Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Anisimova_G_D__Evseeva_S_I__Myshlyavtseva_M_D__UP_Ispolzovanie_MATLAB_pri_izuchenii_matematiki.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
10.06.2025
Размер:
10.07 Mб
Скачать

 

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

Соседние файлы в предмете Математика