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方程组的通解怎么求

原创2025-06-20 14:01:29

求方程组的通解通常涉及以下步骤:

构建增广矩阵

将线性方程组转化为增广矩阵的形式,即[A|b],其中A是系数矩阵,b是常数向量。

行初等变换

对增广矩阵进行一系列的行初等变换,包括交换两行、用非零常数乘以某行、以及用非零常数乘以某行后加到另一行,使其化为行简化梯阵形式或行最简形式。

确定自由变量和基础解系

在行简化梯阵形式的增广矩阵中,主元列所对应的未知数为基础变量,其它未知数为自由变量。自由变量可以任意取值,而基础变量的值由自由变量决定。

令自由变量中一个为1,其余为0,求得n–r个解向量,即为一个基础解系。

构造通解

根据基础解系和自由变量,可以构造出线性齐次方程组的通解。通解的一般形式为:x = c₁v₁ + c₂v₂ + ... + cₖvₖ,其中c₁, c₂, ..., cₖ为任意常数,v₁, v₂, ..., vₖ为基础解系的特解。

考虑非齐次方程组

对于非齐次线性方程组,除了上述步骤外,还需要找到非齐次方程组的一个特解,并将其加到齐次方程组的通解中,从而得到非齐次方程组的通解。

示例

假设有如下线性方程组:

\[

\begin{cases}

2x + 3y = 8 \\

4x - y = 11

\end{cases}

\]

构建增广矩阵

\[

\left[

\begin{array}{cc|c}

2 & 3 & 8 \\

4 & -1 & 11

\end{array}

\right]

\]

行初等变换

用第二行减去第一行的两倍,得到:

\[

\left[

\begin{array}{cc|c}

2 & 3 & 8 \\

0 & -7 & -5

\end{array}

\right]

\]

交换第一行和第二行,得到:

\[

\left[

\begin{array}{cc|c}

0 & -7 & -5 \\

2 & 3 & 8

\end{array}

\right]

\]

用第一行乘以-1/7,得到:

\[

\left[

\begin{array}{cc|c}

0 & 1 & \frac{5}{7} \\

2 & 3 & 8

\end{array}

\right]

\]

用第二行减去第一行的三倍,得到:

\[

\left[

\begin{array}{cc|c}

0 & 1 & \frac{5}{7} \\

0 & 0 & \frac{19}{7}

\end{array}

\right]

\]

确定自由变量和基础解系

自由变量为y,基础解系为[1, -5/7]。

构造通解

\[

x = 0 \cdot \frac{5}{7} - \frac{5}{7}y = -\frac{5}{7}y

\]

考虑非齐次方程组

假设有一个特解y*,则非齐次方程组的通解为:

\[

x = -\frac{5}{7}y + y*

\]

通过以上步骤,可以求得方程组的通解。建议在实际应用中,使用数学软件如MATLAB或Python的NumPy库来辅助计算,以确保准确性和效率。

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