
- •Решение систем линейных уравнений
- •СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ
- •В этой же системе можно выписать в виде матрицы столбец
- •Ранг матрицы.
- •Для вычисления ранга матрицы
- •Теорема Кронекера - Капелли
- •Решение систем методом Крамера
- •Метод Крамера
- •Метод Крамера
- •Решение систем методом Гаусса
- •Решение систем методом Гаусса
- •Решение систем методом Гаусса
- •Решение систем методом Гаусса
- •Определение 1. Система линейных уравнений называется
- •Рассмотрим на примере системы
- •Базисный минор – это отличный от нуля минор, порядок
- •Найти общее решение системы однородных
- •(продолжение)
- •(продолжение)
- •Решить систему линейных алгебраических уравнений с помощью обратной матрицы:

Решение систем линейных уравнений
Преподаватель:
Филипенко Николай Максимович
Доцент отделения математики и информатики Шбип ТПУ

СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ
Системой m линейных уравнений с n неизвестными называется система вида:
Матрицей размером m на n
называется прямоугольная таблица
чисел или буквенных выражений,
состоящая из m строк и n столбцов.
Для данной системы основная
a
матрица обозначаетсяij большой буквой A. Числа , образующие матрицу, называются элементами матрицы.
a11 x1 a12 x2 |
|
... a1n xn |
b1, |
||||||||||
a |
x a |
22 |
x |
|
... a |
|
x |
|
b , |
||||
|
21 |
1 |
|
2 |
|
2n |
n |
|
2 |
||||
........................................... |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
m1 |
x a |
m2 |
x |
|
... a |
mn |
x |
n |
b . |
|||
|
1 |
|
|
2 |
|
|
m |
||||||
|
|
a11 |
|
a12....a1n |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
a22 ....a2n |
|
|
|
|
|
||
A |
a21 |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
.................. |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
am1 |
am2 ....amn |
|
|
|
В матричной форме систему можно записать в виде : AX B.

b1 |
|
-Матрица - столбец |
x1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
-Матрица - столбец |
|
b2 |
|
свободных членов |
x2 |
|
||
B |
.... |
X |
|
неизвестных |
||
|
|
.... |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
xn |
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a11 |
a12 ....a1n | b1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
~ |
|
|
|
a22 ....a2 n | b2 |
|
|
– расширенная матрица |
|
|||||||
|
|
|
|
a21 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
системы |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
.................... |.... |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
....a |
| b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
a |
m1 |
m2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
mn |
m |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Например, для системы из трех уравнений с тремя |
||||||||||||||||||
неизвестными |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
2x1 |
4x2 |
5x3 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
3x1 |
|
x2 2x3 10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
4x |
x |
2 |
x 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
1 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
2 |
4 |
5 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Квадратная |
|||||||
ее основная матрица |
|
|
3 |
1 |
2 |
|
||||||||||||
A |
|
матрица размера |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
1 |
1 |
|
(3х3) или |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
матрица 3-го |
порядка

В этой же системе можно выписать в виде матрицы столбец |
|||
свободных членов |
|
0 |
|
|
|
10 |
|
|
B |
Матрица - столбец размера (3х1) |
|
|
|
5 |
|
|
|
|
Можно записать также расширенную матрицу системы |
|||||||
~ |
|
2 |
4 |
5 |
0 |
|
|
|
3 |
1 |
2 |
10 |
|
Матрица - размера (3х4) |
|
A |
|
||||||
|
|
4 |
1 |
1 |
5 |
|
|
|
|
|
|
зависимости от того какое решение имеет система, можно состави едующую классификацию:

Ранг матрицы.
Рассмотрим матрицу A размера m на n. Выберем в ней k строк и k столбцов. Из элементов матрицы A, находящихся на пересечении выбранных строк и столбцов, можно составить квадратную матрицу порядка k. Определитель полученной матрицы называется минором k-го порядка матрицы A.

Для вычисления ранга матрицы |
|
её с помощью элементарных преобразований |
|||||||||||||||||||
приводят к квазитреугольному виду. Рассмотрим это на примере : |
|||||||||||||||||||||
|
3 2 |
4 |
2 |
|
|
|
|
|
|
3 |
2 |
4 |
2 |
|
|
|
|
||||
|
|
2 0 1 |
1 |
|
3S |
|
2S |
|
|
0 |
4 |
5 |
1 |
|
|
S |
|
|
|||
A |
|
2 |
|
S |
2 |
3 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
0 4 |
5 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
4 |
5 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
3 |
2 |
|
4 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
4 |
5 |
|
|
|
Отсюда видно, что все миноры |
3го порядка 0, и можно |
|||||||||||||
|
|
1 . |
|||||||||||||||||||
|
0 |
0 |
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
выделить минор 2го |
порядка 0, - базисный. Rang A 2. |
|
|
•Вопрос о совместности системы
AX=B
полностью решается следующей
теоремой:

Теорема Кронекера - Капелли
Система линейных уравнений совместна тогда и только тогда,
когда ранг основной матрицы системы равен рангу
расширенной матрицы
~
RangA RangA r
При этом:
а) если ранг матрицы равен числу неизвестных r =n, то система имеет единственное решение;
б) если ранг матрицы меньше числа неизвестных , то система имеет бесконечное множество решений.
•Рассмотрим далее методы решения систем линейных уравнений.

Решение систем методом Крамера
С вычислением определителей связан один из методов |
|||||||
решения |
|
|
|
|
|
||
систем линейных уравнений – метод Крамера. |
|||||||
Рассмотрим его на примере. |
|||||||
|
2x1 |
4x2 |
5x3 0 |
Для решения системы необходимо |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3x1 |
x2 |
2x3 |
10 |
вычислить 4 определителя 3-го порядка. |
||
4x x |
2 |
x |
3 |
5 |
|
||
|
|
1 |
|
|
|
1. Вычисляем определитель матрицы, составленной из коэффициентов при неизвестных
|
|
2 |
4 |
5 |
|
|
|
18 |
0 |
1 |
|
|
3 2 18 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
3 |
1 |
2 |
|
|
|
1 |
0 |
3 |
|
1 ( 1) |
(18 3 1) 55 |
|||
|
|
4 |
1 |
1 |
|
|
|
4 |
1 |
1 |
|
|
1 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Вычисляем побочные определители для каждого неизвестног для этого поочередно в главном определителе заменяем столбц соответствующие одному из неизвестных, столбцом свободных членов

Метод Крамера
а) Находим определитель для первого неизвестного, заменяя в главном определителе первый столбец на столбец свободных членов
|
|
|
0 |
4 |
5 |
|
|
|
20 |
0 |
1 |
|
1 ( 1)3 2 20 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
x |
|
|
10 |
1 |
2 |
|
|
|
5 |
0 |
3 |
|
(60 5) 55 |
||
1 |
|
|
5 |
1 |
1 |
|
|
|
4 |
1 |
1 |
|
5 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) Находим определитель для второго неизвестного, заменяя в главном определителе второй столбец на столбец свободных
|
|
|
2 |
0 |
5 |
|
|
|
2 |
0 |
5 |
|
( 5) ( 1)3 2 2 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
x |
|
|
3 |
10 |
2 |
|
|
|
5 |
0 |
4 |
|
5(8 25) 165 |
||
2 |
|
|
4 |
5 |
1 |
|
|
|
4 |
5 |
1 |
|
5 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в) Находим определитель для третьего неизвестного, заменяя в главном определителе третий столбец на столбец свободных членов
|
|
|
2 |
4 |
0 |
|
|
|
2 |
4 |
0 |
|
5 ( 1)3 3 2 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
x |
|
|
3 |
1 |
10 |
|
|
|
5 |
1 |
0 |
|
5(2 20) 110 |
||
3 |
|
|
4 |
1 |
5 |
|
|
|
4 |
1 |
5 |
|
5 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

Метод Крамера
я нахождения значений неизвестных используем формулы Крамер
|
x1 |
|
x |
|
55 |
1 |
Значения неизвестных |
|
|
||||||||
|
|
1 |
|
|
|
находятся делением |
|
|
|||||||||
|
55 |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
побочных |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
x |
|
|
|
165 |
|
|
определителей |
|
|
||||
|
x2 |
|
2 |
|
|
3 |
на главный определитель |
||||||||||
|
|
|
55 |
Это означает, что методом Крамера |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
можно решать только такие системы, |
||||
|
x3 |
|
|
x |
|
|
|
110 |
2 |
у которых главный определитель |
|||||||
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
отличен от нуля |
0 |
|
|
|||||
|
|
|
|
55 |
|
|
1 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Полученное решение запишем в виде матрицы-столбца |
|||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||
Легко проверить подстановкой в каждое уравнение X |
|
3 |
|||||||||||||||
системы, что полученное решение верно. |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
2 |