(4)已知四阶方阵 =((a)_(1),(a)_(2),(a)_(3),(a)_(4)), 且α1,α2,α 3线性无关, _(4)=2(a)_(1)-(a)_(2),-|||-则方程组 Ax=0 的通解为 __ ;

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查齐次线性方程组的基础解系及通解的求解,涉及向量组的线性相关性、矩阵的秩与解空间维数的关系。
解题核心思路:
- 确定矩阵的秩:由已知条件,列向量$a_1, a_2, a_3$线性无关,而$a_4$可由$a_1, a_2$线性表示,因此矩阵$A$的秩为3。
- 解空间的维数:根据秩-零化度定理,解空间的维数为$4 - 3 = 1$,即通解为一个基础解向量的线性组合。
- 构造基础解系:通过分析方程组的约束条件,找到自由变量并表示解向量。
破题关键点:
- 利用$a_4$的表达式:将$a_4 = 2a_1 - a_2$代入方程组,建立关于$x_1, x_2, x_3, x_4$的线性关系。
- 确定自由变量:选择$x_4$为自由变量,用其表示其他变量,最终得到基础解向量。
步骤1:分析矩阵的秩
已知$a_1, a_2, a_3$线性无关,故矩阵$A$的秩至少为3。又$a_4 = 2a_1 - a_2$,说明$a_4$可由$a_1, a_2$线性表示,因此矩阵$A$的秩仍为3。
步骤2:建立方程组
齐次方程组$Ax = 0$可展开为:
$x_1 a_1 + x_2 a_2 + x_3 a_3 + x_4 a_4 = 0.$
将$a_4 = 2a_1 - a_2$代入,得:
$x_1 a_1 + x_2 a_2 + x_3 a_3 + x_4 (2a_1 - a_2) = 0.$
整理同类项:
$(x_1 + 2x_4) a_1 + (x_2 - x_4) a_2 + x_3 a_3 = 0.$
步骤3:利用线性无关性
由于$a_1, a_2, a_3$线性无关,其系数必须全为0:
$\begin{cases}x_1 + 2x_4 = 0, \\x_2 - x_4 = 0, \\x_3 = 0.\end{cases}$
步骤4:求解变量关系
令自由变量$x_4 = k$,则:
$x_1 = -2k, \quad x_2 = k, \quad x_3 = 0, \quad x_4 = k.$
解向量为:
$\begin{pmatrix}x_1 \\x_2 \\x_3 \\x_4\end{pmatrix}
= k
\begin{pmatrix}-2 \\1 \\0 \\1\end{pmatrix}.$
步骤5:调整基础解向量
为简化形式,可取$k' = -k$,则解向量等价表示为:
$k'
\begin{pmatrix}2 \\-1 \\0 \\-1\end{pmatrix},$
其中$k' \in \mathbb{R}$。