Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Система линейных алгебраических уравнений

В данной публикации мы рассмотрим определение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), как она выглядит, какие виды бывают, а также как ее представить в матричной форме, в том числе расширенной.

Видео:Решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы уравнений методом Гаусса

Определение системы линейных уравнений

Система линейных алгебраических уравнений (или сокращенно “СЛАУ”) – это система, которая в общем виде выглядит так:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Индексы коэффициентов ( aij ) формируются следующим образом:

  • i – номер линейного уравнения;
  • j – номер переменной, к которой относится коэффициент.

Решение СЛАУ – такие числа c1, c2,…, cn , при постановке которых вместо x1, x2,…, xn , все уравнения системы превратятся в тождества.

Видео:Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.Скачать

Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.

Виды СЛАУ

  1. Однородная – все свободные члены системы равны нулю ( b1 = b2 = … = bm = 0 ).
    Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

В зависимости от количества решений, СЛАУ может быть:

  1. Совместная – имеет хотя бы одно решение. При этом если оно единственное, система называется определенной, если решений несколько – неопределенной.
    Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений
    СЛАУ выше является совместной, т.к. есть хотя бы одно решение: , y = 3 .
  2. Несовместная – система не имеет решений.
    Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений
    Правые части уравнений одинаковые, а левые – нет. Таким образом, решений нет.

Видео:Матричный метод решения систем уравненийСкачать

Матричный метод решения систем уравнений

Матричная форма записи системы

СЛАУ можно представить в матричной форме:

  • A – матрица, которая образована коэффициентами при неизвестных:
    Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений
  • X – столбец переменных:
    Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений
  • B – столбец свободных членов:
    Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Пример
Представим систему уравнений ниже в матричном виде:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Пользуясь формами выше, составляем основную матрицу с коэффициентами, столбцы с неизвестными и свободными членами.

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Полная запись заданной системы уравнений в матричном виде:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Видео:Математика без Ху!ни. Метод Гаусса. Совместность системы. Ранг матрицы.Скачать

Математика без Ху!ни. Метод Гаусса. Совместность системы. Ранг матрицы.

Расширенная матрица СЛАУ

Если к матрице системы A добавить справа столбец свободных членов B , разделив данные вертикальной чертой, то получится расширенная матрица СЛАУ.

Для примера выше получается так:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений– обозначение расширенной матрицы.

Видео:Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvyСкачать

Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvy

Метод Гаусса — определение и вычисление с примерами решения

Содержание:

Базисные и свободные переменные:

Пусть задана система

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Элементарными преобразованиями системы линейных уравнений называются следующие преобразования:

  1. исключение из системы уравнения вида Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений
  2. умножение обеих частей одного из уравнений системы на любое действительное число Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений;
  3. перестановка местами уравнений системы;
  4. прибавление к обеим частям одного из уравнений системы соответствующих частей другого уравнения, умноженных на любое действительное число не равное нулю.

Элементарные преобразования преобразуют данную систему уравнений в эквивалентную систему, т.е. в систему, которая имеет те же решения, что и исходная.

Для решения системы т линейных уравнений с т неизвестными удобно применять метод Гаусса, называемый методом последовательного исключения неизвестных, который основан на применении элементарных преобразований системы. Рассмотрим этот метод.

Предположим, что в системе (6.1.1)Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Если это не так, то переставим уравнения системы так, чтобы Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

На первом шаге метода Гаусса исключим неизвестное Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийиз всех уравнений системы (6.1.1), начиная со второго. Для этого последовательно умножим первое уравнение системы на множители

Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи вычтем последовательно преобразованные уравнения из второго, третьего, . последнего уравнения системы (6.1.1). В результате получим эквивалентную систему:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений(6.1.2)

в которой коэффициенты Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийвычислены по формулам:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийНа втором шаге метода Гаусса исключим неизвестное Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийиз всех уравнений системы (6.1.2) начиная с третьего, предполагая, что Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений(в противном случае, переставим уравнения системы (6.1.2)

чтобы это условие было выполнено). Для исключения неизвестного Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийпоследовательно умножим второе уравнение системы (6.1.2) на множетели Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи вычтем последовательно преобразованные уравнения из третьего, четвёртого, последнего. уравнения системы (6.1.2). В результате получим эквивалентную систему:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

в которой коэффициенты Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийвычислены по формулам:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Продолжая аналогичные преобразования, систему (6.1.1) можно привести к одному из видов:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Совокупность элементарных преобразований, приводящих систему (6.1.1) к виду (6.1.4) или (6.1.5) называется прямым ходом метода Гаусса.

Отметим, что если на каком-то шаге прямого хода метода Гаусса получим уравнение вида:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то это означает, что система (6.1.1) несовместна.

Итак, предположим, что в результате прямого хода метода Гаусса мы получили систему (6.1.4), которая называется системой треугольного вида. Тогда из последнего уравнения находим значение Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийподставляем найденное значение Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийв предпоследнее уравнение системы (6.1.4) и находим значение Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений; и т.д. двигаясь снизу вверх в системе (6.1.4) находим единственные значения неизвестных Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийкоторые и определяют единственное решение системы (6.1.1). Построение решения системы (6.1.4) называют обратным ходом метода Гаусса.

Если же в результате прямого хода метода Гаусса мы получим систему (6.1.5), которая называется системой ступенчатого вида, то из последнего уравнения этой системы находим значение неизвсстного Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийкоторое выражается через неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Найденное выражение подставляем в предпоследнее уравнение системы (6.1.5) и выражаем неизвестное Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийчерез неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи т.д. Двигаясь снизу вверх в системе (6.1.5) находим выражения неизвестных Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийчерез неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийПри этом неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийназываются базисными неизвестными, а неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— свободными. Так как свободным неизвестным можно придавать любые значения и получать соответствующие значения базисных неизвестных, то система (6.1.5), а, следовательно, и система (6.1.1) в этом случае имеет бесконечное множество решений. Полученные выражения базисных неизвестных через свободные неизвестные называются общим решением системы уравнений (6.1.1).

Таким образом, если система (6.1.1) путём элементарных преобразований приводится к треугольному виду (6.1.4), то она имеет единственное решение, если же она приводится к системе ступенчатого вида (6.1.5), то она имеет бесконечное множество решений. При этом неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, начинающие уравнения ступенчатой системы, называются базисными, а остальные неизвестные — свободными.

Практически удобнее преобразовывать не саму систему уравнений (6.1.1), а расширенную матрицу системы, соединяя последовательно получающиеся матрицы знаком эквивалентностиРасширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Формализовать метод Гаусса можно при помощи следующего алгоритма.

Видео:Решение системы уравнений методом Крамера.Скачать

Решение системы уравнений методом Крамера.

Алгоритм решения системы m линейных уравнений с n неизвестными методом Гаусса

1. Составьте расширенную матрицу коэффициентов системы уравнений так, чтобы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийбыло не равно нулю:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

2. Выполните первый шаг метода Гаусса: в первом столбце начиная со второй строки, запишите нули, а все другие элементы вычислите по формуле

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Матрица после первого шага примет вид

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

3. Выполните второй шаг метода Гаусса, предполагая, что Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений: во втором столбце начиная с третьей строки, запишите нули, а все другие элементы вычислите по формуле

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

После второго шага матрица примет вид Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

4. Продолжая аналогичные преобразования, придёте к одному из двух случаев:

а) либо в ходе преобразований получим уравнение вида Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

тогда данная система несовместна;

б) либо придём к матрице вида:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

где Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Возможное уменьшение числа строк Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

связано с тем, что в процессе преобразований матрицы исключаются строки, состоящие из нулей.

5. Использовав конечную матрицу, составьте систему, при этом возможны два случая:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Система имеет единственное,решение Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, которое находим из системы обратным ходом метода Гаусса. Из последнего уравнения находите Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Из предпоследнего уравнения находите Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийзатем из третьего от конца — Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи т.д., двигаясь снизу вверх, найдём все неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

5.2. Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Тогда r неизвестных будут базисными, а остальные (n-r) — свободными. Из последнего уравнения выражаете неизвестное Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийчерез Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Из предпоследнего уравнения находите Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи т.д.

Система имеет в этом случае бесконечное множество решений.

Приведенный алгоритм можно несколько видоизменить и получить алгоритм полного исключения, состоящий в выполнении следующих шагов. На первом шаге:

  1. составляется расширенная матрица;
  2. выбирается разрешающий элемент расширенной матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений(если Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, строки матрицы можно переставить так, чтобы выполнялось условие Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений);
  3. элементы разрешающей строки (строки, содержащей разрешающий элемент) оставляем без изменения; элементы разрешающего столбца (столбца, содержащего разрешающий элемент), кроме разрешающего элемента, заменяем нулями;
  4. все другие элементы вычисляем по правилу прямоугольника: преобразуемый элемент равен разности произведений элементов главной диагонали (главную диагональ образует разрешающий элемент и преобразуемый) и побочной диагонали (побочную диагональ образуют элементы, стоящие в разрешающей строке и разрешающем столбце): Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— разрешающий элемент (см. схему).

Последующие шаги выполняем по правилам:

1) выбирается разрешающий элемент Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений(диагональный элемент матрицы);

2) элементы разрешающей строки оставляем без изменения;

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

3) все элементы разрешающего столбца, кроме разрешающего элемента, заменяем нулями; • •

4) все другие элементы матрицы пересчитываем по правилу прямоугольника.

На последнем шаге делим элементы строк на диагональные элементы матрицы, записанные слева от вертикальной черты, и получаем решение системы.

Пример:

Решить систему уравнений:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Составим расширенную матрицу системы, и применим алгоритм полного исключения, обозначая разрешающий элемент символом Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Из последней матрицы находим следующее решение системы

уравнении: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Ответ: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Пример:

Решить систему уравнений:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Составим расширенную матрицу системы, и применим алгоритм полного исключения, обозначая разрешающий элемент символом Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийРасширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Система привелась к ступенчатому виду (трапециевидной форме):

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

в которой неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— базисные, а Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— свободные. Из второго уравнения системы (6.1.6) находим выражение Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийчерез Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Из первого уравнений найдём выражение Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийчерез Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Система имеет бесконечное множество решений. Общее решение системы имеет вид:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

в котором Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийпринимают любые значения из множества действительных чисел.

Если в общем решении положить Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то получим решение Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, которое называется частным решением заданной системы.

Ответ: система имеет бесконечное множество решений, общее решение которой записывается в виде: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Пример:

Решить систему уравнений:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Составим расширенную матрицу системы, и применим алгоритм полного исключения, обозначая разрешающий элемент символом Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийВ последней матрице мы получили четвёртую строку, которая равносильна уравнению Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Это означает, что заданная система не имеет решений.

Ответ: система несовместна.

Замечание 1. Если дана система уравнений (6.1.1), в которой число уравнений m равно числу неизвестных n (m=n) и определитель этой системы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийне равен нулю Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то система имеет единственное решение, которое можно найти по формулам Крамера: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, где определитель Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийполучен из определи-теля Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийзаменой j-ro столбца столбцом свободных членов.

Если же такую систему (m-n) записать в матричной форме AX=F, то её решение можно найти по формуле Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи оно является единственным.

Замечание 2. Используя метод Гаусса, тем самым и алгоритм полного исключения, можно находить обратную матрицу. Для этого составляется расширенная матрица, в которой слева от вертикальной черты записана матрица А, а справа — единичная матрица. Реализовав алгоритм полного исключения, справа от вертикальной черты получаем обратную матрицу, а слева — единичную.

Пример:

Найти обратную матрицу для матрицы: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

то обратная матрица Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийсуществует. Составим расширенную мат-рицу и применим алгоритм полного исключения:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Покажем, что Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

ответ Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Исследование совместности и определённости системы. Теорема Кронекера-Капелли

Рассмотрим систему (6.1.1) m линейных уравнений с n неизвестными при любых m и n (случай m=n не исключается). Вопрос о совместности системы решается следующим критерием.

Теорема 6.2.1. (критерий Кронкера-Капелли). Для того, чтобы система линейных уравнений(6.1.1) была совместна, необходимо и достаточно, чтобы ранг матрицы А системы был равен рангу расширенной матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Доказательство и Необходимость:

Предположим, что система (6.1.1) совместна и Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— какое-либо её решение (возможно единственное). По определению решения системы получаем:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Из этих равенств следует, что последний столбец матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийесть линейная комбинация остальных ее столбцов с коэффициентами Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то есть система вектор-столбцов матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийлинейно зависима (свойство 3 п.2.5) и значит последний столбец матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийне изменяет ранга матрицы А, т.е.

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Достаточность. Пусть Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Рассмотрим r базисных

столбцов матрицы А, которые одновременно будут базисными столбцами и матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. В этом случае последний столбец матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийможно представить как линейную комбинацию базисных столбцов, а следовательно, и как линейную комбинацию всех столбцов матрицы А, то есть

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

где Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— коэффициенты линейных комбинаций. А это означает, что Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— решение системы (6.1.1), следовательно,

эта система совместна.

Совместная система линейных уравнений (6.1.1) может быть либо определенной, либо неопределенной.

Следующая теорема даст критерий определенности.

Теорема 6.2.2. Совместная система линейных уравнений имеет единственное решение тогда и только тогда, когда ранг матрицы А системы равен числу п ее неизвестных.

Таким образом, если число уравнений m системы (6.1.1) меньше числа ее неизвестных n и система совместна, то ранг матрицы системы Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Значит система неопределенная.

В случае Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийпо теореме 6.2.2 получаем, что система имеет единственное решение. Так как Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то определитель Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи квадратная матрица А имеет обратную x матрицу Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи её решение можно найти по формуле: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, где Х- столбец неизвестных, F— столбец свободных членов, или по формулам Крамера.

Следует отметить, что, решая систему (6.1.1) методом Гаусса, мы определяем и совместность, и определённость системы.

Пример:

Исследовать на совместность и определённость следующую систему линейных уравнений:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Составим расширенную матрицу заданной системы. Определяя её ранг, находим тем самым и ранг матрицы системы. Для нахождения ранга матрицы применим алгоритм метода Гаусса. Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Из последней матрицы следует, что ранг расширенной матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийне может быть больше ранга матрицы А системы. Так как

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то заданная система совместная и неопределённая.

Однородные системы линейных уравнений

Система линейных уравнений (6.1.1) называется однородной, если все свободные члены Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийравны нулю, то есть система имеет следующий вид:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Эта система всегда совместна, так как очевидно, что она имеет нулевое решение

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Для однородной системы важно установить, имеет ли она ненулевые решения. Этот факт устанавливается следующей теоремой.

Теорема 6.3.1. Для того, чтобы однородная система имела ненулевые решения, необходимо и достаточно, чтобы ранг г матрицы А системы был меньше числа неизвестных n (rРасширенная матрица коэффициентов системы уравненийn).

Доказательство. Необходимость. Пусть система (6.3.1) имеет ненулевое решение. Тогда она неопределённая, т.к. имеет еще и нулевое решение. В силу теоремы 6.2.2 ранг матрицы неопределённой системы не может равняться n потому что при r(А)=n система определённая. Следовательно, Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи так как он не может быль больше n то Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Достаточность. Если Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то в силу теоремы 6.2.2 система (6.3.1) имеет бесчисленное множество решений. А так как только одно решение является нулевым, то все остальные решения ненулевые. Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Следствие 1. Если число неизвестных в однородной системе больше числа уравнений, то однородная система имеет ненулевые решения.

Доказательство. Действительно, ранг матрицы системы (6.3.1) не может превышать m. Но так как по условиюРасширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то и Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Следовательно, в силу теоремы 6.3.1 система имеет ненулевые решения.

Следствие 2. Для того, чтобы однородная система с квадрат-ной матрицей имела ненулевые решения, необходимо и достаточно, чтобы её определитель Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийравнялся нулю.

Доказательство. Рассмотрим однородную систему с квадратной матрицей:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений(6.3.2)

Если определитель матрицы системы Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то ранг матрицы Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, тогда в силу теоремы 6.3.1 система (6.3.2) имеет ненулевое решение, так как условие Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийявляется необходимым и достаточным условием для существования ненулевого решения. Заметим, что если определитель матрицы системы (6.3.2) не равен нулю, то Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийв силу теоремы 6.3.1 она имеет только нулевое решение.

Пример:

Решить систему однородных линейных уравнений:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Составим матицу системы и применим алгоритм полного исключения:Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Из последней матрицы следует, что Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи система имеет бесчисленное множество решений.

Используя последнюю матрицу, последовательно находим общее решение: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неизвестные Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— базисные, Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— свободная неизвестная, Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Фундаментальная система решений. Общее решение неоднородной системы линейных уравнений

Рассмотрим систему однородных линейных уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений(6.4.1)

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

системы m линейных однородных уравнений с n неизвестными можно рассматривать как вектор-строку Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийили как вектор-столбец Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Поэтому имеют смысл такие понятия, как сумма двух решений, произведение решения на число, линейная комбинация решений, линейная зависимость или независимость системы решений. Непосредственной подстановкой в систему (6.4.1) можно показать, что:

1) сумма двух решений также является решением системы, т.е.

если Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— решения системы

(6.4.1), то и Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— решение системы (6.4.1);

2) произведение решенийРасширенная матрица коэффициентов системы уравненийна любое число Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийесть решение системы, т.е. Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— решение системы.

Из приведенных свойств следует, что

3) линейная комбинация решений системы (6.4.1) является решением этой системы.

В частности, если однородная система (6.4.1) имеет хотя бы одно ненулевое решение, то из него умножением на произвольные числа, можно получить бесконечное множество решений.

Определение 6.4.1. Фундаментальной системой решений для системы однородных линейных уравнений (6.4.1) называется линейно независимая система решений, через которую линейно выражается любое решение системы (6.4.1).

Заметим, что если ранг матрицы системы (6.4.1) равен числу неизвестных n (r(А)=n), то эта система не имеет фундаментальной системы решений, так как единственным решением будет нулевое решение, составляющее линейно зависимую систему. Существование и число фундаментальных решений определяется следующей теоремой.

Теорема 6.4.1. Если ранг матрицы однородной системы уравнений (6.4.1) меньше числа неизвестных (r(А)Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийn), то система (6.4.1) имеет бесконечное множество фундаментальных систем решений, причём каждая из них состоит из n-r решений и любые n-r линейно независимые решения составляют фундаментальную систему.

Сформулируем алгоритм построения фундаментальной системы решений:

  1. Выбираем любой определитель Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийпорядка n-r, отличный от нуля, в частности, определитель порядка n-r, у которого элементы главной диагонали равны единице, а остальные — нули.
  2. Свободным неизвестным придаём поочерёдно значения, равные элементам первой, второй и т.д. строк определителяРасширенная матрица коэффициентов системы уравнений, и каждый раз из общего решения находим соответствующие значения базисных неизвестных.
  3. Из полученных n-r решений составляют фундаментальную систему решений.

Меняя произвольно определитель Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, можно получать всевозможные фундаментальные системы решений.

Пример:

Найти общее решение и фундаментальную систему решений для однородной системы уравнений:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Составим матрицу системы и применим алгоритм полного исключения.

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Для последней матрицы составляем систему:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений,

, из которой находим общее решение:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

в котором Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— базисные неизвестные, а Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— свободные неизвестные.

Построим фундаментальную систему решений. Для этого выбираем определитель Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи свободным неизвестным придаём поочерёдно значения, равные элементам первой, а затем второй строк, т.е. положим вначале Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи получим из общего решения Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений; затем полагаем Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, из общего решения находим: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Таким образом, построенные два решения (1; -1; 1; 0) и (-6; 4; 0; 1) составляют фундаментальную систему решений.

Если ранг матрицы системы однородных линейных уравнений (6.4.1) на единицу меньше числа неизвестных: Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийто Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, и значит, фундаментальная система состоит из одного решения. Следовательно, любое ненулевое решение образует фундаментальную систему. В этом случае любые два решения различаются между собой лишь числовыми множителями.

Рассмотрим теперь неоднородную систему m линейных уравнений с n неизвестными (6.1.1). Если в системе (6.1.1) положить Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то полученная однородная система называется приведенной для системы (6.1.1).

Решения системы (6.1.1) и её приведенной системы удовлетворяют свойствам:

  1. Сумма и разность любого решения системы (6.1.1) и любого решения её приведенной системы является решением неоднородной системы.
  2. Все решения неоднородной системы можно получить, прибавляя к одному (любому) её решению поочерёдно все решения её приведенной системы.

Из этих свойств следует теорема.

Теорема 6.4.2. Общее решение неоднородной системы (6.1.1.) определяется суммой любого частного решения этой системы и общего решения её приведенной системы.

Пример:

Найти общее решение системы:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Составим расширенную матрицу (A|F) заданной системы и применим алгоритм полного исключения:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений,

Преобразованной матрице соответствует система уравнений:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

из которой находим общее решение системы:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

, где Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— базисные неизвестные, а Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— свободные неизвестные.

Покажем, что это общее решение определяется суммой любого частного решения заданной системы и общего решения приведенной системы.

Подставляя вместо свободных неизвестных Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийв общее решение системы нули, получаем частное решение исходной системы: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Очевидно, что общее решение приведенной системы имеет вид:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Суммируя частное решение заданной системы и общее решение приведенной системы, получим общее решение (6.4.2) исходной системы.

Отметим, что общее решение системы (6.1.1) можно представить в векторном виде:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

где Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— • некоторое решение (вектор-строка) системы (6.1.1);

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— фундаментальная система решений системы (6.4.1);

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— любые действительные числа.

Формула (6.4.4) называется общим решением системы (6.1.1) в векторной форме.

Запишем общее решение системы примера 6.4.1 в векторной форме. Для этого определим фундаментальную систему решений приведенной системы. Возьмём определитель Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи придадим поочерёдно свободным неизвестным значения, равные элементам строк. Пусть Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийтогда из общего решения (6.4.3) приведенной системы находим Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений; если же Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, то Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Следовательно, фундаментальную систему решений образуют решения: Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений. Тогда общее решение заданной системы в векторной форме имеет вид: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений, где Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений— частное решение заданной системы; Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Видео:Решение системы уравнений методом Гаусса 4x4Скачать

Решение системы уравнений методом Гаусса 4x4

Определение метода Гаусса

Исторически первым, наиболее распространенным методом решения систем линейных уравнений является метод Гаусса, или метод последовательного исключения неизвестных. Сущность этого метода состоит в том, что посредством последовательных исключений неизвестных данная система превращается в ступенчатую (в частности, треугольную) систему, равносильную данной. При практическом решении системы линейных уравнений методом Гаусса удобнее приводить к ступенчатому виду не саму систему уравнений, а расширенную матрицу этой системы, выполняя элементарные преобразования над ее строками. Последовательно получающиеся в ходе преобразования матрицы обычно соединяют знаком эквивалентности.

Пример:

Решить систему уравнений методом Гаусса:

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Решение:

Выпишем расширенную матрицу данной системы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийи произведем следующие элементарные преобразования над ее строками:

а) из ее второй и третьей строк вычтем первую, умноженную соответственно на 3 и 2: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

б) третью строку умножим на (-5) и прибавим к ней вторую: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

В результате всех этих преобразований данная система приводится к треугольному виду: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Из последнего уравнения находим Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийПодставляя это значение во второе уравнение, имеем Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийДалее из первого уравнения получим Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Видео:Система линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Матричный метод.Скачать

Система линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Матричный метод.

Вычисление метода Гаусса

Этот метод основан на следующей теореме.

Теорема:

Элементарные преобразования не изменяют ранга матрицы.

К элементарным преобразованиям матрицы относят:

  1. перестановку двух параллельных рядов;
  2. умножение какого-нибудь ряда на число, отличное от нуля;
  3. прибавление к какому-либо ряду матрицы другого, параллельного ему ряда, умноженного на произвольное число.

Путем элементарных преобразований исходную матрицу можно привести к трапециевидной форме

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

где все диагональные элементы Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийотличны от нуля. Тогда ранг полученной матрицы равен рангу исходной матрицы и равен k.

Пример:

Найти ранг матрицы

Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

1) методом окаймляющих миноров;

2 ) методом Гаусса.

Указать один из базисных миноров.

Решение:

1. Найдем ранг матрицы методом окаймляющих миноров. Выберем минор второго порядка, отличный от нуля. Например,

Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийСуществуют два минора третьего порядка, окаймляющих минор Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

Расширенная матрица коэффициентов системы уравненийТ.к. миноры третьего порядка равны нулю, ранг матрицы равен двум. Базисным минором является, например, минор Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

2. Найдем ранг матрицы методом Гаусса. Производя последовательно элементарные преобразования, получим: Расширенная матрица коэффициентов системы уравнений

  1. переставили первую и третью строки;
  2. первую строку умножили на 2 и прибавили ко второй, первую строку умножили на 8 и прибавили к третьей;
  3. вторую строку умножили на -3 и прибавили к третьей.

Последняя матрица имеет трапециевидную форму и ее ранг равен двум. Следовательно, ранг исходной матрицы также равен двум.

Рекомендую подробно изучить предметы:
  1. Математика
  2. Алгебра
  3. Линейная алгебра
  4. Векторная алгебра
  5. Высшая математика
  6. Дискретная математика
  7. Математический анализ
  8. Математическая логика
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Прямая линия на плоскости и в пространстве
  • Плоскость в трехмерном пространстве
  • Функция одной переменной
  • Производная функции одной переменной
  • Дифференциальные уравнения с примерами
  • Обратная матрица — определение и нахождение
  • Ранг матрицы — определение и вычисление
  • Определители второго и третьего порядков и их свойства

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Видео:Математика Без Ху!ни. Система линейных уравнений. Метод Крамера.Скачать

Математика Без Ху!ни. Система линейных уравнений. Метод Крамера.

Расширенная матрица

Расширенная матрица представляет собой краткое обозначение системы линейных алгебраических уравнений (SLAE).

Пусть множество SLAU

Матрица А, составленная из коэффициентов для неизвестных ,называется главной матрицей системы или матрицы системы:

Матрица , полученная из основной матрицы, путем добавления столбца свободных членов вправо, называется расширенной матрицей SLAE:

Примеры решения задач с расширенными матрицами

Выписать основные и расширенные матрицы следующей системы линейных уравнений

Мы составляем основную матрицу коэффициентов с неизвестными

Добавив столбец свободных членов справа от основной матрицы, получим расширенную матрицу:

🌟 Видео

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решений

Метод Гаусса и метод Жордана-Гаусса ➜ 2 метода за 7 минутСкачать

Метод Гаусса и метод Жордана-Гаусса ➜ 2 метода за 7 минут

Как решить систему уравнений методом Гаусса? Просто с лидеромСкачать

Как решить систему уравнений методом Гаусса? Просто с лидером

Система линейных уравнений. Общее решение. Метод ГауссаСкачать

Система линейных уравнений.  Общее решение. Метод Гаусса

Решение системы уравнений методом Гаусса. Бесконечное множество решенийСкачать

Решение системы уравнений методом Гаусса. Бесконечное множество решений

Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvyСкачать

Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvy

Решение системы линейных уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы линейных уравнений методом Гаусса

решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

решение системы уравнений методом Гаусса

метод Гаусса СИСТЕМА ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ решение СЛАУСкачать

метод Гаусса СИСТЕМА ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ решение СЛАУ

ВМ. 1.5 Как записать СЛАУ в виде матрицы. Что такое основная матрица и расширенная матрица?Скачать

ВМ. 1.5 Как записать СЛАУ в виде матрицы. Что такое основная матрица и расширенная матрица?
Поделиться или сохранить к себе: