線性代數 零空間維度等於自由變數個數的原因

2021-08-01 06:40:26 字數 734 閱讀 1091

①以下展開的論述均以下圖的矩陣為例

②上述矩陣特徵:

2個主變數,2個自由變數

③該矩陣零空間的構成:

形式化的理解:在ax=0的條件下,對2個自由變數任意賦值,求得對應主變數的值,從而形成了零空間中的乙個向量。在對2個自由變數分別賦完所有可能的值後,得到的向量的集合,形成了「零空間」

④零空間的特徵以及零空間維度等於自由變數個數的原因

(1)對2個自由變數賦值,可以理解為在乙個xoy平面上任取一點。其中,點的座標分別對應兩個不同的自由變數的取值。使2個自由變數分別賦完所有可能的值,等價於取遍整個xoy平面。

(2)當2個自由變數的值取遍整個平面,並分別求出相應主變數的值所組成的向量的集合(ax=0條件下),形成了零空間

(3)欲完全覆蓋整個二維平面,需要兩個線性無關的向量作為基(這裡是使矩陣各列線性組合為0的兩組特解,也即2個自由變數隨機取值求得主變數後所形成的向量),然後對它們進行線性組合,即可得到乙個二維平面。該二維平面涵蓋了自由變數所有可能的取值,所以該平面為「零空間」

⑤總結

本例中,有2個自由變數,所以在乙個無限大的平面上承載了2個自由變數所有可能的取值。同理,如果有三個自由變數,則需要乙個三維的空間來承載。以此類推,當有n個自由變數時,則需要乙個n維的空間來承載n個自由變數的所有取值。而ax=0的所有解的集合生成了整個零空間,n個自由變數的所有可能取值對應了ax=0的所有解。所以零空間的維度等於自由變數的個數。

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