
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •Глава 1. НАЧАЛО РАБОТЫ В MATLAB
- •1.1. РАБОЧЕЕ ОКНО
- •1.3. ВЫЧИСЛЕНИЯ В КОМАНДНОМ ОКНЕ
- •1.5. ПЕРЕМЕННАЯ
- •1.6. ВСТРОЕННЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
- •1.7. ОЧИЩЕНИЕ КОМАНДНОГО ОКНА И РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА
- •1.8. КОМПЛЕКСНЫЕ ЧИСЛА
- •1.10. M-ФАЙЛЫ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
- •Глава 2. МАССИВЫ
- •2.1. ОПЕРАЦИИ НАД МАТРИЦАМИ В ЛИНЕЙНОЙ АЛГЕБРЕ
- •2.2. СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ ВЕКТОРОВ В MATLAB
- •2.3. ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ В MATLAB
- •2.4. СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ МАТРИЦ В MATLAB
- •2.5. ОПЕРАЦИИ НАД МАТРИЦАМИ В MATLAB
- •2.6. ИЗВЛЕЧЕНИЕ И ВСТАВКА ЧАСТЕЙ МАТРИЦЫ В MATLAB
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
- •Глава 3. ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА
- •3.1. ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ КВАДРАТНОЙ МАТРИЦЫ
- •3.2. ОБРАТНАЯ МАТРИЦА
- •3.3. РАНГ МАТРИЦЫ
- •3.4. СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
- •Глава 4. ГРАФИКА В MATLAB
- •4.1. ДВУМЕРНАЯ ГРАФИКА
- •4.4. ПОСТРОЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ И КРИВЫХ В ПРОСТРАНСТВЕ
- •4.5. ОФОРМЛЕНИЕ ГРАФИКОВ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
- •Глава 5. ВЕКТОРНАЯ АЛГЕБРА
- •5.1. ЛИНЕЙНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ВЕКТОРАМИ
- •5.2. ПРОЕКЦИЯ ВЕКТОРА НА ОСЬ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
- •5.3. БАЗИС И КООРДИНАТЫ ВЕКТОРА. ОРИЕНТАЦИЯ БАЗИСА
- •5.4. ДЛИНА ВЕКТОРА. НАПРАВЛЯЮЩИЕ КОСИНУСЫ ВЕКТОРА
- •5.5. ДЕЙСТВИЯ НАД ВЕКТОРАМИ В КООРДИНАТНОЙ ФОРМЕ
- •5.6. СКАЛЯРНОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЕКТОРОВ, ЕГО СВОЙСТВА
- •5.7. ВЕКТОРНОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЕКТОРОВ, ЕГО СВОЙСТВА
- •5.8. СМЕШАННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВЕКТОРОВ, ЕГО СВОЙСТВА
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
- •Глава 6. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ НА ПЛОСКОСТИ
- •6.1. УРАВНЕНИЯ ПРЯМОЙ НА ПЛОСКОСТИ
- •6.2. ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ДВУХ ПРЯМЫХ НА ПЛОСКОСТИ
- •6.3. РАССТОЯНИЕ ОТ ТОЧКИ ДО ПРЯМОЙ
- •6.4. КРИВЫЕ ВТОРОГО ПОРЯДКА
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
- •Глава 7. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ГЕОМЕТРИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ
- •7.1. УРАВНЕНИЯ ПЛОСКОСТИ В ПРОСТРАНСТВЕ
- •7.2. ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ДВУХ ПЛОСКОСТЕЙ
- •7.3. РАССТОЯНИЕ ОТ ТОЧКИ ДО ПЛОСКОСТИ
- •7.4. ПРЯМАЯ В ПРОСТРАНСТВЕ
- •7.5. ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ДВУХ ПРЯМЫХ В ПРОСТРАНСТВЕ
- •7.6. ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ПРЯМОЙ И ПЛОСКОСТИ В ПРОСТРАНСТВЕ
- •7.7. РАССТОЯНИЕ ОТ ТОЧКИ ДО ПРЯМОЙ В ПРОСТРАНСТВЕ
- •7.8. ПОВЕРХНОСТИ ВТОРОГО ПОРЯДКА
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- •КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
|
Действие |
|
Результат в командном окне |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
а) Найти сумму и разность матриц A и С |
|
>> A+C |
|
|
|
|
|
|
ans = |
|
|
|
|
|
|
3 |
-1 |
10 |
|
|
|
|
1 |
2 |
-8 |
|
|
|
|
>> A-C |
|
|
|
|
|
|
ans = |
|
|
|
|
|
|
-7 |
3 |
-4 |
|
|
|
|
7 |
2 |
4 |
|
|
б) Найти произведение матриц C и B |
|
>> C*B |
|
|
|
|
|
|
ans = |
|
|
|
|
|
|
-27 |
52 |
-49 |
|
|
|
|
24 |
-42 |
27 |
|
|
в) Результат произведения матриц C и B |
|
>> ans*5 |
|
|
|
|
умножить на число 5 |
|
ans = |
|
|
|
|
|
|
-135 |
260 -245 |
|
|
|
|
|
120 -210 135 |
|
||
|
г) Найти определитель матрицы В |
|
>> det(B) |
|
|
|
|
|
|
ans = |
|
|
|
|
|
|
-285.0000 |
|
||
|
д) Найти матрицу, обратную матрице В |
|
>> inv(B) |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
ans = |
|
|
|
|
|
|
0.0912 |
0.0281 |
-0.1579 |
|
|
|
|
0.0807 |
0.1018 |
0.0526 |
|
|
|
|
-0.0667 |
0.1333 |
0.0000 |
|
|
е) Найти значение выражения |
|
>> (A-C)*B^3*(A+C)' |
|||
|
(A-C)·B3·(A+C)T |
|
ans = |
|
|
|
|
|
|
38834 |
-29635 |
||
|
|
|
-25084 |
18460 |
||
|
|
|
|
|
|
|
3.4. СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ
Система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) имеет вид
|
a11x1 a12 x2 a1n xn b1 |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a2n xn |
b2 |
|
||||
|
a21x1 a22 x2 |
(3.3) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
x a |
m2 |
x |
2 |
a |
mn |
x |
n |
b |
, |
|||
|
|
m1 1 |
|
|
|
m |
|
|||||||
где x1, x2 , , xn – неизвестные; числа aij |
|
– коэффициенты системы; b j – сво- |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
бодные члены; aij , bj , i 1,m, |
j 1,n, – действительные числа. |
60

Совокупность n чисел |
x , x , , x , таких что при их подстановке в систе- |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
му (3.3) вместо неизвестных x1, x2 , , xn |
каждое из уравнений системы обраща- |
||||||||||||||||||||||||||||||
ется в равенство, называется решением системы (3.3). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Введем следующие обозначения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
a11 |
a12 |
a1n |
|
|
|
|
|
|
|
a |
a |
a |
|
b |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
12 |
a |
1n |
|
1 |
|
|
||
|
|
a21 |
a22 |
|
a2n |
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
a |
|
|
|
b |
|
, |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
A |
|
|
|
|
|
, |
A A | B |
|
21 |
|
|
22 |
|
|
2n |
|
2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
a |
m1 |
a |
m2 |
|
|
a |
mn |
|
|
|
|
|
|
|
a |
m1 |
a |
m2 |
a |
mn |
|
b |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
X x , x , , x |
n |
T , B b , b , , b T . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
1 2 |
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
Матрица A называется основной, |
A – расширенной; X – столбец неиз- |
||||||||||||||||||||||||||||||
вестных, |
B – столбец свободных членов (3.3). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Используя введенные обозначения, запишем систему (3.3) в матричной |
|||||||||||||||||||||||||||||||
форме |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
AX B . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.4) |
|||||||
Например, |
|
x1 |
x2 |
4 |
имеет матричную форму |
AX B , |
где |
|
1 |
1 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
A |
|
, |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
x2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1 |
|||||
x |
|
, B |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X 1 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для СЛАУ (3.3) возможны три случая:
1)система имеет единственное решение;
2)система имеет бесконечно много решений;
3)система не имеет решений.
В случаях 1 и 2 СЛАУ (3.3) называется совместной, в случае 3 – несов-
местной.
Теорема 3.1. (Кронекера – Капелли). СЛАУ (3.3) совместна тогда и только тогда, когда r A r A .
Теорема 3.2. (о числе решений). Пусть дана СЛАУ (3.3), r A r A . То-
гда:
1)если r(A) n , то система (3.3) имеет единственное решение;
2)если r(A) n , то система (3.3) имеет бесконечно много решений.
Исследование СЛАУ (3.3) на совместность и несовместность с помощью теорем 3.1 и 3.2 можно изобразить схематически (рис. 3.1).
61

СЛАУ (3.3)
Нет решений
Существует |
|
Существует |
единственное |
|
бесконечно |
решение |
|
много решений |
|
|
|
Рис. 3.1. Исследование СЛАУ на совместность и несовместность
Пример 3.12. Исследовать на совместность СЛАУ:
1) x1 x2 4 |
|
|
|
|
|
|
2) x1 x2 4 |
|
|
|
3) x1 x2 4 |
|
|||||||||||||||||||
x1 x2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2x1 2x2 8 |
|
|
|
2x1 2x2 9 |
|
|||||||||||||||||
Решение. 1) |
|
1 |
1 |
, |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
A |
|
|
|
A |
|
1 |
|
|
, r A r A 2 . |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
По теореме Кронекера – |
Капелли система совместна. Поскольку |
n 2 |
|||||||||||||||||||||||||||||
и r A n , то по теореме 3.2 система имеет единственное решение. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
1 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
, r A |
1, |
r A 1, r A r A 1. |
|
||||||||||||||||||||||||
2) A |
|
|
, |
A |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
2 |
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
По теореме Кронекера – |
Капелли система совместна. Поскольку |
n 2 |
|||||||||||||||||||||||||||||
и r A n , то по теореме 3.2 система имеет бесконечно много решений. |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
1 1 |
|
|
|
1 |
1 |
|
4 |
|
r A |
1 |
|
r |
|
2 |
|
r A r |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
, |
, |
A |
, |
A |
. |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
3) A |
|
|
, |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
2 |
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Система не имеет решений (рис. 3.1).
Ответ. 1) система имеет единственное решение; 2) система имеет бесконечно много решений; 3) система не имеет решений.
Далее рассмотрим частный случай СЛАУ, когда число уравнений совпадает с числом неизвестных.
62
Крамеровские системы линейных уравнений
Рассмотрим систему из n линейных уравнений с n неизвестными:
a11x1 a1n xn b1
a21x1 a2n xn b2
...
an1x1 ann xn bn .
Крамеровской называется система линейных уравнений, число уравнений которой равно числу неизвестных и основная матрица невырожденна.
Запишем крамеровскую систему в матричной форме: |
|
AX B , |
(3.5) |
где A aij n n , det A 0, B b1, , bn T , X x1, , xn T .
Теорема 3.3. (Крамера). Крамеровская система (3.5) имеет единственное решение, которое находится по формуле
X A 1B . |
(3.6) |
Нахождение решения системы (3.5) по формуле (3.6) называется матрич-
ным способом.
Обозначим det A 0 и запишем (3.6) в развернутом виде:
x1 |
|
|
|
A11 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
1 |
A12 |
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
|||||||
|
|||||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
A1n |
|
xn |
|
|
|
|
A21 An1
A22 An2
A2n Ann
b1 |
|
|
|
A11b1 |
A21b2 |
An1bn |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b2 |
|
|
1 |
A12b1 |
A22b2 |
An2bn |
. (3.7) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|||||||||
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||||
b |
|
|
|
A b |
A b A b |
|
|||
|
n |
|
|
|
1n 1 |
2n 2 |
nn n |
|
Заменяя j-й столбец определителя на столбец свободных членов, получим определитель
j
|
|
|
|
a11 |
b1 |
a1n |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
j |
|
|
|
, |
j 1, n. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
an1 |
bn |
ann |
|
|
|
|
|
|
|
||
Заметим, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a11 |
b1 |
a1n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
j |
|
|
|
|
|
A1 jb1 A2 jb2 Anjbn j , |
j 1, n. |
||||||||
|
an1 |
bn |
ann |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
63
Из полученного равенства и (3.7) имеем формулы, которые называются
формулами Крамера:
x |
1 |
, x |
2 |
|
2 |
, , x |
n |
|
n |
. |
(3.8) |
|
|
|
|||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример 3.13. Решить систему уравнений: а) матричным способом; б) с по-
мощью формул Крамера: x1 x2 4
x1 x2 2.
|
1 |
|
1 |
, |
x |
|
|
4 |
|
, запишем систему в |
||||
Решение. Полагая A |
|
|
|
|
X |
|
1 |
, |
B |
|
|
|||
|
1 |
1 |
|
x |
2 |
|
|
2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
матричной форме: AX B . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку det A |
|
1 |
|
|
2 0 , |
система крамеровская, имеет един- |
||||||||
1 |
|
|
||||||||||||
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ственное решение. Найдем его матричным способом (3.6) и с помощью формул Крамера (3.8).
а) С помощью формулы (3.2) вычислим A 1 . Алгебраические дополнения:
A11 1, A12 1, A21 1, A22 1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
A |
A |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
A 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
det |
|
A |
|
A |
A |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Проверим равенство A 1 A E : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
A 1 A |
|
|
|
1 1 1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 0 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E . |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
0 2 |
|
|
|
0 |
|
1 |
|
|
|||||||||||||||||||
|
2 |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
По формуле (3.6) получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
4 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
6 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
A 1B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
1 |
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x1 3, |
x2 |
|
1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
б) Вычислим определители 1 и 2 , полученные из |
|
заменой соответ- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ственно 1-го столбца и 2-го столбца на столбец свободных членов: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
6 , 2 |
|
|
1 |
|
4 |
|
2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Из (3.8) получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
x |
1 |
6 3, x |
|
|
|
2 |
|
2 1. |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
64

Подставив полученные значения во все уравнения исходной системы, убедимся в правильности полученного решения.
Ответ. x1 3, x2 1.
Метод Гаусса
Матричный способ и формулы Крамера связаны с вычислениями определителей, поэтому чаще используются в теории. Если при решении СЛАУ матричным способом нужно проделать примерно 2n3 операций, то методом Гаусса можно найти решение в 3 раза быстрее.
Метод Гаусса (или метод последовательного исключения неизвестных) – один из наиболее универсальных методов исследования и решения СЛАУ.
Метод Гаусса состоит из двух этапов: прямого и обратного хода.
При прямом ходе расширенная матрица СЛАУ с помощью элементарных преобразований над ее строками приводится к ступенчатому виду. При решении системы n уравнений с n неизвестными требуется выполнить 2 / 3 n3 операций.
При обратном ходе вычисляются значения неизвестных. При решении системы n уравнений с n неизвестными требуется выполнить n2 операций.
Трудоемкость метода определяется в основном прямым ходом. Число арифметических действий ненамного больше числа арифметических действий, требуемых при вычислении одного определителя.
Известно, что элементарным преобразованиям СЛАУ соответствуют такие же элементарные преобразования строк ее расширенной матрицы, и СЛАУ однозначно восстанавливается по своей расширенной матрице.
Алгоритм прямого хода метода Гаусса:
1)записывается расширенная матрица СЛАУ A A | B ;
2)с помощью элементарных преобразований над строками расширенная
матрица A приводится к трапециевидной матрице;
3) если появляется строка 0 0 0 | b , b 0 , то преобразования прекращаются и делается вывод о несовместности исследуемой СЛАУ;
4) если в полученной матрице будет строка 0 0 0 | 0 , то этой строке будет соответствовать уравнение 0 x1 0 xn 0 и, следовательно, в соответствующей этой матрице СЛАУ данное уравнение можно опустить.
Метод Гуасса является эффективным способом исследования на совместность или несовместность СЛАУ. В случае совместности нахождения всех ее решений при прямом ходе одновременно вычисляются ранги r A и r A , а при обратном ходе в случае совместности СЛАУ находятся все ее решения.
65

Пример 3.14. Используя метод Гаусса, исследовать СЛАУ на совместность:
x1 x2 3 а) x1 x3 4 ,
x2 x3 5
x1 x2 x4 1
б) x1 x2 x3 x4 22x1 2x2 2x3 2x4
x1
,в) x1
4 x1
x2 2x4 3
8x2 6x3 5x4 1.
x2 2x4 7
В случае совместности найти все решения.
Решение. а) Прямой ход. Расширенную матрицу с помощью элементарных преобразований приведем к ступенчатому виду:
1 |
1 |
0 |
|
3 |
1 |
1 |
0 |
|
3 |
|
|
||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1) |
II ~ |
1 |
0 |
1 |
|
4 |
II I ~ 0 |
1 |
1 |
|
1 |
||||||
|
0 |
1 |
1 |
|
5 |
|
|
0 |
1 |
1 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 1 0 |
|
3 |
|
1 1 |
0 |
|
3 |
|||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ 0 |
1 |
1 |
|
1 |
|
~ 0 |
1 |
1 |
|
1 . |
||||
|
0 |
1 |
1 |
|
5 |
|
III II |
|
0 |
0 |
2 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r A r |
|
3, |
n 3 . Из теорем 3.1 и 3.2 (рис. 3.1) получим, что система имеет |
||
A |
|||||
единственное решение. |
|
|
|||
Запишем систему уравнений, соответствующую полученной ступенчатой |
|||||
матрице: |
|
|
|
||
|
|
|
x |
x |
3 |
|
|
|
1 |
2 |
1 |
|
|
|
|
x2 x3 |
|
|
|
|
|
2x3 |
6. |
|
|
|
|
|
Обратный ход. Из третьего уравнения получим x3 3 , из второго уравне- |
|||||||||||||||||||||
ния x2 1 x3 1 3 2, из первого уравнения x1 3 x2 |
3 2 1. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
Полученные значения x1 1, |
x2 2 , |
x3 3 подставим в левые части урав- |
|||||||||||||||||||
нений исходной системы и убедимся в правильности найденного решения. |
|
|||||||||||||||||||||
|
б) Прямой ход |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
1 0 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
1 0 |
1 |
|
1 |
|
|
|
1 |
1 0 |
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
1 1 |
|
|
|
II I |
|
|
|
2 1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 1 |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
2 |
|
~ |
|
0 |
0 |
|
1 |
|
~ |
|
0 |
0 |
|
1 , |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
2 |
2 2 |
2 |
4 |
|
III 2 I |
|
|
0 |
4 2 |
0 |
|
2 |
|
III 2 II |
|
0 |
0 0 |
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r A r A 2 , n 3 , r A n .
Из теорем 3.1 и 3.2 (рис. 3.1) следует, что система имеет бесконечно много решений.
66
Запишем систему уравнений, соответствующую полученной ступенчатой
матрице: x1 x2 x4 1 . |
Поскольку |
|
1 |
|
1 |
|
|
2 0 , |
x1 |
и x2 |
выразим через |
||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
2x2 x3 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
x3 и x4 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Перенесем члены с неизвестными x3 |
и x4 |
в правую часть: |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
x |
x |
|
1 x |
4 . |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
2x2 |
1 x3 |
|
|
|
|
||||||||||||
Положив |
x3 C1 и x4 |
C2 , где C1, C2 |
– произвольные постоянные, полу- |
||||||||||||||||||||
чим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
x |
|
1 C |
2 . |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
2x2 |
1 C1 |
|
|
|
|
||||||||||||
Обратный ход. Выразим неизвестные x1 и x2 : |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
x |
2 |
|
1 C1 |
|
C1 1 |
, |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
C1 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
x1 1 C2 x2 1 C2 |
|
1 |
2 |
2C2 1 C1 |
|
1 |
3 C1 |
2C2 . |
|||||||||||||||
2 |
|
|
2 |
2 |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Общее решение системы имеет вид
x |
|
1 |
C C |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||
1 |
|
|
2 |
1 |
|
|
2 |
|
x1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
C1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||
x2 |
|
|
|
|
|
|
|
или |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
||||
C1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
x3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
C2 |
|
|
|
|
|
|
|
x4 |
|
|
|||||
x4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где C1, C2 – произвольные постоянные.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
||
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C |
|
1 |
|
C |
2 |
|
0 |
|
1 |
|
|||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
||
2 |
2 |
2 |
0 |
|
2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|||||||
|
|
0 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полученные выражения x1 |
1 |
3 |
C1 |
2C2 , |
x2 |
C1 |
1 |
, |
x3 C1 , |
x4 C2 |
|
2 |
2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
подставим в левые части уравнений исходной системы и убедимся в правильности найденного решения.
|
1 1 0 |
2 |
|
3 |
|
1 1 |
0 |
2 |
|
3 |
||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
II I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
8 |
6 |
5 |
|
1 |
~ 0 |
7 |
6 |
3 |
|
2 |
||||
в) |
1 |
1 |
0 |
2 |
|
7 |
|
III I |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
4 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r A 2 , |
r |
|
3, |
r A r |
|
, |
следовательно, исходная система несовмес- |
A |
A |
||||||
тна. Появление строки 0 0 0 0 | |
4 указывает на несовместность исходной си- |
стемы.
67

Ответ. а) система имеет единственное решение: x1 1, x2 |
2 , x3 |
3 ; |
|||||||||||||||||
б) система имеет бесконечно много решений: |
x1 |
1 |
3 C1 2C2 , |
x2 |
C1 |
1 |
, |
||||||||||||
2 |
2 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
x3 C1 , x4 C2 , где C1, C2 |
– произвольные постоянные; |
в) система не имеет |
|||||||||||||||||
решений. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Использование MATLAB при решении СЛАУ |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Для решения СЛАУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
AX B , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где A aij n n , det A 0, |
B b1, , bn T , X x1, , xn T , в MATLAB исполь- |
||||||||||||||||||
зуются встроенные функции: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
linsolve(A,B) |
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
A\B |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Пример 3.15. Решить СЛАУ в MATLAB: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
x |
x |
|
9x |
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
1 |
|
2 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2x1 x2 3x3 10 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
x |
5x |
2 |
x |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение. Запишем СЛАУ в матричной форме: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
AX B , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
9 |
|
|
x |
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
2 |
1 |
3 |
, X x2 |
|
, B |
10 |
. |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 5 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
x3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зададим матрицу A и вектор-столбец B в командном окне:
>> A=[1 -1 9; 2 -1 -3; 1 5 1]
A = |
|
|
1 |
-1 |
9 |
2 |
-1 |
-3 |
1 |
5 |
1 |
|
|
|
>>B=[13; -10; 7]
B=
13
-10 7
68

В следующей таблице показаны три способа решения СЛАУ с использова-
нием MATLAB:
1 способ. С использованием встроенной функции linsolve(A,B)
>> X=linsolve(A,B)
X = -1.6441 1.3729 1.7797
2 способ. С использованием деления матриц справа налево
|
Вычислим определитель матрицы А. |
|
>>det(A) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ans = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
118 |
|
|
|
|
|
|
|
Найдем вектор Х. |
|
>>X=A\B |
|
|
|
|
||
|
|
|
X = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1.6441 |
|
|
|
|
||
|
|
|
1.3729 |
|
|
|
|
||
|
|
|
1.7797 |
|
|
|
|
||
|
3 способ. Методом Гаусса |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Построим расширенную матрицу СЛАУ, |
|
>>C=[A, B] |
|
|
|
|||
|
используя горизонтальную конкатенацию |
|
C = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
-1 |
|
9 |
13 |
|
|
|
|
|
2 |
-1 |
|
-3 |
-10 |
|
|
|
|
|
1 |
5 |
|
1 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Приведем матрицу C к треугольному виду, |
|
>>D=rref(C) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||
|
используя встроенную функцию rref(С) |
|
D = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.0000 |
0.0000 0.0000 -1.6441 |
|||||
|
|
|
0.0000 |
|
1.0000 |
0.0000 |
1.3729 |
||
|
|
|
0.0000 |
|
0.0000 |
1.0000 |
1.7797 |
||
|
Присвоим значение последнего столбца |
|
>>X=D( : , 4) |
|
|
|
|||
|
(в данном случае 4-го) матрицы D вектору X |
|
X = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1.6441 |
|
|
|
|
||
|
|
|
1.3729 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1.7797 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример 3.16. Решить системы уравнений из примера 3.14:
x |
|
x |
|
3 |
1 |
|
2 |
|
|
а) x1 x3 4 , |
||||
x |
2 |
x |
5 |
|
|
|
3 |
|
x1 x2 x4 1
б) x1 x2 x3 x4 22x1 2x2 2x3 2x4
|
x1 |
|
, в) x1 |
4 |
x |
|
1 |
x2 2x4 3
8x2 6x3 5x4 1 .
x2 2x4 7
Решение. а) Для исследования СЛАУ на совместность и нахождения единственного решения создадим скрипт-файл:
69

m-файл syslae.m disp('Исследование СЛАУ на совместность') disp(' ') % вывод пустой строки на экран disp('Основная матрица:')
A=[1 1 0; 1 0 1; 0 1 1] disp('Число уравнений:') n = length(A(:,1))
disp('Вектор свободных членов:') B=[3;4;5]
disp('Расширенная матрица:') AB = [A B]
disp('Ранг расширенной матрицы:') rAB = rank(AB)
disp('Ранг основной матрицы:') rA = rank(A)
%Проверка совместности
%если r(AB)не равен r(А), то система несовместна if rAB~=rA
disp('Система несовместна:')
%если r(AB)=r(А)=n,то система имеет единственное решение elseif (rAB==rA) & (rA==n)
disp('Система имеет единственное решение:') X = linsolve(A,B)
disp('Проверка:') B_=A*X
%если r(AB)=r(А)<n,то система имеет бесконечно много решений else (rAB==rA) & (rA<n)
disp('Система имеет бесконечно много решений:') end
После вызова и выполнения m-файла syslae.m в командном окне появится следующее сообщение:
Исследование СЛАУ на совместность Основная матрица:
A =
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
|
|
Число уравнений: n =
3
Вектор свободных членов:
B=
3
70

4
5
Расширенная матрица: AB =
1 |
1 |
0 |
3 |
1 |
0 |
1 |
4 |
0 |
1 |
1 |
5 |
|
|
|
|
Ранг расширенной матрицы: rAB =
3
Ранг основной матрицы: rA =
3
Система имеет единственное решение
X=
1
2
3
Проверка:
B_ = 3 4 5
б) Заменим в m-файле syslae.m матрицу А и вектор В на
A = [1 1 0 1; 1 -1 1 1; 2 -2 2 2] и B = [1; 2; 4]
и получим сообщение:
Исследование СЛАУ на совместность Основная матрица:
A = |
|
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
-1 |
1 |
1 |
2 |
-2 |
2 |
2 |
|
|
|
|
Число уравнений: n =
3
Вектор свободных членов:
B=
1
2
4
Расширенная матрица:
71

AB = |
|
|
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
-1 |
1 |
1 |
2 |
2 |
-2 |
2 |
2 |
4 |
|
|
|
|
|
Ранг расширенной матрицы: rAB =
2
Ранг основной матрицы: rA =
2 ans =
logical 1
Система имеет бесконечно много решений
в) Заменим в m-файле syslae.m матрицу А и вектор В на
A = [1 1 0 2; 1 8 6 5; 1 1 0 2] и B = [3; 1; 7]
и получим сообщение:
Исследование СЛАУ на совместность Основная матрица:
A = |
|
|
|
1 |
1 |
0 |
2 |
1 |
8 |
6 |
5 |
1 |
1 |
0 |
2 |
|
|
|
|
Число уравнений: n =
3
Вектор свободных членов:
B=
3
1
7
Расширенная матрица: AB =
1 |
1 |
0 |
2 |
3 |
1 |
8 |
6 |
5 |
1 |
1 |
1 |
0 |
2 |
7 |
|
|
|
|
|
Ранг расширенной матрицы: rAB =
3
Ранг основной матрицы: rA =
2
Система несовместна
72
3.5.СОБСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ
ИСОБСТВЕННЫЕ ВЕКТОРЫ КВАДРАТНОЙ МАТРИЦЫ
Число называется собственным значением матрицы А, если существует вектор X 0 , удовлетворяющий условию
|
|
AX X . |
|
|
|
|
|
(3.9) |
|
Вектор X называется собственным вектором квадратной матрицы А, со- |
|||||||||
ответствующим собственному значению . |
|
|
|
|
|
|
|||
Пусть X x , x , , x |
T |
– собственный вектор, соответствующий соб- |
|||||||
1 2 |
n |
|
aij n n . Запишем уравнение (3.9) в виде |
||||||
ственному значению матрицы A |
|||||||||
|
|
( A E) X 0 . |
|
|
|
|
(3.10) |
||
Система (3.10) имеет нетривиальное решение тогда и только тогда, когда |
|||||||||
|
|
a11 |
a12 |
|
a1n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
det( A E) |
a21 |
a22 |
|
a2n |
0 . |
|
(3.11) |
||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
an1 |
an2 |
ann |
|
|
|
|
|
Многочлен n-й степени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f ( ) det( A E) ( 1)n n p n 1 |
p |
p |
n |
(3.12) |
|||||
|
|
|
|
1 |
|
|
n 1 |
|
называется характеристическим многочленом матрицы А.
Собственные значения матрицы А являются корнями характеристического уравнения
|
|
|
|
|
|
|
f ( ) 0 . |
|
|
|
|
|
(3.13) |
||||
|
Коэффициенты p1, p2 , , pn |
многочлена |
f ( ) можно выразить через ми- |
||||||||||||||
норы матрицы А, например, p ( 1)n 1 a |
|
a |
22 |
a |
nn |
, |
p |
n |
det A . |
||||||||
|
|
|
1 |
|
11 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
Сумма элементов главной диагонали матрицы называется следом матрицы. |
||||||||||||||||
|
Имеют место следующие равенства: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
1 2 n det A, |
1 2 n a11 a22 |
ann . |
||||||||||||
|
Пример 3.17. Найти собственные значения и собственные векторы матри- |
||||||||||||||||
цы |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
A |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Решение. Характеристический многочлен матрицы А |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
f ( ) det( A E) |
|
1 |
2 |
|
1 |
2 2 |
2 |
||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
имеет два корня 1 1 и 2 2 , которые являются собственными значениями матрицы А.
73

|
|
Найдем собственный вектор, |
соответствующий 1 1. Подставим 1 в |
||||||||||
(3.10), т. е. (A E)X 0 , и получим однородную систему |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
1 1 |
2 |
2 |
2 x |
0 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
, |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
1 y |
0 |
|
|||
эквивалентную уравнению x y 0 . При |
y 1 получим x 1. Таким образом, |
||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
– собственный вектор, соответствующий собственному значению 1 1. |
||||||||||
|
|
||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Заметим, что собственным вектором, соответствующим собственному значе- |
|||||||||||||
нию |
|
|
|
1 |
C const 0 . |
||||||||
|
1, будет любой из векторов C |
, |
|||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Найдем собственный вектор, соответствующий 2 2 . Подставим 2 |
|||||||||||
в (3.10), т. е. (A 2E)X 0, и получим однородную систему |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
1 2 |
2 |
1 2 |
x |
|
0 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
1 2 |
y |
|
0 |
|
эквивалентную уравнению x 2y 0. При |
y 1 получим x 2 . Таким обра- |
||||
зом, X |
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
– собственный вектор, соответствующий собственному зна- |
||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
чению 2 2 . Заметим, что собственным вектором, |
соответствующим соб- |
|||||
ственному значению |
|
2 , будет любой из векторов |
|
2 |
|
, C const 0 . |
2 |
C |
|
|
|||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Справедливы следующие утверждения:
Любая квадратная матрица А порядка n с различными собственными значениями λ1, λ2, ..., λn может быть приведена к диагональному виду
|
1 |
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
0 |
2 |
|
0 |
|
|
P 1 AP D |
|
|
, |
||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
0 |
0 |
0 |
n |
|
|
|
|
|
|
||||
где матрица P составлена из собственных векторов |
|
X1, X2 , , Xn , соответ- |
|||||
ствующих собственным значениям λ1, λ2 , ..., λn . |
|
|
|
|
Любую действительную симметричную матрицу можно диагонализиро-
вать.
Если λ1, λ2, ..., λn – собственные значения матрицы А, то λ21, λ22 , ..., λ2n –
собственные значения матрицы А2.
Если – собственное значение невырожденной матрицы А, то 1 – собственное значение матрицы A 1.
74

Использование MATLAB при нахождении собственных значений и собственных векторов квадратной матрицы
Для нахождения собственных значений квадратной матрицы A aij n n
в MATLAB используется встроенная функция eig(А)
Для нахождения собственных значений и соответствующих им собственных векторов квадратной матрицы A aij n n в MATLAB используется встро-
енная функция
[R U]=eig(А)
Здесь столбцы матрицы R есть собственные векторы матрицы А, соответствующие собственным значениям, которые стоят на диагонали матрицы U.
Пример 3.18. Используя встроенные функции eig(А) и [R U]=eig(А), найти собственные значения и собственные векторы матриц:
1 |
2 |
|
из примера 3.17; |
|||
а) A |
|
|
|
|
||
|
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
3 |
1 |
|
7 |
|
б) B |
|
4 |
5 |
|
6 |
|
|
|
. |
||||
|
|
9 |
0 |
|
2 |
|
|
|
|
|
Решение показано в следующей таблице:
|
а) |
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Cоздадим матрицы А и В |
|||
|
|
|
|
|
|
>>A=[-1 2; 1 0] |
|
>>B=[3 1 7; 4 5 6; 9 0 -2] |
|||
A = |
|
|
В = |
|
|
-1 |
2 |
|
3 |
1 |
7 |
1 |
0 |
|
4 |
5 |
6 |
|
|
|
9 |
0 |
-2 |
|
Вычислим собственные значения матриц А и В, |
||||
|
|
используя встроенную функцию eig(А) |
|||
>>eig(A) |
|
>>eig(B) |
|
||
ans = |
|
|
ans = |
|
|
-2 |
|
|
-7.6718 |
|
|
1 |
|
|
9.9731 |
|
|
|
|
|
3.6988 |
|
|
|
|
|
|
|
|
75