Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Линейные уравнения. Решение систем линейных уравнений матричным методом.

Матричный метод решения СЛАУ применяют к решению систем уравнений, у которых количество уравнений соответствует количеству неизвестных. Метод лучше применять для решения систем низкого порядка. Матричный метод решения систем линейных уравнений основывается на применении свойств умножения матриц.

Этот способ, другими словами метод обратной матрицы, называют так, так как решение сводится к обычному матричному уравнению, для решения которого нужно найти обратную матрицу.

Матричный метод решения СЛАУ с определителем, который больше или меньше нуля состоит в следующем:

Предположим, есть СЛУ (система линейных уравнений) с n неизвестными (над произвольным полем):

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Значит, её легко перевести в матричную форму:

AX=B, где A — основная матрица системы, B и X — столбцы свободных членов и решений системы соответственно:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Умножим это матричное уравнение слева на A −1 — обратную матрицу к матрице A: A −1 (AX)=A −1 B.

Т.к. A −1 A=E, значит, X=A −1 B. Правая часть уравнения дает столбец решений начальной системы. Условием применимости матричного метода есть невырожденность матрицы A. Необходимым и достаточным условием этого есть неравенство нулю определителя матрицы A:

Для однородной системы линейных уравнений, т.е. если вектор B=0, выполняется обратное правило: у системы AX=0 есть нетривиальное (т.е. не равное нулю) решение лишь когда detA=0. Эта связь между решениями однородных и неоднородных систем линейных уравнений называется альтернатива Фредгольма.

Т.о., решение СЛАУ матричным методом производится по формуле Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид. Либо, решение СЛАУ находят при помощи обратной матрицы A −1 .

Известно, что у квадратной матрицы А порядка n на n есть обратная матрица A −1 только в том случае, если ее определитель ненулевой. Таким образом, систему n линейных алгебраических уравнений с n неизвестными решаем матричным методом только в случае, если определитель основной матрицы системы не равен нулю.

Не взирая на то, что есть ограничения возможности применения такого метода и существуют сложности вычислений при больших значениях коэффициентов и систем высокого порядка, метод можно легко реализовать на ЭВМ.

Видео:Матричный метод решения систем уравненийСкачать

Матричный метод решения систем уравнений

Пример решения неоднородной СЛАУ.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Для начала проверим, не равен ли нулю определитель матрицы коэффициентов у неизвестных СЛАУ.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Далее вычисляем алгебраические дополнения для элементов матрицы, которая состоит из коэффициентов при неизвестных. Эти коэффициенты нужны будут для вычисления обратной матрицы.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Теперь находим союзную матрицу, транспонируем её и подставляем в формулу для определения обратной матрицы.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Подставляем переменные в формулу:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Теперь находим неизвестные, перемножая обратную матрицу и столбик свободных членов.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

При переходе от обычного вида СЛАУ к матричной форме будьте внимательными с порядком неизвестных переменных в уравнениях системы. Например:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

НЕЛЬЗЯ записать как:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Необходимо, для начала, упорядочить неизвестные переменные в кадом уравнении системы и только после этого переходить к матричной записи:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Кроме того, нужно быть внимательными с обозначением неизвестных переменных, вместо x1, x2, …, xn могут оказаться другие буквы. К примеру:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

в матричной форме записываем так:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Матричным методом лучше решать системы линейных уравнений, в которых количество уравнений совпадает с числом неизвестных переменных и определитель основной матрицы системы не равен нулю. Когда в системе более 3-х уравнений, на нахождение обратной матрицы потребуется больше вычислительных усилий, поэтому, в этом случае целесообразно использовать для решения метод Гаусса.

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

Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.

Основные определения и понятия

Рассмотрим систему m уравнений с n неизвестными

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид. (1)

Матрица A,составленная из коэффициентов при неизвестных системы, называется матрицей системы уравнений (1)

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видназывают расширенной матрицей системы, ее последний столбец отделяют вертикальной чертой.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет види Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

называют соответственно вектором неизвестных и вектором правых частей системы (1). В этих обозначениях векторно-матричная запись системы (1) выглядит так:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид(2)

Если вектор Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, то система называется однородной, если же Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид(хотя бы один из элементов Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видотличен от нуля), то система называется неоднородной.

Решением системы (1) называется такой вектор Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, что при подстановке чисел Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видв систему (1) получаются верные равенства (тождества).

Система, имеющая хотя бы одно решение, называется совместной, в противном случае – несовместной.

Две системы называются эквивалентными, если множества их решений совпадают. Если к некоторому уравнению системы прибавить другое, умноженное на число, то решения системы не меняются. Заметим, что операции над системой уравнений сводятся к элементарным преобразованиям над расширенной матрицей Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид. Таким образом, элементарные преобразования над Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видне меняют совокупности ее решений.

Однородные системы

Рассмотрим однородную систему

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид(3)

Заметим, что однородная система всегда совместна, поскольку нуль-вектор Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– ее решение.

Вопрос лишь в том, единственно ли это решение и если нет, то что представляет собой совокупность всех ее решений.

Теорема. Множество всех решений однородной системы образует подпространство в Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Действительно, если Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– решения системы (3), т.е. Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет види Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, то Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, где Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– числа, также является решением системы (3):

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Итак, решения однородной системы можно складывать, умножать на число, новый вектор вновь будет решением этой системы. Мы знаем, что в любом подпространстве (кроме Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид) можно выделить базис и любой вектор подпространства представить в виде линейной комбинации векторов базиса.

Обозначим V – подпространство решений однородной системы (3), а Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– некоторый базис в V.

Любой базис подпространства V решений однородной системы называют фундаментальной системой решений (ФСР).

Число векторов ФСР Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, где Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– число неизвестных системы (3), а r – ранг матрицы A. Таким образом, размерность подпространства решений Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Любой вектор-решение Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид(общее решение) является линейной комбинацией векторов ФСР: Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Научимся находить общее решение однородной системы. Для этого применяется метод Гаусса. Метод Гаусса для решения систем уравнений состоит из прямого и обратного хода. Прямым ходом заданную систему приводят к эквивалентной ступенчатой системе, которая легко поддается исследованию. Решение системы находится обратным ходом метода Гаусса.

Проиллюстрируем алгоритм метода на примере системы:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Все преобразования системы сводятся к преобразованиям матрицы системы.

Прямой ход метода Гаусса.

1. Приведем матрицы системы к ступенчатому виду:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Матрица Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видступенчатая, ее ранг Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

2. Выпишем соответствующую систему уравнений:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Мы отбросили последнее уравнение, все коэффициенты которого равны нулю. Заметим, что угловые элементы матрицы Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видявляются коэффициентами при Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видв ступенчатой системе.

3. Назовем переменные Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, не связанные с угловыми элементами, свободными, а Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видзависимыми переменными (несвободными). Зависимыми переменными всегда объявляются переменные, коэффициентами которых являются угловые элементы. Заметим, что при другом способе приведения матрицы к ступенчатому виду свободными переменными могут оказаться переменные с другими индексами. Однако число свободных переменных всегда равно Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид
В данном примере Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Обратный ход метода Гаусса.

1. Выразим зависимые переменные через свободные из ступенчатой системы, начиная с последнего уравнения и «поднимаясь» вверх к первому. В результате получим

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид. (*)

Полученные выражения дают описание всего множества решений однородной системы (3). Давая свободным переменным произвольные значения (они играют роль параметров для множества решений) и вычисляя значения зависимых переменных, получаем некоторое частное решение системы. Так можно получить все решения системы, поэтому выражения (*) называют общим решением системы в координатной форме.

2. Запишем общее решение в векторной форме. Выберем из общего решения (*) Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видлинейно независимых решений и составим из них ФСР. Для этого придадим свободным переменным значения Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, тогда из (*) получим Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет види Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид; затем Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, вычислим из (*) Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет види Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Векторы Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видлинейно независимы (в силу выбора свободных переменных) и образуют ФСР.

Общее решение системы, записанное в векторной форме, имеет вид

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Итак, размерность подпространства есть Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, где Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид. Если Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид(т.е. A имеет «полный ранг»), Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, т.е. Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видимеет нулевую размерность ( Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид), а значит, состоит лишь из нулевого вектора Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид. В этом случае однородная система имеет единственное нулевое (тривиальное) решение.

Неоднородные системы

Мы научились находить общее решение однородной системы. Перейдем теперь к неоднородным системам. Процедура получения общего решения (в координатной и векторной формах) для них будет похожей.

Пусть дана система Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видили в координатной форме

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Соответствующая этой системе однородная система имеет ту же матрицу системы Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, а вектор правых частей Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, т.е. Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Справедливо следующее утверждение.

Пусть Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– некоторое частное решение неоднородной системы Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, а Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– решение соответствующей однородной системы. Тогда вектор Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видбудет решением неоднородной системы. Действительно, Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Это означает, что к решениям однородной системы можно прибавить решение неоднородной системы, в результате получим решение неоднородной системы.

Чтобы получить общее решение неоднородной системы, нужно к общему решению соответствующей однородной системы прибавить некоторое частное решениенеоднородной.

В отличие от однородной системы неоднородная не всегда совместна, поэтому прежде чем находить решение системы Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет виднеобходимо выяснить вопрос, существует ли хотя бы одно решение, т.е. совместна ли система. Ответ на этот вопрос дает теорема Кронекера-Капелли (критерий совместности неоднородной системы): система Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видсовместна тогда и только тогда, когда ранг основной матрицы A равен рангу расширенной матрицы Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Рассмотрим метод Гаусса для решения неоднородной системы уравнений на примере системы

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Прямой ход метода Гаусса.

1. Приведем расширенную матрицу системы к ступенчатому виду

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Здесь Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, система совместна.

2. Запишем эквивалентную ступенчатую систему:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Переменные Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видявляются зависимыми, а Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– свободной переменной.

Обратный ход метода Гаусса.

1. Выразим зависимые переменные через свободные. Запишем общее решение неоднородной системы в координатной форме.

Выразим переменные Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видчерез свободную переменную Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид(*)

Полученные равенства задают общее решение исходной системы в координатной форме. Заметим, что для получения общего решения однородной системы нет нужды повторять заново всю процедуру. Достаточно в формулах (*) заменить свободные члены нулями. Получим общее решение однородной системы в координатной форме:

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид(**)

Размерность подпространства V решений однородной системы Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, а значит, ФСР содержит лишь один вектор. Найдем его из равенств (**), придавая свободной переменной Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видлюбое отличное от нуля значение, например, пусть Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, тогда Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет види базисный вектор Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Общее решение однородной системы в векторной форме выглядит так: Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, здесь Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– произвольная постоянная (сокращение «оо» означает общее «однородного»).

Остается найти частное решение неоднородной Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видсистемы. Для этого в формулах (*) свободной переменной Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видпридадим произвольное (например, нулевое) значение, получаем: Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

– общее решение в векторной форме.

Пример.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид; Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид;

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Таким образом, ранги расширенной и основной матриц системы не равны, теорема Кронекера-Капелли не выполняется, система несовместна. Итак, всякое решение неоднородной системы ( Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– «общее неоднородной») есть сумма частного решения неоднородной ( Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид) и общего решения однородной ( Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид): Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, или Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид, где Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид– фундаментальная система решений (базис подпространства Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видрешений однородной системы). Можно показать, что множество Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видрешений неоднородной системы не является подпространством (проверьте это самостоятельно). Множество Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видпредставляет собой сдвиг пространства V на произвольный вектор Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид. Результат сдвига не зависит от выбора частного решения Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

Говорят, что множество Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видявляется «параллельным сдвигом» подпространства V. Понимать это нужно так: любой вектор – решение неоднородной системы может быть получен по формуле Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет видсоответствующим подбором постоянных Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид.

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

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

Системы линейных алгебраических уравнений: основные понятия, виды

Видео:15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решений

Определение СЛАУ

Системой линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) называется система вида:

$$left<begin a_ cdot x_+a_ cdot x_+ldots+a_ cdot x_=b_ \ a_ cdot x_+a_ cdot x_+ldots+a_ cdot x_=b_ \ ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots ldots . . \ a_ cdot x_+a_ cdot x_+ldots+a_ cdot x_=b_ endright.$$

Упорядоченный набор значений $$left<x_^, x_^, ldots, x_^right>$$ называется решением системы, если при подстановке в уравнения все уравнения превращаются в тождество.

Задание. Проверить, является ли набор $$ решением системы $left<begin 3 x-2 y=-6 \ 5 x+y=3 endright.$

Решение. Подставляем в каждое из уравнений системы $x=0$ и $y=3$:

$$5 x+y=3 Rightarrow 5 cdot 0+3=3 Rightarrow 3=3$$

Так как в результате подстановки получили верные равенства, то делаем вывод, что заданный набор является решением указанной СЛАУ.

Ответ. Набор $$ является решением системы $left<begin 3 x-2 y=-6 \ 5 x+y=3 endright.$

Видео:ФСР. Система однородных уравнений. Общее решениеСкачать

ФСР.  Система однородных уравнений.  Общее решение

Виды систем

СЛАУ называется совместной, если она имеет, хотя бы одно решение.

В противном случае система называется несовместной.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Система $left<begin 3 x-2 y=-6 \ 5 x+y=3 endright.$ является совместной, так как она имеет, по крайней мере, одно решение $x=0$, $y=3$

Система $left<begin 5 x+y=-6 \ 5 x+y=3 endright.$ является несовместной, так как выражения, стоящие в левых частях уравнений системы равны, но правые части не равны друг другу. Ни для каких наборов $$ это не выполняется.

Система называется определённой, если она совместна и имеет единственное решение.

В противном случае (т.е. если система совместна и имеет более одного решения) система называется неопределённой.

Система называется однородной, если все правые части уравнений, входящих в нее, равны нулю одновременно.

Система называется квадратной, если количество уравнений равно количеству неизвестных.

Система $left<begin 3 x-2 y=-6 \ 5 x+y=3 endright.$ квадратная, так как неизвестных две и это число равно количеству уравнений системы.

Видео:Решение матричных уравненийСкачать

Решение матричных уравнений

Матричная запись систем уравнений

Исходную СЛАУ можно записать в матричном виде:

Задание. Систему $left<begin x-y+z-4 t=0 \ 5 x+y+t=-11 endright.$ записать в матричной форме и выписать все матрицы, которые ей соответствуют.

Решение. Заданную СЛАУ записываем в матричной форме $A. X=B$ , где матрица системы:

$$A=left(begin 1 & -1 & 1 & -4 \ 5 & 1 & 0 & 1 endright)$$

то есть, запись СЛАУ в матричной форме:

$$left(begin 1 & -1 & 1 & -4 \ 5 & 1 & 0 & 1 endright)left(begin x \ y \ z \ t endright)=left(begin 0 \ -11 endright)$$

Видео:Решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы уравнений методом Гаусса

Расширенная матрица системы

Задание. Записать матрицу и расширенную матрицу системы $left<begin 2 x_+x_-x_=4 \ x_-x_=5 endright.$

Решение. Матрица системы $A=left(begin 2 & 1 & -1 \ 1 & -1 & 0 endright)$ , тогда расширенная матрица $tilde=(A mid B)=left(begin 2 & 1 & -1 & 4 \ 1 & -1 & 0 & 5 endright)$

Видео:Решение системы уравнений методом обратной матрицы.Скачать

Решение системы уравнений методом обратной матрицы.

Система линейных алгебраических уравнений. Основные термины. Матричная форма записи.

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

Система линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Матричный метод.

Определение системы линейных алгебраических уравнений. Решение системы. Классификация систем.

Под системой линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) подразумевают систему

содержащую $m$ уравнений и $n$ неизвестных ($x_1,x_2,ldots,x_n$). Прилагательное «линейных» означает, что все неизвестные (их еще называют переменными) входят только в первой степени.

Параметры $a_$ ($i=overline$, $j=overline$) называют коэффициентами, а $b_i$ ($i=overline$) – свободными членами СЛАУ. Иногда, чтобы подчеркнуть количество уравнений и неизвестных, говорят так «$mtimes n$ система линейных уравнений», – тем самым указывая, что СЛАУ содержит $m$ уравнений и $n$ неизвестных.

Если все свободные члены $b_i=0$ ($i=overline$), то СЛАУ называют однородной. Если среди свободных членов есть хотя бы один, отличный от нуля, СЛАУ называют неоднородной.

Решением СЛАУ (1) называют всякую упорядоченную совокупность чисел ($alpha_1, alpha_2,ldots,alpha_n$), если элементы этой совокупности, подставленные в заданном порядке вместо неизвестных $x_1,x_2,ldots,x_n$, обращают каждое уравнение СЛАУ в тождество.

Любая однородная СЛАУ имеет хотя бы одно решение: нулевое (в иной терминологии – тривиальное), т.е. $x_1=x_2=ldots=x_n=0$.

Если СЛАУ (1) имеет хотя бы одно решение, ее называют совместной, если же решений нет – несовместной. Если совместная СЛАУ имеет ровно одно решение, её именуют определённой, если бесконечное множество решений – неопределённой.

Система уравнений с матрицей и вектором правых частей имеет вид

Имеем систему линейных алгебраических уравнений, содержащую $3$ уравнения и $5$ неизвестных: $x_1$, $x_2$, $x_3$, $x_4$, $x_5$. Можно, сказать, что задана система $3times 5$ линейных уравнений.

Коэффициентами системы (2) есть числа, стоящие перед неизвестными. Например, в первом уравнении эти числа таковы: 3, -4, 1, 7, -1. Свободные члены системы представлены числами 11, -65, 0. Так как среди свободных членов есть хотя бы один, не равный нулю, то СЛАУ (2) является неоднородной.

Упорядоченная совокупность $(4;-11;5;-7;1)$ является решением данной СЛАУ. В этом несложно убедиться, если подставить $x_1=4$, $x_2=-11$, $x_3=5$, $x_4=-7$, $x_5=1$ в уравнения заданной системы:

Естественно, возникает вопрос том, является ли проверенное решение единственным. Вопрос о количестве решений СЛАУ будет затронут в соответствующей теме.

Система (3) является СЛАУ, содержащей $5$ уравнений и $3$ неизвестных: $x_1$, $x_2$, $x_3$. Так как все свободные члены данной системы равны нулю, то СЛАУ (3) является однородной. Несложно проверить, что совокупность $(0;0;0)$ является решением данной СЛАУ. Подставляя $x_1=0$, $x_2=0$, $x_3=0$, например, в первое уравнение системы (3), получим верное равенство:

$$4x_1+2x_2-x_3=4cdot 0+2cdot 0-0=0.$$

Подстановка в иные уравнения делается аналогично.

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

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

Матричная форма записи систем линейных алгебраических уравнений.

С каждой СЛАУ можно связать несколько матриц; более того – саму СЛАУ можно записать в виде матричного уравнения. Для СЛАУ (1) рассмотрим такие матрицы:

Матрица $A$ называется матрицей системы. Элементы данной матрицы представляют собой коэффициенты заданной СЛАУ.

Матрица-столбец $B$ называется матрицей свободных членов, а матрица-столбец $X$ – матрицей неизвестных.

Используя введённые выше обозначения, СЛАУ (1) можно записать в форме матричного уравнения: $Acdot X=B$.

Матрицы, связанные с системой, можно записать различными способами: всё зависит от порядка следования переменных и уравнений рассматриваемой СЛАУ. Но в любом случае порядок следования неизвестных в каждом уравнении заданной СЛАУ должен быть одинаков (см. пример №4).

Записать СЛАУ $ left < begin& 2x_1+3x_2-5x_3+x_4=-5;\ & 4x_1-x_3=0;\ & 14x_2+8x_3+x_4=-11. end right. $ в матричной форме и указать расширенную матрицу системы.

Имеем четыре неизвестных, которые в каждом уравнении следуют в таком порядке: $x_1$, $x_2$, $x_3$, $x_4$. Матрица неизвестных будет такой: $left( begin x_1 \ x_2 \ x_3 \ x_4 end right)$.

Свободные члены данной системы выражены числами -5, 0, -11, посему матрица свободных членов имеет вид: $B=left( begin -5 \ 0 \ -11 end right)$.

Перейдем к составлению матрицы системы. В первую строку данной матрицы будут занесены коэффициенты первого уравнения: 2, 3, -5, 1.

Во вторую строку запишем коэффициенты второго уравнения: 4, 0, -1, 0. При этом следует учесть, что коэффициенты системы при переменных $x_2$ и $x_4$ во втором уравнении равны нулю (ибо эти переменные во втором уравнении отсутствуют).

В третью строку матрицы системы запишем коэффициенты третьего уравнения: 0, 14, 8, 1. Учитываем при этом равенство нулю коэффициента при переменной $x_1$ (эта переменная отсутствует в третьем уравнении). Матрица системы будет иметь вид:

$$ A=left( begin 2 & 3 & -5 & 1\ 4 & 0 & -1 & 0 \ 0 & 14 & 8 & 1 end right) $$

Чтобы была нагляднее взаимосвязь между матрицей системы и самой системой, я запишу рядом заданную СЛАУ и ее матрицу системы:

В матричной форме заданная СЛАУ будет иметь вид $Acdot X=B$. В развернутой записи:

$$ left( begin 2 & 3 & -5 & 1\ 4 & 0 & -1 & 0 \ 0 & 14 & 8 & 1 end right) cdot left( begin x_1 \ x_2 \ x_3 \ x_4 end right) = left( begin -5 \ 0 \ -11 end right) $$

Запишем расширенную матрицу системы. Для этого к матрице системы $ A=left( begin 2 & 3 & -5 & 1\ 4 & 0 & -1 & 0 \ 0 & 14 & 8 & 1 end right) $ допишем столбец свободных членов (т.е. -5, 0, -11). Получим: $widetilde=left( begin 2 & 3 & -5 & 1 & -5 \ 4 & 0 & -1 & 0 & 0\ 0 & 14 & 8 & 1 & -11 end right) $.

Записать СЛАУ $ left <begin& 3y+4a=17;\ & 2a+4y+7c=10;\ & 8c+5y-9a=25; \ & 5a-c=-4. endright.$ в матричной форме и указать расширенную матрицу системы.

Как видите, порядок следования неизвестных в уравнениях данной СЛАУ различен. Например, во втором уравнении порядок таков: $a$, $y$, $c$, однако в третьем уравнении: $c$, $y$, $a$. Перед тем, как записывать СЛАУ в матричной форме, порядок следования переменных во всех уравнениях нужно сделать одинаковым.

Упорядочить переменные в уравнениях заданной СЛАУ можно разными способами (количество способов расставить три переменные составит $3!=6$). Я разберу два способа упорядочивания неизвестных.

Введём такой порядок: $c$, $y$, $a$. Перепишем систему, расставляя неизвестные в необходимом порядке: $left <begin& 3y+4a=17;\ & 7c+4y+2a=10;\ & 8c+5y-9a=25; \ & -c+5a=-4. endright.$

Матрица системы имеет вид: $ A=left( begin 0 & 3 & 4 \ 7 & 4 & 2\ 8 & 5 & -9 \ -1 & 0 & 5 end right) $. Матрица свободных членов: $B=left( begin 17 \ 10 \ 25 \ -4 end right)$. При записи матрицы неизвестных помним о порядке следования неизвестных: $X=left( begin c \ y \ a end right)$. Итак, матричная форма записи заданной СЛАУ такова: $Acdot X=B$. В развёрнутом виде:

$$ left( begin 0 & 3 & 4 \ 7 & 4 & 2\ 8 & 5 & -9 \ -1 & 0 & 5 end right) cdot left( begin c \ y \ a end right) = left( begin 17 \ 10 \ 25 \ -4 end right) $$

Расширенная матрица системы такова: $left( begin 0 & 3 & 4 & 17 \ 7 & 4 & 2 & 10\ 8 & 5 & -9 & 25 \ -1 & 0 & 5 & -4 end right) $.

Введём такой порядок: $a$, $c$, $y$. Перепишем систему, расставляя неизвестные в необходимом порядке: $left < begin& 4a+3y=17;\ & 2a+7c+4y=10;\ & -9a+8c+5y=25; \ & 5a-c=-4. endright.$

Матрица системы имеет вид: $ A=left( begin 4 & 0 & 3 \ 2 & 7 & 4\ -9 & 8 & 5 \ 5 & -1 & 0 end right)$. Матрица свободных членов: $B=left( begin 17 \ 10 \ 25 \ -4 end right)$. При записи матрицы неизвестных помним о порядке следования неизвестных: $X=left( begin a \ c \ y end right)$. Итак, матричная форма записи заданной СЛАУ такова: $Acdot X=B$. В развёрнутом виде:

$$ left( begin 4 & 0 & 3 \ 2 & 7 & 4\ -9 & 8 & 5 \ 5 & -1 & 0 end right) cdot left( begin a \ c \ y end right) = left( begin 17 \ 10 \ 25 \ -4 end right) $$

Расширенная матрица системы такова: $left( begin 4 & 0 & 3 & 17 \ 2 & 7 & 4 & 10\ -9 & 8 & 5 & 25 \ 5 & -1 & 0 & -4 end right) $.

Как видите, изменение порядка следования неизвестных равносильно перестановке столбцов матрицы системы. Но каким бы этот порядок расположения неизвестных ни был, он должен совпадать во всех уравнениях заданной СЛАУ.

Заметили ошибку, опечатку, или некорректно отобразилась формула? Отпишите, пожалуйста, об этом в данной теме на форуме (регистрация не требуется).

🌟 Видео

Решение систем уравнений второго порядка. 8 класс.Скачать

Решение систем уравнений второго порядка. 8 класс.

2 минуты на формулы Крамера ➜ Решение систем уравнений методом КрамераСкачать

2 минуты на формулы Крамера ➜ Решение систем уравнений методом Крамера

Матан за час. Шпаргалка для первокурсника. Высшая математикаСкачать

Матан за час. Шпаргалка для первокурсника. Высшая математика

Решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в Excel МАТРИЧНЫМ МЕТОДОМСкачать

Решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в Excel МАТРИЧНЫМ МЕТОДОМ

Решение системы уравнений методом Крамера.Скачать

Решение системы уравнений методом Крамера.

Решение системы уравнений методом Крамера 2x2Скачать

Решение системы уравнений методом Крамера 2x2

Математика это не ИсламСкачать

Математика это не Ислам

Обратная матрицаСкачать

Обратная матрица

Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvyСкачать

Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvy
Поделиться или сохранить к себе: