线性代数课本第三章习题详细答案
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线性代数课本第三章习题详细答案
第三章 课后习题及解答
将1,2题中的向量 表示成 1, 2, 3, 4的线性组合:
1. 1,2,1,1 , 1 1,1,1,1 , 2 1,1, 1, 1 , 3 1, 1,1, 1 , 4 1, 1, 1,1 .
T
T
T
T
T
2. 0,0,0,1 , 1 1,1,0,1 , 2 2,1,3,1 , 3 1,1,0,0 , 4 0,1, 1, 1 .
解:设存在k1,k2,k3,k4使得 k1 1 k2 2 k3 3 k4 4,整理得
k1 k2 k3 k4 1
k1 k2 k3 k4 2
k1 k2 k3 k4 1
k1 k2 k3 k4 1
解得k1
5454
,k2
14
,k3
14
,k4
14
.
所以
1
14
2
14
3
14
4.
设存在 k1,k2,k3,k4使得 k1 1 k2 2 k3 3 k4 4,整理得
k1 2k2 k3 0,k1 k2 k3 k4 0,
3k2 k4 0,k1 k2 k4 1.
解得 k1 1,k2 0,k3 1,k4 0. 所以 1 3.
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判断3,4题中的向量组的线性相关性: 3. 1 1,1,1 , 2 0,2,5 , 3 1,3,6 .
T
T
T
4. 1 (1, 1,2,4)T, 2 0,3,1,2 , 3 3,0,7,14
T
T.
解:
3.设存在 k1,k2,k3使得k1 1 k2 2 k3 3 0,即
k1 k3 0
k1 2k2 3k3 0 ,由 k 5k 6k 023 1
025
1
3 0,解得k1,k2,k3不全为零, 6
故 1, 2, 3线性相关.
4.设存在 k1,k2,k3使得k1 1 k2 2 k3 3 0,即
k1 3k3 0
k1 3k2 0
可解得k1,k2,k3不全为零,故 1, 2, 3线性相关.
2k k 7k 023 1
4k 2k 14k 0
23 1
(a1,a2, ,an)5.论述单个向量 线性相关和线性无关的条件.
解:设存在k使得k 0,若 0,要使k 0,当且仅当k 0,故,单个向量线性
(a1,a2, ,an)线性相关的充要条件是无关的充要条件是 0;相反,单个向量
0.
6.证明:如果向量组线性无关,则向量组的任一部分组都线性无关.
证:设向量组 1, 2, , n 1, n线性无关,利用反证法,
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假设存在该向量组的某一部分组 i, i, , i(ir n)线性相关,
1
2
r
则向量组 1, 2, , n 1, n线性相关,与向量组 1, 2, , n 1, n线性无关矛盾, 所以该命题成立.
7.证明:若 1, 2线性无关,则 1 2, 1 2也线性无关.
证:方法一,设存在k1,k2使得k1( 1 2) k2( 1 2) 0,
整理得,(k1 k2) 1 (k1 k2) 2 0,
k1 k2 0
因为 1, 2线性无关,所以 ,可解得k1 k2 0,
k k 02 1
故 1 2, 1 2线性无关.
方法二,因为( 1 2, 1 2) ( 1, 2)
1 11
, 1
又因为
1 1
2 0,且 1, 2线性无关,所以向量组 1 2, 1 2的秩为2,
故 1 2, 1 2线性无关.
8.设有两个向量组 1, 2, , s和 1, 2, , s,其中
a11 a12 a1s
a21 a22 a2s 1 a31 , 2 a32 , , s a3s ,
ak1 aks aks
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1, 2, , s是分别在 1, 2, , s的k个分量后任意添加m个分量b1j,b2j, ,bmj
(j 1,2, ,s)所组成的k m维向量,证明:
(1) 若 1, 2, , s线性无关,则 1, 2, , s线性无关; (2) 若 1, 2, , s线性相关,则 1, 2, , s线性相关.
证:证法1,(1)设A 1, 2, , s ,B 1, 2, , s ,因为 1, 2, , s线性无关,所以齐次线性方程AX 0只有零解,即r(A) s, 且r(B) s, 1, 2, , s线性无关.
证法2,因为 1, 2, , s线性无关,所以齐次线性方程AX 0只有零解,再增加方程的个数,得BX 0,该方程也只有零解,所以 1, 2, , s线性无关.
(2) 利用反证法可证得,即假设 1, 2, , s线性无关,再由(1)得 1, 2, , s线性无关,与 1, 2, , s线性相关矛盾.
9. 证明: 1 2, 2 3, 3 1线性无关的充分必要条件是 1, 2, 3线性无关.
1
证:方法1,( 1 2, 2 3, 3 1)=( 1, 2, 3) 1
0
011
1 0 1
1011
1
0 2 0,可得 1 2, 2 3, 3 1的秩为31
因为 1, 2, 3线性无关,且1
所以 1 2, 2 3, 3 1线性无关.线性无关;反之也成立.
方法2,充分性,设 1, 2, 3线性无关,证明 1 2, 2 3, 3 1线性无关.
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设存在k1,k2,k3使得k1( 1 2) k2( 2 3) k3( 3 1) 0,整理得,
(k1 k3) 1 (k1 k2) 2 (k2 k3) 3 0
因为 1, 2, 3线性无关,所以
k1 k3 0
k1 k2 0,可解得k1 k2 k3 0,所以 1 2, 2 3, 3 1线性无关. k k 0
3 2
必要性,(方法1)设 1 2, 2 3, 3 1线性无关,证明 1, 2, 3线性无关,
假设 1, 2, 3线性相关,则 1, 2, 3中至少有一向量可由其余两个向量线性表示,不妨设 1可由 2, 3线性表示,则向量组 1 2, 2 3, 3 1可由 2, 3线性表示,且3 2,所以 1 2, 2 3, 3 1线性相关,与 1 2, 2 3, 3 1线性无关矛
盾,故 1, 2, 3线性无关.
方法2,令 1 1 2, 2 2 3, 3 3 1,设存在k1,k2,k3使得
k1 1 k2 2 k3 3 0,由 1 1 2, 2 2 3, 3 3 1得
1 1 2 3), 2 1 2 3), 3 1 2 3),代入
2
2
2
111
k1 1 k2 2 k3 3 0得,
111
k1 1 2 3) k2 1 2 3) k3 1 2 3) 0,即 222
(k1 k2 k3) 1 ( k1 k2 k3) 2 (k1 k2 k3) 3 0
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k1 k2 k3 0
因为 1, 2, 3线性无关,所以 k1 k2 k3 0
k k k 0
23 1
可解得k1 k2 k3 0,所以 1, 2, 3线性无关.
10.下列说法是否正确?如正确,证明之;如不正确,举反例:
(1) 1, 2, , m(m 2)线性无关的充分必要条件是任意两个向量线性无关; 解:不正确,必要条件成立,充分条件不成立,例:2维向量空间不在一条直线的3个向量,虽然两两线性无关,但这3个向量线性相关。设 1 0 , 2 1 , 3 1 ,
1
0
1
1, 2, 3两两线性无关,而 1, 2, 3线性相关.
(2) 1, 2, , m(m 2)线性相关的充分必要条件是有m 1个向量线性相关;
1 0 1
解:不正确,充分条件成立,但必要条件不成立,例:设 1 , 2 , 3 ,011
1, 2, 3线性相关,而 俩 1, 2, 3两两线性无关.
(3) 若 1, 2线性相关, 1, 2线性相关,则有不全为零的数k1,k2,使得
k1 1 k2 2 0且k1 1 k2 2 0,从而使得k( 1 1) k( 2 2) 0, 12
故 1 1, 2 2线性相关.
解:不正确,因为 1, 2线性相关和 1, 2线性相关,不一定存在同一组不全为零的数
k1,k2,使得k1 1 k2 2 0和k1 1 k2 2 0成立;或者说存在两组不全为零的数
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k1,k2和t1,t2使得k1 1 k2 2 0和t1 1 t2 2 0成立.
(4). 若 1, 2, 3线性无关,则 1 2, 2 3, 3 1线性无关.
解:不正确,因为取1,1,1这组常数,使得( 1 2) ( 2 3) ( 3 1) 0,
所以 1 2, 2 3, 3 1线性相关.
(5) 若 1, 2, 3, 4线性无关,则 1 2, 2 3, 3 4, 4 1线性无关;
解:不正确,因为 1 2, 2 3, 3 4, 4 1线性相关, 由9题,n为奇数个时,线性无关,n为偶数时,线性相关.
(6). 若 1, 2, 3, , n线性相关,则 1 2, 2 3, , n 1 n, n 1线性相关;
解:正确,因为 1, 2, 3, , n线性相关,所以 1, 2, 3, , n中至少有一向量可由剩余的n 1个向量线性表示,则 1 2, 2 3, , n 1 n, n 1也可由那剩余的n 1个向量线性表示,再因为n n 1,
所以 1 2, 2 3, , n 1 n, n 1线性相关.
11.如果 1, 2, 3, 4线性相关,但其中任意3个向量都线性无关,证明必存在一组全不为零的数k1,k2,k3,k4,使得k1 1 k2 2 k3 3 k4 4 0.
证:因为 1, 2, 3, 4线性相关,所以存在不全为零的常数k1,k2,k3,k4,使得
k1 1 k2 2 k3 3 k4 4 0,假设k1 0,则k2 2 k3 3 k4 4 0,
得 2, 3, 4线性相关与题设矛盾.故k1 0;同样方法可证得k2,k3,k4都不为零.
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所以该命题成立.
12.若 1, 2, , r线性无关,证明: , 1, 2, , r线性无关的充分必要条件是 不能由 1, 2, , r线性表示.
证:必要性,假设 能由 1, 2, , r,则 , 1, 2, , r线性相关与
, 1, 2, , r线性无关矛盾,故 不能由 1, 2, , r线性表示.
充分性,设存在k0,k1,k2, ,kr使得k0 k1 1 k2 2 k3 3 kr r 0,
若k0 0,则 能由 1, 2, 3, , r线性表出,矛盾,所以k0 0,
因此,k1 1 k2 2 k3 3 kr r 0,又因为 1, 2, , r线性无关,
所以k1 k2 kr 0,故, , 1, 2, , r线性无关.
13.求下列向量组的秩及其一个极大线性无关组,并将其余向量用极大线性无关组线性表示:
(1) 1 (6,4,1,9,2),
2 (1,0,2,3, 4), 3 (1,4, 9, 6,22), 4 (7,1,0, 1,3);
(2) 1 (1, 1,2,4), 2 (0,3,1,2), 3 (3,0,7,14), 4 (2,1,5,6), 5 (1, 1,2,0);
(3) 1 (1,1,1), 2 (1,1,0), 3 (1,0,0), 4 (1,2, 3).
6 4
TTTT
解:(1) 1, 2, 3, 4 = 1
9 2
1023 4
14 9 622
7 1 1 00 0 1 0
3 0
01000
1 5000
0
0 1 0 0
所以,向量组的秩为3, 1, 2, 4为一个极大线性无关组, 3 1 5 2.
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(2)类似(1),可求得向量组的秩为3,
1, 2, 4为一个极大线性无关组,且 3 3 1 2, 5 4 1 2.
(3)类似(1),可求得向量组的秩为3, 1, 2, 3为一个极大线性无关组,
4 5 2 3 1 3.
14.设向量组:
1 (1, 1,2,4), 2 (0,3,1,2), 3 (3,0,7,14), 5 (2,1,5,6), 4 (1, 1,2,0), 5 (2,1,5,6).
(1)证明 1, 2线性无关;
(2)求向量组包含 1, 2的极大线性无关组.
(1)证:设存在k1,k2,使得k1 1T k1 2T 0,求得k1 k2 0,所以 1, 2线性无关;
(2)解, 1, 2, 3, 4, 5
T
T
T
T
T
1
1
2 4
0312
30714
1 120
2 1 1 0 05 06
0100
3100
0010
1
1 , 1 0
所以, 1, 2, 4为包含 1, 2的一个极大线性无关组.
15.设A,B皆为n阶矩阵,r(A) n,r(B) n,证明:
(1)秩
A 00
r(A) r(B); B
(2)秩
A 0C
r(A) r(B),C为任意n阶矩阵. B
证:(1)设r(A) r1,r(B) r2,则存在n阶可逆矩阵P,Q,P,Q,
''
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使得PAQ 0
Er1
0 Er2
''
PBQ , 0 0 0
,从而 0
P
0 0 A ' P 00 Q B 0
Er1
0 0 ' Q 0
0
0000
00Er20
0 0 , 0 0
则 秩
A 00 P
秩 0B 0 A
' P 00 Q
B 00
r1 r2 r(A) r(B). 'Q
(2)因为秩 A
A
C r(A),所以秩 0
C r(A) r(B). B
16.证明r(AB) min(r(A),r(B)).
证:设A,B分别为m n,n s矩阵,将A按列分块,则有
AB 1
2
n
b11
b21 b n1
b12b22 bn2
b1s b2s
的列向量组 1, , s可由A的列向量组 bns
1, 2, , n线性表示,故r(AB) AB的列秩 A的列秩=r(A),同样,将B按行分块,
得r(AB) r(B),因此,该命题成立.
1. 设A,B分别为m n,n m矩阵,且n m,
证明:齐次线性方程组(AB)X 0有非零解.
证:由r(AB) min(r(A),r(B)) n m,所以AB 0,故齐次线性方程组(AB)X 0有非零解.
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18.设A是一个s n矩阵,B是由A的前m行构成的m n矩阵.证明:若A的行向量组的秩为r,则r(B) r m s.
1
1
m 证:设 i (ai1,ai2, ,ain),i 1,2, ,s, A ,B m 1 m
s
.
设r(B) p,于是,B的行向量组的极大线性无关组 i, i, , i含p个向量。因此,
12p所A的行向量组的一个极大线性无关组是向量组 i, i, , i, m 1, , s的一个子集,
1
2
p
以它所含向量个数 p (s m),即r(A) r p (s m),
从而,r(B) p r m s.
求下列(19—22题)矩阵的秩,并指出该矩阵的一个最高阶的非零子式: 1
019.
0 0
2000
3 101
4 202
5 3
. 4 1
1
0解:
0 0
2000
3 101
4 202
5 1 1 3 2 0
4 4 0 1 3 0
2000
3 100
4 200
5
3
2 0
所以,矩阵的秩为3。 100
3 10
5
3 4 0为一个最高阶的非零子式。 4
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1 220.
3 0 1 2解:
3 0
1 203
2460
1 2 10
0 0 . 1 1
0 1 1 0 4 0
1 3 0 1 2 0
1300
2000
10 40
0
1 0 0
1 203
2460
1 2 10
所以,矩阵的秩为3。 130
103
1
1 12 0为一个最高阶的非零子式。 0
3
21. 2
4
2 15
13 5
316
2
3 . 1
3
解: 2
4
2 15
13 5
316
2 1
3 0
01
3 70
413 2
9 17 13
3
9 2
所以,矩阵的秩为3。 324
2 15
1
3 14 0为一个最高阶的非零子式。 5
1
222.
0 0
1120
0112
0 0 1 1
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1 2解:
0 0
1120
0112
0 1 0 0 01 01
1 100
0110
0
0 0 1
所以,矩阵的秩为4。 1200
1120
0112
0011
1 0为一个最高阶的非零子式。
23.设A是一个m n矩阵,证明:存在非零的n s矩阵B,使得AB 0的充要条件是 r(A) n.
证:设齐次线性方程组AX 0,B 1
2
s 0,则由AB 0,
可得A j 0,j 1,2, ,s,由于,B 1
2
s 0,至少有一个 j 0,
再由AX 0有非零解的充要条件是r(A) n,故,A j 0,j 1,2, ,s,
至少有一个 j 0的充要条件是r(A) n.
24.设A,B是同形矩阵,证明:A与B相抵的充要条件是r(A) r(B).
证:设A,B是m n矩阵,r(A) r,r(B) p,则存在可逆矩阵P1,P2,Q1,Q2,
使得P1AQ1 0
Er
0 Ep PBQ ,22 00 0
, 0
充分性,因为r(A) r(B),所以,P1AQ1 0
Er
0 Ep PBQ =22 00 0
, 0
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(P2)
1
1 1 1
P1AQ1Q2 B,令(P2)P1 P,Q1Q2 Q,故,PAQ B
因此,A与B相抵.
必要性,因为A与B相抵,所以,存在可逆矩阵P,Q,使得PAQ B,
因此,r(A) r(B).
(m n)25.设A是m n矩阵,r(A) m,证明:存在n m矩阵B使得AB Im.
证:因为r(A) m,所以,存在可逆矩阵P,Q,使得PAQ Im
0 ,所以有
AQ P
1
Im
0 ,
AQ P
1
Im
0 (P
1
0), (1)
(1)右端乘n m阶矩阵T 0 ,得AQT Im,令QT B,
P
故,AB Im.
26.证明:若n阶方阵A的秩为r,则必有秩为n r的n阶方阵B,使得BA 0.
T
T
证:因为n阶方阵A的秩为r,所以A的秩为r,则AX 0的基础解系含有n r个线
性无关的解向量,取这n r个线性无关的解向量X1, ,Xn r为BT的列向量,则
r(B) n r r(B).因此,该命题得证.
T
27.证明:任何秩为r的矩阵可以表示为r个秩为1矩阵之和,而不能表示为少于r个秩为1的矩阵之和.
Er PAQ A证:设为秩为r的矩阵,则存在可逆矩阵P,Q使得 0
0 , 0
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所以,A P 1 0
Er
0 1
1 1 1 1 1 1
,其中Q P(B B)Q PBQ PBQ1r1r 0
B1, ,Br为秩为1的矩阵
因此,任何秩为r的矩阵可以表示为r个秩为1矩阵之和.
后部的证明,(反证法)假设A为秩为r的矩阵,能表示为少于r个秩为1的矩阵之和,不妨设A能表示为p个秩为1的矩阵之和,其中,p r,设A (B1 Bp),其中
B1, ,Bp是秩为1的矩阵.r(A) r(B1) r(Bp) p r,与r(A) r矛盾.
28.求下列齐次线性方程组的一个基础解系及一般解: x1 x2 5x3 x4 0
x1 x2 2x3 3x4 0(1)
3x1 x2 8x3 x4 0 x 3x 9x 7x 0
234 1
1
1解:
3 1
11 13
5 28 9
1 3 1 7
1
0
0 0
0100
327 200
1 2 0 0
取x3,x4为自由未知量,令x3 1,x4 0和x3 0,x4 1,得原方程组的一个基础解系为
37T,,1,0);22
X1 ( X2 ( 1, 2,0,1),
T
3 1
2
2 7
k2 因此,一般解为X k1X1 k2X2=k1,其中k1,k2为任意常数. 2 0
1 1
0
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3x1 x2 8x3 2x4 x5 0
2x1 2x2 3x3 7x4 2x5 0(2).
x1 11x2 12x3 34x4 5x5 0 x 5x 2x 16x 3x 0
2345 1 3
2解:
1 1
1 211 5
8 3122
2 73416
1 1
2 0
0 5
0 3
0100
00
19
878
258
38
00
2
0 0
12
取x3,x4,x5为自由未知量,令x3 1,x4 0,x5 0,x3 0,x4 1,x5 0和
x3 0,x4 0,x5 1,得原方程组的一个基础解系为
X1 (
32511197TTT
,0,1,0), X3 ( ,,0,0,1), ,,1,0,0), X2 (,
882288
19
87 8
k1 1
0 0
3
8 1 2
251
8 2 k 0 k 0 ,其中,k1,k2,k323 1 0
10
因此,一般解为X k1X1 k2X2 k3X3
为任意常数.
29. 求下列非齐次线性方程组的一般解: 2x1 7x2 3x3 x4 6
(1) 3x1 5x2 2x3 2x4 4
9x 4x x 7x 2
234 1
2
解: 3
9
754
321
116
24 0
72 0
9 110
4 50
8
1 10
00 0
T
取x2,x3为自由未知量,令x2 x3 0,得方程组的一个特解:X0 (8,0,0, 10),
再令x2 1,x3 0和x2 0,x3 1,得其导出组的一个基础解系:
线性代数课本第三章习题详细答案
X1 ( 9,1,0,11),
T
T
X2 ( 4,0,1,5).
所以,方程组的一般解为X X0 k1X1 k2X2,其中k1,k2为任意常数.
(2)
x1 x2 x3 x4 x5 7
3x1 2x2 x3 x4 3x5 2
x2 2x3 2x4 6x5 23
5x1 4x2 3x3 3x4 x5 121214
1123
1123
1 3解:
0 5 17
3 2 0
6230
0 112 1
0100
1200
1200
5 16
623
00
00
取x3,x4,x5,为自由未知量,令x3 x4 x5 0,得方程组的一个特解:
X0 ( 16,23,0,0,0);
T
再取x3 1,x4 0,x5 0,x3 0,x4 1,x5 0和x3 0,x4 0,x5 1得其导出组的一个
TTT
基础解系:X1 (1, 2,1,0,0),X2 (1,2,0,1,0),X3 (5, 6,0,0,1)
所以,方程组的一般解为X X0 k1X1 k2X2 k3X3,其中k1,k2,k3为任意常数. 30.讨论p,q取何值时,下列线性方程组有解、无解,有解时求其解. (p 3)x1 x2 2x3 p
(1) px1 (p 1)x2 x3 2p
3(p 1)x px (p 3)x 3
123
p 3
解: p
3(p 1)
1p 1p
p p 3
2
12p p p 3
2
p 33 p(p 1)2
100
2
3 p 3p 6
32
0p 3p 15p 9 2
p
所以,p 0或p 1时,该方程组无解,
线性代数课本第三章习题详细答案
p 0且p 1时,
p 3
2
p p 3 2
p(p 1)
100
2
3 p 3p 6
32
0p 3p 15p 9 2
p
0
0
1
100
32
4p 3p 12p 9
12
p(p 1) 32
0p 3p 15p 9
2
p(p 1) 0
p 12p 9p(p 1)
2
3
有唯一解是
3
2
3
X1
p 3p 15p 9
p(p 1)
2
,X2
p 12p 9p(p 1)
2
,X3
4p 3p 12p 9
p(p 1)
2
32
x1 x2 x3 x4 x5 1
3x1 2x2 x3 x4 3x5 p(2)
x 2x 2x 6x 32345
5x 4x 3x 3x x q
2345 1 1
3解:
0 5
1214
1123
1123
111
3p 0
630
0 1q
1100
1200
1200
1
63
0p
0q 2
1
所以,当p 0或q 2时,方程组无解;
当p 0且q 2时,方程组有无穷多解,
1
0 0 0
1100
1200
1200
111 63 0
000
000
0100
1200
1200
5 2
63
00
00
T
取x3,x4,x5为自由变量,令x3 x4 x5 0,得方程组的一个特解:X0 ( 2,3,0,0,0);
再取x3 1,x4 0,x5 0,x3 0,x4 1,x5 0和x3 0,x4 0,x5 1得其导出组的一个
TTT基础解系:X1 (1, 2,1,0,0),X2 (1, 2,0,1,0),X3 (5, 6,0,0,1)
线性代数课本第三章习题详细答案
2 1 1 5 3 2 2 6
所以,方程组的一般解为X 0 k1 1 k2 0 k3 0 ,其中k1,k2,k3为任意常
0 0 1 0 0 0 0 1
数.
x1 x2 2x3 x4 1
x1 x2 2x3 7x4 3(3)
x2 px3 qx4 q 3
x x 2x (q 2)x q 3
234 1 1
1解:
0 1
1 111
2 2p2
1
73 0
qq 30
0q 2q 3 1
1
1100
22p 20
3 1
q 3q 2
q 1q 2 1
1
所以,当p 2且q 1时,方程组有唯一解。
当q 1时,方程组无解;
1
0
当p 2时,
0 0
1100
2200
1
3 1 0
q 3q 20
0q 1q 2 1
1
1100
2200
1
3 1
12
04 q
1
所以,当p 2且q 4时,方程组有无穷多解, 10, 7,0,2 k 0, 2,1,0 ,其中k为任意
T
T
常数。
当p 2且q 4时,方程组无解。
31.设A是m n矩阵,证明:若任一个n维向量都是AX 0的解,则A 0.
T
证:因为任一个n维向量都是AX 0的解,则n维向量 i (0, ,0,1,0, ,0)(第i个分
量为1其余分量均为0的列向量)满足A( 1, , n) (A 1, ,A n) 0,即AI 0,其中
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