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
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




