【题目】育人小学三年级有4个班,已知1班和2班一共有50个人,2班和3班一共有48个人,3班和4班一共有45个人。问1班、2班、3班和4班各有多少人?全年级共有多少人?
【求解答案】1班人数为25人,2班人数为25人,3班人数为23人,4班人数为22人,全年级共有95个人。
【求解思路】由于该问题是不定问题,所以可以考虑用求最小范数解的方法来求解。其解决方法是:令1班人数为x1人,2班人数为x2人,3班人数为x3人,4班人数为x4人
1、根据题意,列出方程组,即
2、根据线性方程组,写成矩阵方程。即
这里,A是线性方程组的系数矩阵,X是线性方程组的变量矩阵,B是线性方程组的常数项矩阵
3、由于A是非方矩阵,所以该矩阵方程伪逆矩阵方法求最小范数解Xº。即
4、由于人数是正整数,所以得到Xº后,应对其值进行取整计算。
5、最后,得到各班级人数和全年级的人数。
【求解过程】
【本题知识点】
1、伪逆矩阵。奇异矩阵或m×n的非方阵的矩阵不存在逆矩阵,但可求其伪逆矩阵。对于矩阵A其伪逆矩阵 X与A^T同型,且满足如下等式:
AXA=A
XAX=X
2、最小范数解。(方程个数不大于未知量个数)
考虑线性方程组 Ax=b,其中
方程的数量不大于未知量的数量。因此,该方程组可能存在无数个解。但是,接下来将发现,只存在一个最接近原点的解,即 Ax=b 的解中范数||x||最小的x。
令x*表示这个解,可知 Ax*=b ,且对于任意满足 Ax=b 的x,都有 ||x*||≤||x||。也就是说,x*是如下优化问题的解:
min ||x||
s.t. Ax=b
此时问题的最小范数解是
3、最小范数解与最小二乘法的区分。
当线性方程组 Ax=b 未知量个数不大于方程个数时,存在最小二乘解:
当线性方程组 Ax=b 未知量个数不小于方程个数时,存在最小范数解: