Спільна, несумісних Слау

Система називається сумісною, або можливо розв'язати, якщо вона має принаймні одне рішення. Система називається несумісною, або нерозв'язною. якщо вона не має рішень.

Певна, невизначена СЛАР.

Якщо СЛАР має рішення і при тому єдине, що його називають певної а якщо рішення неєдиний - то невизначеною.

Матриці дають можливість коротко записати систему лінійних рівнянь. Нехай дана система з 3-х рівнянь з трьома невідомими:

Розглянемо матрицю системи і матриці стовпці невідомих і вільних членів

тобто в результаті твори ми отримуємо ліві частини рівнянь даної системи. Тоді користуючись визначенням рівності матриць дану систему можна записати у вигляді

Тут матриці A і B відомі, а матриця X невідома. Її і потрібно знайти, тому що її елементи є вирішенням даної системи. Це рівняння називають матричним рівнянням.

Нехай визначник матриці відмінний від нуля | A | ≠ 0. Тоді матричне рівняння вирішується таким чином. Помножимо обидві частини рівняння зліва на матрицю A -1. зворотний матриці A.. Оскільки A -1 A = E і E # 8729; X = X. то отримуємо рішення матричного рівняння у вигляді X = A -1 B.

Зауважимо, що оскільки зворотний матрицю можна знайти тільки для квадратних матриць, то матричних методом можна вирішувати тільки ті системи, в яких число рівнянь збігається з числом невідомих.

Метод Крамера полягає в тому, що ми послідовно знаходимо головний визначник системи. тобто визначник матриці А. D = det (ai j) і n допоміжних визначників D i (i =), які виходять з визначника D заміною i-го стовпця стовпцем вільних членів.

Формули Крамера мають вигляд: D × x i = D i (i =).

З цього випливає правило Крамера, яке дає вичерпну відповідь на питання про спільності системи: якщо головний визначник системи відмінний від нуля, то система має єдине рішення, яке визначається за формулами: x i = D i / D.

Якщо головний визначник системи D і всі допоміжні визначники D i = 0 (i =), то система має безліч рішень. Якщо головний визначник системи D = 0, а хоча б один допоміжний визначник відмінний від нуля, то система несумісна.

Теорема (правило Крамера): Якщо визначник системи # 916; ≠ 0, то розглянута система має одне і тільки одне рішення, причому

Доказ: Отже, розглянемо систему 3-х рівнянь з трьома невідомими. Помножимо 1-е рівняння системи на алгебраїчне доповнення A11 елемента a11. 2-е рівняння - на A21 і 3-е - на A31:

Складемо ці рівняння:

Розглянемо кожну з дужок і праву частину цього рівняння. По теоремі про розкладанні визначника за елементами 1-го стовпця.

Далі розглянемо коефіцієнти при x2:

Аналогічно можна показати, що і.

Нарешті нескладно помітити, що

Таким чином, отримуємо рівність:. Отже,.

Аналогічно виводяться рівності і. звідки і випливає твердження теореми.

Теорема Кронекера - Капеллі.

Система лінійних рівнянь є спільною тоді і тільки тоді, коли ранг матриці системи дорівнює рангу розширеної матриці.

Доказ: Воно розпадається на два етапи.

1. Нехай система має рішення. Покажемо, що.

Нехай набір чисел є розв'язком системи. Позначимо через -ий стовпець матриці. . Тоді. тобто стовпець вільних членів є лінійною комбінацією стовпців матриці. Нехай. Припустимо, що . Тоді по. Виберемо в базисний мінор. Він має порядок. Стовпець вільних членів зобов'язаний проходити через цей мінор, інакше він буде базисним мінор матриці. Стовпець вільних членів в мінорі є лінійною комбінацією стовпців матриці. В силу властивостей визначника. де - визначник, який виходить з мінору заміною стовпця вільних членів на стовпець. Якщо стовпець проходив через мінор M, а саме ст. буде два однакових шпальти і, отже,. Якщо стовпець не проходив через мінор. то буде відрізнятися від мінору порядку r + 1 матриці тільки порядком стовпців. Так як . то. Таким чином, . що суперечить визначенню базисного мінору. Значить, припущення, що. невірно.

2. Нехай. Покажемо, що система має рішення. Так як . то базисний мінор матриці є базисним мінор матриці. Нехай через мінор проходять стовпці. Тоді по теоремі про базисному мінорі в матриці стовпець вільних членів є лінійною комбінацією зазначених стовпців:

Покладемо. . . . інші невідомі візьмемо рівними нулю. Тоді при цих значеннях отримаємо

В силу рівності (1). Остання рівність означає, що набір чисел є розв'язком системи. Існування рішення доведено.

У розглянутій вище системі. і система є спільною. В системі . . і система є несумісною.

Зауваження: Хоча теорема Кронекера-Капеллі дає можливість визначити, чи є система спільної, застосовується вона досить рідко, в основному в теоретичних дослідженнях. Причина полягає в тому, що обчислення, які виконуються при знаходженні рангу матриці, в основному збігаються з обчисленнями при знаходженні рішення системи. Тому, зазвичай замість того, щоб знаходити і. шукають рішення системи. Якщо його вдається знайти, то дізнаємося, що система сумісна і одночасно отримуємо її рішення. Якщо рішення не вдається знайти, то робимо висновок, що система несумісна.

Алгоритм знаходження рішень довільної системи лінійних рівнянь (метод Гаусса)

Нехай дана система лінійних рівнянь з невідомими. Потрібно знайти її спільне рішення, якщо вона сумісна, або встановити її несумісні. Метод, який буде викладено в цьому розділі, близький до методу обчислення визначника і до методу знаходження рангу матриці. Пропонований алгоритм називається методом Гаусса або методом послідовного виключення невідомих.

Випишемо розширену матрицю системи

Назвемо елементарними операціями наступні дії з матрицями:

1. перестановка рядків;

2. множення рядка на число, відмінне від нуля;

3. складання рядки з іншого рядком, помноженої на число.

Відзначимо, що при вирішенні системи рівнянь, на відміну від обчислення визначника і знаходження рангу, не можна оперувати за допомогою стовпців. Якщо по матриці, отриманої з виконанням елементарної операції, відновити систему рівнянь, то нова система буде рівносильна вихідної.

Мета алгоритму - за допомогою застосування послідовності елементарних операцій до матриці домогтися, щоб кожен рядок, крім, можливо, першою, починалася з нулів, і число нулів до першого ненульового елемента в кожній наступній рядку було більше, ніж у попередній.

Крок алгоритму полягає в наступному. Знаходимо перший ненульовий стовпець у матриці. Нехай це буде стовпець з номером. Знаходимо в ньому ненульовий елемент і рядок з цим елементом міняємо місцями з першим рядком. Щоб не нагромаджувати додаткових позначень, будемо вважати, що така зміна рядків в матриці вже проведена, тобто. Тоді до другої рядку додамо першу, помножену на число. до третьому рядку додамо першу, помножену на число. і т.д. В результаті отримаємо матрицю

(Перші нульові стовпці, як правило, відсутні.)

Якщо в матриці зустрілася рядок з номером k, в якій всі елементи дорівнюють нулю, а. то виконання алгоритму зупиняємо і робимо висновок, що система несумісна. Дійсно, відновлюючи систему рівнянь за розширеною матриці, отримаємо, що -е рівняння матиме вигляд

Цьому рівнянню не задовольняє жоден набір чисел.

Матрицю можна записати у вигляді

По відношенню до матриці виконуємо описаний крок алгоритму. отримуємо матрицю

де. . Цю матрицю знову можна записати у вигляді

і до матриці знову застосуємо описаний вище крок алгоритму.

Процес зупиняється, якщо після виконання чергового кроку нова зменшена матриця складається з одних нулів або якщо вичерпані всі рядки. Зауважимо, що висновок про несумісності системи могло зупинити процес і раніше.

Якби ми не зменшували матрицю, то в підсумку прийшли б до матриці виду

Далі виконується так званий зворотний хід методу Гаусса. По матриці складаємо систему рівнянь. У лівій частині залишаємо невідомі з номерами, що відповідають першим ненульовим елементам в кожному рядку, тобто. Зауважимо, що. Решта невідомі переносимо в праву частину. Вважаючи невідомі в правій частині деякими фіксованими величинами, нескладно висловити через них невідомі лівій частині.

Тепер, надаючи невідомим в правій частині довільні значення і обчислюючи значення змінних лівій частині, ми будемо знаходити різні рішення вихідної системи Ax = b. Щоб записати загальне рішення, потрібно невідомі в правій частині позначити в будь-якому порядку буквами. включаючи і ті невідомі, які явно не виписані в правій частині через нульові коефіцієнтів, і тоді стовпчик невідомих можна записати у вигляді стовпчика, де кожен елемент буде лінійною комбінацією довільних величин (зокрема, просто довільною величиною). Ця запис і буде спільним рішенням системи.

Якщо система була однорідною, то отримаємо загальне рішення однорідної системи. Коефіцієнти при. взяті в кожному елементі стовпчика спільного рішення, складуть перше рішення з фундаментальної системи рішень, коефіцієнти при - друге рішення і т.д.

Спосіб 2: Фундаментальну систему рішень однорідної системи можна отримати і іншим способом. Для цього однієї змінної, перенесеної в праву частину, потрібно привласнити значення 1, а іншим - нулі. Зрозумівши значення змінних в лівій частині, отримаємо одне рішення з фундаментальної системи. Присвоївши іншої змінної в правій частині значення 1, а іншим - нулі, отримаємо друге рішення з фундаментальної системи і т.д.

Визначення: система називається спільно й, якщо вона має хоча б одне рішення, і несумісною - в іншому випадку, тобто у разі, коли рішень у системи немає. Питання про те, чи має система рішення чи ні, пов'язаний не тільки з співвідношенням числа рівнянь і числа невідомих. Наприклад, система з трьох рівнянь з двома невідомими

має рішення. і навіть має нескінченно багато рішень, а система з двох рівнянь з трьома невідомими

рішень не має, тобто є несумісною.

Визначення: Розширеної матрицею системи лінійних рівнянь називається матриця. відрізняється від матриці системи наявністю додаткового стовпчика з вільних членів:

Слідство: Ранг розширеної матриці або дорівнює рангу матриці системи A, або більше його на одиницю.

Доказ: Так як будь-яка лінійно незалежна система стовпців матриці A є лінійно незалежною системою стовпців матриці. то в силу пропозиції 14.26 (Ранг матриці дорівнює максимальному числу її стовпців, що утворюють лінійно незалежну систему).

Нехай. Припустимо, що . . Тоді в матриці є лінійно незалежна система з r + k стовпців. Серед цих стовпців може бути тільки один, що не належить матриці A. Тоді підсистема інших r + k-1 стовпців, що належать матриці A. повинна бути лінійно незалежною. Отже,. Отримали протиріччя. Припущення, що k> 1, невірно.

Квадратні системи з невироджених матрицею.

Система називається квадратної. якщо число m її рівнянь дорівнює числу n невідомих, тобто коли її матриця A - квадратна матриця.

Рішення СЛАР: Нехай дана СЛАР

Дана система завжди сумісна так як має тривіальне рішення х1 = ... = хn = 0

Для існування нетривіальних рішень необхідно і достатньо виконання

словия r = r (A)

Th Сукупність рішень СЛАР утворює лінійний простір розмірності (n-r). Це означає, що твір її рішення на число, а також сума і лінійна комбінація кінцевого числа її рішень є рішеннями цієї системи. Лінійне простір рішень будь-СЛАР є подпространством простору R n.

Будь-яка сукупність (n-r) лінійно незалежних рішень СЛАР (що є базисом в просторі рішень) називається фундаментальною сукупністю рішень (ФСР).

Нехай х1, ..., хr - базисні невідомі, хr + 1, ..., хn - вільні невідомі. Вільним змінним дамо по черзі наступні значення:

Визначивши значення базисних змінних, що відповідають кожному набору значень вільних змінних, отримаємо рішення:

Побудована таким чином система рішень системи рівнянь називається нормальнойфундаментальной сукупністю рішень.

Теорема. Безліч всіх рішень однорідної системи рівнянь

Утворює лінійне простір S (простір рішень), яке є подпространством в R n (n - число невідомих), причому dims = k = n-r, де r- ранг системи. Базис в просторі рішень називається фундаментальною системою рішень, і загальне рішення має вигляд: