Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Математика / ЛААГ 2.ppt
Скачиваний:
3
Добавлен:
27.11.2024
Размер:
817.66 Кб
Скачать

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