Добавил:
Developer Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Практикум по АГиЛА

.pdf
Скачиваний:
312
Добавлен:
10.08.2022
Размер:
556 Кб
Скачать
☆

имеем X =

3

1

 

1

 

9

14

 

: Найдём Q = 1=5

2

1

(см. 3.1.1.).

 

1

2

 

8

13

 

8

13

1 3

 

 

 

 

 

 

 

 

1 3

 

3

5

 

В итоге получим X = 1=5

2

 

1

9

14

=

2

3

:

Замечание. Обратная матрица второго порядка строится по правилу: элементы главной диагонали меняем местами, элементы побочной диагонали берём с противоположным знаком, умножаем полученную матрицу

на число, обратное определителю исходной матрицы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x1

+2x2 +x3 = 5;

 

 

 

 

 

 

 

3.1.3. Решить систему

< x1

+5x2

 

=

 

 

3

по правилу Крамера.

8

2x1

x2 +x3

=

 

6;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

Расширенная матрица системы имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = (A B) = 0 2 1 1

6

1; A =

0 2 1 1

1; B =

0 6

1:

 

 

 

3

2

 

1

5

 

3

 

2

 

1

 

 

 

 

 

5

 

j

 

@ 1 5 0

3 A

@ 1 5 0 A

 

 

 

@ 3 A

Находим d = A

=

 

2: Вычисляем

d1 =

 

6

1

1

 

= 4 (здесь

 

 

j

j

 

 

 

 

 

 

 

 

5

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

5

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определитель d1 вычисляется от матрицы A, у которой

первый

столбец за-

менён на столбец B свободных членов). Аналогично,

для d2 сделаем

замену

во втором столбце и в d3 – в третьем столбце:

 

 

 

 

 

= 2:

 

 

 

 

d2 = 2 6 1 = 2; d3 =

2 1

 

6

 

 

 

 

 

 

3

5

1

 

 

3

 

2

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3 0

 

1 5

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d3=d = 1.

 

Следовательно,

= d1=d = 2; x2 = d2

=d =

 

1; x3 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Задачи для самостоятельного решения

Для данных матриц найти обратные:

sin

cos

 

 

3

4

 

 

 

 

 

5

7

 

 

 

3.2.1.

0

1

2

 

: 3.2.2.

 

3

4

0

: 3.2.3.

cos

sin

3.2.4.

6

 

3

4

1

:

3.2.5.

2

1

1

1

:

 

 

@

2

 

5

7

A1

 

 

 

@

1

2

2

A

 

 

 

1

 

1

1

 

 

 

2

2

1

 

 

 

0

5

2

3

 

 

1:

 

 

 

 

 

3.2.6.

1

 

1

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

1

1

 

1

1

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

1

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@

1

 

1

1

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

10

Решить матричные уравнения

 

 

 

 

 

 

2

3

X =

13

11

.

 

 

3.2.7.

3

4

 

X =

5

9

. 3.2.8.

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

3

5

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

5

5

 

 

 

3.2.9. X

 

5 4 5 6

 

 

 

 

 

 

 

2 3 16 26

 

3

2

 

 

=

1

2

. 3.2.10. X

 

 

1

 

2

 

=

4

7 .

 

 

 

5 2

 

 

7 8 9

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.11.

 

 

 

3 1

 

 

X

 

5

6

=

14

16 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти значение функции w(x) при x = A:

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.12. w(x) = x2 3x + 2x 1; A =

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

3.2.13. w(x) = x

 

 

 

8x 1 + 16x 2; A =

0

 

0

2

 

1

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@

 

2

1

 

0

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Решить системы уравнений по правилу Крамера:

 

 

= 18:

 

 

 

 

 

 

2x1

+7x2

= 81:

 

 

 

 

 

3x1

 

+4x2

 

 

 

3.2.14.

 

 

 

3x1

5x2

=

13;

 

3.2.15.

 

3x1

 

4x2

=

6;

 

 

 

 

3.2.16.

8 x1

 

+x2

+3x3

=

16;

3.2.17.

8

2x1 3x2

7x3

= 10;

 

 

<

2x1

 

 

= 5;

 

 

 

 

 

<

x1

+ x2

2x3

 

= 6;

 

 

 

 

5x2

 

x3 = 10:

 

 

 

 

 

5x1 + 2x2 + x3

 

= 16:

 

 

:

4x1

+4x2 +5x3 +5x4

= 0;

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.18.

8

2x1

+2x2

+3x3

 

 

x4

= 10;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> x1

 

 

 

 

4x4

=

7;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> x1 +2x2 +x3

 

 

 

 

= 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

2x1

 

x2 +3x3 +2x4 = 4;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.19.

8

3x1

+3x2 +3x3 +2x4 = 6;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

3x1

 

 

x2

 

 

 

2x4

=

6;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

3x1 x2 +3x3 x4 = 6:

 

 

 

 

2x1

 

 

3x2 + x3 =

 

7;

 

 

>

5x1

+8x2 +x3

 

= 2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

2x2

 

 

 

 

 

7; 3.2.21. 8 x1 + 4x2 + 2x3

 

 

3.2.20.

8

3x1

+6x3

 

=

 

= 1;

 

 

<

2x1

+x2

 

x3

 

= 5:

 

 

 

 

< x1

 

4x2

 

=

 

5:

Ответы:.

3

 

1

 

 

 

 

 

 

 

3

 

:

 

 

 

 

cos

 

2

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

sin

 

 

3.2.1.

1

 

 

4

2

 

 

 

: 3.2.2.

 

 

7

 

4

 

:

3.2.3.

 

 

cos

sin

 

:

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

1

6

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.4. 0

38

 

41

 

34 1: 3.2.5.

 

 

0

4

3

 

5

 

1:

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

 

 

@

 

27 29 24

A

 

 

 

 

 

@

6 6 3

 

A

 

 

 

 

 

11

3.2.6. 1

0

1

1

 

1

1

1

: 3.2.7.

1

1

: 3.2.8.

2 4

:

 

 

 

B

1

1

 

1

1

C

 

 

 

2

 

 

 

3 1

 

 

 

 

1

1 1 1

 

 

 

3

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 4

: 3.2.10.

4 6

 

 

3 4

 

 

3.2.9.

 

 

3

 

2

 

 

 

 

2

 

1

: 3.2.11.

1 2

:

 

 

3.2.12.

0

3

: 3.2.13.

0

2

1

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

@

 

 

 

A

 

 

 

 

 

0 0 2

3.2.14. x1 = 16; x2 = 7. 3.2.15. x1 = 2; x2 = 3.

3.2.16. x1 = 1; x2 = 3; x3 = 5. 3.2.17. x1 = 3; x2 = 1; x3 = 1.

3.2.18.x1 = 1; x2 = 1; x3 = 2; x4 = 2.

3.2.19.x1 = 2; x2 = 0; x3 = 0; x4 = 0.

3.2.20.x1 = 3; x2 = 2; x3 = 1. 3.2.21. x1 = 1; x2 = 1; x3 = 2.

4.Системы линейных уравнений. Метод Гаусса

См. [1], стр. 18–27.

4.1. Решение типовых задач

4.1.1. Решить систему

<

x1 +2x2

+5x3

= 9;

3x1

6x2

 

x3

= 25:

8 x1

x2

 

+3x3

= 2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

Расширенная матрица системы имеет вид:

 

:

0 1

 

 

 

 

1:

 

A =

1

3

 

2

 

 

 

@

1

2

5

 

9

A

 

 

 

3

6

1

25

Приведём матрицу A к ступенчатому виду.

Первый шаг. Так как элемент a11 = 1 6= 0, то с помощью элементарных преобразований над строками матрицы добьёмся того, чтобы элементы a21 = 1, a31 = 3 обратились в ноль. Для этого из второй строки вычтем первую; умножим первую строку на 3 и сложим с третьей. В итоге получим матрицу, у которой элементы первого столбца равны нулю, кроме первого.

Второй шаг. Умножим вторую строку на 4 и сложим с третьей, чтобы последний элемент второго столбца был равен нулю. В итоге приведём

матрицу A к ступенчатому виду:

12

A s

0 0

3

2

11 1 s 0

0

3

2

11 1

 

1

2

5

9

1

2

5

9

 

@ 0

12

16

52 A @ 0

0

8

8 A

Последняя матрица определяет систему, которая эквивалентна исходной :

8

1

3x2

2x3

=

11;

 

 

 

x

 

+2x2

+5x3

=

 

9;

 

 

 

<

 

 

8x3

=

 

8:

 

 

 

:

 

 

x

 

=

1 x

 

=

3 x

 

= 2

Из этой системы легко находим, что

3

 

,

2

 

,

1

.

4.1.2. Решить систему линейных уравнений, заданную расширенной

матрицей A = 0

3

1

2

 

0

 

 

 

1

1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

1

2

 

0

 

1

 

 

3

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3

2

2

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

2

 

1

 

2

 

 

 

 

4

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Приведем@

матрицу

 

A сAпомощью элементарных преобразо-

 

ваний над строками к ступенчатому виду:

 

 

 

 

 

 

 

A s

0 0

5

2

3

 

10

1 s

0 0

5

2

3

10 1

:

 

B

1

 

2

 

0

 

1

3

C B

1

2

0

1

3

C

 

 

0

 

5

2

3

 

10

0

0

0

0

0

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

B

 

 

 

 

 

C

 

 

@

0

 

5

 

2

 

3

 

10

A

@

0

0

0

0

0

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В итоге имеем, что rang A = r = 2 (число ненулевых строк матрицы A).

Следовательно, количество базисных переменных равно r = 2. В качестве базисных выберем переменные x1 и x2. Остальные переменные в количестве n r, где n = 4 – порядок системы, будут свободными. Это x3 и x4. Перенесём свободные переменные в правую часть и решим т. н. укороченную систему:

x1 2x2 = 3 x4;

5x2 = 10 + 2x3 + 3x4:

Отсюда x2 = 2 + (2=5)x3 + (3=5)x4, x1 = 1 + (4=5)x3 + (1=5)x4. Положим x3 = 5c1, x4 = 5c2, где c1; c2 2 R. Тогда x2 = 2+2c1 +3c2, x1 = 1+4c1 +5c2:

Теперь запишем общее решение в матричном виде:

X общ =

02

+ 2c1

+ 3c2

1

= (1 + 4c1 + 5c2; 2 + 2c1 + 3c2; 5c1; 5c2)T :

 

B

1

+ 4c1

+ 5c2

C

 

 

 

5c2

 

 

B

 

5c1

C

 

 

@

 

 

 

A

 

13

4.1.3. Решить однородную систему уравнений

 

+ 2x5

= 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

82x1

2x2

 

 

3x3

 

 

 

 

7x4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x1

 

 

+ x2

 

 

8x3

 

 

 

 

 

+ 2x4

 

+ x5

= 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> x1

 

+11x2

 

 

12x3

 

 

 

 

+ 34x4

 

 

5x5 = 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

x1 5x2

 

 

+ 2x3

 

 

 

16x4

 

 

 

+ 3x5 = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Найдём фундаментальную систему решений данной одно-

 

 

 

родной системы. Элементарными преобразованиями приведём матрицу A

 

 

 

к ступенчатому виду:

 

 

 

 

 

7 2 1 0 1 11 12 34 5 1

 

 

 

 

 

 

A =

0 2 2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

3

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

8

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

1

5

 

 

2

 

16

 

 

3

C

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

5

 

 

 

 

 

3

 

s

 

 

3

1

 

 

 

 

 

 

2

 

1

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

16

C B

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

@

1

 

 

11

 

 

 

 

12

 

34

5

A

 

 

 

@

2

 

2

 

 

3

 

 

 

 

7

 

 

2

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

s

0 0 16 14

 

50 8 1 s

0 0

 

8 7

 

 

 

25 4 1:

 

 

 

 

 

 

 

B

1

 

 

5

 

 

 

 

 

 

2

16

 

3

C B

1

5

 

2

 

16

 

3

C

 

 

 

 

 

 

 

0 16

 

 

 

 

 

14

 

50

 

8

0

 

0

 

0

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

8 7

 

25 4

C

 

 

 

B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

@

0

 

 

 

 

A

 

 

 

@

0

 

0

 

0

 

 

 

 

0

 

0

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ступенчатая матрица содержит две ненулевые строки, т. е. rang A = 2.

 

 

 

Количество базисных переменных r = 2, а свободных n r = 5 2 = 3.

 

 

 

Рассмотрим укороченную систему из первых двух уравнений исходной си-

 

 

 

стемы с перенесёнными в правую часть свободными переменными:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x1 2x2

 

= 3x3

+ 7x4

2x5:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x1

+ x2

 

= 8x3

2x4

x5;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь переменные x1; x2 – базисные, а x3; x4; x5 – свободные. Поло-

 

 

 

жим x3 = c1, x4 = c2, x5 = c3. Решим укороченную систему по формулам

 

 

 

Крамера:

2 2

 

 

 

 

 

 

 

3c1

 

+ 7c2

2c3

2

 

 

 

 

 

 

 

2 3c1

+ 7c2 2c3

:

 

d =

 

3 1

 

=

 

 

 

 

8; d1 =

8c1

2c2 c3

 

 

1 ; d2 =

 

3 8c1

 

2c2

c3;

 

;

 

 

 

d1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

=

 

 

 

=

 

 

 

(

19c

 

 

3c

 

+4c

);

 

 

x

 

=

 

=

 

 

 

 

(

7c

+25c

 

4c

):

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

8

 

 

 

 

1

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

8

 

1

 

 

 

 

3

 

 

 

 

Теперь строим фундаментальную систему решений данной однородной

 

 

 

системы. Для этого положим c1 = 1, c2 = c3 = 0 и найдём E1. Далее,

 

 

 

положим c1 = c3 = 0, c2 = 1 и получим E2; положим c1 = c2 = 0, c3 = 1,

 

 

 

получим E3. В итоге имеем:

 

 

 

0 25=81

 

 

 

0

1=2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

7=8

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19=8

 

 

 

 

 

 

3=8

 

C

 

 

 

 

 

 

1=2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E1

= B

 

 

 

0

C; E2 = B

 

 

1

 

 

; E3 = B

0

 

C

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

C

 

 

 

B

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

1

C

 

 

 

 

B

 

 

0

 

 

C

 

 

 

B

0

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

B

 

 

 

 

 

C

 

 

 

B

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

A

 

 

 

@

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

Векторы E1; E2; E3 образуют фундаментальную систему решений (ФСР), т. е. являются n r линейно независимыми решениями однородной системы линейных уравнений. Общее решение имеет вид Xодн = c1E1 + c2E2 + c3E3, ci 2 R.

4.1.4. Найти общее решение неоднородной системы уравнений с расши-

ренной матрицей A =

0

4

0

1

7

 

3

1

:

 

 

B

2

1

1

3

 

2

C

 

 

 

2

3

4

2

 

3

 

 

 

B

0

2

 

 

 

1

C

 

 

 

 

3

1

 

 

 

Решение.

Приводим матрицу к

 

ступенчатому виду и убеждаемся, что

 

 

@

 

 

 

 

 

 

A

 

rang A = rang A = 2. Следовательно, исходная система совместна (теорема Кронекера-Капелли). Так как rang A = r = 2, то число базисных неизвестных равно двум; тогда n r = 2 – число свободных неизвестных. Разыс-

 

 

 

(1)

2

1

киваем минор второго порядка, отличный от нуля. Выберем M2

= 4

0

 

 

 

 

 

 

(можно взять любой другой минор второго порядка, отличный от нуля).

Тогда x1, x2 – базисные переменные, x3, x4 – свободные переменные. В ито-

 

2x1 + x2 = 2 + x3 + 3x4;

 

 

ге имеем укороченную систему 4x1

 

= 3 x3 + 7x4: Решая укоро-

ченную систему, получаем общее решение:

= X одн + Xч. неодн:

 

 

Xобщ = 01=2 + 3c1=2 c2=21

 

 

3=4

c1=4 + 7c2=4

C

 

 

 

B

c2

 

 

 

B

c1

C

 

 

 

@

 

A

 

 

 

Здесь Xодн = c1E1 + c2E2; c1; c2 2 R – общее решение однородной системы, соответствующей данной, а Xч. неодн = (3=4; 1=2; 0; 0)T – частное решение неоднородной системы (получающееся из общего решения при c1 = c2 = 0). E1 и E2 – ФСР однородной системы:

E1

=

0 3=2

1

; E2

= 0 1=21

:

 

 

B

1=4

 

B

7=4

C

 

 

 

0

C

 

1

 

 

 

B

1

C

 

B

0

C

 

 

 

@

 

A

 

@

 

A

 

4.2. Задачи для самостоятельного решения

Исследовать на совместность и найти общее решение систем

8

<2x1 x2 +x3 = 2;

4.2.1.x1 +2x2 +3x3 = 1;

: x1 3x2 2x3 = 3:

15

8

< x1 +2x2

4.2.2.2x1 +x2

: x1 x2

8

> 3x1 2x2

>

4.2.3. < 2x1 3x2

> x1 +2x2

>

: x1 x2

8

> x1 +x2

>

4.2.4.< 3x1 x2

2x1 +3x2>

>

: 3x1 +2x2

8

<2x1 +7x2

4.2.5.3x1 +5x2

: 9x1 +4x2

8

< 3x1 5x2

4.2.6.7x1 4x2 : 5x1 +7x2

8

> 3x1 +2x2

>

>

> 2x1 +3x2

<

4.2.7.9x1 +x2

>

> 2x1 +2x2

>

>

: 7x1 +x2

4x3 = 1;5x3 = 1;

x3 = 2:

5x3 +x4 = 3; +x3 +5x4 = 3;4x4 = 3;4x3 +9x4 = 22:

6x3 4x4 = 6;6x3 4x4 = 2; +9x3 +2x4 = 6; +3x3 +8x4 = 7:

+3x3 +x4 = 6;

+2x3 +2x4 = 4; +x3 +7x4 = 2:

+2x3 +4x4 = 2; +x3 +3x4 = 5;4x3 6x4 = 3:

+2x3 +2x4 = 2;

+2x3 +5x4 = 3; +4x3 5x4 = 1; +3x3 +4x4 = 5; +6x3 x4 = 7:

 

8

2x1

x2

+x3

+2x4

+3x5

= 2;

4.2.8.

6x1

3x2 +2x3

+4x4

+5x5

= 3;

>

6x1

3x2

+4x3

+8x4

+13x5

= 9;

 

>

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

 

 

 

 

 

4x1 2x2 +x3

+x4

+2x5

= 1:

Найти

фундаментальную систему решений и общее решение:

>

 

 

 

 

 

 

 

>

 

 

 

 

 

 

 

:

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

<3x1 +2x2 +x3 = 0;

4.2.9.2x1 +5x2 +3x3 = 0;

:

3x1 +4x2 +2x3 = 0:

 

 

x1

+2x2 +4x3

3x4 = 0;

4.2.10.

8

3x1

+5x2 +6x3

4x4

= 0;

 

>

4x1

+5x2

2x3

+3x4 = 0;

 

>

 

 

 

 

 

 

<

5x1

+6x2

 

 

+4x5 = 0;

 

>

2x3 +7x4

 

>

3x1

+8x2

+24x3

19x4 = 0:

 

:

 

 

 

 

 

4.2.11.

8

2x1

+3x2

x3

+4x4

+2x5 = 0;

>

7x1

+9x2

3x3

+5x4

+6x5 = 0;

 

>

 

 

 

 

 

 

<

5x1

 

 

 

+6x5 = 0

 

>

+9x2 3x3 +x4

 

>

 

 

 

 

 

:

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2x +3x

 

 

+2x

=

0;

 

4.2.12. Найти все a, при которых система

< 8x1

+x2

 

+4x3

= 0:

 

8 ax11

x22

 

+x33

= 0;

 

имеет нетривиальное решение, и построить это:решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2.1. Несовместна. 4.2.2.(2c

 

1; c+1; c)T

. 4.2.3.(

 

1; 3;

 

2; 2)T .

Ответы.1

 

3

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

.

4.2.4. (0; 2; 3;

2)

 

. 4.2.5. ( 2=11 + c1 9c2; 10=11 5c1 + c2; 11c1; 11c2)

 

4.2.6. Несовместна. 4.2.7. ( 6=7 + 8c=7;T1=7 13c=7; 15=7 6c=7;

c)T :

(

 

1=2 + c

 

+ c

; 2c

; 3

 

8c

; 0; 2c

) :

4.2.9. TСистема имеет

только

4.2.8.

 

 

 

1

 

 

2

 

1

 

2

 

2

 

 

 

 

 

T

 

тривиальное решение.

4.2.10. E

 

= (8;

 

 

6; 1; 0) , E2 = (

 

7; 5; 0; 1) :

4.2.11.

E

1 =

(0; 1; 3; 0; 0)T

,

E1

= (0;

 

 

2; 0; 0; 3)T :

 

 

 

a = 2

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

T

 

4.2.12.

 

 

 

 

,

E1 = (1; 0;

2) и a = 4, E1 = (5; 24; 4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Прямая на плоскости

См. [1, с. 40–42].

5.1. Решение типовых задач

5.1.1.Через данную точку M(2; 5) провести прямые, проходящие параллельно и перпендикулярно прямой 3x 4y + 15 = 0.

Решение. Запишем заданную прямую в виде y = 3x=4 + 15=4. Уравнение параллельной прямой будем искать в виде y = kx + b, где k = 3=4. Величину b найдём, подставив координаты точки M в уравнение искомой прямой: 5 = (3=4) 2 + b. Отсюда b = 7=2: В итоге уравнение примет вид y = 3x=4 + 7=2, или 3x 4y + 14 = 0:

Для перпендикулярной прямой y = k1x + b1 угловой коэффициент найдём из условия kk1 = 1, откуда k1 = 4=3. Далее, подставив координаты точки M, определим b1 = 23=3 и запишем уравнение в виде 4x+3y 23 = 0.

5.1.2. В треугольнике ABC с заданными координатами вершин A(3; 7), B(5; 2), C( 1; 0) найти уравнение медианы AD и её длину.

Решение. Найдём координаты точки D середины стороны BC:

x =

5

1

, y =

2 +

0

, т. е. D(2; 1). По двум точкам запишем уравнение

2

 

2

 

 

 

(AD)

 

 

x 3

= y ( 7)

 

 

 

8x + y

 

 

17 = 0

 

 

 

 

 

прямой

 

 

:

 

2 3

 

 

1 ( 7)

 

, или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Длина медианы

равна jADj =

 

 

(2 3)2 + (1 + 7)2

= p

 

 

 

= p

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + 64

65

 

 

 

 

 

 

5.1.3.

Найти точку C, симметричную A(

1; 5) относительно прямой,

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

проходящей через точки B(3; 4) и D(1; 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(BD)

 

 

x 3= y 4

 

4x

 

y

 

8 = 0

Решение. Уравнение прямой

 

 

:

 

 

 

 

 

, или

 

 

 

 

.

 

 

1 3

 

4 4

 

 

17

Как в примере 5.1.1, проведём через точку A прямую, перпендикулярную прямой (BD): x + 4y 19 = 0. Теперь найдём точку O – основание перпендикуляра из точки A на прямую BD. Координаты т. O являются ре-

шением системы линейных уравнений

x + 4y 19

= 0;

откуда O(3; 4).

4x y 8

= 0;

Далее воспользуемся формулами деления отрезка пополам, поскольку точ-

ка O – это середина отрезка AC. Пусть C(a; b), тогда a 1 = 3, b + 5 = 4 2 2

иC(7; 3).

5.1.4.Составить уравнение биссектрисы внутреннего угла A треугольника ABC, где A(3; 1), B( 1; 7), C(5; 2).

Решение. 1-й способ. По теореме о биссектрисе внутреннего угла тре-

угольника BD : DC = AB : AC, где точка D – основание биссектрисы. Вы-

числим jABj = 4

p

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5, jACj =

 

5, т. е. BD : DC = 4 : 1. Применим формулы

деления отрезка BC в отношении = 4: xD =

xB + xC

=

 

 

1 + 4 5

=

 

19

,

 

 

 

 

 

 

5

yD =

B1 + C =

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

5

 

5

 

;

 

 

 

= 5. По двум точкам A(3; 1) и D

 

5

 

 

y

+ y

 

7 + 4

( 2)

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 3

= y+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

 

4=0

 

найдём уравнение искомой биссектрисы:

 

 

 

 

, т. е.

 

 

.

19=5 3

1=5+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-й способ. Согласно свойству биссектрисы она состоит из тех и только тех точек, которые одинаково удалены от сторон угла. Уравнения сторон AB и AC – это 2x + y 5 = 0 и x + 2y 1 = 0 соответственно. Теперь найдём и приравняем расстояния от некоторой точки M(x; y) до этих прямых:

j2x + y 5j = jx + 2y 1j

 

2x + y

 

5 =

 

(x + 2y

 

1)

p

 

p

 

 

, т. е.

 

 

 

 

 

 

. Мы получи-

5

5

 

 

 

ли уравнения биссектрис внутреннего и внешнего углов при вершине A: x y 4 = 0 и x + y 2 = 0. Чтобы понять, какое уравнение отвечает биссектрисе внутреннего, а какое – внешнего угла, подставим координаты точек B и C в каждое из этих уравнений. Эти точки лежат по разные стороны от биссектрисы внутреннего угла, и при подстановке в левую часть уравнения получаются числа разных знаков. При подстановке в уравнение биссектрисы внешнего угла левая часть даёт величины одного знака, поскольку эти точки лежат по одну сторону от этой прямой. Таким образом, x y 4 = 0 – уравнение биссектрисы внутреннего угла при вершине A, а x + y 2 = 0 – уравнение биссектрисы внешнего угла.

5.1.5. Через данную точку M(3;4) провести прямую под углом 60 к прямой 2x + 3y + 6 = 0.

Решение. Уравнение прямой, проходящей через точку M, имеет вид y 4 = k (x 3). Угловой коэффициент k найдём из формулы угла между

18

прямыми

 

 

1 + k1k

 

 

 

k + 2,=3

 

 

 

 

 

 

k + 2=3

 

 

 

 

 

 

 

 

. Здесь

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg ' =

 

k k1

 

 

' = 60 k

 

 

 

=

2=3 (находим из прямой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

2x + 3y + 6 = 0). Имеем

tg 60 =

 

 

 

 

 

 

, т. е.

 

 

 

 

= 3. Это

1

 

2k=3

1

 

2k=3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

 

 

 

13

3

 

 

 

 

 

24 + 13

3

уравнение имеет два решения: 1)

k

=

 

 

 

 

 

 

 

и 2) k =

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставив найденные значения k, получим уравнения искомых прямых:

p

p

p

p

1)(24 13 3)x 3y 20+13 3 = 0 и 2) (24+13 3)x 3y 20 13 3 = 0.

5.1.6.Даны две противоположные вершины квадрата A(2; 1) и C(4; 5). Найти координаты двух других вершин B и D.

j j

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

, но j

 

 

 

j j

 

 

 

j,

 

 

p

 

1

1

 

Решение.

Пусть B(x1

; y1). Вычислим jABj =

 

(x1 2)2

+ (y1 1)2,

вой

 

p

 

 

4)2 + (y

 

5)2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

отсюда x +2y = 9: Угло-

BC =

(x

 

 

 

 

 

 

AB = BC

 

 

коэффициент прямой (AB) равен k =

y1 1

, а угловой коэффициент

 

x1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прямой (BC) равен k2

=

 

 

. Стороны AB и BC перпендикулярны,

 

 

 

 

 

k

k

 

=

1

x1 4

 

 

 

 

 

y1 5

 

=

 

1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1 1

 

 

 

 

 

 

следовательно,

1

 

2

 

 

, т. е.

x

1

 

2

 

x

1

 

4

 

 

 

 

 

 

Упростив, получим

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнение x1 + y1

6x1 6y1 + 13 = 0. В итоге имеем систему уравнений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x12

+ y12 6x1 6y1 + 13 = 0:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

+ 2y1

= 9;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система имеет два решения: x1 = 1; y1 = 4 и x1 = 5; y1 = 2. Это и есть координаты вершин B и D, поскольку для вершины D из тех же соображений получится точно такая же система уравнений.

5.1.7. Дана прямая 4x+3y+1 = 0. Найти уравнение прямой, отстоящей от неё на три единицы.

Решение. Запишем уравнение искомой прямой в виде 4x+3y+C = 0. Найдём C по формуле расстояния от точки до прямой. Возьмём на данной прямой точку M( 1; 1) (можно взять любую другую точку), тогда рас-

стояние от точки M до прямой 4x+3y+C=0 равно

 

1)+3 1+C

 

 

 

4 ( p

 

 

 

 

= 3,

16 + 9

 

 

откуда C

 

1

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 15. Уравнение имеет два корня C1 = 16 и C2 =

 

 

14.

Следовательно,j

условию задачи удовлетворяют прямые

4x+3y+16 =

0 и

4x+3y 14 = 0.

5.1.8. Составить уравнения сторон треугольника, зная его вершину A(2; 1) и уравнения высоты 3x 4y +27 = 0 и биссектрисы x+2y 5 = 0, проведённых из различных вершин.

Решение. Прежде всего проверим, что данные высота и биссектриса не проходят через точку A. Пусть высота проведена через вершину B,

19