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关于高斯消元后对线性方程组进行参数化求解的技术问询

高斯消元后如何对线性方程组进行参数化求解?

嘿,我来一步步帮你搞定这个参数化求解的事儿!首先先把你的原方程组明确下来,方便后续参考:

原方程组:
$$
\begin{cases}
x_1 + x_2 + 3x_3 − 2x_4 − x_5 = 1 \
5x_1 − 2x_2 + 3x_3 + 7x_4 + 8x_5 = 3 \
−3x_1 − x_2 + 2x_3 + 7x_4 + 5x_5 = 2 \
5x_1 + 3x_2 + x_3 − 2x_4 − 7x_5 = 3
\end{cases}
$$

你提到已经用高斯消元得到了结果(虽然没放图,但没关系,我给你讲通用的参数化步骤,你可以直接套到自己的消元结果上):

第一步:区分主元变量和自由变量

先看你高斯消元后的行最简形矩阵(或者对应的方程组):

  • 主元变量:每一行第一个非零元素对应的变量(比如第一行的第一个非零项如果是$x_1$,那$x_1$就是主元变量;第二行第一个非零项如果是$x_2$,那$x_2$也是主元变量,以此类推)
  • 自由变量:没有被选作主元变量的那些变量,这些就是我们要用来做参数的“自由项”。

举个例子:如果消元后得到的方程组是:
$$
\begin{cases}
x_1 + 2x_3 - x_5 = 4 \
x_2 - x_3 + 3x_5 = 1 \
x_4 + 2x_5 = 2 \
0 = 0
\end{cases}
$$
这里主元变量就是$x_1, x_2, x_4$,自由变量是$x_3$和$x_5$。

第二步:给自由变量设置参数

把每个自由变量都设成一个任意实数参数,比如上面的例子里:

  • 令$x_3 = t$($t$是任意实数)
  • 令$x_5 = s$($s$是任意实数)

第三步:用参数表示主元变量

从行最简形的每个方程里,把主元变量单独移到左边,剩下的项(包括参数和常数项)移到右边,化简后就能得到主元变量的表达式。还是用上面的例子:

  • $x_1 = 4 - 2x_3 + x_5 = 4 - 2t + s$
  • $x_2 = 1 + x_3 - 3x_5 = 1 + t - 3s$
  • $x_4 = 2 - 2x_5 = 2 - 2s$

第四步:写出完整的参数化解

把所有变量都用参数表示出来,你可以写成分变量的形式,也可以写成向量形式,两种都很常用:

分变量形式:

$$
\begin{cases}
x_1 = 4 - 2t + s \
x_2 = 1 + t - 3s \
x_3 = t \
x_4 = 2 - 2s \
x_5 = s
\end{cases}
\quad (t, s \in \mathbb{R})
$$

向量形式:

$$
\begin{pmatrix}
x_1 \
x_2 \
x_3 \
x_4 \
x_5
\end{pmatrix}

\begin{pmatrix}
4 \
1 \
0 \
2 \
0
\end{pmatrix}

  • t
    \begin{pmatrix}
    -2 \
    1 \
    1 \
    0 \
    0
    \end{pmatrix}
  • s
    \begin{pmatrix}
    1 \
    -3 \
    0 \
    -2 \
    1
    \end{pmatrix}
    \quad (t, s \in \mathbb{R})
    $$

注意事项

  • 如果你的消元结果里出现了类似$0 = 5$这样的矛盾方程,那这个方程组无解,也就不需要参数化了。
  • 如果没有自由变量(所有变量都是主元变量),那方程组有唯一解,直接从消元后的方程里解出每个变量就行。

你只需要把自己高斯消元得到的行最简形套进上面的步骤里,就能得到你的方程组的参数化解啦!

备注:内容来源于stack exchange,提问作者MrJonesBones

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