[ 1 − 1 1 1 − 1 2 − 1 1 0 ] → R 3 + R 2 R 2 − R 1 [ 1 − 1 1 0 0 1 0 0 2 ] → R 3 − 2 R 1 [ 1 − 1 1 0 0 1 0 0 0 ] ∴ rank ( [ 1 − 1 1 1 − 1 2 − 1 1 0 ] ) = 2 \begin{array}{c}
\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 \\
1 & -1 & 2 \\
-1 & 1 & 0
\end{bmatrix}
&\xrightarrow[R_3 + R_2]{R_2 - R_1}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 \\
0 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 2 \\
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow{R_3 - 2R_1}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 \\
0 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 0 \\
\end{bmatrix}
\end{array}
\\[2em]
\therefore \operatorname{rank}\(
\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 \\
1 & -1 & 2 \\
-1 & 1 & 0
\end{bmatrix}
\) = 2 1 1 − 1 − 1 − 1 1 1 2 0 R 2 − R 1 R 3 + R 2 R 3 − 2 R 1 1 0 0 − 1 0 0 1 1 2 1 0 0 − 1 0 0 1 1 0 ∴ rank 1 1 − 1 − 1 − 1 1 1 2 0 = 2
[ 1 − 1 2 1 2 1 − 1 0 1 2 − 3 − 1 4 − 1 3 2 0 3 − 5 − 2 ] → R 3 − R 1 R 2 − 2 R 1 [ 1 − 1 2 1 0 3 − 5 − 2 0 3 − 5 − 2 4 − 1 3 2 0 3 − 5 − 2 ] → R 2 ↔ R 4 R 2 − R 3 R 3 − R 2 R 5 − R 2 [ 1 − 1 2 1 0 3 − 5 − 2 0 3 − 5 − 2 4 − 1 3 2 0 3 − 5 − 2 ] → R 3 − R 1 R 2 − 2 R 1 [ 1 − 1 2 1 4 − 1 3 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] → R 2 − 4 R 1 [ 1 − 1 2 1 0 3 − 5 − 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] → 1 3 R 2 [ 1 − 1 2 1 0 1 − 5 3 − 2 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] → R 1 + R 2 [ 1 0 1 3 1 3 0 1 − 5 3 − 2 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ] ∴ rank ( [ 1 − 1 2 1 2 1 − 1 0 1 2 − 3 − 1 4 − 1 3 2 0 3 − 5 − 2 ] ) = 2 \begin{array}{c}
\begin{bmatrix}
1 & -1 & 2 & 1 \\
2 & 1 & -1 & 0 \\
1 & 2 & -3 & -1 \\
4 & -1 & 3 & 2 \\
0 & 3 & -5 & -2
\end{bmatrix}
&\xrightarrow[R_3 - R_1]{R_2 - 2R_1}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 2 & 1 \\
0 & 3 & -5 & -2 \\
0 & 3 & -5 & -2 \\
4 & -1 & 3 & 2 \\
0 & 3 & -5 & -2
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow[R_2 \leftrightarrow R_4]
{\substack{
R_2 - R_3 \\[.2em]
R_3 - R_2 \\[.2em]
R_5 - R_2
}}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 2 & 1 \\
0 & 3 & -5 & -2 \\
0 & 3 & -5 & -2 \\
4 & -1 & 3 & 2 \\
0 & 3 & -5 & -2
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow[R_3 - R_1]{R_2 - 2R_1}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 2 & 1 \\
4 & -1 & 3 & 2 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow{R_2 - 4R_1}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 2 & 1 \\
0 & 3 & -5 & -2 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow{\frac{1}{3}R_2}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 2 & 1 \\
0 & 1 & -\frac{5}{3} & -\frac{2}{3} \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow{R_1 + R_2}
&\begin{bmatrix}
1 & 0 & \frac{1}{3} & \frac{1}{3} \\
0 & 1 & -\frac{5}{3} & -\frac{2}{3} \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 0
\end{bmatrix}
\end{array}
\\[2em]
\therefore\operatorname{rank}\(
\begin{bmatrix}
1 & -1 & 2 & 1 \\
2 & 1 & -1 & 0 \\
1 & 2 & -3 & -1 \\
4 & -1 & 3 & 2 \\
0 & 3 & -5 & -2
\end{bmatrix}
\) = 2 1 2 1 4 0 − 1 1 2 − 1 3 2 − 1 − 3 3 − 5 1 0 − 1 2 − 2 R 2 − 2 R 1 R 3 − R 1 R 2 − R 3 R 3 − R 2 R 5 − R 2 R 2 ↔ R 4 R 2 − 2 R 1 R 3 − R 1 R 2 − 4 R 1 3 1 R 2 R 1 + R 2 1 0 0 4 0 − 1 3 3 − 1 3 2 − 5 − 5 3 − 5 1 − 2 − 2 2 − 2 1 0 0 4 0 − 1 3 3 − 1 3 2 − 5 − 5 3 − 5 1 − 2 − 2 2 − 2 1 4 0 0 0 − 1 − 1 0 0 0 2 3 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 − 1 3 0 0 0 2 − 5 0 0 0 1 − 2 0 0 0 1 0 0 0 0 − 1 1 0 0 0 2 − 3 5 0 0 0 1 − 3 2 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 3 1 − 3 5 0 0 0 3 1 − 3 2 0 0 0 ∴ rank 1 2 1 4 0 − 1 1 2 − 1 3 2 − 1 − 3 3 − 5 1 0 − 1 2 − 2 = 2
[ 1 − 1 1 − 1 1 − 1 1 1 1 − 1 1 3 ] → R 2 − R 1 R 3 − R 2 [ 1 − 1 1 − 1 0 0 0 2 0 0 0 2 ] → 1 2 R 3 1 2 R 2 [ 1 − 1 1 − 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ] → R 3 − R 2 R 1 + R 2 [ 1 − 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 ] ∴ rank ( [ 1 − 1 1 − 1 1 − 1 1 1 1 − 1 1 3 ] ) = 2 \begin{array}{c}
\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 & -1 \\
1 & -1 & 1 & 1 \\
1 & -1 & 1 & 3 \\
\end{bmatrix}
&\xrightarrow[R_2 - R_1]{R_3 - R_2}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0 & 2 \\
0 & 0 & 0 & 2 \\
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow[\frac{1}{2}R_3]{\frac{1}{2}R_2}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 & -1 \\
0 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 0 & 1 \\
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow[R_3 - R_2]{R_1 + R_2}
&\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 0 & 0 \\
\end{bmatrix}
\end{array}
\\[2em]
\therefore\operatorname{rank}\(
\begin{bmatrix}
1 & -1 & 1 & -1 \\
1 & -1 & 1 & 1 \\
1 & -1 & 1 & 3 \\
\end{bmatrix}
\) = 2 1 1 1 − 1 − 1 − 1 1 1 1 − 1 1 3 R 3 − R 2 R 2 − R 1 2 1 R 2 2 1 R 3 R 1 + R 2 R 3 − R 2 1 0 0 − 1 0 0 1 0 0 − 1 2 2 1 0 0 − 1 0 0 1 0 0 − 1 1 1 1 0 0 − 1 0 0 1 0 0 0 1 0 ∴ rank 1 1 1 − 1 − 1 − 1 1 1 1 − 1 1 3 = 2
[ 3 0 − 2 ] → − 1 2 R 3 R 1 + 3 2 R 3 [ 0 0 1 ] → R 1 ↔ R 2 [ 1 0 0 ] ∴ rank ( [ 3 0 − 2 ] ) = 1 \begin{array}{c}
\begin{bmatrix}
3 \\
0 \\
-2
\end{bmatrix}
&\xrightarrow[-\frac{1}{2}R_3]{R_1 + \frac{3}{2}R_3}
&\begin{bmatrix}
0 \\
0 \\
1
\end{bmatrix}
\\
&\xrightarrow{R_1 \leftrightarrow R_2}
&\begin{bmatrix}
1 \\
0 \\
0
\end{bmatrix}
\end{array}
\\[2em]
\therefore\operatorname{rank}\(
\begin{bmatrix}
3 \\
0 \\
-2
\end{bmatrix}
\) = 1 3 0 − 2 R 1 + 2 3 R 3 − 2 1 R 3 R 1 ↔ R 2 0 0 1 1 0 0 ∴ rank 3 0 − 2 = 1
[ 1 a b 3 0 − 2 0 0 c 1 d 3 0 0 e 0 1 1 ] \begin{bmatrix}
1 & a & b & 3 & 0 & -2 \\
0 & 0 & c & 1 & d & 3 \\
0 & 0 & e & 0 & 1 & 1 \\
\end{bmatrix} 1 0 0 a 0 0 b c e 3 1 0 0 d 1 − 2 3 1 is in reduced row echelon form if c = 1 c=1 c = 1 and b = d = e = 0 b=d=e=0 b = d = e = 0 .
A A A must have a full row rank, therefore rref ( A ) \operatorname{rref}(A) rref ( A ) must be:
[ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ] \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 1
\end{bmatrix} 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
{ x − 2 y + 2 z − w = 3 3 x + y + 6 z + 11 w = 16 2 x − y + 4 z + w = 9 ⟺ [ 1 − 2 2 − 1 3 3 1 6 11 16 2 − 1 4 1 9 ] → R 3 − 2 R 1 R 2 − 3 R 1 [ 1 − 2 2 − 1 3 0 7 0 14 7 0 3 0 3 3 ] → 1 7 R 2 1 3 R 3 [ 1 − 2 2 − 1 3 0 1 0 2 1 0 1 0 1 1 ] → R 1 + R 3 R 2 − R 3 [ 1 − 1 2 0 4 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 ] → R 3 − R 2 R 1 + R 3 [ 1 0 2 0 5 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 ] → R 2 ↔ R 3 [ 1 0 2 0 5 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 ] ∴ { x + 2 z = 5 y = 1 w = 0 \begin{array}{c}
\left\{
\begin{array}{c}
x - 2y + 2z - w = 3 \\
3x + y + 6z + 11w = 16 \\
2x - y + 4z + w = 9 \\
\end{array}
\right.
&\iff&
\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & - 2 & 2 & - 1 & 3 \\
3 & 1 & 6 & 11 & 16 \\
2 & - 1 & 4 & 1 & 9
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow[R_3 - 2R_1]{R_2 - 3R_1}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & - 2 & 2 & - 1 & 3 \\
0 & 7 & 0 & 14 & 7\\
0 & 3 & 0 & 3 & 3
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow[\frac{1}{7}R_2]{\frac{1}{3}R_3}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & - 2 & 2 & - 1 & 3 \\
0 & 1 & 0 & 2 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 1 & 1
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow[R_1 + R_3]{R_2 - R_3}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & -1 & 2 & 0 & 4 \\
0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 1 & 1
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow[R_3 - R_2]{R_1 + R_3}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & 0 & 2 & 0 & 5 \\
0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 0 & 1
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{R_2 \leftrightarrow R_3}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & 0 & 2 & 0 & 5 \\
0 & 1 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\
\end{array}
\right]
\end{array}
\\[2em]
\therefore
\left\{
\begin{array}{c}
x + 2z &= 5 \\
y &= 1 \\
w &= 0
\end{array}
\right. ⎩ ⎨ ⎧ x − 2 y + 2 z − w = 3 3 x + y + 6 z + 11 w = 16 2 x − y + 4 z + w = 9 ⟺ R 2 − 3 R 1 R 3 − 2 R 1 3 1 R 3 7 1 R 2 R 2 − R 3 R 1 + R 3 R 1 + R 3 R 3 − R 2 R 2 ↔ R 3 1 3 2 − 2 1 − 1 2 6 4 − 1 11 1 3 16 9 1 0 0 − 2 7 3 2 0 0 − 1 14 3 3 7 3 1 0 0 − 2 1 1 2 0 0 − 1 2 1 3 1 1 1 0 0 − 1 0 1 2 0 0 0 1 1 4 0 1 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 5 0 1 1 0 0 0 1 0 2 0 0 0 0 1 5 1 0 ∴ ⎩ ⎨ ⎧ x + 2 z y w = 5 = 1 = 0
Let z ∈ R z\in\R z ∈ R . Then, x = 5 − 2 z x= 5-2z x = 5 − 2 z . As such, the solution set is:
{ ( 5 − 2 z 1 z 0 ) : z ∈ R } \left\{
\begin{pmatrix}
5 - 2z \\
1 \\
z \\
0
\end{pmatrix}
: z \in\R
\right\} ⎩ ⎨ ⎧ 5 − 2 z 1 z 0 : z ∈ R ⎭ ⎬ ⎫
{ x + y − 2 z = − 3 2 x − y + 3 z = 7 x − 2 y + 5 z = 1 ⟺ [ 1 1 − 2 − 3 2 − 1 3 7 1 − 2 5 1 ] → R 3 − R 1 R 2 − 2 R 1 [ 1 1 − 2 − 3 0 − 3 7 13 0 − 3 7 4 ] → R 3 − R 2 [ 1 1 − 2 − 3 0 − 3 7 13 0 0 0 − 9 ] \begin{array}{c}
\left\{
\begin{array}{c}
x + y - 2z = -3 \\
2x - y + 3z = 7 \\
x - 2y + 5z = 1
\end{array}
\right.
&\iff
&\left[
\begin{array}{ccc|c}
1 & 1 & -2 & -3 \\
2 & - 1 & 3 & 7 \\
1 & - 2 & 5 & 1
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow[R_3 - R_1]{R_2 - 2R_1}
&\left[
\begin{array}{ccc|c}
1 & 1 & -2 & -3 \\
0 & -3 & 7 & 13 \\
0 & -3 & 7 & 4
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{R_3 - R_2}
&\left[
\begin{array}{ccc|c}
1 & 1 & -2 & -3 \\
0 & -3 & 7 & 13 \\
0 & 0 & 0 & -9
\end{array}
\right]
\end{array} ⎩ ⎨ ⎧ x + y − 2 z = − 3 2 x − y + 3 z = 7 x − 2 y + 5 z = 1 ⟺ R 2 − 2 R 1 R 3 − R 1 R 3 − R 2 1 2 1 1 − 1 − 2 − 2 3 5 − 3 7 1 1 0 0 1 − 3 − 3 − 2 7 7 − 3 13 4 1 0 0 1 − 3 0 − 2 7 0 − 3 13 − 9
No solutions.
{ x + 2 y = 1 2 x + 5 y = 2 3 x + 6 y = 3 ⟺ [ 1 2 1 2 5 2 3 6 3 ] → R 3 − 2 R 1 R 2 − 2 R 1 [ 1 2 1 0 1 0 0 0 0 ] → R 1 − 2 R 2 [ 1 0 1 0 1 0 0 0 0 ] ∴ x = 1 , y = 0 \begin{array}{c}
\left\{
\begin{array}{c}
x + 2y = 1 \\
2x + 5y = 2 \\
3x + 6y = 3
\end{array}
\right.
&\iff
&\left[
\begin{array}{cc|c}
1 & 2 & 1 \\
2 & 5 & 2 \\
3 & 6 & 3
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow[R_3 - 2R_1]{R_2 - 2R_1}
&\left[
\begin{array}{cc|c}
1 & 2 & 1 \\
0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 0
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{R_1 - 2R_2}
&\left[
\begin{array}{cc|c}
1 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 0 \\
0 & 0 & 0
\end{array}
\right]
\end{array}
\\[2em]
\therefore x=1, y=0 ⎩ ⎨ ⎧ x + 2 y = 1 2 x + 5 y = 2 3 x + 6 y = 3 ⟺ R 2 − 2 R 1 R 3 − 2 R 1 R 1 − 2 R 2 1 2 3 2 5 6 1 2 3 1 0 0 2 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 ∴ x = 1 , y = 0
{ x 1 + x 2 + x 3 + 9 x 4 = 8 x 2 + 2 x 3 + 8 x 4 = 7 − 3 x 1 + x 3 − 7 x 4 = 9 ⟺ [ 1 1 1 9 8 0 1 2 8 7 − 3 0 1 − 7 9 ] → R 3 + 3 R 1 [ 1 1 1 9 8 0 1 2 8 7 0 3 4 20 33 ] → R 3 − 3 R 2 [ 1 1 1 9 8 0 1 2 8 7 0 0 − 2 − 4 12 ] → − 1 2 R 3 [ 1 1 1 9 8 0 1 2 8 7 0 0 1 2 − 6 ] → R 1 − R 3 R 2 − 2 R 3 [ 1 1 0 7 14 0 1 0 4 19 0 0 1 2 − 6 ] → R 1 − R 2 [ 1 0 0 3 − 5 0 1 0 4 19 0 0 1 2 − 6 ] ∴ { x 1 + 3 x 4 = − 5 x 2 + 4 x 4 = 19 x 3 + 2 x 4 = − 6 \begin{array}{c}
\left\{
\begin{array}{c}
x_1 + x_2 + x_3 + 9x_4 = 8 \\
x_2 + 2x_3 + 8x_4 = 7 \\
-3x_1 + x_3 - 7x_4 = 9
\end{array}
\right.
&\iff
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & 1 & 1 & 9 & 8 \\
0 & 1 & 2 & 8 & 7 \\
-3 & 0 & 1 & -7 & 9
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{R_3 + 3R_1}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & 1 & 1 & 9 & 8 \\
0 & 1 & 2 & 8 & 7 \\
0 & 3 & 4 & 20 & 33
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{R_3 - 3R_2}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & 1 & 1 & 9 & 8 \\
0 & 1 & 2 & 8 & 7 \\
0 & 0 & -2 & -4 & 12
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{-\frac{1}{2}R_3}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & 1 & 1 & 9 & 8 \\
0 & 1 & 2 & 8 & 7 \\
0 & 0 & 1 & 2 & -6
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow[R_1 - R_3]{R_2 - 2R_3}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & 1 & 0 & 7 & 14 \\
0 & 1 & 0 & 4 & 19 \\
0 & 0 & 1 & 2 & -6
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{R_1 - R_2}
&\left[
\begin{array}{cccc|c}
1 & 0 & 0 & 3 & -5 \\
0 & 1 & 0 & 4 & 19 \\
0 & 0 & 1 & 2 & -6
\end{array}
\right]
\end{array}
\\[2em]
\therefore
\left\{
\begin{array}{c}
x_1 + 3x_4 &= -5 \\
x_2 + 4x_4 &= 19 \\
x_3 + 2x_4 &= -6
\end{array}
\right. ⎩ ⎨ ⎧ x 1 + x 2 + x 3 + 9 x 4 = 8 x 2 + 2 x 3 + 8 x 4 = 7 − 3 x 1 + x 3 − 7 x 4 = 9 ⟺ R 3 + 3 R 1 R 3 − 3 R 2 − 2 1 R 3 R 2 − 2 R 3 R 1 − R 3 R 1 − R 2 1 0 − 3 1 1 0 1 2 1 9 8 − 7 8 7 9 1 0 0 1 1 3 1 2 4 9 8 20 8 7 33 1 0 0 1 1 0 1 2 − 2 9 8 − 4 8 7 12 1 0 0 1 1 0 1 2 1 9 8 2 8 7 − 6 1 0 0 1 1 0 0 0 1 7 4 2 14 19 − 6 1 0 0 0 1 0 0 0 1 3 4 2 − 5 19 − 6 ∴ ⎩ ⎨ ⎧ x 1 + 3 x 4 x 2 + 4 x 4 x 3 + 2 x 4 = − 5 = 19 = − 6
Let x 4 ∈ R x_4\in\R x 4 ∈ R . Then:
x 1 = − 5 − 3 x 4 x 2 = 19 − 4 x 4 x 3 = − 6 − 2 x 4 x_1 = -5-3x_4 \\
x_2 = 19-4x_4 \\
x_3 = -6-2x_4 x 1 = − 5 − 3 x 4 x 2 = 19 − 4 x 4 x 3 = − 6 − 2 x 4
As such, the solution set is:
{ ( − 5 − 3 x 4 19 − 4 x 4 − 6 − 2 x 4 x 4 ) : x 4 ∈ R } = { ( − 5 19 − 6 0 ) + ( − 3 − 4 − 2 1 ) x 4 : x 4 ∈ R } \left\{
\begin{pmatrix}
-5-3x_4 \\
19-4x_4 \\
-6-2x_4 \\
x_4
\end{pmatrix}
: x_4 \in \R
\right\} =
\left\{
\begin{pmatrix}
-5 \\
19 \\
-6 \\
0
\end{pmatrix}
+
\begin{pmatrix}
- 3 \\
- 4 \\
- 2 \\
1
\end{pmatrix}
x_4
: x_4 \in \R
\right\} ⎩ ⎨ ⎧ − 5 − 3 x 4 19 − 4 x 4 − 6 − 2 x 4 x 4 : x 4 ∈ R ⎭ ⎬ ⎫ = ⎩ ⎨ ⎧ − 5 19 − 6 0 + − 3 − 4 − 2 1 x 4 : x 4 ∈ R ⎭ ⎬ ⎫
{ x + y = 0 2 y + 2 k z = 1 y + k z = 2 k ⟺ [ 1 1 0 0 0 2 2 k 1 0 1 k 2 k ] → R 2 − 2 R 3 [ 1 1 0 0 0 0 0 1 − 4 k 0 1 k 2 k ] → R 2 ↔ R 3 [ 1 1 0 0 0 1 k 2 k 0 0 0 1 − 4 k ] ∴ rank ( [ 1 1 0 0 0 1 k 2 k 0 0 0 1 − 4 k ] ) < 3 ⟺ k = 1 4 \begin{array}{c}
\left\{
\begin{array}{c}
x + y = 0 \\
2y + 2kz = 1 \\
y + kz = 2k \\
\end{array}
\right.
&\iff
&\left[
\begin{array}{ccc|c}
1 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 2 & 2k & 1 \\
0 & 1 & k & 2k
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{R_2 - 2R_3}
&\left[
\begin{array}{ccc|c}
1 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 0 & 1-4k \\
0 & 1 & k & 2k
\end{array}
\right]
\\
&\xrightarrow{R_2 \leftrightarrow R_3}
&\left[
\begin{array}{ccc|c}
1 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & k & 2k \\
0 & 0 & 0 & 1-4k
\end{array}
\right]
\end{array}
\\[2em]
\therefore\operatorname{rank}\left(
\left[
\begin{array}{ccc|c}
1 & 1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & k & 2k \\
0 & 0 & 0 & 1-4k
\end{array}
\right]
\right) < 3 \iff k=\frac{1}{4} ⎩ ⎨ ⎧ x + y = 0 2 y + 2 k z = 1 y + k z = 2 k ⟺ R 2 − 2 R 3 R 2 ↔ R 3 1 0 0 1 2 1 0 2 k k 0 1 2 k 1 0 0 1 0 1 0 0 k 0 1 − 4 k 2 k 1 0 0 1 1 0 0 k 0 0 2 k 1 − 4 k ∴ rank 1 0 0 1 1 0 0 k 0 0 2 k 1 − 4 k < 3 ⟺ k = 4 1
The system will have infinitely many solutions for k = 1 4 k=\displaystyle\frac{1}{4} k = 4 1 .
6. (True or False) Determine if the following statements are true or false. If it is true, explain and prove it. If it is false, give a counterexample.
Let A A A be an 3 × 5 3\times5 3 × 5 matrix, then:
False. Let A = [ 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 ] A = \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & 0
\end{bmatrix} A = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 and b ⃗ = [ 1 1 0 ] \vec{b} = \begin{bmatrix}
1 \\
1 \\
0
\end{bmatrix} b = 1 1 0 . Clearly, [ 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 ] \left[
\begin{array}{ccccc|c}
1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0
\end{array}
\right] 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 has no solutions.
True. A x ⃗ = 0 ⃗ ⟺ x ⃗ = 0 ⃗ A\vec{x} = \vec{0} \iff \vec{x} = \vec{0} A x = 0 ⟺ x = 0 .
True. Consider the inverse, where rank ( A ) = 3 \operatorname{rank}(A) = 3 rank ( A ) = 3 (which means it has a full row rank). Then, there must be at least one solution.
True. rank ( A ) ≤ 3 \operatorname{rank}(A)\leq3 rank ( A ) ≤ 3 and the number of columns n = 5 n=5 n = 5 . By definition, for a matrix A A A with n n n columns where rank ( A ) < n \operatorname{rank}(A) < n rank ( A ) < n , A x ⃗ = 0 ⃗ A\vec{x}=\vec{0} A x = 0 will have infinitely many solutions.
True. Sure, it’s possible . Let A = [ 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 ] A = \begin{bmatrix}
1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\
0 & 0 & 1 & 0 & 0
\end{bmatrix} A = 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 and b ⃗ = [ 1 1 1 ] \vec{b} = \begin{bmatrix}
1 \\
1 \\
1
\end{bmatrix} b = 1 1 1 . Then clearly, [ 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 ] \left[
\begin{array}{ccccc|c}
1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 1 \\
0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1
\end{array}
\right] 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 has a unique solution.