t-b_3\\ t\end{bmatrix}. 对于方程组的另一个解,不妨设 z=tz=t',那么解为 [tb2tb3t]\begin{bmatrix}t'-b_2\\-t'-b_3\\ t'\end{bmatrix},考虑 Δ=tt\Delta=t'-t,有 [tb2tb3t]=[t+Δb2tΔb3t+Δ]=[tb2tb3t]+Δ[111]\begin{bmatrix}t'-b_2\\-t'-b_3\\ t'\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}t+\Delta-b_2\\-t-\Delta-b_3\\ t+\Delta\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}t-b_2\\-t-b_3\\ t\end{bmatrix}+\Delta\begin{bmatrix}1\\-1\\1\end{bmatrix},于是方程的解集就可以表示为 {x0+kx1x1=[111],kR}\{x_0+kx_1|x_1=\begin{bmatrix}1\\-1\\1\end{bmatrix},k\in\R\}.

1.3.9

c=0,d=0c=0,d=0,有 Ax=A[200]=2[a11a21a31]=[242]A\boldsymbol{x}=A\begin{bmatrix}2\\0\\0\end{bmatrix}=2\begin{bmatrix}a_{11}\\a_{21}\\a_{31}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}2\\4\\2\end{bmatrix},容易知道 [a11a21a31]=[121]\begin{bmatrix}a_{11}\\a_{21}\\a_{31}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1\\2\\1\end{bmatrix}. 再令 c=2,d=0c=-2,d=0,有 Ax=A[020]=2[a12a22a32]=[242]A\boldsymbol{x}=A\begin{bmatrix}0\\-2\\0\end{bmatrix}=-2\begin{bmatrix}a_{12}\\a_{22}\\a_{32}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}2\\4\\2\end{bmatrix},可得 [a12a22a32]=[121]\begin{bmatrix}a_{12}\\a_{22}\\a_{32}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}-1\\-2\\-1\end{bmatrix}. 再令 c=1,d=1c=-1,d=1,有 Ax=A[111]=[a11a21a31][a12a22a32]+[a13a23a33]=[121][121]+[a13a23a33]=[242]A\boldsymbol{x}=A\begin{bmatrix}1\\-1\\1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}a_{11}\\a_{21}\\a_{31}\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}a_{12}\\a_{22}\\a_{32}\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}a_{13}\\a_{23}\\a_{33}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}1\\2\\1\end{bmatrix}-\begin{bmatrix}-1\\-2\\-1\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}a_{13}\\a_{23}\\a_{33}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}2\\4\\2\end{bmatrix},得到 [a13a23a33]=0\begin{bmatrix}a_{13}\\a_{23}\\a_{33}\end{bmatrix}=\boldsymbol{0}. 综上,A=[110220110]A=\begin{bmatrix}1&-1&0\\2&-2&0\\1&-1&0\end{bmatrix}.

1.3.10

  1. 构造 [123481271421]\begin{bmatrix}1&2&3\\4&8&12\\7&14&21\end{bmatrix} 即可.

  2. 构造如下矩阵:对于 aija_{ij},如果 i>ji>j,那么 aij=ja_{ij}=j;如果 iji\leqslant j,那么 aij=ia_{ij}=i;最后一行是例外情况,所有元素都是 1.

    Ax=0A\boldsymbol{x}=\boldsymbol{0} 的解集为 {[00k]kR}\{\begin{bmatrix}0\\\vdots\\0\\k\end{bmatrix}|k\in\R\}.

1.3.11

  1. 假如 AA 的第 ii 行叫做 aia_i,那么就有如下线性组合:k1a1+k2a2++k100a100k_1a_1+k_2a_2+\cdots+k_{100}a_{100},其中 kRk\in\R.
  2. 假如 AA 的第 jj 列叫做 aja_j,那么就有如下线性组合:k1a1+k2a2++k100a100k_1a_1+k_2a_2+\cdots+k_{100}a_{100},其中 kRk\in\R.
  3. 注意到增广矩阵是方程组的转写。对于任意非零行,总能将其主元对应的未知量表示为常数或者其他未知量的表达式,从而使得有且仅有一个变量成为约束变量. 因此,约束变量数等于非零行数. 注意到 AA 是方阵,有总变量数等于总行数. 因此有总变量数减去约束变量数等于总行数减去非零行数,即零行个数等于自由变量个数.

1.3.12

  1. [1100121001210012]倍加变换[1100011001210012]倍加变换[1100011000110012]倍加变换[1100011000110001]\begin{bmatrix}1&1&0&0\\1&2&1&0\\0&1&2&1\\0&0&1&2\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&1&0&0\\0&1&1&0\\0&1&2&1\\0&0&1&2\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&1&0&0\\0&1&1&0\\0&0&1&1\\0&0&1&2\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}1&1&0&0\\0&1&1&0\\0&0&1&1\\0&0&0&1\end{bmatrix}.
  2. 容易用类似方法化为 [1120001230001340001]\begin{bmatrix}1&\cfrac{1}{2}&0&0\\0&1&\cfrac{2}{3}&0\\0&0&1&\cfrac{3}{4}\\0&0&0&1\end{bmatrix}.
  3. 容易用类似方法化为 [1120001230001340001]\begin{bmatrix}1&-\cfrac{1}{2}&0&0\\0&1&-\cfrac{2}{3}&0\\0&0&1&-\cfrac{3}{4}\\0&0&0&1\end{bmatrix}.

这些三对角矩阵化为阶梯形后,其主元总是主对角线上的元素,且除主元及其右上方相邻元素外其余元素都是零.(说实话,我没看懂这题想让我分析出什么关于主元的规律)

1.3.13

构造增广矩阵 [100101100011011000110]\begin{bmatrix}1&0&&\cdots&&0&1&0\\1&1&0&&\cdots&&0&\\0&1&1&0&&&\\&&\ddots&\ddots&&&\vdots&\vdots\\\vdots&&&\ddots&\ddots&&\\&&&&1&1&0\\0&&\cdots&&0&1&1&0\end{bmatrix}. 化为阶梯形有 [1001001010101(1)n101(1)n001(1)n0]\begin{bmatrix}1&0&&\cdots&&0&1&0\\0&1&0&&\cdots&&-1&\\&0&1&0&&&1\\&&\ddots&\ddots&&&\vdots&\vdots\\\vdots&&&\ddots&\ddots&&(-1)^{n-1}\\&&&&0&1&(-1)^{n}\\0&&\cdots&&&0&1-(-1)^{n}&0\end{bmatrix}. 分类讨论:如果 n0(mod2)n\equiv 0 \pmod {2},那么 x1=x2==xn=0x_1=x_2=\cdots=x_n=0;如果 n≢0(mod2)n\not\equiv 0 \pmod {2},那么 x1=x3==xn=2,x2=x4==xn1=2x_1=x_3=\cdots=x_n=2,x_2=x_4=\cdots=x_{n-1}=-2.

1.3.14

证明 可以这样构造:[aTbT]倍加变换[aTaT+bT]倍乘变换[2aTaT+bT]倍加变换[aTbTaT+bT]倍加变换[aTbT2aT]倍乘变换[aTbTaT]倍加变换[bTaT]倍乘变换[bTaT]\begin{bmatrix}\boldsymbol{a}^T\\\boldsymbol{b}^T\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}\boldsymbol{a}^T\\\boldsymbol{a}^T+\boldsymbol{b}^T\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍乘变换}}\begin{bmatrix}2\boldsymbol{a}^T\\\boldsymbol{a}^T+\boldsymbol{b}^T\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}\boldsymbol{a}^T-\boldsymbol{b}^T\\\boldsymbol{a}^T+\boldsymbol{b}^T\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}\boldsymbol{a}^T-\boldsymbol{b}^T\\2\boldsymbol{a}^T\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍乘变换}}\begin{bmatrix}\boldsymbol{a}^T-\boldsymbol{b}^T\\\boldsymbol{a}^T\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍加变换}}\begin{bmatrix}-\boldsymbol{b}^T\\\boldsymbol{a}^T\end{bmatrix}\xrightarrow{\text{倍乘变换}}\begin{bmatrix}\boldsymbol{b}^T\\\boldsymbol{a}^T\end{bmatrix}.

1.3.15

证明 对于一个阶梯形矩阵,通过倍乘行变换将主元化为 1,再通过倍加行变换使其上方元素全部化为 0,就将这个阶梯形矩阵化为了行简化阶梯阵. 据定理 1.3.7.1,可知任意矩阵都可以用初等行变换化为行简化阶梯阵.

1.3.16

不妨将每三行看作一组. 同一组内的对换行变换,或者两个组整体之间的对换行变换,变换后还是数独矩阵. 对于列也有类似的性质.

1.3.17

  1. [2154][xy]=[36]\begin{bmatrix}2&1\\5&4\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3\\6\end{bmatrix}. 做了对换列变换.
  2. [2285][xy]=[36]\begin{bmatrix}2&2\\8&5\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3\\6\end{bmatrix}. 做了倍乘列变换.
  3. [3295][xy]=[36]\begin{bmatrix}3&2\\9&5\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3\\6\end{bmatrix}. 做了倍加列变换.
  4. [1245][xy]=[22]\begin{bmatrix}1&2\\4&5\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\ y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}2\\2\end{bmatrix}. 系数矩阵没有做任何变换.

1.3.18

  1. 证明 因为 [abc]\begin{bmatrix}a\\b\\c\end{bmatrix} 是平面法向量,显然有 [abc]p=ap1+bp2+cp3=[abc]p=0\begin{bmatrix}a&b&c\end{bmatrix}\boldsymbol{p}=ap_1+bp_2+cp_3=\begin{bmatrix}a\\b\\c\end{bmatrix}\cdot\boldsymbol{p}=0. 同理,[abc]q=0\begin{bmatrix}a&b&c\end{bmatrix}\boldsymbol{q}=0,所以 [abc]p=[abc]q\begin{bmatrix}a&b&c\end{bmatrix}\boldsymbol{p}=\begin{bmatrix}a&b&c\end{bmatrix}\boldsymbol{q}.
  2. 证明 不妨设 p=[xyz]\boldsymbol{p}=\begin{bmatrix}x\\y\\z\end{bmatrix},那么线性方程 [abc][xyz]=d\begin{bmatrix}a&b&c\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\\z\end{bmatrix}=d 的解集即所有的 p\boldsymbol{p} 构成的点空间,也就是这个平面. 这个线性方程等价于 ax+by+cz=dax+by+cz=d,故平面即该方程的解集.
  3. 证明 这两个平面的法向量分别为 [a1b1c1]\begin{bmatrix}a_1\\b_1\\c_1\end{bmatrix}[a2b2c2]\begin{bmatrix}a_2\\b_2\\c_2\end{bmatrix}. 既然两个解集平面平行,那么这两个法向量显然共线,即,这两个方程的系数之间可以互相进行线性表示.
  4. 证明 依原方程构造增广矩阵 [a1b1c1d1a2b2c2d2]\begin{bmatrix}a_1&b_1&c_1&d_1\\a_2&b_2&c_2&d_2\end{bmatrix},\text{倍加变换}后则有 [a1b1c1d1a1+a2b1+b2c1+c2d1+d2]\begin{bmatrix}a_1&b_1&c_1&d_1\\a_1+a_2&b_1+b_2&c_1+c_2&d_1+d_2\end{bmatrix}. 根据解线性方程的方法,这两个增广矩阵的行简化阶梯阵是相同的,所以解集相同,因此 a1x+b1y+c1z=d1a_1x+b_1y+c_1z=d_1(a1+a2)x+(b1+b2)y+(c1+c2)z=d1+d2(a_1+a_2)x+(b_1+b_2)y+(c_1+c_2)z=d_1+d_2 的解集平面的交集还是直线 ll.

1.3.19

  1. 列方程得 [25352535][l1l2]=[33]\begin{bmatrix}\cfrac{2}{5}&\cfrac{3}{5}\\-\cfrac{2}{5}&-\cfrac{3}{5}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}l_1\\l_2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3\\-3\end{bmatrix},解集为 {[153t2t]t[0,5]}\{\begin{bmatrix}15-3t\\2t\end{bmatrix}|t\in[0,5]\}.
  2. 设鸡和兔的数量分别为 x,yx,y 只,有 [112420][xy]=[4128]\begin{bmatrix}1&1\\2&4\\2&0\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}4\\12\\8\end{bmatrix}. 这个方程组无解.
  3. 由题意列方程得 [101011000011][abcd]=[248]\begin{bmatrix}1&0&1&0\\1&1&0&0\\0&0&1&1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}a\\b\\c\\d\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}2\\4\\8\end{bmatrix},解得 a=d6,b=10d,c=8da=d-6,b=10-d,c=8-d,则 A=[d610d8dd]A=\begin{bmatrix}d-6&10-d\\8-d&d\end{bmatrix}.
  4. 列方程得 [2111][xy]=[35]\begin{bmatrix}2&-1\\-1&-1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}3\\5\end{bmatrix},交点坐标 (23,133)(\cfrac{2}{3},\cfrac{13}{3}).
  5. 列方程得 [135123252][xyz]=[458]\begin{bmatrix}1&3&5\\1&2&-3\\2&5&2\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\\z\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}4\\5\\8\end{bmatrix},这个方程组无解.
  6. 列方程得 [110011][xyz]=[00]\begin{bmatrix}1&1&0\\0&1&1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\\z\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\end{bmatrix},方程解集为 {[t0t]tR}\{\begin{bmatrix}t\\0\\t\end{bmatrix}|t\in\R\}.
  7. 列方程得 [101110011][xyz]=[000]\begin{bmatrix}1&0&-1\\-1&1&0\\0&1&-1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}x\\y\\z\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}0\\0\\0\end{bmatrix},方程组解集为 {[ttt]tR}\{\begin{bmatrix}t\\t\\t\end{bmatrix}|t\in\R\}.

1.3.20

不成立.

证明 我们不妨设 b=0\boldsymbol{b}=\boldsymbol{0}AA 是任意一个矩阵,而 CC 是其行简化阶梯阵. 不难看到,若构造增广矩阵 [Ab]\begin{bmatrix}A&\boldsymbol{b}\end{bmatrix},其行简化阶梯阵即 [Cb]\begin{bmatrix}C&\boldsymbol{b}\end{bmatrix},根据线性方程组的求解方法知道这两者有着相同的解集,但显然 ACA\not ={C}.

1.3.21

都不可能.

证明n>mn>m 时,可以将 F\boldsymbol{F} 表示为一个 m×nm\times n 的矩阵. 考虑陪域中的某个元素,构造增广矩阵,化为阶梯形后不难发现阶梯数小于未知量数量,因此有无穷多组解,说明 F\boldsymbol{F} 不是单射. 而当 n<mn<m 时,用类似的方法将 F\boldsymbol{F} 表示为一个 n×mn\times m 的矩阵,构造其增广矩阵而后化为阶梯形. 这个阶梯形矩阵的阶梯数要么和未知量个数相等,要么阶梯数比未知量数量多 1,而这意味着有无解的情况存在,即 F\boldsymbol{F} 没有映满 Rm\R^m,所以不是满射.