Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ЛЕКЦИЯ 5
СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ И
МЕТОДЫ ИХ РЕШЕНИЯ
5.1.Системы линейных уравнений. Основные
понятия......................................................................2
5.2.Методы решения систем линейных
уравнений...................................................................5
5.1. СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ. ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Системой m линейных уравнений с n неизвестными
называется система вида:
)1(
...
............................................
...
...
2211
22222121
11212111
mnmnmm
nn
nn
bxaxaxa
bxaxaxa
bxaxaxa
,
где Ra ij - коэффициенты С.Л.У (системы линейных уравнений), Rbi -
свободные члены.
ЗАМЕЧАНИЕ. Иногда такую систему называют линейной системой
алгебраических уравнений (С.Л.А.У). Объясним, почему:
алгебраической - потому что левая часть всех уравнений есть многочлен от n
переменных nxxx ,..,, 21 ;
линейной - потому что многочлены от n переменных nxxx ,..,, 21 являются
многочленами первой степени (как линейная функция).
Здесь и далее (для краткости и т.к. никакие другие системы не
рассматриваются) мы будем опускать прилагательное "алгебраический".
Запись С.Л.У в виде (1) называют ещё координатной записью системы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ. С.Л.У называют однородной, если все её свободные
члены равны нулю:
0...21 nbbb .
Если существует хотя бы один свободный член 0: ii bb , то С.Л.У.
называется неоднородной.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Решением С.Л.У. называется такой набор значений
неизвестных 00
2
0
1 ,..,, nxxx , который при подстановке их в каждое уравнение
С.Л.У даёт тождество.
Любое конкретное решение С.Л.У (среди множества возможных) называют
его частным решением.
ЗАМЕЧАНИЕ. Решить С.Л.У. - это значит решить две задачи:
1. Определить, имеет ли вообще С.Л.У решения и сколько их.
2. Найти все существующие решения.
Более подробно остановимся на вопросе о существовании решений С.Л.У:
если С.Л.У - однородная, то она всегда имеет тривиальное решение:
0...21 nxxx .
если у однородной С.Л.У есть хотя бы одно нетривиальное решение, то
всего решений - бесконечно много.
если С.Л.У - неоднородная, то возможно несколько вариантов:
1. она имеет единственное решение,
2. решений бесконечно много,
3. решений нет.
Вообще, говоря о количестве решений С.Л.У, мы решаем вопрос о
совместности или несовместности системы:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ. С.Л.У называется совместной, если она имеет хотя бы
одно решение. Если решений нет - С.Л.У называется несовместной.
О том, как определить совместность С.Л.У, а также количество решений,
будет подробно рассказано ниже, в п. 5.2.3.
Теперь остановимся на вопросе формы записи С.Л.У. Помимо введённой
ранее записи (1) существуют ещё и другие, которые мы рассмотрим далее.
ФОРМЫ ЗАПИСИ С.Л.У.
1. Координатная форма записи (введённая ранее - (1)):
mnmnmm
nn
nn
bxaxaxa
bxaxaxa
bxaxaxa
...
............................................
...
...
2211
22222121
11212111
2. Векторная форма записи:
Рассмотрим коэффициенты ija при одном неизвестном iх как элементы
столбца (матрицы-столбца) ia , а неизвестный iх - как коэффициент. на
который умножается этот столбец. Тогда мы получим векторную форму
записи С.Л.У:
)2( ....
.......
2
1
2
1
2
2
22
12
1
1
21
11
m
n
mn
n
n
mm b
b
b
x
a
a
a
x
a
a
a
x
a
a
a
или, обозначая столбцы baaa n ,,..,, 21 :
bxaxaxa nn ..2211 .
ЗАМЕЧАНИЕ. Векторная форма записи позволяет говорить о решении
С.Л.У. как о возможности представления столбца свободных членов b в виде
линейной комбинации столбцов коэффициентов системы naaa ,..,, 21 . При этом
коэффициенты в этой линейной комбинации и будут решениями системы
nxxx ,..,, 21 . То есть, если необходимо представить один вектор в виде
линейной комбинации некоторых других, то для этого нужно составить
С.Л.У в векторной форме и решить её - см. ПРИМЕР 1.
ПРИМЕР 1. Проверить, является ли вектор 1,1,0 d
линейной комбинацией
векторов 1,2,3 ,1,3,1 ,1,1,2 cba
.
Решение:
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, мы должны найти ненулевое
решение С.Л.У (составленное в координатной форме):
1
1
0
1
2
3
1
3
1
1
1
2
321 xxx .
3. Матричная форма записи:
Рассмотрим произведение матрицы коэффициентов и столбца неизвестных:
nmnmm
nn
nn
nmnmm
n
n
xaxaxa
xaxaxa
xaxaxa
x
x
x
aaa
aaa
aaa
..
...........................................
..
..
..
..
........
..
..
2211
2222121
1212111
2
1
21
22221
11211
и приравняем его к столбцу свободных членов:
mnmnmm
nn
nn
b
b
b
xaxaxa
xaxaxa
xaxaxa
..
..
...........................................
..
..
2
1
2211
2222121
1212111
Тогда, согласно определению равных матриц (см. ЛЕКЦИЯ 2, п.2.2.2) мы
увидим, что эта запись равносильна координатной форме записи (1), которую
мы можем записать в виде произведения матрицы коэффициентов А и
матрицы-столбца неизвестных Х :
mnmnmm
nn
nn
b
b
b
xaxaxa
xaxaxa
xaxaxa
..
..
...........................................
..
..
2
1
2211
2222121
1212111
~ BXA ,
где
mnmm
n
n
aaa
aaa
aaa
А
..
........
..
..
21
22221
11211
,
nx
x
x
Х..
2
1
,
mb
b
b
В..
2
1
.
5.2. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ
УРАВНЕНИЙ
5.2.1. МЕТОД КРАМЕРА
Метод применим только для систем из n уравнений с n неизвестными:
nnnnnn
nn
nn
bxaxaxa
bxaxaxa
bxaxaxa
...
............................................
...
...
2211
22222121
11212111
у которых матрица коэффициентов системы
nnnn
n
n
aaa
aaa
aaa
А
..
........
..
..
21
22221
11211
-
невырожденная (см. ЛЕКЦИЯ 2, п.2.2.2), т.е. 0det A .
Такие системы называют крамеровскими .
ТЕОРЕМА (КРАМЕРА). Если С.Л.У. является крамеровской ( 0det A )
тогда её решение единственно и находится по формулам Крамера:
;,..,2,1,det
njA
xj
j
где определитель j получается из определителя системы Adet заменой j-го
столбца столбцом свободных членов:
Доказательство (для n = 2):
1. Рассмотрим крамеровскую систему из 2-х уравнения с 2-мя неизвестными:
2222121
1212111
bxaxa
bxaxa.
Умножим первое уравнение на )( 21а , второе - на 11а и сложим их:
Умножим первое уравнение на 22а , второе - на )( 12а и сложим их:
и получим систему уравнений:
212122112212211
121211212212211
babaxaaaa
babaxaaaa,
откуда
2221
111
21122211
1212111
1222
121
21122211
2121221
ba
ba
aaaa
babax
ab
ab
aaaa
babax
2. Для крамеровской системы размерности больше, чем 2, доказательство
приведём ниже -см. п.5.2.2.).
ПРИМЕР 2. Решить систему
2233
433
32
321
321
321
xxx
xxx
xxx
методом Крамера (или найти решение системы по формулам Крамера).
Решение:
Проверим, возможно ли применить формулы Крамера (т.е. посчитаем
определитель системы):
05
233
331
112
det
A ,
значит матрица невырожденная и можно применить формулы Крамера:
.3,2,15det
j
Ax
jj
j
Посчитаем отдельно все определители 3,2,1 jj :
5
232
334
113
1
.
15
223
341
132
2
.
10
233
431
312
3
.
Тогда
25
10,3
5
15,1
5
5321
xxx .
5.2.2. РЕШЕНИЕ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ
ОБРАТНОЙ МАТРИЦЫ
В этом пункте мы докажем ТЕОРЕМУ (КРАМЕРА)(см.п.5.2.1) для случая
2n и в ходе этого доказательства предъявим способ решения С.Л.У. с
помощью обратной матрицы.
Доказательство ТЕОРЕМЫ КРАМЕРА ( 2n ):
Так как 0det A , тогда существует единственная обратная матрица 1A .
Запишем С.Л.У в матричной форме:
BXA ,
умножим обе части равенства на 1A слева:
BAXAA 11 ,
BAXE 1 ,
BAX 1 - решение С.Л.У. в матричном виде.
Таким образом, для того чтобы найти решение системы, нужно найти
обратную матрицу 1А (см. ЛЕКЦИЯ 3, п.3.4.) и умножить её справа на
матрицу свободных членов B .
Докажем, что это решение есть сокращённый вид формул Крамера
njA
xj
j ,..,2,1,det
.
Доказательство проведём для крамеровской системы 3-го порядка (для
большего порядка доказательство аналогично).
Рассмотрим С.Л.У из 3-х уравнений с 3-мя неизвестными:
3333232131
2323222121
1313212111
bxaxaxa
bxaxaxa
bxaxaxa
,
запишем решение системы в матричном виде :
333232131
323222121
313212111
3
2
1
332313
3222
1 11
AbAbAb
AbAbAb
AbAbAb
b
b
b
AAA
AAA
AAA
BAX 12
312111
,
откуда
1
33323
23222
13121
3132121111
11
aab
aab
aab
AbAbAbx ,
2
33331
23221
13111
3232221212
11
aba
aba
aba
AbAbAbx ,
3
33231
22221
11211
3332321313
11
baa
baa
baa
AbAbAbx .
Что и требовалось доказать.
ПРИМЕР 3. Решить систему из ПРИМЕРА 2 матричным методом:
2233
433
32
321
321
321
xxx
xxx
xxx
.
Решение:
Матрица системы
233
331
112
A , её определитель 05
233
331
112
det
A ,
значит у неё существует единственная обратная матрица 1А .
Находим эту матрицу любым удобным способом (через алгебраические
дополнения - см. ЛЕКЦИЯ 3, п.3.4., ТЕОРЕМА 4 или с помощью
элементарных преобразований -см. ЛЕКЦИЯ 4. п.4.2):
15
9
5
12
15
7
5
11
05
1
5
3
1A .
Теперь умножаем её справа на столбец свободных членов и получаем
матрицу неизвестных X :
2
3
1
15
9
5
12
15
7
5
11
05
1
5
3
2
4
3
X ,
2
3
1
X , т.е.
2
3
1
3
2
1
x
x
x
.
5.2.3. ТЕОРЕМА КРОНЕКЕРА-КАПЕЛЛИ. МЕТОД ГАУССА
Теорема Кронекера-Капелли является критерием совместности или
несовместности С.Л.У. Для её формулировки необходимо ввести понятие
расширенной матрицы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Если
А=
mnmm
inii
n
aaa
aaa
aaa
...
.........
...
.........
...
21
21
11211
-
матрица С.Л.У.
mnmnmm
nn
nn
b
b
b
xaxaxa
xaxaxa
xaxaxa
..
..
...........................................
..
..
2
1
2211
2222121
1212111
,
тогда расширенная матрица этой системы будет выглядеть так:
B|A
mmnmm
n
n
baaa
baaa
baaa
|..
..|........
|..
|..
21
222221
111211
ТЕОРЕМА КРОНЕКЕРА-КАПЕЛЛИ. Для совместности С.Л.У.
необходимо и достаточно, чтобы ранг системы был равен рангу
расширенной матрицы системы, т.е.
B|Arangrang A .
ЗАМЕЧАНИЕ. Очевидно, что эту теорему имеет смысл рассматривать
только для неоднородных С.Л.У, так как однородные системы всегда
совместны - имеют тривиальное (нулевое) решение.
На практике имеет значение следующее утверждение:
УТВЕРЖДЕНИЕ (О КОЛИЧЕСТВЕ РЕШЕНИЙ С.Л.У.) Если
nA B|Arangrang -количеству неизвестных, то решение С.Л.У -
единственно, если nA B|Arangrang - то решений бесконечно много.
Теперь перейдём к рассмотрению метода Гаусса (или методу
последовательных исключений неизвестных).
Рассмотрим С.Л.У.
mnmnmm
nn
nn
b
b
b
xaxaxa
xaxaxa
xaxaxa
..
..
...........................................
..
..
2
1
2211
2222121
1212111
.
1. Проверим, удовлетворяет ли эта система теореме Кронекера-Капелли,
т.е.проверим выполнение равенства:
B|Arangrang A .
Для этого, с помощью элементарных преобразований строк, приведём
расширенную матрицу B|A к ступенчатому виду (см. ЛЕКЦИЯ 4, п.4.2.1:
ПРИВЕДЕНИЕ МАТРИЦЫ К СТУПЕНЧАТОМУ ВИДУ)
ЗАМЕЧАНИЕ. Такие преобразования ещё называют "прямым ходом
Гаусса" .
2. В полученной ступенчатой матрице выделяем базисный минор (см.
ЛЕКЦИЯ 4, п.4.3.) и базисные переменные (т.е. те переменные,
коэффициенты которых входят в базисный минор).
3. Исходную С.Л.У. заменяем на эквивалентную ей систему, состоящую из r
уравнений, выражающих r базисных переменных через n-r оставшихся
переменных, называемых свободными.
Далее возможно два случая:
Если r=n , то С.Л.У имеет единственное решение. Действительно, в
этом случае все строки полученной ступенчатой матрицы не являются
нулевыми:
nr
n
n
n
b
ba
ba
baa
|1..00
..|........
|..00
|..10
|..1
34
34
23
23
1
1
1
1
1
12
Очевидно, что число ненулевых строк расширенной матрицы B|A и
матрица системы А совпадают, а значит:
B|Arangrang A .
Чтобы найти решение, необходимо от полученной ступенчатой матрицы
перейти к эквивалентной системе уравнений:
nr
n
nr
nnr
n
nn
nn
nn
bx
bxax
bxa
bxax
bxaxax
........
...
...
..
111
1
34
34
23
23
2
11
11
2121
1
Далее из последнего уравнения берём nr
n bx , подставляем его в предыдущее
уравнение и находим значение :1nx
111
1
nr
nr
nr
n bbax .
Таким образом мы совершаем так называемый "обратный ход Гаусса".
Продолжая описанный процесс дальше, последовательно находим решение
системы.
Если r<n , то С.Л.У имеет бесконечно много решений, которые
выражаются через n-r свободных переменных. Это возможно, когда среди
строк преобразованной расширенной матрицы есть нулевые:
0|..00
.|..1.....
..|........
| ..10
| ..1
1
23
23
1
1
1
1
1
12
rk
rnk
rrk
n
n
baa
ba
baa
Очевидно, что число ненулевых строк расширенной матрицы B|A и
матрицы системы А совпадают, а значит :
B|Arangrang A .
Аналогично предыдущему случаю, перейдём к эквивалентной системе:
........
...
...
..
11
34
34
23
23
2
11
11
2121
1
rk
nrnk
rrrk
r
nn
nn
nn
bxaxax
bxa
bxax
bxaxax
Придадим свободным переменным nrr xxx ,...,, 21 произвольные значения
Rnrr ,...,, 21 :
nn
rr
rr
x
x
x
..
,
,
22
11
и выразим через них базисную переменную :rx
rk
nrnk
rrrk
nrnk
rrrk
rk
r baaxaxabx ... 1111 .
Подставим его в предыдущее уравнение, найдём значение второй базисной
переменной 1rx и, продолжая далее делать "обратный ход Гаусса", найдём
общее решение системы:
.............
...
.............
22
11
11
30
3
20
2
0
11
nn
rr
rr
rk
nrnk
rrrk
r
x
x
x
baax
xx
xx
xx
,
где решения 0
1
0
2
0
1 ,.., rxxx - зависят от коэффициентов расширенной матрицы и
параметров Rnrr ,...,, 21 .
ЗАМЕЧАНИЕ. Придавая параметрам nrr ,...,, 21 конкретные числовые
значения, мы будем получать различные частные решения С.Л.У.
ПРИМЕР 4.
1.Решить систему
4
53
82
zyx
yx
zx
методом Гаусса.
Решение:
Составим расширенную матрицу системы и с помощью элементарных
преобразований приведём её к ступенчатому виду:
4|111
5|031
8|201
(3)(1)
8|201
5|031
4|111
(2)+(1) , (3)-(1)
4|110
1|140
4|111
(2)+4(3)
4|110
15|500
4|111
)3(5
1)2()1(
3|100
4|110
4|111
Посчитаем ранг расширенной и исходной матриц:
3B|Arangrang A и равен числу неизвестных, значит система имеет
единственное решение.
От расширенной матрицы
3|100
4|110
4|111
перейдём к эквивалентной системе уравнений:
3
4
4
z
zy
zyx
Сделаем "обратный ход Гаусса" и найдём решение системы:
3
1434
23)1(44
z
zy
zyx
,
3
1
2
z
y
x
.
2.Решить систему
023
0
1232
zyx
zyx
zyx
методом Гаусса.
Решение:
Составим расширенную матрицу системы и с помощью элементарных
преобразований приведём её к ступенчатому виду:
0|123
0|111
1|232
(2)(1)
0|123
1|232
0|111
(1)3-(3)(2),2(2)
0|450
1|450
0|111
(2)-(3)
1|000
1|450
0|111
Посчитаем ранг расширенной и исходной матриц: 3B|Arang2rang A ,
значит (см. ТЕОРЕМА КРОНЕКЕРА-КАПЕЛЛИ) система уравнений
несовместна.
3. Решить систему
1422
74
332
2
tzyx
tzyx
tzyx
tzyx
методом Гаусса.
Решение:
Составим расширенную матрицу системы и с помощью элементарных
преобразований приведём её к ступенчатому виду:
1|4221
7|1114
3|3112
2|1111
(1)-(4)(1),4-(3)(1),2-(2)
1|5330
1|5330
1|5330
2|1111
(2)-(4)(2),-(3)
0|0000
0|0000
1|5330
2|1111
(2)3
1
0|0000
0|00003
1|
3
5110
2|1111
Посчитаем ранг расширенной и исходной матриц:
4B|Arang2rang A (число неизвестных), значит (см. УТВЕРЖДЕНИЕ
(О КОЛИЧЕСТВЕ РЕШЕНИЙ С.Л.У.) система уравнений имеет
бесконечно много решений.
Выделим базисный минор 10
11 , тогда базисные переменные - yx, ,
свободные переменные - z, t .
Перейдём к эквивалентной системе уравнений:
3
1
3
5
2
tzy
tzyx
Придадим переменным z и t произвольные значения и сделаем "восходящий
ход метода Гаусса":
t
z
tzy
tzyx
3
1
3
5
2
,
t
z
tzy
tzyx
3
1
3
5
3
1
3
5
3
5
3
42
3
1
3
52
,
получаем
R
t
z
y
x
,,3
1
3
5
3
5
3
4
- решение системы (общее).
Если мы хотим найти какое-то конкретное частное решение, нужно придать
двум переменным tz и некоторые значения ( 00 , tz ), а по ним
вычислить оставшиеся два значения yx и .
Например:
3
13
3
13
3
51
3
1
3
5
5
7
3
53
3
4
3
5
3
4
3
1
y
x
t
z
,
3
1
3
13
5
7
t
z
y
x
- частное решение системы.