一个线性方程组(例如寻找满足多个条件的 $x_1$ 和 $x_2$ 的值)可以简洁地表示为矩阵方程 $Ax = b$。在此式中,$A$ 是系数矩阵,$x$ 是我们希望得到的未知变量向量,$b$ 是等式右侧的常数向量。那么,"解" 这个方程 $Ax = b$ 究竟是什么意思呢?回顾简单的代数。如果你有一个方程 $5x = 10$,解它就是找到使这个式子成立的变量 $x$ 的值。在这个例子中,$x=2$ 是解,因为 $5 \times 2 = 10$。这个道理对于矩阵方程来说非常相似,但现在我们寻找的是一个 向量 $x$,而不仅仅是一个数字。方程组 $Ax = b$ 的一个解是一个特定的向量 $x$,它的分量(例如 $x_1, x_2, \dots, x_n$ 这样的单个值)同时满足矩阵方程中体现的所有线性方程。当你进行矩阵乘法 $Ax$ 时,结果必须正好等于向量 $b$。我们来看一个具体例子。假设我们有以下包含两个未知量的两个线性方程组:$2x_1 + 3x_2 = 8$ $x_1 + x_2 = 3$我们可以将其写成矩阵形式 $Ax = b$ 如下:$$ A = \begin{bmatrix} 2 & 3 \ 1 & 1 \end{bmatrix}, \quad x = \begin{bmatrix} x_1 \ x_2 \end{bmatrix}, \quad b = \begin{bmatrix} 8 \ 3 \end{bmatrix} $$因此,矩阵方程是:$$ \begin{bmatrix} 2 & 3 \ 1 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x_1 \ x_2 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 8 \ 3 \end{bmatrix} $$现在,我们提出一个可能的解:$x = \begin{bmatrix} 1 \ 2 \end{bmatrix}$。这是唯一的解吗?为了验证,我们将这个向量 $x$ 代回方程的左侧 ($Ax$) 并进行矩阵乘法:$$ Ax = \begin{bmatrix} 2 & 3 \ 1 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \ 2 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} (2 \times 1) + (3 \times 2) \ (1 \times 1) + (1 \times 2) \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 2 + 6 \ 1 + 2 \end{bmatrix}\begin{bmatrix} 8 \ 3 \end{bmatrix} $$看这个结果!我们计算出的向量 $\begin{bmatrix} 8 \ 3 \end{bmatrix}$ 正是原始方程中的向量 $b$。由于将 $x = \begin{bmatrix} 1 \ 2 \end{bmatrix}$ 代入 $Ax$ 得到了 $b$,我们可以确认 $x = \begin{bmatrix} 1 \ 2 \end{bmatrix}$ (即 $x_1=1$ 且 $x_2=2$) 确实是这个方程组的一个解。从几何角度看,对于一个包含两个变量的方程组,每个线性方程在二维平面上代表一条直线。方程组的解就是这些直线的交点。我们的解 $(x_1=1, x_2=2)$ 对应于直线 $2x_1 + 3x_2 = 8$ 和 $x_1 + x_2 = 3$ 相交的坐标 $(1, 2)$。{"data":[{"type":"scatter","mode":"lines","x":[-1,5],"y":[3.333,-0.667],"name":"2x\u2081 + 3x\u2082 = 8","line":{"color":"#4263eb"}},{"type":"scatter","mode":"lines","x":[-1,5],"y":[4,-2],"name":"x\u2081 + x\u2082 = 3","line":{"color":"#12b886"}},{"type":"scatter","mode":"markers","x":[1],"y":[2],"name":"解 (1, 2)","marker":{"color":"#f03e3e","size":10,"symbol":"x"}}],"layout":{"xaxis":{"title":"x\u2081","range":[-1,5]},"yaxis":{"title":"x\u2082","range":[-1,5]},"legend":{"yanchor":"top","y":0.99,"xanchor":"left","x":0.01},"margin":{"l":40,"r":20,"t":20,"b":40},"width":500,"height":400}}解 $(1, 2)$ 是表示这些方程的两条直线的交点。值得注意的是,并非所有线性方程组都像这个例子一样具有单个、唯一的解。有时,可能存在以下情况:无解:想象两条永不相交的平行线。如果方程之间存在矛盾,就会出现这种情况。无数解:想象两个方程实际上表示同一条直线。该直线上的任何点都是解。这些情况与矩阵 $A$ 的特定性质有关。在我们的大部分工作中,特别是在使用矩阵逆等方法(我们将在下文讨论)时,我们关注的是恰好有一个唯一解的方程组。因此,"解的含义" 归结为找到那个特定的向量 $x$,当它与矩阵 $A$ 相乘时,会得到向量 $b$。接下来的章节将介绍找到这个向量 $x$ 的方法,从矩阵逆的思路开始。