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.
- Определение системы линейных уравнений
- Виды СЛАУ
- Матричная форма записи системы
- Расширенная матрица СЛАУ
- Метод Гаусса — определение и вычисление с примерами решения
- Алгоритм решения системы m линейных уравнений с n неизвестными методом Гаусса
- Исследование совместности и определённости системы. Теорема Кронекера-Капелли
- Однородные системы линейных уравнений
- Фундаментальная система решений. Общее решение неоднородной системы линейных уравнений
- Определение метода Гаусса
- Вычисление метода Гаусса
- Расширенная матрица
- 📺 Видео
Видео:Матричный метод решения систем уравненийСкачать

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

Виды СЛАУ
- Однородная – все свободные члены системы равны нулю ( b1 = b2 = … = bm = 0 ).
В зависимости от количества решений, СЛАУ может быть:
- Совместная – имеет хотя бы одно решение. При этом если оно единственное, система называется определенной, если решений несколько – неопределенной.
СЛАУ выше является совместной, т.к. есть хотя бы одно решение: , y = 3 . - Несовместная – система не имеет решений.
Правые части уравнений одинаковые, а левые – нет. Таким образом, решений нет.
Видео:Решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

Матричная форма записи системы
СЛАУ можно представить в матричной форме:
- A – матрица, которая образована коэффициентами при неизвестных:
- X – столбец переменных:
- B – столбец свободных членов:
Пример
Представим систему уравнений ниже в матричном виде:
Пользуясь формами выше, составляем основную матрицу с коэффициентами, столбцы с неизвестными и свободными членами.
Полная запись заданной системы уравнений в матричном виде:
Видео:Решение системы уравнений методом Крамера.Скачать

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:

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

Метод Гаусса — определение и вычисление с примерами решения
Содержание:
Базисные и свободные переменные:
Пусть задана система
Элементарными преобразованиями системы линейных уравнений называются следующие преобразования:
- исключение из системы уравнения вида
- умножение обеих частей одного из уравнений системы на любое действительное число
;
- перестановка местами уравнений системы;
- 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)

На первом шаге метода Гаусса исключим неизвестное 


в которой коэффициенты 



чтобы это условие было выполнено). Для исключения неизвестного 

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

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 



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 







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 
Практически удобнее преобразовывать не саму систему уравнений (6.1.1), а расширенную матрицу системы, соединяя последовательно получающиеся матрицы знаком эквивалентности
Формализовать метод Гаусса можно при помощи следующего алгоритма.
Видео:Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvyСкачать

Алгоритм решения системы m линейных уравнений с n неизвестными методом Гаусса
1. Составьте расширенную матрицу коэффициентов системы уравнений так, чтобы 
2. Выполните первый шаг метода Гаусса: в первом столбце начиная со второй строки, запишите нули, а все другие элементы вычислите по формуле
Матрица после первого шага примет вид
3. Выполните второй шаг метода Гаусса, предполагая, что 
После второго шага матрица примет вид
4. Продолжая аналогичные преобразования, придёте к одному из двух случаев:
а) либо в ходе преобразований получим уравнение вида
тогда данная система несовместна;
б) либо придём к матрице вида:
где 
связано с тем, что в процессе преобразований матрицы исключаются строки, состоящие из нулей.
5. Использовав конечную матрицу, составьте систему, при этом возможны два случая:
Система имеет единственное,решение 




5.2. 
Тогда r неизвестных будут базисными, а остальные (n-r) — свободными. Из последнего уравнения выражаете неизвестное 


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:
- составляется расширенная матрица;
- выбирается разрешающий элемент расширенной матрицы
(если
, строки матрицы можно переставить так, чтобы выполнялось условие
);
- элементы разрешающей строки (строки, содержащей разрешающий элемент) оставляем без изменения; элементы разрешающего столбца (столбца, содержащего разрешающий элемент), кроме разрешающего элемента, заменяем нулями;
- 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):
— разрешающий элемент (см. схему).
Последующие шаги выполняем по правилам:
1) выбирается разрешающий элемент 
2) элементы разрешающей строки оставляем без изменения;
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:
Решение:
Составим расширенную матрицу системы, и применим алгоритм полного исключения, обозначая разрешающий элемент символом
Из последней матрицы находим следующее решение системы
уравнении:
Ответ:
Пример:
Решить систему уравнений:
Решение:
Составим расширенную матрицу системы, и применим алгоритм полного исключения, обозначая разрешающий элемент символом
Система привелась к ступенчатому виду (трапециевидной форме):
в которой неизвестные 






в котором 
Если в общем решении положить 

Ответ: система имеет бесконечное множество решений, общее решение которой записывается в виде:
Пример:
Решить систему уравнений:
Решение:
Составим расширенную матрицу системы, и применим алгоритм полного исключения, обозначая разрешающий элемент символом 


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 




Если же такую систему (m-n) записать в матричной форме AX=F, то её решение можно найти по формуле 
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:
Решение:
то обратная матрица 
Покажем, что
ответ
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 
Доказательство и Необходимость:
Предположим, что система (6.1.1) совместна и 
Из этих равенств следует, что последний столбец матрицы 




Достаточность. Пусть 
столбцов матрицы А, которые одновременно будут базисными столбцами и матрицы 

где 

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 
В случае 




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:
Решение:
Составим расширенную матрицу заданной системы. Определяя её ранг, находим тем самым и ранг матрицы системы. Для нахождения ранга матрицы применим алгоритм метода Гаусса.
Из последней матрицы следует, что ранг расширенной матрицы 

Однородные системы линейных уравнений
Система линейных уравнений (6.1.1) называется однородной, если все свободные члены 
Эта система всегда совместна, так как очевидно, что она имеет нулевое решение
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 (r
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, 

Достаточность. Если 
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 условию

Следствие 2. Для того, чтобы однородная система с квадрат-ной матрицей имела ненулевые решения, необходимо и достаточно, чтобы её определитель 
Доказательство. Рассмотрим однородную систему с квадратной матрицей:

Если определитель матрицы системы 



Пример:
Решить систему однородных линейных уравнений:
Решение:
Составим матицу системы и применим алгоритм полного исключения:
Из последней матрицы следует, что 
Используя последнюю матрицу, последовательно находим общее решение:
Неизвестные 


Фундаментальная система решений. Общее решение неоднородной системы линейных уравнений
Рассмотрим систему однородных линейных уравнений

системы m линейных однородных уравнений с n неизвестными можно рассматривать как вектор-строку 

1) сумма двух решений также является решением системы, т.е.
если 
(6.4.1), то и 
2) произведение решений


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)
Сформулируем алгоритм построения фундаментальной системы решений:
- Выбираем любой определитель
порядка n-r, отличный от нуля, в частности, определитель порядка n-r, у которого элементы главной диагонали равны единице, а остальные — нули.
- Свободным неизвестным придаём поочерёдно значения, равные элементам первой, второй и т.д. строк определителя
, и каждый раз из общего решения находим соответствующие значения базисных неизвестных.
- Из полученных n-r решений составляют фундаментальную систему решений.
Меняя произвольно определитель 
Пример:
Найти общее решение и фундаментальную систему решений для однородной системы уравнений:
Решение:
Составим матрицу системы и применим алгоритм полного исключения.
Для последней матрицы составляем систему:

, из которой находим общее решение:
в котором 

Построим фундаментальную систему решений. Для этого выбираем определитель 




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: 

Рассмотрим теперь неоднородную систему m линейных уравнений с n неизвестными (6.1.1). Если в системе (6.1.1) положить 
Решения системы (6.1.1) и её приведенной системы удовлетворяют свойствам:
- Сумма и разность любого решения системы (6.1.1) и любого решения её приведенной системы является решением неоднородной системы.
- 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:
Решение:
Составим расширенную матрицу (A|F) заданной системы и применим алгоритм полного исключения:

Преобразованной матрице соответствует система уравнений:
из которой находим общее решение системы:
, где 

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

Очевидно, что общее решение приведенной системы имеет вид:
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:
где 


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 









Видео:Решение системы уравнений методом Гаусса 4x4Скачать

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:
Решение:
Выпишем расширенную матрицу данной системы 
а) из ее второй и третьей строк вычтем первую, умноженную соответственно на 3 и 2:
б) третью строку умножим на (-5) и прибавим к ней вторую:
В результате всех этих преобразований данная система приводится к треугольному виду:
Из последнего уравнения находим 

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

Вычисление метода Гаусса
Этот метод основан на следующей теореме.
Теорема:
Элементарные преобразования не изменяют ранга матрицы.
К элементарным преобразованиям матрицы относят:
- перестановку двух параллельных рядов;
- умножение какого-нибудь ряда на число, отличное от нуля;
- прибавление к какому-либо ряду матрицы другого, параллельного ему ряда, умноженного на произвольное число.
Путем элементарных преобразований исходную матрицу можно привести к трапециевидной форме
где все диагональные элементы 
Пример:
Найти ранг матрицы
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,


2. Найдем ранг матрицы методом Гаусса. Производя последовательно элементарные преобразования, получим:
- переставили первую и третью строки;
- первую строку умножили на 2 и прибавили ко второй, первую строку умножили на 8 и прибавили к третьей;
- 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: |
|
| 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:Как решить систему уравнений методом Гаусса? Просто с лидеромСкачать

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

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

Система линейных уравнений. Общее решение. Метод ГауссаСкачать

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvyСкачать

решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы линейных уравнений методом ГауссаСкачать

метод Гаусса СИСТЕМА ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ решение СЛАУСкачать

Решение системы уравнений методом Гаусса. Бесконечное множество решенийСкачать

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
















;













(если
, строки матрицы можно переставить так, чтобы выполнялось условие
);
— разрешающий элемент (см. схему).






























порядка n-r, отличный от нуля, в частности, определитель порядка n-r, у которого элементы главной диагонали равны единице, а остальные — нули.
, и каждый раз из общего решения находим соответствующие значения базисных неизвестных.
















