线性代数(主题篇):Ch3.向量组 、Ch4.方程组

2024-03-18 08:30

本文主要是介绍线性代数(主题篇):Ch3.向量组 、Ch4.方程组,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

文章目录

    • 第3章 n维向量
      • 1.概念
        • (1)n维向量
        • (2)n维非零列向量的性质
      • 2.向量、向量组的的线性关系(线性相关性)
        • (1)线性表示 :AX=β
        • (2)线性相关、线性无关: AX=0
          • ①线性相关
          • 线性无关
          • ③线性相关性7大定理
            • 向量:个数与维数
          • 例题:线性相关、线性无关
      • 3.极大线性无关组、等价向量组、向量组的秩
        • 1.极大线性无关组
        • 2.向量组等价
        • 3.向量组的秩
      • 4.向量空间
        • (1)向量空间的概念
        • (2)基
        • (3)基变换的过渡矩阵
        • (4)向量在基下的坐标
      • 5.空间直线
    • 第4章 线性方程组
      • (一)具体型线性方程组
        • 1.齐次线性方程组 Ax=0
          • (1)有解的条件:齐次线性方程组解的判别
          • (2)解的性质:齐次解的性质
            • 解的叠加性:解的线性组合也是解
          • (3)基础解系、通解的结构
            • 基础解系
            • ②通解的结构
            • ③自由变量
          • (4)求齐次方程组Ax=0的通解 (解齐次线性方程组)
        • 2.非齐次线性方程组 Ax=β
          • (1)非齐次线性方程组有解的条件
          • (2)解的性质:非齐次解的性质
          • (3)求非齐次方程组Ax=b的通解
          • (4)非齐次线性方程组的几何意义
        • 3.矩阵方程 AX=B
      • (二)抽象型线性方程组
      • (三)方程组的公共解、同解方程组
        • 1.方程组的公共解
        • 2.同解方程组

第3章 n维向量

1.概念

§ 3 §3 §3 向量组 { ①部分相关,整体相关 ②整体无关,部分无关 ③低维无关,高维无关 ④高维相关,低维相关 \begin{cases} ①部分相关,整体相关\\ ②整体无关,部分无关\\ ③低维无关,高维无关\\ ④高维相关,低维相关 \end{cases} 部分相关,整体相关整体无关,部分无关低维无关,高维无关高维相关,低维相关


(1)n维向量

α = ( a 1 a 2 a 3 . . . a n ) , α T = ( a 1 , a 2 , a 3 , . . . , a n ) α=\left(\begin{array}{c} a_1 \\ a_2 \\ a_3 \\ ...\\ a_n \end{array}\right),α^T=(a_1,a_2,a_3,...,a_n) α= a1a2a3...an ,αT=(a1,a2,a3,...,an)


(2)n维非零列向量的性质

1.若 α α α为非零列向量,则:
(1) α α T αα^T ααT是秩一矩阵   【证明: r ( α α T ) ≤ r ( α ) = 1 r(αα^T)≤r(α)=1 r(ααT)r(α)=1

(2) t r ( α α T ) = α T α \rm tr(αα^T)=α^Tα tr(ααT)=αTα   【若 α α α为单位列向量,则 t r ( α α T ) = α T α = 1 \rm tr(αα^T)=α^Tα=1 tr(ααT)=αTα=1

(3) α α T αα^T ααT的特征值为 t r ( α α T ) = α T α , 0 , 0 \rm tr(αα^T)=α^Tα,0,0 tr(ααT)=αTα,0,0,即 α ⋅ α T ∼ ( t r ( α α T ) 0 . . . 0 ) α·α^T\sim\left(\begin{array}{cc} \rm tr(αα^T) & & \\ & 0 & \\ & & ...\\ & & & 0 \end{array}\right) ααT tr(ααT)0...0


2.对任意非零列向量 α,β,有以下性质:
r ( β α T ) = r ( α α T ) = r ( β β T ) = 1 \rm r(βα^T)=r(αα^T)=r(ββ^T)=1 r(βαT)=r(ααT)=r(ββT)=1   【2013年21(2)】
t r ( β α T ) = α T β \rm tr(βα^T)=α^Tβ tr(βαT)=αTβ t r ( α α T ) = α T α , t r ( β β T ) = β T β \rm tr(αα^T)=α^Tα,tr(ββ^T)=β^Tβ tr(ααT)=αTαtr(ββT)=βTβ



例题1:17年5.
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分析:A不可逆 ⇦⇨ A有零特征值
∵α为单位列向量 ∴ t r ( α α T ) = α T α = 1 tr(αα^T)=α^Tα=1 tr(ααT)=αTα=1
又∵ r ( α α T ) ≤ r ( α ) = 1 r(αα^T)≤r(α)=1 r(ααT)r(α)=1 α α T αα^T ααT的特征值为 t r ( α α T ) tr(αα^T) tr(ααT),0,0,…,即1,0,0,…

单位矩阵E的特征值为:1,1,1,…

由特征值的性质:设 f ( x ) f(x) f(x)为多项式,若 λ 1 , λ 2 , . . . , λ n λ_1,λ_2,...,λ_n λ1,λ2,...,λn为A的特征值,则 f ( λ 1 ) , f ( λ 2 ) , . . . , f ( λ n ) f(λ_1),f(λ_2),...,f(λ_n) f(λ1),f(λ2),...,f(λn) f ( A ) f(A) f(A)的特征值


A: E − α α T E-αα^T EααT的特征值为 (1,1,1)-(1,0,0)=0,1,1
B: E + α α T E+αα^T E+ααT的特征值为 (1,1,1)+(1,0,0)=2,1,1
C: E + 2 α α T E+2αα^T E+2ααT的特征值为 (1,1,1)+(2,0,0)=3,1,1
D: E − 2 α α T E-2αα^T E2ααT的特征值为 (1,1,1)-(2,0,0)= -1,1,1

可见,A: E − α α T E-αα^T EααT有零特征值,不可逆

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答案:A


例题2:09年13.
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分析:
r ( β α T ) = 1 r(βα^T)=1 r(βαT)=1
β α T βα^T βαT的特征值为 t r ( β α T ) , 0 , 0 tr(βα^T),0,0 tr(βαT)00
t r ( β α T ) = α T β = 2 tr(βα^T)=α^Tβ=2 tr(βαT)=αTβ=2

答案:2


例题3:2013年21(2)
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例题4:08年20.
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例题5:24李林六(六)21.
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2.向量、向量组的的线性关系(线性相关性)

(1)线性表示 :AX=β

若存在常数 k 1 , k 2 , . . . , k s , k_1,k_2,...,k_s, k1,k2,...,ks,使得 α = k 1 β 1 + k 2 β 2 + . . . + k s β s , α = k_1β_1+ k_2β_2+...+ k_sβ_s, α=k1β1+k2β2+...+ksβs则称向量 α α α是向量组 β 1 , β 2 , . . . , β s β_1,β_2,...,β_s β1,β2,...,βs线性组合,或称向量 α α α可被向量组 β 1 , β 2 , . . . , β s β_1,β_2,...,β_s β1,β2,...,βs线性表示(线性表出)

哪个向量前面的系数不为0,这个向量就可以被其余向量线性表示



例题1:03年10.
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答案:D


例题2:数二 21年9.   线性表示
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分析:
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答案:D




(2)线性相关、线性无关: AX=0
①线性相关

1.定义:设向量组α12,…,αs,若存在不全为0的数k1,k2,…,ks,使 k 1 α 1 + k 2 α 2 + . . . + k s α s = 0 k_1α_1+k_2α_2+...+k_sα_s=0 k1α1+k2α2+...+ksαs=0,则称向量组α12,…,αs线性相关

2.线性相关的充要条件:α12,…,αs中至少有一个向量可以被其他向量线性表示

线性相关的向量组中,系数不为0的向量,可由其他向量线性表示

3.线性相关的等价条件:
⇦⇨ 至少有一个向量可由其余n-1个向量线性表出

4.通过初等变换,无关 可变 相关,但 已相关 不可回 无关

5.含有零向量成比例向量的向量组,必线性相关
显然,若向量组中有零向量,则向量组线性相关。(可取零向量α0的系数k0为任意非零常数,破坏了线性无关的定义。)
即含有零向量的向量组线性相关。
本来线性无关的向量组,加入一个零向量,它们就线性相关了。可见零向量就是一个润滑剂



线性无关

1.定义:设向量组α12,…,αs,若仅存在全为0的数 k1,k2,…,ks,使k1α1+k2α2+…+ksαs=0,则称向量组α12,…,αs线性无关

2.推论:设向量组α12,…,αs线性无关,但向量组α12,…,αs,β线性相关。则向量β可由向量组α12,…,αs线性表示,且表示法唯一。

3.线性无关的等价条件:
①线性无关的定义
②行列式 ∣ A ∣ ≠ 0 |A|≠0 A=0
③A可逆
④满秩:r(A)=n
⑤AX=0仅有零解
⑥向量组不成比例


③线性相关性7大定理

1.线性相关 ⇦⇨ 至少有一个向量可由其余n-1向量线性表出
线性无关 ⇦⇨ 任一向量均不能由其余n-1个向量线性表出
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2.原来无关,加一个相关,则新加的可被原向量组 唯一线性表示
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证明:
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非0不可由0表示:若向量α第k行非0,其他向量第k行均为0,则α不可由其他向量线性表示
0向量可由非0向量表示:零向量 = 0×非零向量


3.以少表多,多的相关、秩多的可以表示秩少的
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高维空间可表示低维空间,反之不可 【秩多的可以表示秩少的】
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4.Ax=0 仅有零解,A线性无关;有非零解,A线性相关
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向量:个数与维数

5个4维向量:一定线性相关
2个4维向量:可能相关,可能不相关。
①若向量组线性无关:则个数≤维数
②若个数>维数:一定线性相关



①n<m:必相关
Ⅰ.方程个数<未知数个数,即个数>维数,则线性相关
Ⅱ.n维向量空间,若向量组线性无关,最多只能有n个向量。即个数≤维数。 (逆否命题)

个数≤维数,相关或无关 不一定。

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②n=m:看行列式
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③n>m:见定理6、7 + 方程组结论


5.①β可由向量组α₁,α₂,…,αm线性表出 ⇦⇨ An×mx = β 有解 ⇦⇨ r(A)=r(A,β)
②β不可由向量组α₁,α₂,…,αm线性表出 ⇦⇨ An×mx = β 无解 ⇦⇨ r(A)≠r(A,β)
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6.向量个数的增减:
①部分相关,整体相关。
②整体无关,部分无关。
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7.维数的增减:
①原来无关,延长必无关 【低维无关,高维无关】
②原来相关,缩短必相关 【高维相关,低维相关】
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例题:线性相关、线性无关

例题7:24李林六(四)6.   线性无关的定义
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分析:
方法一:直接法
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方法二:特殊值
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答案:D


例题2:20年21.
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例题3:24李林六(一)21.
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例题4:12年05.
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分析:
法一:线性相关的充要条件:线性相关⇦⇨行列式=0
∵|α134|=0,∴α1、α3、α4线性相关

法二:线性相关的充分条件:线性相关⇨成比例
∵α34=(0,0,c3+c4)T,与α1成比例,∴α1、α3、α4线性相关

答案:C


例题5:06年11.
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分析:
若已经相关了,则初等变换后依然相关,不能再变回无关了。(若变换后是无关,则变换前肯定也得是无关)
若本来无关,通过变换可能相关。

答案:A


例题6:06年11.真题的变式
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答案:C


例题7:14年6.   线性无关、必要性与充分性
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分析:
①必要性成立,是必要条件

②充分性不成立,是非充分条件(若向量组中有一个零向量,则该向量组线性相关)

答案:A


例题8:张宇30讲 例题3.6   抽象型向量组的线性相关性,用定义法
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答案:
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3.极大线性无关组、等价向量组、向量组的秩

1.极大线性无关组

(1)概念
①线性无关
②向量组中任意向量均可由极大线性无关组线性表出

(2)性质
①极大线性无关组一般不唯一,但其成员个数是唯一的。极大线性无关组是该向量组的最简小组
②向量组的秩:①极大线性无关组中成员的个数 ②向量组中线性无关的向量个数 ③秩为该向量组所张成的向量空间的维数

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(3)找极大线性无关组的步骤
①将列向量们组成矩阵A,作初等行变换化为行阶梯形矩阵,确定r(A)
②按列找出其中一个秩为r(A)的子矩阵,即为一个极大线性无关组



2.向量组等价

1.矩阵等价:①同型 ②秩等:r(A)=r(B)
向量组等价:①同维 ②三秩相等:r(A)=r(B)=r(A,B) ,即两个向量组可以相互线性表出

2.初等行变换 ⇔ \Leftrightarrow 行向量组等价 ⇔ \Leftrightarrow 同解方程组 ⇔ \Leftrightarrow r ( A ) = r ( B ) = r ( A B ) r(A)=r(B)=r\dbinom{A}{B} r(A)=r(B)=r(BA)
A经初等列变换得到B ⇔ \Leftrightarrow 列向量组等价 ⇔ \Leftrightarrow 矩阵方程 A X = B AX=B AX=B有解 ⇔ \Leftrightarrow r ( A ) = r ( A , B ) r(A)=r(A,B) r(A)=r(A,B)



例题1:24李林六(五)6.   向量组等价:相互线性表出
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分析:
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答案:B


例题2:13年5.   初等行变换:行向量组等价;初等列变换:列向量组等价
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分析:
B可逆,AB=C即 A做初等列变换得到C。故A与C的列向量组等价

答案:B


例题3:23李林四(一)5.   初等行变换:行向量组等价;初等列变换:列向量组等价
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分析:
初等行变换 ⇔ \Leftrightarrow 行向量组等价 ⇔ \Leftrightarrow 同解方程组
A经初等列变换得到B ⇔ \Leftrightarrow 列向量组等价 ⇔ \Leftrightarrow 矩阵方程 A X = B AX=B AX=B有解 ⇔ \Leftrightarrow r ( A ) = r ( A , B ) r(A)=r(A,B) r(A)=r(A,B)

A.B.初等列变换 ⇔ \Leftrightarrow 列向量组等价。A❌B✔
C.同解方程组是行向量组等价。C❌
D.初等变化不改变矩阵的秩,但可能改变矩阵的特征值和行列式。D❌

答案:B


例题4:00年9.
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分析:
D.矩阵A满秩,则矩阵B满秩的充要条件是,矩阵A与矩阵B等价,则型同秩等。B也满秩。D✔
C.向量组等价,还多余一个可以相互线性表出的条件,是充分非必要条件。

举例:
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答案:D



3.向量组的秩

1.向量组的秩的概念:
①向量组 α 1 , α 2 , . . . , α s α_1,α_2,...,α_s α1,α2,...,αs 的极大线性无关组 α i 1 , α i 2 , . . . , α i r α_{i_1},α_{i_2},...,α_{i_r} αi1,αi2,...,αir 中所含向量的个数r 为 向量组的秩,记作 r ( α 1 , α 2 , . . . , α s ) = r r(α_1,α_2,...,α_s)=r r(α1,α2,...,αs)=r
②向量组中线性无关的向量个数
③秩为该向量组所张成的向量空间的维数

2.性质:
①矩阵的秩 = 行秩 = 列秩 (三秩相等)
②秩大的表示秩小的,可被线性表出的秩小

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4.向量空间

(1)向量空间的概念

过渡矩阵、坐标、基、维数
①维数: R n {\rm R}^n Rnn维向量空间,由n个线性无关的n维向量张成
n维向量空间,秩为n:
秩为n的向量组,可以表示n维向量空间中的一切向量
反之,若某向量组不能表示该向量空间中的某一向量,则该向量组不满秩,秩<n

例如,3维向量空间秩为3。即任一秩为3的向量组,可以表示该向量空间中的一切向量。
若有一向量,不能被向量组 α 1 , α 2 , α 3 α_1,α_2,α_3 α1,α2,α3表示,则 r ( α 1 , α 2 , α 3 ) < 3 r(α_1,α_2,α_3)<3 r(α1,α2,α3)<3

:证明向量组为R3的基,只需要证明向量组中各向量线性无关
过渡矩阵 A P = B AP=B AP=B,则 过渡矩阵 P = A − 1 B P=A^{-1}B P=A1B
坐标:向量 = 坐标·基

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基变换、过渡矩阵
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坐标变换
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(2)基

向量空间的基的2个必要条件:设V为向量空间,若r个向量α12,…,αr∈V,且满足
(1)α12,…,αr线性无关 【证明向量组为R3的基,只需要证明向量组中各向量线性无关
(2)V中任意向量都可由α12,…,αr线性表示
则向量组α12,…,αr称为向量空间V的一个基,r称为向量空间V的维数,并称V为r维向量空间

的概念类似极大线性无关组基础解系
若把向量空间V看作向量组,则由极大线性无关组的等价定义可知,V的基就是向量组的极大无关组,V的维数就是向量组的秩。



例题1:15年20(1)




(3)基变换的过渡矩阵

求A基到B基的过渡矩阵:(原基 右乘列变换 到新基)
A P = B AP=B AP=B,则过渡矩阵 P = A − 1 B P=A^{-1}B P=A1B

小技巧: ( A ∣ B ) → ( E ∣ A − 1 B ) = ( E ∣ P ) (A|B)→(E|A^{-1}B)=(E|P) (AB)(EA1B)=(EP)



例题1:03年4.
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分析:
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答案: ( 2 3 − 1 − 2 ) \left(\begin{array}{cc} 2 & 3 \\ -1 & -2 \end{array}\right) (2132)


例题2:24李林四(四)15.
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分析:
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答案:


例题3:880 向量 基础填空3
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答案:
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例题4:19年20.
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分析:
(2)①证明3个向量是R3的基,只需证明它们线性无关 [向量的基线性无关]
②求A基到B基的过渡矩阵:
AP=B,则过渡矩阵 P=A-1B

答案:
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(4)向量在基下的坐标

向量 = 坐标·基 (或 向量 = 基·坐标 )
β = ( x 1 , x 2 , x 3 ) ⋅ ( α 1 α 2 α 3 ) = x 1 α 1 + x 2 α 2 + x 3 α 3 β =(x_1,x_2,x_3)·\left(\begin{array}{c} α_1 \\ α_2 \\ α_3 \end{array}\right)=x_1α_1+x_2α_2+x_3α_3 β=(x1,x2,x3) α1α2α3 =x1α1+x2α2+x3α3

β = x 1 α 1 + x 2 α 2 + x 3 α 3 β =x_1α_1+x_2α_2+x_3α_3 β=x1α1+x2α2+x3α3



例题1:880 向量 基础填空2
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分析:
β = x 1 α 1 + x 2 α 2 + x 3 α 3 β =x_1α_1+x_2α_2+x_3α_3 β=x1α1+x2α2+x3α3

( 2 0 0 ) = x 1 ( 1 1 0 ) + x 2 ( 1 0 1 ) + x 3 ( 0 1 1 ) = ( x 1 + x 2 x 1 + x 3 x 2 + x 3 ) \left(\begin{array}{c} 2 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right)=x_1\left(\begin{array}{c} 1 \\ 1 \\ 0 \end{array}\right) +x_2\left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ 1 \end{array}\right)+x_3\left(\begin{array}{c} 0 \\ 1 \\ 1 \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c} x_1+x_2 \\ x_1+x_3 \\ x_2+x_3 \end{array}\right) 200 =x1 110 +x2 101 +x3 011 = x1+x2x1+x3x2+x3

解得: x 1 = 1 , x 2 = 1 , x 3 = − 1 x_1=1,x_2=1,x_3=-1 x1=1,x2=1,x3=1,即坐标为 ( x 1 , x 2 , x 3 ) = ( 1 , 1 , − 1 ) (x_1,x_2,x_3)=(1,1,-1) (x1,x2,x3)=(1,1,1)

答案: ( 1 , 1 , − 1 ) (1,1,-1) (1,1,1)


例题2:24李林六(一)15、23李林四(二)15.
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分析:

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答案: ( 2 2 , 2 , − 2 2 ) (\dfrac{\sqrt{2}}{2},\sqrt{2},-\dfrac{\sqrt{2}}{2}) (22 ,2 ,22 )


例题3:15年20.
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分析:
(1)证明向量组是R3的一个基,只需要证明向量组线性无关
(2)坐标




5.空间直线

直线的点向式方程、直线的参数方程、向量形式、线性表示

A的秩行列式三点l两直线
r ( A ) = 1 r(A)=1 r(A)=1 ∣ A ∣ = 0 \lvert A\rvert=0 A=0三点重合
r ( A ) = 2 r(A)=2 r(A)=2 ∣ A ∣ = 0 \lvert A\rvert=0 A=0三个不同点,共线两直线平行
r ( A ) = 3 r(A)=3 r(A)=3 ∣ A ∣ ≠ 0 \lvert A\rvert≠0 A=0三个不同点,不共线两直线交于一点


例题1:20年6.
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分析:两线交于一点,故它们的方向向量 α 1 ⃗ \vec{α_1} α1 α 2 ⃗ \vec{α_2} α2 不共线,从而 α 1 ⃗ \vec{α_1} α1 α 2 ⃗ \vec{α_2} α2 线性无关。∴ α 3 α_3 α3可由 α 1 , α 2 α_1,α_2 α1,α2线性表示。由空间直线的参数式方程,得 α 3 = t α 1 + ( 1 − t ) α 2 α_3=tα_1+(1-t)α_2 α3=tα1+(1t)α2。选C

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答案:C


例题2:1998年4.   |A|≠0 ⇔ \Leftrightarrow 交于一点
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分析:
r(A)=3,|A|≠0,三线相交与一点

答案:A


例题3:660 T640
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分析:
r(A)=3,|A|≠0,两线相交与一点

答案:A


例题4:24李林六(六)6.   r ( A ) = 2 ⇔ r(A)=2\Leftrightarrow r(A)=2 共线
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分析:
r(A)=3:|A|≠0,三线交于一点
r(A)=2:|A|=0,共线
r(A)=1:|A|=0,三点重合

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答案:D


例题5:24李林四(三)6.
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分析:
三个不同点,则r(A)>1,排除AD
不能判断三点是否共线。若三点共线,则r(A)=2;若三点不共线,则r(A)=3

答案:C





第4章 线性方程组

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(一)具体型线性方程组

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1.齐次线性方程组 Ax=0

1.齐次线性方程组 A m × n x = 0 A_{m×n}x=0 Am×nx=0:m为方程个数,n为未知数个数。m<n时就有自由变量

2.齐次方程组的解x:是与系数矩阵A的行向量都正交的n维向量
在这里插入图片描述


例题1:880 向量 综合选择5
在这里插入图片描述

分析:
B = ( β 1 , β 2 , β 3 , β 4 ) B=(β_1,β_2,β_3,β_4) B=(β1,β2,β3,β4)与4维列向量 α 1 , α 2 , α 3 α_1,α_2,α_3 α1,α2,α3都正交,则 α 1 , α 2 , α 3 α_1,α_2,α_3 α1,α2,α3为齐次方程组 B X = 0 BX=0 BX=0的解。
s = n − r ( B ) s= n-r(B) s=nr(B),即 3 = 4 − r ( B ) 3=4-r(B) 3=4r(B),∴ r ( B ) = r ( β 1 , β 2 , β 3 , β 4 ) = 1 r(B)=r(β_1,β_2,β_3,β_4)=1 r(B)=r(β1,β2,β3,β4)=1

答案:A


例题2:18年20.(1)



(1)有解的条件:齐次线性方程组解的判别

Am×nX=0,齐次必然有解。
r ( A ) = n r(A)=n r(A)=n ( α 1 , α 2 , . . . , α n α_1,α_2,...,α_n α1,α2,...,αn线性无关):仅有唯一零解。
r ( A ) < n r(A)<n r(A)<n ( α 1 , α 2 , . . . , α n α_1,α_2,...,α_n α1,α2,...,αn线性相关):零解和无穷多个非零解 。且有n-r个线性无关解 (用这n-r个线性无关解,来表示这无穷多个解)   [n为矩阵A的列数,即未知数的个数]

在这里插入图片描述

A x = 0 Ax=0 Ax=0的无穷多解是一个“解空间”,用 k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + . . . , k n − r ξ n − r k_1ξ_1+k_2ξ_2+...,k_{n-r}ξ_{n-r} k1ξ1+k2ξ2+...,knrξnr表示(s=n-r)


(2)解的性质:齐次解的性质
解的叠加性:解的线性组合也是解

在这里插入图片描述



(3)基础解系、通解的结构
基础解系

1.基础解系的定义:
ξ 1 , ξ 2 , . . . , ξ n − r ξ_1,ξ_2,...,ξ_{n-r} ξ1,ξ2,...,ξnr满足
①均是方程组 A x = 0 Ax=0 Ax=0的解
②线性无关
③方程组 A x = 0 Ax=0 Ax=0的任一解向量均可由 ξ 1 , ξ 2 , . . . , ξ n − r ξ_1,ξ_2,...,ξ_{n-r} ξ1,ξ2,...,ξnr线性表出
则称 ξ 1 , ξ 2 , . . . , ξ n − r ξ_1,ξ_2,...,ξ_{n-r} ξ1,ξ2,...,ξnr A x = 0 Ax=0 Ax=0 的一个基础解系
基础解系是齐次方程组 A x = 0 Ax=0 Ax=0 的解向量集合的极大线性无关组。


2.基础解系的求法:见(4)求解方法与步骤的前三步

3.定理:
设A是m×n矩阵,若 r ( A ) = r < n r(A)=r<n r(A)=r<n,则齐次线性方程组 A X = 0 AX=0 AX=0 存在基础解系,并且基础解系由 n − r n-r nr 个线性无关的解向量构成

s=n-r:基础解系中线性无关的解向量的个数 = 自由变量的个数


②通解的结构

(1)齐次
①先求出 n − r ( A ) n-r(A) nr(A)个线性无关的基础解系
②每一个基础解系前面加一个 k i k_i ki,基础解系的线性组合即为齐次线性方程组的通解。
则齐次方程组的通解为: X = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + k 3 ξ 3 + . . . k n − r ξ n − r X=k_1ξ_1+k_2ξ_2+k_3ξ_3+...k_{n-r}ξ_{n-r} X=k1ξ1+k2ξ2+k3ξ3+...knrξnr

(2)非齐次
若非齐次方程组 A X = β AX=β AX=β的特解为 β β β,则非齐次方程组的通解为: X = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + k 3 ξ 3 + . . . + . . . + k n − r ξ n − r + β X=k_1ξ_1+k_2ξ_2+k_3ξ_3+...+...+k_{n-r}ξ_{n-r}+β X=k1ξ1+k2ξ2+k3ξ3+...+...+knrξnr+β

通解形成“s维解空间”,s=n-r


③自由变量

(1)谁是自由变量:化行阶梯/行最简矩阵时,不在直角边上的 x i x_i xi为自由变量

(2)自由变量/线性无关的解向量的个数: n − r ( A ) n-r(A) nr(A)

(3)自由变量的设置:
①1个自由变量:1
②2个自由变量: ( 1 0 ) , ( 0 1 ) \binom{1}{0},\binom{0}{1} (01),(10)

③3个自由变量: ( 1 0 0 ) \left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right) 100 ( 0 1 0 ) \left(\begin{array}{c} 0 \\ 1 \\ 0 \end{array}\right) 010 ( 0 0 1 ) \left(\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ 1 \end{array}\right) 001



例题1:14年20
在这里插入图片描述

分析:
(2)A3×4B4×3=E3×3
由于A和B都不是方阵,故AB都不可逆,更没有行列式。
考虑拆分,B=(b1,b2,b3),E=(e1,e2,e3)。则AB=E被拆成Ab1=e1,Ab2=e2,Ab3=e3

bi=kiξ+特解,k为任意常数




(4)求齐次方程组Ax=0的通解 (解齐次线性方程组)

①求基础解系
②齐次通解 = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + . . . + k n ξ n k_1ξ_1+k_2ξ_2+...+k_nξ_n k1ξ1+k2ξ2+...+knξn

在这里插入图片描述

2.基础解系(前3步)、通解求法:
把A化为行阶梯/行最简矩阵 (方程组经初等行变换转化为同解方程组)

找出一个秩为r=r(A)的子矩阵,基础解系为s=n-r个,把n-r(A)个 x i x_i xi设为自由变量。(有同阶的才能设为自由变量)
(例如n=5,r(A)=3,s=n-r=5-3=2,基础解系有2个成员 ξ 1 , ξ 2 ξ_1,ξ_2 ξ1,ξ2
x 4 , x 5 x_4,x_5 x4,x5为自由变量,则 ξ 1 , ξ 2 ξ_1,ξ_2 ξ1,ξ2的最后两维:(1,0) (0,1),即 ξ 1 = ( , , 1 , 0 ) T , ξ 2 = ( , , 0 , 1 ) T ξ_1=( , , 1,0)^T,ξ_2=( , , 0,1 )^T ξ1=(,,1,0)T,ξ2=(,,0,1)T

线性无关的解向量的个数为n-r

根据行阶梯/行最简矩阵,由最后一行倒着开始求其余变量的值,直至第一行,求出一个解向量 ξ 1 ξ_1 ξ1;再从最后一行开始求,得到第二个解向量 ξ 2 ξ_2 ξ2;直至求完所有解向量 ξ n − r ξ_{n-r} ξnr

④齐次线性方程组的通解为: k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + . . . + k n − r ξ n − r k_1ξ_1+k_2ξ_2+...+k_{n-r}ξ_{n-r} k1ξ1+k2ξ2+...+knrξnr

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例题1:19年13.   解齐次线性方程组 (求齐次线性方程组的通解)
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分析:
在这里插入图片描述

答案: k ( 1 − 2 1 ) k\left(\begin{array}{c} 1 \\ -2 \\ 1 \end{array}\right) k 121 ,k为任意常数





2.非齐次线性方程组 Ax=β

非齐次线性方程组 Am×nx=β,可组合成AX=B
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①方程组形式: A X = β AX=β AX=β
②向量形式:在这里插入图片描述

①方程组的解 x 1 , x 2 , . . . x n x_1,x_2,...x_n x1,x2,...xn,就是向量与向量之间的表示系数
②齐次线性方程组Ax=0,称为非齐次线性方程组Ax=β的导出组


(1)非齐次线性方程组有解的条件

对于 非齐次线性方程组 Ax=β:

秩的关系线性表示解的情况
(1)r(A)≠r(A,β)β不能由α₁,α₂,α₃线性表示无解
(2)r(A)=r(A,β)β可由α₁,α₂,α₃线性表示有解
(2)①r(A)=r(A,β)=nβ可由α₁,α₂,…,αn线性表示且表示法唯一有唯一解
(2)②r(A)=r(A,β)<nβ可由α₁,α₂,…,αn线性表示且表示法不唯一有无穷多解


例题1:880 线性方程组 综合选择3
在这里插入图片描述

分析:Ax=0有无穷多解⇦⇨ r ( A ) = r ( A ∣ b ) < n r(A)=r(A|b)<n r(A)=r(Ab)<n
A.未提及 r ( A ) = r ( A ∣ b ) r(A)=r(A|b) r(A)=r(Ab),不一定有解。A❌
B.Ax=0有非零解⇦⇨ r ( A ) < n r(A)<n r(A)<n,未提及 r ( A ) = r ( A ∣ b ) r(A)=r(A|b) r(A)=r(Ab),不一定有解。B❌
D.A的列向量组线性相关⇦⇨ r ( A ) < n r(A)<n r(A)<n,未提及 r ( A ) = r ( A ∣ b ) r(A)=r(A|b) r(A)=r(Ab),不一定有解。D❌
C.必要性:显然,有无穷解必然有两个不同解
充分性:设x1,x2为Ax=b的两个不同解,则x1-x2≠0。则A(x1-x2)=0有非零解。r(A)<n。
又∵有解,∴r(A)=r(A|b)
综上,r(A)=r(A|b)<n

答案:C



(2)解的性质:非齐次解的性质

在这里插入图片描述


(3)求非齐次方程组Ax=b的通解

①(A,b)化简,得方程组
求齐次方程组Ax=0通解:令自由变量为 (1,0) (0,1)等,求出齐次方程组的基础解系,进而求齐次方程组的通解 k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + . . . k n − r ξ n − r k_1ξ_1+k_2ξ_2+...k_{n-r}ξ_{n-r} k1ξ1+k2ξ2+...knrξnr
求非齐次方程组Ax=b特解令自由变量均=0 【等式右边为自由项 β i β_i βi。从最后一行开始,代入求解,直至第一行】
④非齐通解 = 齐次通解 + 非齐次特解



例题1:880 方程组 基础解答1
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答案:
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例题2:10年20.(Ⅱ)   求非齐次线性方程组的通解
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分析:
求非齐次特解:令自由变量均为0



例题3:17年20.
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分析:
(Ⅱ)求解非齐次线性方程组的通解:齐次通解 + 非齐次特解



例题4:09年20.(Ⅰ)   非齐次线性方程组的求解
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例题5:12年20(2)
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分析:
(2)Ax=β有无穷多解,则 r ( A ) = r ( A ˉ ) < n r(A)=r(\bar{A})<n r(A)=r(Aˉ)<n,即r(A)<n,即 |A|=0

化为行最简后,先求齐次解Ax=0得基础解系ξ=(1,1,1,1)T。特解即为此时的β’=(0,-1,0,0)T。通解X=kξ+β’=k(1,1,1,1)T+(0,-1,0,0)T,k为任意常数


例题6:13年20.
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分析:设 C = ( x 1 x 2 x 3 x 4 ) C=\left(\begin{array}{cc} x_1 & x_2 \\ x_3 & x_4 \end{array}\right) C=(x1x3x2x4),由AC-CA=B得出含x的方程组,写为系数矩阵D的增广矩阵 D ˉ \bar{D} Dˉ,化为行最简矩阵。这时就可以通过非齐次线性方程组解的判别条件 r ( D ) = r ( D ˉ ) r(D)=r(\bar{D}) r(D)=r(Dˉ)来求a,b的值了。求出后把a,b代入 D ˉ \bar{D} Dˉ,求出齐次方程组的基础解析 ξ 1 = ( 1 − 1 1 0 ) ξ_1=\left(\begin{array}{c} 1 \\ -1 \\ 1 \\ 0 \end{array}\right) ξ1= 1110 ξ 2 = ( 1 0 0 1 ) ξ_2=\left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{array}\right) ξ2= 1001 ,非齐次通解X= ( x 1 x 2 x 3 x 4 ) = k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 + ( 1 0 0 0 ) \left(\begin{array}{c} x_1 \\ x_2 \\ x_3 \\ x_4 \end{array}\right)=k_1ξ_1+k_2ξ_2+\left(\begin{array}{c} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right) x1x2x3x4 =k1ξ1+k2ξ2+ 1000

C = ( x 1 x 2 x 3 x 4 ) C=\left(\begin{array}{cc} x_1 & x_2 \\ x_3 & x_4 \end{array}\right) C=(x1x3x2x4)=…


例题7:23李林六套卷(二)15.
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分析:β不能由α₁,α₂,α₃线性表示,即非齐次线性方程组无解, r ( A ) ≠ r ( A , β ) r(A)≠r(A,β) r(A)=r(A,β)
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答案:0


例题8:880 方程组 基础解答2   含参方程组
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分析:
含参方程组:若A为n×n方阵,先令|A|=0,求出参数。不为参数时,|A|≠0,有唯一解。|A|=0时,无穷多解或无解。

答案:
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例题9:880 方程组 基础解答7  
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答案:
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例题10:880 方程组 基础解答6   A 11 ≠ 0 A_{11}≠0 A11=0,则 r ( A ) ≥ n − 1 r(A)≥n-1 r(A)n1
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答案:
解法一(李林):
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解法2(喻老):
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例题11:880 方程组 综合解答1   用非齐次的解,代入+组合,凑出齐次的解
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答案:
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(4)非齐次线性方程组的几何意义

(1) 3个方程代表3个平面,三平面共同交点个数代表方程组解的个数
r ( A ) = r ( A ˉ ) = 1 r(A)=r(\bar{A})=1 r(A)=r(Aˉ)=1:三个平面重合
r ( A ) = r ( A ˉ ) = 2 r(A)=r(\bar{A})=2 r(A)=r(Aˉ)=2:三个平面交于一条直线
r ( A ) = r ( A ˉ ) = 3 r(A)=r(\bar{A})=3 r(A)=r(Aˉ)=3:三个平面交于一点
r ( A ) = 2 , r ( A ˉ ) = 3 r(A)=2,r(\bar{A})=3 r(A)=2r(Aˉ)=3:两两平面交于一条直线,三平面无共同交点

(2) 3个方程代表3条直线,交点代表解的个数


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平面互异:不重合
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例题1:02年10.   系数矩阵秩、增广矩阵秩 用空间中的平面表示
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分析:
A.三个平面只有一个交点,方程组有唯一解, r ( A ) = r ( A ˉ ) = 3 r(A)=r(\bar{A})=3 r(A)=r(Aˉ)=3。A❌
B.三个平面相较于同一条直线,即方程组有无穷多个解, r ( A ) = r ( A ˉ ) = 2 < 3 r(A)=r(\bar{A})=2<3 r(A)=r(Aˉ)=2<3。B✔
C.两两相交,互不平行: r ( A ) = 2 , r ( A ˉ ) = 3 r(A)=2,r(\bar{A})=3 r(A)=2r(Aˉ)=3。 C❌
D.两平面平行,第三个平面与这两个平行平面分别相交: r ( A ) = 2 , r ( A ˉ ) = 3 r(A)=2,r(\bar{A})=3 r(A)=2r(Aˉ)=3。D❌

答案:B


例题2:19年6.
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分析:
两两相交,互不平行: r ( A ) = 2 , r ( A ˉ ) = 3 r(A)=2,r(\bar{A})=3 r(A)=2r(Aˉ)=3

答案:A


例题3:880 方程组 综合选择4
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分析:三平面交于一条直线,有解且有无穷多解,r(A)=r(A|b)<n。排除BC。
D的情况,r(A)=r(A|b)=1是三平面重合。

答案:A


例题4:23李林六套卷(三)7.
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分析:3个平面相较于一条直线,则有无穷多个交点,则 r ( A ) = r ( A ˉ ) < 3 r(A)=r(\bar{A})<3 r(A)=r(Aˉ)<3
A ˉ = ( 1 1 b ∣ 3 2 a + 1 b + 1 ∣ 7 0 1 − a 2 b − 1 ∣ 0 ) \bar{A}=\left(\begin{array}{cc} 1 & 1 & b &| \ 3 \\ 2 & a+1 & b+1 &| \ 7 \\ 0 & 1-a & 2b-1 &| \ 0\\ \end{array}\right) Aˉ= 1201a+11abb+12b1 3 7 0
显然,第三行要为全0,则a=1,b=1/2

答案:B


例题5:
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分析:
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答案:D



3.矩阵方程 AX=B

解矩阵方程AX=B:
将(A,B)化为行最简 (A’,B’),则AX=B等价于A’X=B’。
求方程组A’x=0的基础解系、通解 x₁ x₂ x₃,则X = (x₁ x₂ x₃)

若解AP=B,要求P可逆,则求|P|≠0,对k₁ k₂ k₃做出限制



例题1:18年21.
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分析:
(Ⅰ)矩阵A可经初等列变换化为矩阵B ⇦⇨ 列向量组等价 ⇦⇨ 矩阵方程AX=B有解 ⇦⇨ r(A)=r(A,B)
(Ⅱ)解矩阵方程AX=B:
将(A,B)化为行最简 (A’,B’),则AX=B等价于A’X=B’。
求方程组A’x=0的基础解系、通解 x₁ x₂ x₃,则X = (x₁ x₂ x₃)

若解AP=B,要求P可逆,则求|P|≠0,对k₁ k₂ k₃做出限制

答案:
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(二)抽象型线性方程组

在这里插入图片描述
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4.就是系数
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例题1:基础30讲线代分册   求非齐次线性方程组的通解、解的性质
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分析:
①非齐通的解结构:非齐通 = 齐通 + 非齐特
②解的性质:i. η 1 − η 2 η_1-η_2 η1η2为齐次特解 ii. 1 2 ( η 1 + η 2 ) \dfrac{1}{2}(η_1+η_2) 21(η1+η2)为非齐次特解, 1 3 ( η 3 + 2 η 2 ) \dfrac{1}{3}(η_3+2η_2) 31(η3+2η2)为非齐次特解 iii. 1 2 ( η 1 + η 2 ) − 1 3 ( η 3 + 2 η 2 ) \dfrac{1}{2}(η_1+η_2)-\dfrac{1}{3}(η_3+2η_2) 21(η1+η2)31(η3+2η2)也为齐次通解,乘6倍后 3 ( η 1 + η 2 ) − 2 ( η 3 + 2 η 2 ) 3(η_1+η_2)-2(η_3+2η_2) 3(η1+η2)2(η3+2η2)仍为齐次通解

本题不必求出 η 1 , η 2 , η 3 η_1,η_2,η_3 η1,η2,η3各自的值

答案:
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例题2:
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分析:
r ( A B ) ≤ m i n { r ( A ) , r ( B ) } r(AB)≤min\{ r(A),r(B)\} r(AB)min{r(A),r(B)}:由题得r(AB)=2≤min{ r(A),r(B} ∴r(A)≥2,r(B)≥2
又∵秩=行秩=列秩≤min{m,n},∴r(A)≤2,r(B)≤2
故r(A)=r(B)=2

②线性无关解的个数 s = n − r s=n-r s=nr
s A = n A − r ( A ) = 3 − 2 = 1 s_A=n_A-r(A)=3-2=1 sA=nAr(A)=32=1
s B = n B − r ( B ) = 2 − 2 = 0 s_B=n_B-r(B)=2-2=0 sB=nBr(B)=22=0

答案:B


例题3:
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分析:
①s=n-r(A)=1 ∴r(A)=3 ∴r(A*)=1 ∴s*=n-r(A*)=3 排除AB
②(1,0,1,0)T是Ax=0的一个基础解系(其中A=(α₁,α₂,α₃,α₄)),即α₁+α₃=0,即α₁与α₃能相互线性表示,线性相关。故A*x=0的基础解系只能选 124或234。选D

答案:D


例题4:
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答案:
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(三)方程组的公共解、同解方程组

1.方程组的公共解

齐次线性方程组 A m × n x = 0 A_{m×n}x=0 Am×nx=0 B m × n x = 0 B_{m×n}x=0 Bm×nx=0公共解
①A、B都是具体的方程组:
联立方程组 ( A B ) x = 0 \dbinom{A}{B}x=0 (BA)x=0的解

②A给了具体方程组,B给了基础解系:
利用基础解系求出B的通解,代入A。

③A、B都给的基础解系:
增加约束,使其相等:令 k 1 ξ 1 + k 2 ξ 2 = l 1 η 1 + l 2 η 2 k_1ξ_1+k_2ξ_2=l_1η_1+l_2η_2 k1ξ1+k2ξ2=l1η1+l2η2,找到k1k2关系,将二维解空间化为一维解空间

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例题1:880 方程组 基础解答3(Ⅱ)   ①A、B都是具体的方程组:联立方程组
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例题2:880 方程组 基础解答4   ②A给了具体方程组,B给了基础解系:通解代入具体方程组
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答案:
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2.同解方程组

1.定义/概念:两个方程组 A m × n x = 0 A_{m×n}x=0 Am×nx=0 B m × n x = 0 B_{m×n}x=0 Bm×nx=0 有完全相同的解,则称它们为同解方程组

2.性质:
A x = 0 Ax=0 Ax=0 B x = 0 Bx=0 Bx=0 为同解方程组 (方程组 A x = 0 Ax=0 Ax=0 B x = 0 Bx=0 Bx=0 同解)
⇦⇨A与B的行向量组等价向量组 (行向量组等价),A能通过初等行变换得到B,B也能通过初等行变换得到A
⇦⇨ r ( A ) = r ( B ) = r ( A B ) r(A)=r(B)=r\dbinom{A}{B} r(A)=r(B)=r(BA)
⇦⇨有完全相同的解:即Ax=0的解满足Bx=0,且Bx=0的解满足Ax=0 (互相把解代入,求出结果即可)
⇦⇨可相互线性表示:Ⅱ增广矩阵的行向量能被Ⅰ增广矩阵的行向量线性表示,反之亦然。

行向量组等价:是指两个行向量组所生成的向量空间相同,即它们具有相同解集。即一个行向量组可以通过一系列初等行变换变为另一个行向量组,那么称这两个行向量组等价



例题1:20年5.   初等列变换、同解方程组
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分析:
(1)左乘行变换,右乘列变换。A能通过初等列变换得到B,则B一定也能通过初等列变换得到A。即选B
(2)Ax=0与Bx=0是同解方程组,即A与B的行向量组等价,即A能通过初等行变换得到B,B也能通过初等行变换得到A

答案:B


例题2:22年6.
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分析:
①仅有零解 ⇦⇨ 系数矩阵满秩
齐次方程组的同解变形 ⇦⇨ 矩阵的初等行变换

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答案:C


例题3:同解方程组
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例题4:设Am×n,证明r(A)=r(ATA)
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证明:
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∴r(A)=r(AT)=r(ATA)=r(AAT),对任意Am×n均成立


这篇关于线性代数(主题篇):Ch3.向量组 、Ch4.方程组的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



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《基于Qt实现系统主题感知功能》在现代桌面应用程序开发中,系统主题感知是一项重要的功能,它使得应用程序能够根据用户的系统主题设置(如深色模式或浅色模式)自动调整其外观,Qt作为一个跨平台的C++图形用... 目录【正文开始】一、使用效果二、系统主题感知助手类(SystemThemeHelper)三、实现细节

【Prometheus】PromQL向量匹配实现不同标签的向量数据进行运算

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线性代数|机器学习-P36在图中找聚类

文章目录 1. 常见图结构2. 谱聚类 感觉后面几节课的内容跨越太大,需要补充太多的知识点,教授讲得内容跨越较大,一般一节课的内容是书本上的一章节内容,所以看视频比较吃力,需要先预习课本内容后才能够很好的理解教授讲解的知识点。 1. 常见图结构 假设我们有如下图结构: Adjacency Matrix:行和列表示的是节点的位置,A[i,j]表示的第 i 个节点和第 j 个

Vector3 三维向量

Vector3 三维向量 Struct Representation of 3D vectors and points. 表示3D的向量和点。 This structure is used throughout Unity to pass 3D positions and directions around. It also contains functions for doin

8. 自然语言处理中的深度学习:从词向量到BERT

引言 深度学习在自然语言处理(NLP)领域的应用极大地推动了语言理解和生成技术的发展。通过从词向量到预训练模型(如BERT)的演进,NLP技术在机器翻译、情感分析、问答系统等任务中取得了显著成果。本篇博文将探讨深度学习在NLP中的核心技术,包括词向量、序列模型(如RNN、LSTM),以及BERT等预训练模型的崛起及其实际应用。 1. 词向量的生成与应用 词向量(Word Embedding)

用Python实现时间序列模型实战——Day 14: 向量自回归模型 (VAR) 与向量误差修正模型 (VECM)

一、学习内容 1. 向量自回归模型 (VAR) 的基本概念与应用 向量自回归模型 (VAR) 是多元时间序列分析中的一种模型,用于捕捉多个变量之间的相互依赖关系。与单变量自回归模型不同,VAR 模型将多个时间序列作为向量输入,同时对这些变量进行回归分析。 VAR 模型的一般形式为: 其中: ​ 是时间  的变量向量。 是常数向量。​ 是每个时间滞后的回归系数矩阵。​ 是误差项向量,假

线性代数|机器学习-P35距离矩阵和普鲁克问题

文章目录 1. 距离矩阵2. 正交普鲁克问题3. 实例说明 1. 距离矩阵 假设有三个点 x 1 , x 2 , x 3 x_1,x_2,x_3 x1​,x2​,x3​,三个点距离如下: ∣ ∣ x 1 − x 2 ∣ ∣ 2 = 1 , ∣ ∣ x 2 − x 3 ∣ ∣ 2 = 1 , ∣ ∣ x 1 − x 3 ∣ ∣ 2 = 6 \begin{equation} ||x

【线性代数】正定矩阵,二次型函数

本文主要介绍正定矩阵,二次型函数,及其相关的解析证明过程和各个过程的可视化几何解释(深蓝色字体)。 非常喜欢清华大学张颢老师说过的一段话:如果你不能用可视化的方式看到事情的结果,那么你就很难对这个事情有认知,认知就是直觉,解析的东西可以让你理解,但未必能让你形成直觉,因为他太反直觉了。 正定矩阵 定义 给定一个大小为 n×n 的实对称矩阵 A ,若对于任意长度为 n 的非零向量 ,有 恒成