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零空间与求解 Ax = 0

零空间收集了被矩阵压成零的每个向量。它的大小决定你的方程组是有唯一解还是无穷多解——而且它通过一条干净的核算法则与秩相连。

什么被送到零

A 的 零空间(也叫它的 )是所有满足 A*x = 0 的向量 x 的集合——被矩阵塌缩到零向量上的一切。零向量总在里面;真正的问题是还有没有别的。如果只有 x = 0 满足 A*x = 0,那么各列 无关;如果还有别的 x,那么各列相关。

它对解说了什么

零空间掌控着 线性方程组 A*x = b 的整个解的故事。如果你找到一个解 p(一个特解),那么每个解都形如 p 加上零空间里的某个东西:x = p + n。所以若零空间只是 {0},解就唯一;若零空间更大,则有无穷多解,彼此都是平行的平移。

  1. 把 A 化为阶梯形;主元列无关,其余列自由。
  2. 每个自由列给出一个自由变量,以及一个无关的零空间向量。
  3. 没有自由变量 -> 零空间是 {0} -> A*x = b 至多有一个解。

秩 + 零化度 = 列数

现在来看核算法则。每一列要么是主元列(由秩计数),要么是自由列(由零化度计数)。它们不会既是这个又是那个,也没有遗漏,所以必然相加吻合。这就是 秩-零化度定理:秩 + 零化度 = 列数。

A is 3 x 4,  rank(A) = 2
columns = 4
nullity = columns - rank = 4 - 2 = 2

-> 2 pivot columns, 2 free columns
-> A*x = 0 has a 2-dimensional null space
-> A*x = b (if solvable) has infinitely many solutions
四列分成 2 个主元 + 2 个自由,所以零化度是 2。