三元线性方程组的解集
三元线性方程组用几条平面条件限制空间中的点 。把所有等式同时满足的点收集起来,就得到解集。它可能为空、只有一个点,或包含一条直线、一个平面乃至整个空间;决定因素是独立约束的数目和右端是否彼此相容。
齐次方程组总有零解
把方程写成 。当 时称为齐次;无论 如何, 都是解。例如 第二式是第一式的两倍,没提供新约束。第三式给 ;代入第一式得 。令 ,全部解是 。在空间中,这是一条过原点的直线, 正是零解。仅数方程条数会误以为有三个限制,消元才能看出只有两个独立条件。
一般齐次系统的解集叫 的核。若 ,三阶矩阵可逆, 两边乘 得 ,没有非零解;若行列式为零,列向量线性相关,可找到非零系数使 。这也是行列式与齐次解集之间的精确联系。
非齐次解集是平移后的齐次解集
现在令右端 。若能先找到一个特解 满足 ,那么任意齐次解 都给出新解 ;反过来,任意解 与 的差满足 。所以
把上例第一、二、三式的右端改为 。仍有 ,第一式成为 ;取 得特解 。全部解为 :与齐次直线平行,但不再经过原点。若把第二式的右端由 2 改成 3,左端仍是第一式两倍,右端却不是;相减得 ,解集为空。这个反例说明“非齐次解集是平移”有存在特解这一前提。
用秩判断三种情形
把系数矩阵 与右端列 排成增广矩阵 。若 ,右端提供了独立于原系数的矛盾条件,方程组无解。若两秩相等,系统有解;当共同的秩为 3 时解唯一,小于 3 时有自由变量、因而有无穷多个解。对上例一致的两条约束,两个秩均为 2,所以留下一个自由参数;不一致时增广矩阵的秩升为 3。
具体消元步骤见线性方程组与高斯消元;三阶系数矩阵行列式非零时,可用克拉默法则直接给唯一解的坐标。若把方程组看作三个平面的交集,“有三个平面”也不保证一个交点:它们可能沿一条线交会,也可能没有公共点。