如何理解一个线性方程组?
考虑这样一个方程组:\(\left\{\begin{matrix}
\begin{aligned}
2x-y&=0\\
-x+2y&=3
\end{aligned}
\end{matrix}\right.\)
在之前的理解方式中,求解这个线性方程组就是求解同时满足两个等式:\(2x-y=0\)和\(-x+2y=3\)的\((x, y)\)的取值。
对求解过程的理解
求解的过程可以理解为:从两个独立的未知量\(x\)和\(y\)开始,逐步增加约束条件来缩小解空间(每一个方程就是一个约束条件),如果最终能够将解空间缩小到一个点上,那么这个点就是我们要求的\((x, y)\)的值。
比如在这个例子中,一开始没有额外的约束条件,只有两个独立的未知量\(x\)和\(y\),此时解空间是整个二维平面。下面逐步增加约束条件:
- 增加约束条件\(2x-y=0\),此时解空间被限制到一条直线上,也就是下图中的蓝色直线
- 增加约束条件\(-x+2y=3\),此时解空间被限制到下图中的黄色直线上
综合以上2个约束条件,求与,最终将解空间限制到点\((1, 2)\)处。因此该线性方程组有解,且解是\((x=1, y=2)\)。
如果将这个线性方程组的第二个方程改为:\(4x-2y=0\),该方程对应的直线也是蓝色直线,因此这个方程并没有对解空间有什么额外的约束,对我们求解方程组也没有提供帮助,此时线性方程组的解空间无法被缩小到一个点上,因此无法求解。
如果将这个线性方程组的第二个方程改为:\(2x-y=3\),该方程确实对解空间有了一个新的约束,但这个新的约束对应一条和蓝色直线平行的直线,这意味着两个约束条件是冲突的,或者说对两个约束条件求与之后得到的是空集。此时方程组也无解。
值得注意的是“条件不足无法求解”和“条件冲突方程组无解”是两种不同的情况。
对单个线性方程的解理解
对于一个线性方程,比如\(2x-y=0\),有两种理解它的解的方式:
- 【以未知量为中心】\(x\)和\(y\)是未知量,该线性方程是对\(x\)和\(y\)的关系的一种描述,求解就相当于在问“已知\(x\)和\(y\)的关系是:2个\(x\)等于1个\(y\),满足这样关系的\(x\)和\(y\)有哪些?”
- 【以系数为中心】现在有两个数字2和-1,取几个2和几个-1放在一起可以得到数字0呢?(类似于只有5块钱和1块钱,问要付8元的话应该怎么组合)
对线性方程组的解的理解
举例的这个线性方程组是有解的,解为\((x=1, y=2)\),对这个解有以下两种理解方式: