题目
设矩阵A=(alpha_(1),alpha_(2),alpha_(3),alpha_(4)),其中alpha_(2),alpha_(3),alpha_(4)线性无关,alpha_(1)=alpha_(2)+2alpha_(3);向量beta=alpha_(1)+2alpha_(2)+3alpha_(3)+4alpha_(4),求方程Ax=beta的通解.
设矩阵$A=(\alpha_{1},\alpha_{2},\alpha_{3},\alpha_{4})$,其中$\alpha_{2},\alpha_{3},\alpha_{4}$线性无关,$\alpha_{1}=\alpha_{2}+2\alpha_{3}$;向量$\beta=\alpha_{1}+2\alpha_{2}+3\alpha_{3}+4\alpha_{4}$,求方程$Ax=\beta$的通解.
题目解答
答案
已知矩阵 $A = (\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3, \alpha_4)$,其中 $\alpha_2, \alpha_3, \alpha_4$ 线性无关,$\alpha_1 = \alpha_2 + 2\alpha_3$,且 $\beta = \alpha_1 + 2\alpha_2 + 3\alpha_3 + 4\alpha_4$。
1. **求齐次方程 $Ax = 0$ 的基础解系**:
代入 $\alpha_1$ 得:
\[
x_1(\alpha_2 + 2\alpha_3) + x_2\alpha_2 + x_3\alpha_3 + x_4\alpha_4 = 0 \implies (x_1 + x_2)\alpha_2 + (2x_1 + x_3)\alpha_3 + x_4\alpha_4 = 0
\]
由线性无关性,解得 $x_2 = -x_1$,$x_3 = -2x_1$,$x_4 = 0$。令 $x_1 = k$,则基础解系为:
\[
\eta = \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix}
\]
2. **求非齐次方程 $Ax = \beta$ 的特解**:
显然,$x^* = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end{pmatrix}$ 是一个特解。
3. **通解**:
非齐次方程的通解为特解加齐次方程的通解:
\[
x = x^* + k\eta = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end{pmatrix} + k \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 + k \\ 2 - k \\ 3 - 2k \\ 4 \end{pmatrix}
\]
**答案**:
\[
\boxed{\begin{pmatrix} 1 \\ 2 \\ 3 \\ 4 \end{pmatrix} + k \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ -2 \\ 0 \end{pmatrix}}
\]
其中 $k$ 为任意常数。
解析
本题考查线性方程组通解的求解,解题思路是先根据矩阵$A$列向量的线性关系求出齐次线性方程组$Ax = 0$的基础解系,再找出非齐次线性方程组$Ax = \beta$的一个特解,最后根据非齐次线性方程组通解的结构得到$Ax = \beta$的通解。
- 求齐次方程$Ax = 0$的基础解系:
已知矩阵$A = (\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3, \alpha_4)$,$Ax = 0$即$x_1\alpha_1 + x_2\alpha_2 + x_3\alpha_3 + x_4\alpha_4 = 0$。
因为$\alpha_1 = \alpha_2 + 2\alpha_3$,将其代入上式可得:
$x_1(\alpha_2 + 2\alpha_3) + x_2\alpha_2 + x_3\alpha_3 + x_4\alpha_4 = 0$
根据向量的分配律展开得:
$(x_1 + x_2)\alpha_2 + (2x_1 + x_3)\alpha_3 + x_4\alpha_4 = 0$
又因为$\alpha_2, \alpha_3, \alpha_4$线性无关,根据线性无关的定义,若$k_1\alpha_2 + k_2\alpha_3 + k_3\alpha_4 = 0$,则$k_1 = k_2 = k_3 = 0$,所以可得方程组:
$\begin{cases}x_1 + x_2 = 0\\2x_1 + x_3 = 0\\x_4 = 0\end{cases}$
由$x_1 + x_2 = 0$可得$x_2 = -x_1$;由$2x_1 + x_3 = 0$可得$x_3 = -2x_1$;$x_4 = 0$。
令$x_1 = k$($k$为任意常数),则$x_2 = -k$,$x_3 = -2k$,$x_4 = 0$,那么方程组的通解为$\begin{pmatrix}x_1\\x_2\\x_3\\x_4\end{pmatrix}=k\begin{pmatrix}1\\-1\\-2\\0\end{pmatrix}$。
所以齐次方程$Ax = 0$的基础解系为$\eta = \begin{pmatrix}1\\-1\\-2\\0\end{pmatrix}$。 - 求非齐次方程$Ax = \beta$的特解:
已知$\beta = \alpha_1 + 2\alpha_2 + 3\alpha_3 + 4\alpha_4$,对比$Ax = x_1\alpha_1 + x_2\alpha_2 + x_3\alpha_3 + x_4\alpha_4$,显然$x^* = \begin{pmatrix}1\\2\\3\\4\end{pmatrix}$是方程$Ax = \beta$的一个特解。 - 求非齐次方程$Ax = \beta$的通解:
根据非齐次线性方程组通解的结构,非齐次方程$Ax = \beta$的通解为特解$x^*$加上齐次方程$Ax = 0$的通解$k\eta$($k$为任意常数),即:
$x = x^* + k\eta = \begin{pmatrix}1\\2\\3\\4\end{pmatrix} + k\begin{pmatrix}1\\-1\\-2\\0\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1 + k\\2 - k\\3 - 2k\\4\end{pmatrix}$