RUВход: система, ответ которой зависит от буквы
В школьных примерах систему обычно решают подстановкой и сразу ищут пару чисел, не задавая отдельно вопрос «сколько решений?». Поставим в коэффициент букву: $ax + y = 1$, $x + ay = 1$. Из первого уравнения $y = 1-ax$; после подстановки во второе получается $(1-a^2)x = 1-a$. Для общего случая хочется разделить на $1-a^2$, но при $a = \pm1$ этот коэффициент равен нулю — и эти два значения надо разобрать отдельно. При $a = 1$ оба уравнения превращаются в $x + y = 1$, и решений бесконечно много; при $a = -1$ получается $-x + y = 1$ и $x - y = 1$, сложение даёт $0 = 2$, и решений нет вовсе; при всех прочих $a$ решение единственно. Три исхода вместо одного — это и есть содержание дня, а инструментов будет три: метод Гаусса (универсальный, но медленный), ранг (сколько в системе настоящей, неповторяющейся информации) и определитель (одно число, отвечающее на вопрос «решение единственно?» ещё до того, как система решена).
Матрица и система
Матрица размера $m \times n$ — таблица чисел из $m$ строк и $n$ столбцов. Нужна она затем, что компактно записывает систему: $2x + y = 5$, $x - 3y = -1$ превращается в $A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ со строками $(2,1)$ и $(1,-3)$, столбцом $\mathbf{x} = (x, y)^{T}$ и правой частью $\mathbf{b} = (5, -1)^{T}$. Работает это потому, что $i$-я координата произведения $A\mathbf{x}$ — скалярное произведение $i$-й строки матрицы на $\mathbf{x}$: вчерашняя операция, применённая построчно. По тому же правилу устроено произведение матриц, $(AB)_{ij}$ — скалярное произведение $i$-й строки $A$ на $j$-й столбец $B$, поэтому столбцов у $A$ должно быть столько же, сколько строк у $B$, и, вообще говоря, $AB \ne BA$ даже там, где существуют оба произведения. Транспонирование $A^{T}$ переворачивает таблицу относительно главной диагонали.
Метод Гаусса
Идея: превратить систему в ступенчатую, где каждое следующее уравнение содержит меньше неизвестных, и пройти её снизу вверх. Работают при этом не с уравнениями, а с расширенной матрицей $[A \mid \mathbf{b}]$ — матрицей системы с приписанным справа столбцом правых частей: переписывать на каждом шаге буквы $x$, $y$, $z$ незачем, вся информация в числах. Разрешено ровно три действия, и ни одно не меняет множество решений: переставить две строки; умножить строку на ненулевое число; прибавить к одной строке другую, умноженную на число.
Пример. Система $x + y + z = 6$, $2x + 3y - z = 5$, $x - y + 2z = 5$. Вычитаем удвоенную первую строку из второй и первую из третьей, затем к третьей прибавляем удвоенную вторую:
$$\left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 2 & 3 & -1 & 5 \\ 1 & -1 & 2 & 5 \end{array}\right)
\to \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 0 & 1 & -3 & -7 \\ 0 & -2 & 1 & -1 \end{array}\right)
\to \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 0 & 1 & -3 & -7 \\ 0 & 0 & -5 & -15 \end{array}\right)$$Последняя строка читается как $-5z = -15$, откуда $z = 3$. Обратный ход: $y - 9 = -7$, значит $y = 2$; затем $x + 2 + 3 = 6$, значит $x = 1$. Проверка подстановкой во второе уравнение: $2 + 6 - 3 = 5$ ✓.
| Что вышло внизу | Сколько решений | Геометрия для двух переменных |
|---|
| Ступенчатый вид, ведущий элемент в каждом столбце | ровно одно | прямые пересекаются в точке |
| Строка вида $0 = c$, где $c \ne 0$ | ни одного | прямые параллельны |
| Строка вида $0 = 0$, есть столбцы без ведущего элемента | бесконечно много | прямые совпали |
Третий случай в школе обычно проскакивают, а на экзаменах он встречается постоянно.
Ранг и критерий Кронекера — Капелли
Строка $0 = 0$ появляется не случайно: она означает, что одно из уравнений не сообщало ничего нового и получалось из остальных.
Линейная зависимость и рангНабор строк $v_1, \ldots, v_k$ линейно зависим, если какая-то комбинация $c_1v_1 + \cdots + c_kv_k$ с не всеми нулевыми коэффициентами даёт нулевую строку. Для двух строк это в точности пропорциональность, для трёх и больше — уже нет. $\rank A$ — максимальное число линейно независимых строк; оно всегда совпадает с максимальным числом независимых столбцов, поэтому $\rank A^{T} = \rank A$. Считается ранг Гауссом: приводим к ступенчатому виду и считаем ненулевые строки.
Критерий Кронекера — КапеллиСистема $A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ с $n$ неизвестными совместна (имеет хотя бы одно решение) тогда и только тогда, когда $\rank A = \rank[A \mid \mathbf{b}]$. Если этот общий ранг равен $n$, решение единственно; если меньше $n$, решений бесконечно много, и свободных переменных ровно $n - \rank A$.
Строка $0 = c$ при $c \ne 0$ — это буквально $\rank A < \rank[A \mid \mathbf{b}]$: приписанный столбец добавил матрице независимую строку, а сама $A$ такой строки не имела. Возьмём $x + 2y + 3z = 1$, $2x + 4y + 6z = \beta$, $x + 3y + 5z = 3$: у матрицы вторая строка вдвое больше первой, поэтому $\rank A = 2$ при любом $\beta$. При $\beta = 2$ вдвое больше и всё второе уравнение целиком, ранги совпадают, свободных переменных $3 - 2 = 1$, решения образуют прямую $(-3 + t,\ 2 - 2t,\ t)$. При $\beta = 3$ второе уравнение противоречит первому, ранг расширенной матрицы становится 3, и решений нет ни одного.
Зачем ранг, если есть ГауссЗатем, что вопрос экзамена обычно звучит «сколько решений», а не «какие». И главное: у неквадратной системы определителя нет вообще, Кронекер — Капелли остаётся единственным.
Определитель
Для квадратной матрицы есть одно число, отвечающее на вопрос о единственности решения. Для $2\times2$ это $ad - bc$. Для $3\times3$ — разложение по строке: берём элементы строки, каждый умножаем на определитель матрицы, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, и чередуем знаки. Для матрицы из строк $(2,1,0)$, $(1,3,1)$, $(0,2,4)$ это даёт
$$2\begin{vmatrix} 3 & 1 \\ 2 & 4\end{vmatrix} - 1\begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 4\end{vmatrix}
+ 0\begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 0 & 2\end{vmatrix} = 2(12 - 2) - 1(4 - 0) + 0 = 16$$Раскладывать можно по любой строке и по любому столбцу; знак элемента в позиции $(i,j)$ равен $(-1)^{i+j}$, то есть шахматный порядок начинается с плюса в левом верхнем углу. Четыре свойства, которые экономят время:
- $\det A^{T} = \det A$, поэтому со столбцами можно работать так же, как со строками;
- прибавление к строке другой строки, умноженной на число, определитель не меняет; перестановка двух строк меняет знак; умножение строки на $\lambda$ умножает на $\lambda$ весь определитель;
- если строки линейно зависимы (одна пропорциональна другой или равна сумме остальных), определитель равен нулю;
- $\det(AB) = \det A \cdot \det B$.
Из второго свойства следует, что определитель считается тем же Гауссом: приводим матрицу к треугольному виду одними прибавлениями, и он равен произведению того, что осталось на диагонали. В примере из раздела о методе Гаусса на диагонали оказались $1$, $1$, $-5$: определитель той матрицы равен $-5$, он не нуль, и это согласуется с единственностью решения.
Вандермонд. Одну структуру стоит узнавать в лицо: если в каждой строке стоят степени одного и того же узла от нулевой до $(n-1)$-й, то есть строки имеют вид $(1,\ x_i,\ x_i^2,\ \ldots)$, это матрица Вандермонда, и её определитель равен $\prod_{i<j}(x_j - x_i)$ — произведению всех разностей узлов; из $\det A^{T} = \det A$ то же верно, когда такой вид имеют не строки, а столбцы. Следствие важнее формулы: он нулевой тогда и только тогда, когда среди узлов есть два совпадающих.
Правило экономииРаскладывай по той строке или столбцу, где больше нулей: каждый ноль убирает целое слагаемое. Нулей нет — сделай их сам прибавлением строк, это бесплатно. Знаковые ошибки в определителях — поставщик номер один потерянных баллов, поэтому проверяй вторым разложением.
Главное равенство дня$$\det A \ne 0 \iff \text{система } A\mathbf{x} = \mathbf{b} \text{ имеет ровно одно решение при любой правой части}$$
Геометрически $|\det A|$ — это во сколько раз преобразование $\mathbf{x} \mapsto A\mathbf{x}$ растягивает площадь или объём; ноль означает, что пространство сплющено в прямую или в точку, информация потеряна и восстановить исходный вектор однозначно уже нельзя. При $\det A \ne 0$ существует обратная матрица $A^{-1}$ с условием $AA^{-1} = I$, решение записывается как $\mathbf{x} = A^{-1}\mathbf{b}$, а для $2\times2$ она равна $\frac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a\end{pmatrix}$. Есть и бесплатный признак: если в каждой строке модуль диагонального элемента строго больше суммы модулей остальных (строгое диагональное преобладание), матрица невырождена.
Система с параметром: главный сюжет дня
Алгоритм разбора системы с параметром- Система квадратная? Если нет — определителя не существует, сразу Кронекер — Капелли.
- Посчитай $\det A$ как многочлен от параметра и разложи его на множители.
- При всех значениях параметра, кроме корней этого многочлена, решение ровно одно. Это весь общий случай, и он закрыт.
- Каждый корень подставь обратно в систему по одному и прогони Гаусс руками: строка $0 = c$ означает «решений нет», строка $0 = 0$ — «бесконечно много».
Четвёртый пункт — тот, на котором теряют баллы. Корни определителя не делятся на «плохие» и «хорошие» заранее: один может давать несовместную систему, а другой — бесконечное множество решений, и различает их только подстановка. Ровно это делает эталонная задача ниже.
Матрица Грама
Теперь линия, ради которой этот день стоит в программе именно перед экзаменом YMLS. Задача такого типа: даны несколько векторов, известны их длины и часть попарных скалярных произведений, известно, что векторы линейно зависимы, найти недостающее произведение. Координат нет и ввести их негде, а прямой путь — искать коэффициенты разложения — длинный.
Матрица ГрамаДля векторов $v_1, \ldots, v_k$ составим таблицу всех попарных скалярных произведений $G_{ij} = \langle v_i, v_j\rangle$. Матрица симметрична, на диагонали стоят квадраты длин, и тогда
$$\{v_i\} \text{ линейно зависимы} \iff \det G = 0$$Всегда $\det G \ge 0$, и он равен квадрату объёма параллелепипеда на этих векторах.
Почему это верно, видно уже на двух векторах: $\det G = \|u\|^2\|v\|^2 - \langle u,v\rangle^2 = \|u\|^2\|v\|^2(1 - \cos^2\varphi) = (\|u\|\,\|v\|\sin\varphi)^2$, то есть в точности квадрат площади параллелограмма. Он неотрицателен и равен нулю ровно тогда, когда $\sin\varphi = 0$, то есть векторы коллинеарны — это тот же случай равенства в Коши — Буняковском. В размерности $k$ рассуждение то же: зависимые векторы лежат в подпространстве меньшей размерности, «объём» на них нулевой. Считают отсюда так: неизвестное произведение обозначается буквой и ставится в две симметричные клетки таблицы, $\det G$ становится многочленом от буквы, условие зависимости даёт уравнение $\det G = 0$, и для трёх векторов оно квадратное.
Двух корней надо ждать заранееКвадратное уравнение даёт два значения, и оба, как правило, геометрически реализуемы: они отвечают двум конфигурациям — вектор отклонён в ту же сторону или в другую. Выбор делает не алгебра, а дополнительное условие в тексте задачи: полуплоскость, знак угла, различность векторов. Ищи это условие до того, как начнёшь решать квадратное уравнение, иначе решишь задачу наполовину.
Отдельно стоит запомнить частный факт: в $\mathbb{R}^n$ любые $n+1$ векторов линейно зависимы, поэтому в плоской задаче условие $\det G = 0$ для трёх векторов выполнено автоматически: его не надо доказывать, им надо пользоваться.
Ранг как аргумент о размере
Последний сюжет дня: ранг применяется не для того, чтобы что-то посчитать, а чтобы что-то доказать. Нужны три факта.
- $\rank(AB) \le \min(\rank A, \rank B)$: произведение не может быть богаче информацией, чем любой из множителей.
- $\rank(A^{T}A) = \rank A$ для любой вещественной матрицы. Из $A^{T}A\mathbf{x} = 0$ следует $\mathbf{x}^{T}A^{T}A\mathbf{x} = \|A\mathbf{x}\|^2 = 0$, а значит и $A\mathbf{x} = 0$; обратное очевидно. У $A$ и $A^{T}A$ совпадают множества решений однородной системы, а с ними число свободных переменных, а с ним и ранг. Тем же рассуждением $\rank(AA^{T}) = \rank A^{T} = \rank A$.
- Если $J$ — квадратная матрица из одних единиц, а $D$ — диагональная с положительными элементами, то $J + D$ невырождена: для любого ненулевого $\mathbf{x}$ величина $\mathbf{x}^{T}(J + D)\mathbf{x} = \left(\sum_i x_i\right)^2 + \sum_i d_i x_i^2$ строго положительна, поэтому равенство $(J + D)\mathbf{x} = 0$ невозможно.
Вместе это даёт приём: закодируй конфигурацию из условия матрицей нулей и единиц и посмотри, что означают $AA^{T}$ и $A^{T}A$. Если обе оказываются вида «единицы плюс положительная диагональ», обе невырождены, их ранги равны своим размерам — и два разных размера обязаны совпасть, потому что оба равны $\rank A$. Так комбинаторная задача превращается в равенство двух чисел. Это и есть содержание задачи s1001.
Что должно остаться в голове
- Матрица кодирует систему; умножение на вектор — скалярные произведения по строкам.
- Гаусс работает с расширенной матрицей и тремя действиями; исход читается по последней строке: треугольник, $0 = c$ или $0 = 0$.
- $\rank A$ — число ненулевых строк ступенчатого вида, $\rank A^{T} = \rank A$; Кронекер — Капелли: совместность есть $\rank A = \rank[A\mid\mathbf{b}]$, единственность — равенство этого ранга числу неизвестных, свободных переменных $n - \rank A$.
- Определитель: $ad - bc$, разложение по строке с чередованием знаков, треугольный вид Гаусса как второй способ; ноль означает зависимость строк, а $\det A \ne 0$ — единственность решения, но только у квадратной системы.
- Вандермонд узнаётся по степеням одних и тех же узлов в строках (или, что то же, в столбцах) и считается произведением разностей $\prod_{i<j}(x_j - x_i)$.
- Параметр: посчитал определитель, разложил на множители, все прочие значения — один случай, каждый корень — отдельный разбор руками.
- Матрица Грама: диагональ из квадратов длин, $\det G = 0 \iff$ векторы зависимы, $\det G$ — квадрат объёма; два корня разделяются условием задачи.
- $\rank(AB) \le \min(\rank A, \rank B)$ и $\rank(A^{T}A) = \rank A$ — инструменты доказательства, а не счёта.
ENOpening: a system whose answer depends on a letter
In school examples, a system is usually solved by substitution, and you immediately look for a pair of numbers without asking separately “how many solutions are there?” Put a letter in the coefficients: $ax + y = 1$, $x + ay = 1$. From the first equation, $y = 1-ax$; substituting into the second gives $(1-a^2)x = 1-a$. In the general case, you want to divide by $1-a^2$, but at $a = \pm1$ this coefficient is zero — and those two values must be analyzed separately. At $a = 1$, both equations become $x + y = 1$, giving infinitely many solutions. At $a = -1$, they become $-x + y = 1$ and $x - y = 1$; adding them gives $0 = 2$, so there are no solutions. For every other $a$, the solution is unique. Three outcomes instead of one — that is the content of the day, with three tools: Gaussian elimination (universal but slow), rank (how much genuine, non-repeated information the system contains), and the determinant (one number that answers “is the solution unique?” before the system itself is solved).
Matrix and system
A matrix of size $m \times n$ is a table of numbers with $m$ rows and $n$ columns. Its purpose is to record a system compactly: $2x + y = 5$, $x - 3y = -1$ becomes $A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ with rows $(2,1)$ and $(1,-3)$, column $\mathbf{x} = (x, y)^{T}$, and right-hand side $\mathbf{b} = (5, -1)^{T}$. This works because the $i$th coordinate of $A\mathbf{x}$ is the dot product of the matrix’s $i$th row with $\mathbf{x}$ — yesterday’s operation applied row by row. Matrix multiplication follows the same rule: $(AB)_{ij}$ is the dot product of row $i$ of $A$ and column $j$ of $B$. Therefore $A$ must have as many columns as $B$ has rows, and generally $AB \ne BA$, even where both products exist. Transposition $A^{T}$ flips the table across its main diagonal.
Gaussian elimination
The idea is to turn a system into row-echelon form, where each successive equation contains fewer unknowns, and then work upward from the bottom. We operate not on equations but on the augmented matrix $[A \mid \mathbf{b}]$ — the system matrix with the right-hand-side column appended: there is no need to rewrite $x$, $y$, and $z$ at every step, because all information is in the numbers. Exactly three operations are allowed, and none changes the solution set: swap two rows; multiply a row by a nonzero number; add to one row another row multiplied by a number.
Example. System $x + y + z = 6$, $2x + 3y - z = 5$, $x - y + 2z = 5$. Subtract twice the first row from the second and the first from the third, then add twice the second to the third:
$$\left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 2 & 3 & -1 & 5 \\ 1 & -1 & 2 & 5 \end{array}\right)
\to \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 0 & 1 & -3 & -7 \\ 0 & -2 & 1 & -1 \end{array}\right)
\to \left(\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 6 \\ 0 & 1 & -3 & -7 \\ 0 & 0 & -5 & -15 \end{array}\right)$$The last row reads $-5z = -15$, so $z = 3$. Back-substitution: $y - 9 = -7$, hence $y = 2$; then $x + 2 + 3 = 6$, hence $x = 1$. Check by substituting into the second equation: $2 + 6 - 3 = 5$ ✓.
| What appears at the bottom | Number of solutions | Geometry for two variables |
|---|
| Row-echelon form with a pivot in every column | exactly one | lines intersect at one point |
| A row $0 = c$ with $c \ne 0$ | none | parallel lines |
| A row $0 = 0$ and columns without a pivot | infinitely many | coincident lines |
The third case is often skipped at school, but it appears constantly on exams.
Rank and the Rouché–Capelli theorem
The row $0 = 0$ does not appear by accident: it means one equation added no new information and was generated by the others.
Linear dependence and rankA set of rows $v_1, \ldots, v_k$ is linearly dependent if some combination $c_1v_1 + \cdots + c_kv_k$, with not all coefficients zero, gives the zero row. For two rows this is exactly proportionality; for three or more, it is not. $\rank A$ is the maximum number of linearly independent rows; it always equals the maximum number of independent columns, so $\rank A^{T} = \rank A$. Compute rank with Gaussian elimination: reduce to row-echelon form and count the nonzero rows.
Rouché–Capelli theoremA system $A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ with $n$ unknowns is consistent (has at least one solution) if and only if $\rank A = \rank[A \mid \mathbf{b}]$. If this common rank is $n$, the solution is unique; if it is less than $n$, there are infinitely many solutions, with exactly $n - \rank A$ free variables.
The row $0 = c$ with $c \ne 0$ is literally $\rank A < \rank[A \mid \mathbf{b}]$: the appended column added an independent row, which $A$ did not have. Take $x + 2y + 3z = 1$, $2x + 4y + 6z = \beta$, $x + 3y + 5z = 3$. The second row of $A$ is twice the first, so $\rank A = 2$ for every $\beta$. At $\beta = 2$, the right side also doubles and the second equation is entirely redundant; the ranks match, there are $3 - 2 = 1$ free variables, and the solutions form the line $(-3 + t,\ 2 - 2t,\ t)$. At $\beta = 3$, the second equation contradicts the first, the augmented rank becomes 3, and there are no solutions.
Why rank if we have Gaussian eliminationBecause the exam usually asks “how many solutions?” rather than “what are they?” More importantly, a rectangular system has no determinant at all; Rouché–Capelli remains the only criterion.
Determinant
For a square matrix, one number answers the question of whether the solution is unique. For $2\times2$ it is $ad - bc$. For $3\times3$, expand along a row: multiply each entry by the determinant of the matrix left after crossing out its row and column, and alternate the signs. For the matrix with rows $(2,1,0)$, $(1,3,1)$, $(0,2,4)$:
$$2\begin{vmatrix} 3 & 1 \\ 2 & 4 \end{vmatrix} - 1\begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 4 \end{vmatrix}
+ 0\begin{vmatrix} 1 & 3 \\ 0 & 2 \end{vmatrix} = 2(12 - 2) - 1(4 - 0) + 0 = 16$$You may expand along any row or column; the sign at position $(i,j)$ is $(-1)^{i+j}$, a checkerboard pattern beginning with plus in the upper-left corner. Four properties save time:
- $\det A^{T} = \det A$, so columns can be treated just like rows;
- adding a multiple of one row to another does not change the determinant; swapping two rows changes its sign, and multiplying a row by $\lambda$ multiplies the entire determinant by $\lambda$;
- if rows are linearly dependent (one is proportional to another or equals a sum of the others), the determinant is zero;
- $\det(AB) = \det A \cdot \det B$.
The second property means you can calculate a determinant with the same Gaussian elimination: reduce the matrix to triangular form using additions only, and it equals the product of the remaining diagonal entries. In the Gaussian-elimination example, the diagonal entries are $1$, $1$, and $-5$; the determinant is $-5$, not zero, which agrees with the unique solution.
Vandermonde. One structure is worth recognizing at a glance: if each row contains powers of the same node from zero through $(n-1)$, so the rows look like $(1,\ x_i,\ x_i^2,\ \ldots)$, this is a Vandermonde matrix, and its determinant is $\prod_{i<j}(x_j - x_i)$ — the product of all node differences. Since $\det A^{T} = \det A$, the same is true when this pattern appears in columns rather than rows. The consequence matters more than the formula: it is zero if and only if two nodes coincide.
A time-saving ruleExpand along the row or column with the most zeros: each zero removes an entire term. If there are no zeros, create them by adding rows — that is free. Sign errors are the number-one source of lost determinant points, so check with a second expansion.
The day’s main equality$$\det A \ne 0 \iff \text{system } A\mathbf{x} = \mathbf{b} \text{ has exactly one solution for every right-hand side}$$
Geometrically, $|\det A|$ is how much the transformation $\mathbf{x} \mapsto A\mathbf{x}$ scales area or volume; zero means space has been flattened into a line or a point, information has been lost, and the original vector can no longer be recovered uniquely. When $\det A \ne 0$, an inverse matrix $A^{-1}$ exists with $AA^{-1} = I$, and the solution is $\mathbf{x} = A^{-1}\mathbf{b}$. For $2\times2$, it is $\frac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a\end{pmatrix}$. There is also a free test: if in every row the diagonal entry’s absolute value is strictly greater than the sum of the absolute values of the other entries (strict diagonal dominance), the matrix is nonsingular.
Parameterized system: the day’s main storyline
Algorithm for analyzing a parameterized system- Is the system square? If not, there is no determinant; go straight to Rouché–Capelli.
- Calculate $\det A$ as a polynomial in the parameter and factor it.
- For every parameter value except the roots of this polynomial, the solution is exactly one. This is the complete general case.
- Substitute each root back into the system one at a time and run Gaussian elimination by hand: $0 = c$ means no solutions, while $0 = 0$ means infinitely many.
The fourth point is where marks are lost. Determinant roots cannot be divided in advance into “bad” and “good”: one may give an inconsistent system and another infinitely many solutions, and only substitution distinguishes them. That is exactly what the model problem below demonstrates.
Gram matrix
This is the thread that puts today immediately before the YMLS exam. In this type of problem, several vectors are given, their lengths and some pairwise dot products are known, the vectors are linearly dependent, and a missing product must be found. There are no coordinates and nowhere to introduce them; the direct route of finding decomposition coefficients is long.
Gram matrixFor vectors $v_1, \ldots, v_k$, make a table of all pairwise dot products $G_{ij} = \langle v_i, v_j\rangle$. The matrix is symmetric, with squared lengths on the diagonal, and then
$$\{v_i\} \text{ linearly dependent} \iff \det G = 0$$Always $\det G \ge 0$, and it equals the square of the volume of the parallelepiped spanned by these vectors.
Why this is true is already visible for two vectors: $\det G = \|u\|^2\|v\|^2 - \langle u,v\rangle^2 = \|u\|^2\|v\|^2(1 - \cos^2\varphi) = (\|u\|\,\|v\|\sin\varphi)^2$, exactly the squared area of the parallelogram. It is nonnegative and zero precisely when $\sin\varphi = 0$, meaning the vectors are collinear — the same equality case from Cauchy–Schwarz. In dimension $k$, the reasoning is the same: dependent vectors lie in a lower-dimensional subspace, so their “volume” is zero. The calculation is therefore: call the unknown product a letter and put it in the two symmetric cells of the table; $\det G$ becomes a polynomial in that letter; dependence gives $\det G = 0$; for three vectors, this is a quadratic equation.
Expect two rootsA quadratic equation gives two values, and both are usually geometrically realizable: they correspond to two configurations, with the vector tilted to one side or the other. The choice is made not by algebra but by an extra condition in the problem statement: a half-plane, the sign of an angle, or distinctness of vectors. Look for that condition before solving the quadratic, or you will solve only half the problem.
Remember one special fact: in $\mathbb{R}^n$, any $n+1$ vectors are linearly dependent. Therefore, in the planar case $\det G = 0$ for three vectors automatically; there is no need to prove it — use it.
Rank as an argument about size
The final storyline of the day uses rank not to calculate something but to prove something. Three facts are needed.
- $\rank(AB) \le \min(\rank A, \rank B)$: a product cannot contain more information than either factor.
- $\rank(A^{T}A) = \rank A$ for every real matrix. From $A^{T}A\mathbf{x} = 0$ we get $\mathbf{x}^{T}A^{T}A\mathbf{x} = \|A\mathbf{x}\|^2 = 0$, hence $A\mathbf{x} = 0$; the reverse implication is obvious. $A$ and $A^{T}A$ have the same solution set for the homogeneous system, and therefore the same number of free variables and the same rank. The same argument gives $\rank(AA^{T}) = \rank A^{T} = \rank A$.
- If $J$ is a square matrix of ones and $D$ is diagonal with positive entries, then $J + D$ is nonsingular: for any nonzero $\mathbf{x}$, $\mathbf{x}^{T}(J + D)\mathbf{x} = \left(\sum_i x_i\right)^2 + \sum_i d_i x_i^2$ is strictly positive, so $(J + D)\mathbf{x} = 0$ is impossible.
Together these give a technique: encode the configuration in the statement with a zero–one matrix and see what $AA^{T}$ and $A^{T}A$ mean. If both have the form “ones plus a positive diagonal,” both are nonsingular and their ranks equal their sizes — so two different sizes must be equal because both equal $\rank A$. This turns a combinatorial problem into an equality between two numbers. That is the content of s1001.
What should stay in your head
- A matrix encodes a system; multiplication by a vector is a row-wise collection of dot products.
- Gaussian elimination uses the augmented matrix and three operations; read the outcome from the last row: echelon form, $0 = c$, or $0 = 0$.
- $\rank A$ is the number of nonzero rows in echelon form, and $\rank A^{T} = \rank A$; Rouché–Capelli says consistency is $\rank A = \rank[A\mid\mathbf{b}]$, uniqueness is equality of this rank with the number of unknowns, and the number of free variables is $n - \rank A$.
- Determinant: $ad - bc$, expansion along a row with alternating signs, and triangular Gaussian form as a second method; zero means dependent rows, while $\det A \ne 0$ means a unique solution, but only for a square system.
- Recognize Vandermonde by powers of the same nodes in rows (or equivalently columns), and calculate it as the product of differences $\prod_{i<j}(x_j - x_i)$.
- Parameter: calculate the determinant, factor it, treat all other values as one case, and analyze each root separately by hand.
- Gram matrix: diagonal of squared lengths, $\det G = 0 \iff$ vectors are dependent, and $\det G$ is squared volume; use the problem’s condition to distinguish the two roots.
- $\rank(AB) \le \min(\rank A, \rank B)$ and $\rank(A^{T}A) = \rank A$ are proof tools, not calculation tools.