线性方程组 是线性代数的原点问题。高斯消元用「行变换把矩阵化成上三角」求解,而消元过程的副产品——一组记录变换的下三角矩阵——正是LU 分解的来源。

消元流程

对增广矩阵 做三种行变换(交换两行、某行乘非零常数、某行加另一行的倍数),化成行阶梯形:

  1. 选第一列主元,消去下方各行
  2. 右下子块递归进行,得 (上三角)
  3. 回代:从最后一行向上解出

复杂度 。主元为零则换行;列主元法(每步选该列绝对值最大的元素做主元)顺带抑制舍入误差放大,是数值稳定性的标准做法。

消元的矩阵语言

每次消元 = 左乘一个初等下三角矩阵 :

消元不是一次性算法,而是因子分解——解一次 花 ,但拿到 后,新右端 只需两次三角回代()。这正是LU 分解的存在理由。

解的存在与结构

判定全看矩阵的秩:

| vs | 解 | |---|---| | 相等且 | 唯一解 | | 相等且 | 通解 = 特解 + 零空间,自由变量 个 | | 前者小 | 无解,——求最优近似转伪逆与最小二乘 |

克拉默法则(,见行列式)理论上漂亮,计算上 ,只作理解工具。

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