返回

30 ,设a=[a1a2a3]\begin{bmatrix} a_{1} \\ a_{2} \\ a_{3} \end{bmatrix} , b=[b1b2b3]\begin{bmatrix} b_{1} \\ b_{2} \\ b_{3} \end{bmatrix} , c=[c1c2c3]\begin{bmatrix} c_{1} \\ c_{2} \\ c_{3} \end{bmatrix} , (ai2a_{i}^{2}+bi2b_{i}^{2}≠0 , i=1 , 2 , 3)

试证明三直线{l1:a1x+b1y+c1=0l2:a2x+b2y+c2=0l3:a3x+b3y+c3=0\left\{ \begin{matrix} l_{1}:\ a_{1}x + b_{1}y + c_{1} = 0 \\ l_{2}:\ a_{2}x + b_{2}y + c_{2} = 0 \\ l_{3}:\ a_{3}x + b_{3}y + c_{3} = 0 \end{matrix} \right.\ , 相交于一点的充要条件是

向量组a , b线性无关 , 且向量组a , b , c线性相关,

证: 方法:代数法(基于线性方程组解的存在性)

步骤1:必要性证明(共点 ⇒ 𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}无关且𝒂,𝒃,𝒄\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}相关)

假设三直线共点,则rank(A)=2rank(A) = 2且rank(A¯)=2rank(\overline{A}) = 2。

1. 𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}线性无关: 矩阵AA的秩为2,说明其列向量𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}线性无关

(列秩 = 行秩 = 矩阵的秩)。

若𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}线性相关,则存在不全为0的k1,k2k_{1},k_{2}使得k1𝒂+k2𝒃=𝟎k_{1}\mathbf{a} + k_{2}\mathbf{b} = \mathbf{0},

即k1ai+k2bi=0k_{1}a_{i} + k_{2}b_{i} = 0(i=1,2,3i = 1,2,3),

此时AA的列向量线性相关,秩≤1,与rank(A)=2rank(A) = 2矛盾。

2. 𝒂,𝒃,𝒄\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}线性相关: 增广矩阵A¯\overline{A}的秩为2,说明其列向量𝒂,𝒃,−𝒄\mathbf{a},\mathbf{b}, - \mathbf{c}线性相关

(3个2维向量必线性相关,但需结合系数矩阵秩)。

存在不全为0的k1,k2,k3k_{1},k_{2},k_{3}使得:

k1𝒂+k2𝒃+k3(−𝒄)=𝟎⇒k1𝒂+k2𝒃+k3𝒄=𝟎k_{1}\mathbf{a} + k_{2}\mathbf{b} + k_{3}( - \mathbf{c}) = \mathbf{0} \Longrightarrow k_{1}\mathbf{a} + k_{2}\mathbf{b} + k_{3}\mathbf{c} = \mathbf{0}

若k3=0k_{3} = 0,则k1𝒂+k2𝒃=𝟎k_{1}\mathbf{a} + k_{2}\mathbf{b} = \mathbf{0},结合𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}线性无关,得k1=k2=0k_{1} = k_{2} = 0,

与“不全为0”矛盾,故k3≠0k_{3} \neq 0,即𝒄\mathbf{c}可由𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}线性表示:𝒄=−k1k3𝒂−k2k3𝒃\mathbf{c} = - \frac{k_{1}}{k_{3}}\mathbf{a} - \frac{k_{2}}{k_{3}}\mathbf{b},

因此𝒂,𝒃,𝒄\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}线性相关。

步骤2:充分性证明(𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}无关且𝒂,𝒃,𝒄\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}相关 ⇒ 共点)

假设𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}线性无关,且𝒂,𝒃,𝒄\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}线性相关:

1. 𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}线性无关 ⇒ 系数矩阵AA的秩为2

(2个线性无关的2维向量构成的矩阵秩=2);

2. 𝒂,𝒃,𝒄\mathbf{a},\mathbf{b},\mathbf{c}线性相关 ⇒ 存在不全为0的k1,k2,k3k_{1},k_{2},k_{3}使得k1𝒂+k2𝒃+k3𝒄=𝟎k_{1}\mathbf{a} + k_{2}\mathbf{b} + k_{3}\mathbf{c} = \mathbf{0}。

同理k3≠0k_{3} \neq 0(否则𝒂,𝒃\mathbf{a},\mathbf{b}相关),故𝒄=l1𝒂+l2𝒃\mathbf{c} = l_{1}\mathbf{a} + l_{2}\mathbf{b}(l1=−k1k3,l2=−k2k3l_{1} = - \frac{k_{1}}{k_{3}},l_{2} = - \frac{k_{2}}{k_{3}}),

即−ci=−l1ai−l2bi- c_{i} = - l_{1}a_{i} - l_{2}b_{i}(i=1,2,3i = 1,2,3);

3. 此时增广矩阵A¯\overline{A}的列向量𝒂,𝒃,−𝒄\mathbf{a},\mathbf{b}, - \mathbf{c}满足−𝒄=l1𝒂+l2𝒃- \mathbf{c} = l_{1}\mathbf{a} + l_{2}\mathbf{b},

即列向量线性相关,故rank(A¯)=rank(A)=2rank(\overline{A}) = rank(A) = 2;

4. 由Rouché-Capelli定理,方程组有唯一解(x0,y0)=(l1,l2)(x_{0},y_{0}) = (l_{1},l_{2}),

即三直线相交于该点。

31 , 设矩阵A=(a1 , a2 , a3 , a4) , 其中a2 , a3 , a4线性无关 , a1=2a2-a3

向量b=a1+a2+a3+a4 , 求方程Ax=b的通解

解:

一、明确矩阵与向量的基本信息

已知矩阵A=(𝒂1,𝒂2,𝒂3,𝒂4)A = (\mathbf{a}_{1},\mathbf{a}_{2},\mathbf{a}_{3},\mathbf{a}_{4})是4列矩阵,(列数=未知数个数,设𝒙=[x1x2x3x4]\mathbf{x} = \begin{bmatrix} \begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \end{matrix} \\ \begin{matrix} x_{3} \\ x_{4} \end{matrix} \end{bmatrix}),

向量关系如下:

1.列向量组的秩:

𝒂2,𝒂3,𝒂4\mathbf{a}_{2},\mathbf{a}_{3},\mathbf{a}_{4}线性无关,且𝒂1=2𝒂2−𝒂3\mathbf{a}_{1} = 2\mathbf{a}_{2} - \mathbf{a}_{3}(即𝒂1\mathbf{a}_{1}可由𝒂2,𝒂3,𝒂4\mathbf{a}_{2},\mathbf{a}_{3},\mathbf{a}_{4}线性表示)。

根据“线性无关向量组添加可表示的向量后,秩不变”,得rank(A)=3rank(A) = 3

2.非齐次项的表示:

𝒃=𝒂1+𝒂2+𝒂3+𝒂4\mathbf{b} = \mathbf{a}_{1} + \mathbf{a}_{2} + \mathbf{a}_{3} + \mathbf{a}_{4},可直接转化为A𝒙=𝒃A\mathbf{x} = \mathbf{b}的特解。

二、求非齐次方程A𝒙=𝒃A\mathbf{x} = \mathbf{b}的一个特解𝒙*\mathbf{x}^{\ast}

矩阵乘法的列向量规则:A𝒙=x1𝒂1+x2𝒂2+x3𝒂3+x4𝒂4A\mathbf{x} = x_{1}\mathbf{a}_{1} + x_{2}\mathbf{a}_{2} + x_{3}\mathbf{a}_{3} + x_{4}\mathbf{a}_{4}。

对比𝒃=1⋅𝒂1+1⋅𝒂2+1⋅𝒂3+1⋅𝒂4\mathbf{b} = 1 \cdot \mathbf{a}_{1} + 1 \cdot \mathbf{a}_{2} + 1 \cdot \mathbf{a}_{3} + 1 \cdot \mathbf{a}_{4},

可得:当x1=1,x2=1,x3=1,x4=1x_{1} = 1,x_{2} = 1,x_{3} = 1,x_{4} = 1时,等式成立,

因此:𝒙*=[1111]\mathbf{x}^{\ast} = \begin{bmatrix} \begin{matrix} 1 \\ 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 1 \\ 1 \end{matrix} \end{bmatrix}是A𝒙=𝒃A\mathbf{x} = \mathbf{b}的一个特解。

三、求齐次方程A𝒙=𝟎A\mathbf{x} = \mathbf{0}的通解(基础解系)

齐次方程A𝒙=𝟎A\mathbf{x} = \mathbf{0}等价于:x1𝒂1+x2𝒂2+x3𝒂3+x4𝒂4=𝟎x_{1}\mathbf{a}_{1} + x_{2}\mathbf{a}_{2} + x_{3}\mathbf{a}_{3} + x_{4}\mathbf{a}_{4} = \mathbf{0}

步骤1:代入𝒂1=2𝒂2−𝒂3\mathbf{a}_{1} = 2\mathbf{a}_{2} - \mathbf{a}_{3}消去𝒂1\mathbf{a}_{1}

将𝒂1=2𝒂2−𝒂3\mathbf{a}_{1} = 2\mathbf{a}_{2} - \mathbf{a}_{3}代入上式:x1(2𝒂2−𝒂3)+x2𝒂2+x3𝒂3+x4𝒂4=𝟎x_{1}(2\mathbf{a}_{2} - \mathbf{a}_{3}) + x_{2}\mathbf{a}_{2} + x_{3}\mathbf{a}_{3} + x_{4}\mathbf{a}_{4} = \mathbf{0}

步骤2:整理为线性无关向量的组合

按𝒂2,𝒂3,𝒂4\mathbf{a}_{2},\mathbf{a}_{3},\mathbf{a}_{4}分组(因三者线性无关,系数必须全为0):

(2x1+x2)𝒂2+(−x1+x3)𝒂3+x4𝒂4=𝟎(2x_{1} + x_{2})\mathbf{a}_{2} + ( - x_{1} + x_{3})\mathbf{a}_{3} + x_{4}\mathbf{a}_{4} = \mathbf{0}

由此得到方程组:{2x1+x2=0−x1+x3=0x4=0\left\{ \begin{matrix} 2x_{1} + x_{2} = 0 \\ - x_{1} + x_{3} = 0 \\ x_{4} = 0 \end{matrix} \right.\

得系数矩阵 [2−10100010001]→[120010−100001]→[100010−120001]\left\lbrack \begin{matrix} 2 \\ - 1 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix} \right\rbrack \rightarrow \left\lbrack \begin{matrix} 1 \\ 2 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} - 1 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix} \right\rbrack \rightarrow \left\lbrack \begin{matrix} 1 \\ 0 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} 0 \\ 1 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} - 1 \\ 2 \\ 0 \end{matrix}\ \ \ \begin{matrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{matrix} \right\rbrack

步骤3:确定自由变量与基础解系

矩阵AA的秩rank(A)=3rank(A) = 3,未知数个数为4,因此自由变量个数=4-3=1。

得同解方程组:{x1−x3=0x2+2x3=0x4=0\left\{ \begin{matrix} x_{1} - x_{3} = 0 \\ x_{2} + 2x_{3} = 0 \\ x_{4} = 0 \end{matrix} \right.\

得参数形式:{x1=x3x2=−2x3x4=0\left\{ \begin{matrix} x_{1} = x_{3} \\ x_{2} = - 2x_{3} \\ x_{4} = 0 \end{matrix} \right.\ (x3 可任意取值)

得参数形式:{x1=cx2=−2cx3=cx4=0\left\{ \begin{array}{r} \begin{matrix} x_{1} = c \\ x_{2} = - 2c \end{matrix} \\ \begin{matrix} x_{3} = c \\ x_{4} = 0\ \ \end{matrix} \end{array} \right.\ (其中x3=c)

得齐次通解:[x1x2x3x4]\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} x_{1} \\ x_{2} \end{matrix} \\ \begin{matrix} x_{3} \\ x_{4} \end{matrix} \end{array} \right\rbrack=[c−2cc0]\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} c \\ - 2c \end{matrix} \\ \begin{matrix} c \\ \ 0 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack=c[1−210]c\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ - 2 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack (c为任意实数)

因此齐次方程的通解为:x=c[1−210](c∈ℝ)x = c\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ - 2 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack\quad(c \in \mathbb{R}),其中[1−210]\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ - 2 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack是齐次方程的基础解系。

四、非齐次方程A𝒙=𝒃A\mathbf{x} = \mathbf{b}的通解

根据线性方程组解的结构:非齐次通解=齐次通解+非齐次特解,

最终通解为:x=[1111]+c[1−210]x = \begin{bmatrix} \begin{matrix} 1 \\ 1 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 1 \\ 1 \end{matrix} \end{bmatrix} + c\left\lbrack \begin{array}{r} \begin{matrix} 1 \\ - 2 \end{matrix} \\ \begin{matrix} 1 \\ 0 \end{matrix} \end{array} \right\rbrack

32 , 设η*是非齐次线性方程组Ax =b的一个解

ξ1,ξ2,⋯ξn−r\xi_{1},\xi_{2},\cdots\xi_{n - r}是对应的齐次线性方程组的一个基础解系

试证明(1)η*,ξ1,ξ2,…,ξn−r\eta^{\ast},\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n - r} 线性无关;

(2)η*,η*+ξ1,η*+ξ2,…,η*+ξn−r\eta^{\ast},\eta^{\ast} + \xi_{1},\eta^{\ast} + \xi_{2},\ldots,\eta^{\ast} + \xi_{n - r} 线性无关

证: (1) 证明 η*,ξ1,ξ2,…,ξn−r\eta^{\ast},\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n - r} 线性无关。

假设存在一组标量 c0,c1,c2,…,cn−rc_{0},c_{1},c_{2},\ldots,c_{n - r} 使得:c0η*+c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−r=0.c_{0}\eta^{\ast} + c_{1}\xi_{1} + c_{2}\xi_{2} + \cdots + c_{n - r}\xi_{n - r} = 0.

用矩阵 AA 左乘上式:

A(c0η*+c1ξ1+⋯+cn−rξn−r)A(c_{0}\eta^{\ast} + c_{1}\xi_{1} + \cdots + c_{n - r}\xi_{n - r})

=c0Aη*+c1Aξ1+⋯+cn−rAξn−r= c_{0}A\eta^{\ast} + c_{1}A\xi_{1} + \cdots + c_{n - r}A\xi_{n - r}

=c0b+c10+⋯+cn−r0=c0b=0.= c_{0}b + c_{1}0 + \cdots + c_{n - r}0 = c_{0}b = 0.

因为 b≠0b \neq 0(非齐次方程组),所以 c0=0c_{0} = 0。

代入原式:0•η*+c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−r=00 \bullet \eta^{\ast} + c_{1}\xi_{1} + c_{2}\xi_{2} + \cdots + c_{n - r}\xi_{n - r} = 0

得c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−r=0.c_{1}\xi_{1} + c_{2}\xi_{2} + \cdots + c_{n - r}\xi_{n - r} = 0.

由于 ξ1,ξ2,…,ξn−r\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n - r} 是基础解系,因此线性无关,所以 c1=c2=⋯=cn−r=0c_{1} = c_{2} = \cdots = c_{n - r} = 0。

于是所有系数均为零,故 η*,ξ1,ξ2,…,ξn−r\eta^{\ast},\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n - r} 线性无关。

(2) 证明 η*,η*+ξ1,η*+ξ2,…,η*+ξn−r\eta^{\ast},\eta^{\ast} + \xi_{1},\eta^{\ast} + \xi_{2},\ldots,\eta^{\ast} + \xi_{n - r} 线性无关。

假设存在一组标量 d0,d1,d2,…,dn−rd_{0},d_{1},d_{2},\ldots,d_{n - r}

使得:d0η*+d1(η*+ξ1)+d2(η*+ξ2)+⋯+dn−r(η*+ξn−r)=0.d_{0}\eta^{\ast} + d_{1}(\eta^{\ast} + \xi_{1}) + d_{2}(\eta^{\ast} + \xi_{2}) + \cdots + d_{n - r}(\eta^{\ast} + \xi_{n - r}) = 0.

合并同类项:(d0+d1+d2+⋯+dn−r)η*+d1ξ1+d2ξ2+⋯+dn−rξn−r=0.(d_{0} + d_{1} + d_{2} + \cdots + d_{n - r})\eta^{\ast} + d_{1}\xi_{1} + d_{2}\xi_{2} + \cdots + d_{n - r}\xi_{n - r} = 0.

令 c0=d0+d1+⋯+dn−rc_{0} = d_{0} + d_{1} + \cdots + d_{n - r},ci=dic_{i} = d_{i}(i=1,2,…,n−ri = 1,2,\ldots,n - r),

则上式变为:c0η*+c1ξ1+c2ξ2+⋯+cn−rξn−r=0.c_{0}\eta^{\ast} + c_{1}\xi_{1} + c_{2}\xi_{2} + \cdots + c_{n - r}\xi_{n - r} = 0.

由(1)可知,η*,ξ1,ξ2,…,ξn−r\eta^{\ast},\xi_{1},\xi_{2},\ldots,\xi_{n - r} 线性无关,

因此:c0=0,c1=0,c2=0,…,cn−r=0.c_{0} = 0,\quad c_{1} = 0,\quad c_{2} = 0,\quad\ldots,\quad c_{n - r} = 0.

即:d0+d1+d2+⋯+dn−r=0,d1=0,d2=0,…,dn−r=0.d_{0} + d_{1} + d_{2} + \cdots + d_{n - r} = 0,\quad d_{1} = 0,\quad d_{2} = 0,\quad\ldots,\quad d_{n - r} = 0.

代入得 d0=0d_{0} = 0。

所以所有系数 d0,d1,d2,…,dn−rd_{0},d_{1},d_{2},\ldots,d_{n - r} 均为零,

故 η*,η*+ξ1,η*+ξ2,…,η*+ξn−r\eta^{\ast},\eta^{\ast} + \xi_{1},\eta^{\ast} + \xi_{2},\ldots,\eta^{\ast} + \xi_{n - r} 线性无关。

注:于是本题的意义在于:

若有解的非齐次线性方程的系数矩阵的秩为r , 则它有n-r+1个线性无关的解

33 , 设η1 , ⋯ , ηs是非齐次线性方程组Ax=b的s个解,

k1 , ⋯, ks为实数 , 并且k1+k2+⋯+ks=1

试证明x=k1η1+k2η2+⋯+ksηs也是它的解

证:

方法:直接利用矩阵运算验证

已知 Aηi=b,i=1,…,sA\eta_{i} = b,\ i = 1,\ldots,s,且 k1+k2+…+ks=1k_{1} + k_{2} + \ldots + k_{s} = 1。

设x=k1η1+k2η2+…+ksηsx = k_{1}\eta_{1} + k_{2}\eta_{2} + \ldots + k_{s}\eta_{s}

则Ax=A(k1η1+k2η2+…+ksηs)Ax = A\left( k_{1}\eta_{1} + k_{2}\eta_{2} + \ldots + k_{s}\eta_{s} \right)

=k1Aη1+k2Aη2+…+ksAηs= k_{1}A\eta_{1} + k_{2}A\eta_{2} + \ldots + k_{s}A\eta_{s}

=k1b+k2b+…+ksb= k_{1}b + k_{2}b + \ldots + k_{s}b

=(k1+k2+…+ks)b=1⋅b=b.= (k_{1} + k_{2} + \ldots + k_{s})b = 1 \cdot b = b.

所以 xx 满足 Ax=bAx = b,即 xx 是方程组的一个解。

例如:若𝜼1,𝜼2\mathbf{\eta}_{1},\mathbf{\eta}_{2}是解,取k1=t,k2=1−tk_{1} = t,k_{2} = 1 - t(系数和为1),

则t𝜼1+(1−t)𝜼2t\mathbf{\eta}_{1} + (1 - t)\mathbf{\eta}_{2}仍是A𝒙=𝒃A\mathbf{x} = \mathbf{b}的解,这是非齐次方程组解的“参数形式”基础。

34 , 设非齐次线性方程组Ax=b的系数矩阵的秩为r

向量η1 , ⋯ , ηn-r+1是它的n-r+1个线性无关的解

试证它的任一解可表示为x=k1η1+ ⋯ +kn-r+1ηn-r+1(其中k1+ ⋯ +kn-r+1=1)

证:

已知条件

1. 非齐次方程组 Ax=bAx = b,系数矩阵 AA 的秩为 rr。

2. η1,…,ηn−r+1\eta_{1},\ldots,\eta_{n - r + 1} 是它的 n−r+1n - r + 1 个线性无关的解向量。

3. 目标是证明:方程组任意解 xx 可写成x=k1η1+k2η2+…+kn−r+1ηn−r+1x = k_{1}\eta_{1} + k_{2}\eta_{2} + \ldots + k_{n - r + 1}\eta_{n - r + 1}

其中 k1+k2+…+kn−r+1=1k_{1} + k_{2} + \ldots + k_{n - r + 1} = 1。

第一步:取一个特解和作差得到齐次解

令 η*=ηn−r+1\eta^{\ast} = \eta_{n - r + 1},这是非齐次方程组的一个特解。

用前 n−rn - r 个解减去这个特解:

ξ1=η1−η*,ξ2=η2−η*,…,ξn−r=ηn−r−η*\xi_{1} = \eta_{1} - \eta^{\ast},\quad\xi_{2} = \eta_{2} - \eta^{\ast},\quad\ldots,\quad\xi_{n - r} = \eta_{n - r} - \eta^{\ast}

每个 ξi\xi_{i} 满足 Aξi=0A\xi_{i} = 0,所以它们是齐次方程组 Ax=0Ax = 0 的解。

第二步:证明 ξ1,…,ξn−r\xi_{1},\ldots,\xi_{n - r} 线性无关

假设有数 c1,c2,…,cn−rc_{1},c_{2},\ldots,c_{n - r} 使得c1ξ1+c2ξ2+…+cn−rξn−r=0c_{1}\xi_{1} + c_{2}\xi_{2} + \ldots + c_{n - r}\xi_{n - r} = 0

代入 ξi=ηi−η*\xi_{i} = \eta_{i} - \eta^{\ast}:

c1(η1−η*)+c2(η2−η*)+…+cn−r(ηn−r−η*)=0c_{1}(\eta_{1} - \eta^{\ast}) + c_{2}(\eta_{2} - \eta^{\ast}) + \ldots + c_{n - r}(\eta_{n - r} - \eta^{\ast}) = 0

整理得:c1η1+c2η2+…+cn−rηn−r−(c1+c2+…+cn−r)η*=0c_{1}\eta_{1} + c_{2}\eta_{2} + \ldots + c_{n - r}\eta_{n - r} - (c_{1} + c_{2} + \ldots + c_{n - r})\eta^{\ast} = 0

因为 η1,…,ηn−r,η*\eta_{1},\ldots,\eta_{n - r},\eta^{\ast}(即 ηn−r+1\eta_{n - r + 1})一共 n−r+1n - r + 1 个向量已知线性无关,

所以c1=0,c2=0,…,cn−r=0c_{1} = 0,\quad c_{2} = 0,\quad\ldots,\quad c_{n - r} = 0

因此 ξ1,…,ξn−r\xi_{1},\ldots,\xi_{n - r} 线性无关,它们构成齐次方程组的基础解系。

第三步:表示任意解

齐次方程组的任意解可表示为:t1ξ1+t2ξ2+…+tn−rξn−rt_{1}\xi_{1} + t_{2}\xi_{2} + \ldots + t_{n - r}\xi_{n - r}

于是原非齐次方程组的任意解 xx 可写为:x=η*+t1ξ1+t2ξ2+…+tn−rξn−rx = \eta^{\ast} + t_{1}\xi_{1} + t_{2}\xi_{2} + \ldots + t_{n - r}\xi_{n - r}

将 ξi=ηi−η*\xi_{i} = \eta_{i} - \eta^{\ast} 代入:

x=η*+t1(η1−η*)+t2(η2−η*)+…+tn−r(ηn−r−η*)x = \eta^{\ast} + t_{1}(\eta_{1} - \eta^{\ast}) + t_{2}(\eta_{2} - \eta^{\ast}) + \ldots + t_{n - r}(\eta_{n - r} - \eta^{\ast})

把 η*\eta^{\ast} 提出来:x=t1η1+t2η2+…+tn−rηn−r+[1−(t1+t2+…+tn−r)]η*x = t_{1}\eta_{1} + t_{2}\eta_{2} + \ldots + t_{n - r}\eta_{n - r} + \left\lbrack 1 - (t_{1} + t_{2} + \ldots + t_{n - r}) \right\rbrack\eta^{\ast}

第四步:设系数和为 1 的形式

令k1=t1,k2=t2,…,kn−r=tn−rk_{1} = t_{1},\quad k_{2} = t_{2},\quad\ldots,\quad k_{n - r} = t_{n - r},kn−r+1=1−(t1+t2+…+tn−r)k_{n - r + 1} = 1 - (t_{1} + t_{2} + \ldots + t_{n - r})

于是k1+k2+…+kn−r+kn−r+1=1k_{1} + k_{2} + \ldots + k_{n - r} + k_{n - r + 1} = 1

并且x=k1η1+k2η2+…+kn−rηn−r+kn−r+1ηn−r+1x = k_{1}\eta_{1} + k_{2}\eta_{2} + \ldots + k_{n - r}\eta_{n - r} + k_{n - r + 1}\eta_{n - r + 1}

第五步:说明与原理一、二的关联

原理一确保 η*,η*+ξ1,…,η*+ξn−r\eta^{\ast},\eta^{\ast} + \xi_{1},\ldots,\eta^{\ast} + \xi_{n - r} 线性无关,

我们这里用到的 η1,…,ηn−r+1\eta_{1},\ldots,\eta_{n - r + 1} 正好是这组向量(顺序可能不同),

因此已知它们无关。

原理二说:若系数和为 1,则非齐次解的线性组合仍是非齐次解。

反过来,我们证明的结论就是任意解可写为已知解的仿射组合(系数和为 1)。

这样就完成了证明。