线性方程组

Linear Equations

The central problem of linear algebra is to solve a system of equations
"线性代数的核心问题就是求解线性方程组"

一、线性方程组 Linear Equation

线性方程 <--> 向量方程 (向量的线性组合) <--> 矩阵方程

{x−2y=13x+2y=11⇔x(13)+y(−22)=(111)⇔(1−232)(xy)=(111)

1. 线性方程 Linear Equation

n 个未知数,n 个方程联立为线性方程组

{a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=b2⋯am1x1+am2x2+⋯+amnxn=bn

2. 向量方程 Vector Equation

将线性方程组改写为向量方程组的形式,本质上就是向量的线性组合 Linear Combination

(a11a21⋯an1)x1+(a12a22⋯an2)x2+⋯+(a1na2n⋯ann)xn=(b1b2⋯bn)

3. 矩阵方程 Matrix Equation

进一步写为矩阵方程,引出矩阵的概念

Ax→=b→⇔(a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮am1am2⋯amn)(x1x2⋮xn)=(b1b2⋮bm)

A 即为线性方程组的系数矩阵 Coefficient matrix

二、求解线性方程组

高斯消元
克拉默法则
线性方程组的解


AI 结构化补充(2026-05-02)

Linear System

Definition

线性方程组是若干个未知量只以一次形式出现的方程同时成立。一般地,m 个方程、n 个未知量可以写成

{a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1,a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=b2,⋮am1x1+am2x2+⋯+amnxn=bm.

把系数排成 m×n 矩阵 A,把未知量排成 x=(x1,…,xn)T,把右端排成 b=(b1,…,bm)T,就得到同一个问题的矩阵形式

Ax=b.

Column View

若

A=[a1 a2 ⋯ an],

其中 aj 是 A 的第 j 列,则

Ax=x1a1+x2a2+⋯+xnan.

所以求解 Ax=b,从列图像看,就是寻找一组系数 x1,…,xn,使 A 的列向量按这组系数做线性组合后正好得到 b。换句话说,b 必须落在 A 的列空间中;如果 b 不在列空间里,方程组就无解。

Row View

若 ri 是 A 的第 i 行,则 Ax 的第 i 个分量是

(Ax)i=ri⋅x=ai1x1+⋯+ainxn.

从行图像看,每一行方程 ri⋅x=bi 都是一条约束:在二维中常表现为直线,在三维中常表现为平面,在高维中表现为超平面。线性方程组的解集就是这些约束的交集。

Second-Chapter Geometry

在第一章差分矩阵的基础上,第二章视角把同一个 Ax=b 同时看成几何交点和列向量生成问题。

二维中,两条线性方程通常给出两条直线。若两条直线不平行,它们交于一个点,这个点的坐标就是方程组的唯一解;若两条直线平行且不同,则没有共同点;若两条直线重合,则整条直线上的点都是解。

三维中,一条方程通常给出一个平面。两个平面通常交成一条直线,第三个平面再切这条直线时得到一个点。若第三个平面没有切到这条线,就无解;若第三个平面包含这条线,就有无穷多个解。

列图像给出同一件事的另一种语言。把

A=[a1 a2 ⋯ an]

写成列向量后,右端 b 必须由这些列向量组合出来:

x1a1+x2a2+⋯+xnan=b.

因此“有解”先意味着 b 能被列组合产生;“唯一”还要求产生 b 的组合系数只有一组;“无穷多解”意味着至少两组不同系数产生同一个 b,也就是某个非零方向 z 满足 Az=0。

Matrix Equation Readings

矩阵方程 Ax=b 至少有三种读法:

Three Solution Types

线性方程组只有三种基本解型:

Same System in Row and Column Views

以

{2x−y=0,−x+2y=3

为例,它的矩阵形式是

[2−1−12][xy]=[03].

行图像看两条直线:第一条是 y=2x,第二条是 2y=x+3。把 y=2x 代入第二条得到 3x=3,所以交点是 (1,2)。这个交点同时满足两条约束,因此就是方程组的解。

列图像看同一个右端怎样由两列生成:

x[2−1]y[−12]=[03].

解 (x,y)=(1,2) 的意思是

1[2−1]+2[−12]=[03].

同一组数字在行图像中是交点坐标,在列图像中是列向量的组合系数。

Two-Column Example

第一章早期的例子把方程组直接看成列向量组合。设

v=[2−1],w=[−12],b=[10].

求 cv+dw=b 就是求

c[2−1]+d[−12]=[10],

也就是

{2c−d=1,−c+2d=0.

由第二个方程 c=2d,代入第一个方程得到 3d=1,所以

d=13,c=23.

列图像说:b 是 v 和 w 的组合,组合系数是 c=2/3,d=1/3。行图像说:两条直线 2c−d=1 与 −c+2d=0 的交点给出同一个解。

Difference-Matrix Example

第一章的差分矩阵把 Ax=b 解释得很清楚:

A=[100−1100−11],Ax=[x1x2−x1x3−x2]=b.

这里从列看,b 是三列的线性组合;从行看,三行分别规定 x1=b1、x2−x1=b2、x3−x2=b3。任意 b 都能由累加恢复

x1=b1,x2=b1+b2,x3=b1+b2+b3.

这正是可逆情形:每个右端都有唯一输入。与之相对,循环差分会产生右端条件和非零零空间,是理解奇异系统的标准入口。