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

Модуль 1 Линейная алгебра

.pdf
Скачиваний:
129
Добавлен:
30.03.2015
Размер:
1.83 Mб
Скачать

Обратный ход. Из последнего (3-го) уравнения получим x3 5, из предыдущего (2-го) уравнения x2 27 6x3 27 6 5 3, из 1-–го уравнения

x1 16 3x3 16 3 5 1. Подставив полученные значения x1 1, x2 3 , x3 5 в левые части уравнений исходной системы, убеждаемся в правильности найденного решения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

x2

x3

x4

 

 

 

 

б)

3

2

5

4

 

2

 

3

2 5

4

 

2

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

II 2 I

 

 

 

6

5

 

1

 

 

 

 

6

4

3

 

3

 

~

0

0

 

 

~

 

 

9

6

3

2

 

4

III 3 I

 

0

0

12

10

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

x3

x2

x4

 

 

 

 

x1 x3

x2 x4

 

 

 

 

3

5

2

4

 

2

 

3 5

2

4

 

2

 

 

 

 

 

6

 

5

 

1

 

( 1) II

 

 

 

 

 

 

 

 

~

0

0

 

 

~

0

6

0

5

 

1

.

 

0

12

0

10

 

2

III 2 I

 

0

0

0

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система уравнений,

соответствующая полученной матрице, имеет вид

(5.9), k 2 ,

n 3 :

3x1 2x2

5x3 4x4 2

. Неизвестные

x1 и

x3 можно при-

 

 

6x3 5x4 1

 

 

 

 

 

 

 

нять за базисные, x2 и x4 – за свободные. Перенесем члены со свободными не-

известными в правую часть, положив x2 C1

и x4 C2 :

3x 5x 2 2C 4C

 

1

3

1

2 .

 

 

6x3 1

 

5C2

Обратный ход. Выражаем базисные неизвестные x1 и x3 . Из 2-го уравнения получим: x3 (1/ 6) (5/6)C2 . Из 1-го уравнения получим

3x1 2 2C1 4C2 5x3 2 2C1 4C2 5 (1/ 6) (5/6)C2 (7/ 6) 2C1 (1/6)C2

или x1 (7/18) (2/3)C1 (1/18)C2 . Общее решение системы имеет вид

x (7 /18) (2 / 3)C

(1/18)C

x

 

 

7 /18

 

 

 

2

 

 

 

 

1

 

 

1

1

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

C1

 

 

x2

 

 

0

 

 

C

 

3

 

 

C

 

0

 

 

 

 

или

 

 

1

 

2

 

,

 

 

 

 

 

 

 

x3

(1/ 6)

(5/6)C2

x3

 

 

1/ 6

 

 

3

 

0

 

 

18

 

15

 

 

x

 

C

x

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

18

 

 

4

 

2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где C1, C2

– произвольные постоянные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверка правильности решения. Подставим выражения x1, x2 , x3 , x4

через

C1, C2 в левую часть любого уравнения исходной системы. Результатом такой подстановки должен быть свободный член соответствующего уравнения, по-

61

стоянные C1, C2 должны «сократиться». Например, для 2-го уравнения получим

6 (7/18) (2/3)C1 (1/18)C2 4C1 4 (1/ 6) (5/6)C2

3C2 6 (7/18) 4 (1/ 6) C1 6 (2/3) 4 C2 6 (1/18) 4 (5/ 6) 3

3 0 C1 0 C2 3. Результатами аналогичных подстановок x1, x2 , x3 , x4 в ле-

вые части 1-го и 3-го уравнений будут их правые части 2 и 4 соответственно (проверьте самостоятельно), что подтверждает правильность найденного общего решения.

 

1

 

3 4

 

2

 

1

3

4

 

 

 

 

 

 

2

 

1

1

 

1

 

II 2 I

 

0

7

9

в)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

12

17

 

3

III 11 I ~

 

0

21

27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

11

2

 

7

 

IV I

 

0

14 2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

III 3 II

~

19

 

 

 

 

 

 

5

 

 

II

 

IV 2

 

1

3

4

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

0

7

9

3

 

 

 

 

~

 

. В последней матрице появилась строка

0 0 0|

9 ,

 

0

0

0

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

16

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следовательно, исходная система несовместна.

 

Ответ. а)

система имеет единственное решение: x1 1, x2 3 , x3 5; б)

система

имеет

бесконечно

много

решений:

x1 (7 /18) (2/ 3)C1 (1/18)C2 ,

x2 С1 ,

x3 (1/ 6) (5/6)C2 , x4

C2 ,

где C1, C2

– произвольные постоянные; в)

система не имеет решений.

5.4. Системы линейных однородных уравнений

Определение 5.8. Система m линейных алгебраических уравнений с n неизвестными называется однородной, если в ней все свободные члены равны нулю:

a

x

a

x

 

 

11

1

12

2

 

a21x1 a22 x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

x a

x

 

 

m1 1

m2 2

 

 

a

a

 

 

11

12

Введем обозначения:

A

a21

a22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am1

am2

a1n xn 0

a2n xn 0

amn xn 0.

a

 

 

x

 

 

1n

 

1

 

 

a2n

,

X x2

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

amn

 

xn

 

 

(5.14)

 

0

 

 

 

 

O

0

.

 

 

 

 

0

 

 

 

Тогда матричная форма однородной СЛУ (5.14) имеет вид:

 

AX О .

(5.15)

62

Однородная система линейных уравнений всегда совместна, так как обла-

дает нулевым (тривиальным) решением 0,0,

,0 T . Совместность следует и из

теоремы Кронекера-Капелли, так как в любой однородной системе r A r A .

Действительно, по теореме 4.3 ранг матрицы равен максимальному числу линейно независимых столбцов этой матрицы. Но добавление нулевого столбца свободных членов не может ни уменьшить, ни увеличить максимальное число

независимых столбцов матрицы A , т.е. r A r A | O r A . Число r r A в

дальнейшем будем называть просто рангом однородной системы (5.15).

Для однородной системы (5.15) утверждение « AX О имеет единственное решение» равносильно утверждению « AX О имеет только нулевое решение», а утверждение « AX О имеет бесконечное множество решений» - утверждению « AX О имеет ненулевое решение». Отсюда теорему 5.2 о числе решений для однородных СЛУ можно сформулировать следующим образом.

Теорема 5.4. Однородная СЛУ имеет ненулевое решение тогда и только тогда, когда ее ранг меньше числа неизвестных, т.е. r n .

Ранг однородной СЛУ не может быть больше числа m уравнений, r m , поэтому при m n выполнено и условие r n ; при m n матрица A системы – квадратная и условие r r A n равносильно равенству det A 0. Но это

означает, что при m n и m n из теоремы 5.4 вытекает справедливость следующих утверждений:

Следствие 1. Если в однородной СЛУ число уравнений меньше числа неизвестных, m n , то она имеет ненулевое решение.

Следствие 2. Однородная система n уравнений с n неизвестными имеет ненулевое решение тогда и только тогда, когда det A 0 .

Следствие 1 позволяет установить важные свойства линейно независимых совокупностей столбцов.

Утверждение 5.3. Если любой столбец линейно независимой совокупно-

сти X1, X2 ,

, Xn равен линейной комбинации столбцов Y1,Y2 ,

,Ym , то n m .

Доказательство. По условию равенство

 

 

 

t1 X1 t2 X2

tn Xn O

(5.16)

возможно

только при t1 t2

tn 0 и

существуют числа aij , 1 i l ,

1 j k , такие, что

 

 

 

 

 

X1 a11Y1 a21Y2

am1Ym ,

 

 

X 2 a12Y1 a22Y2

am2Ym ,

(5.17)

 

...,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X n a1nY1 a2nY2

amkYm .

 

63

Подставим в (5.16) выражения для X1, X2 ,

, Xn через Y1,Y2 ,

,Ym из (5.17).

После очевидных преобразований (5.16) запишется в виде

 

a11t1

a1ntn Y1

am1t1

amntn Ym O .

(5.18)

Ясно, что (5.16) будет выполнено, если в (5.18) равны нулю все выражения

в скобках (коэффициенты при Y1,

,Ym ). Равенство нулю всех этих выражений

означает, что числа t1,

,tn образуют решение однородной системы m уравне-

ний с n неизвестными. При n m по следствию 1 такая система имеет ненулевое решение, т.е. предположение n m противоречит выполнению равенства (5.16) только при t1 tn 0 .

Теорема 5.5. Пусть каждая из совокупностей X1, , X p и Y1, ,Yq линейно

независима. Если любой столбец одной из совокупностей равен линейной комбинации столбцов другой, то q p .

Доказательство. Из условия теоремы и утверждения 5.3

следует как

q p , так и q p , т.е. q p .

 

Теорема

5.6. Пусть

каждая из двух совокупностей

p столбцов,

X1, X2 , , X p

и Y1,Y2 , ,Yp ,

линейно независима. Если любой столбец первой

совокупности равен линейной комбинации столбцов второй, то и каждый столбец второй совокупности равен линейной комбинации столбцов первой.

 

Доказательство.

Рассмотрим

совокупность

p 1

столбцов Yj , X1,

X2 ,

, X p , 1 j p . Все столбцы этой совокупности равны линейным комби-

нациям столбцов Y1,Y2 ,

,Yp : для X1, X2 ,

, X p

это верно по условию теоремы, а

Yj 0 Y1

 

0 Yj 1 1 Yj 0 Yj 1

0 Yp .

Если

бы

совокупность

Yj , X1,

, X p

была линейно независимой, то результатом применения утвержде-

ния

5.3

к

совокупностям Yj , X1,

, X p

и Y1,Y2 , ,Yp

было

бы неравенство

p 1 p . Из полученного противоречия следует линейная зависимость сово-

купности Yj , X1,

, X p , т.е. выполнение равенства Yj 1 X1

p X p O , в

котором среди коэффициентов , 1,

, p

есть отличные от нуля.

 

При

0 данное равенство означает линейную зависимость столбцов

X1, , X p ,

что

противоречит условию

теоремы. Следовательно, 0 и

Yj 1 / X1

p / X p .

 

 

 

Элементарные преобразования переводят однородную СЛУ в однородную. Результатом прямого хода метода Гаусса для однородной системы (5.15) будет

система с расширенной матрицей

C

из формулы (5.8), в которой d1

dk

dk 1

dm 0 , а число ненулевых строк k совпадает с рангом r системы,

k r r(A) . Если

k r n система (5.15) сводится к системе (5.10) при

 

64

d1

dr

0 и имеет единственное нулевое

решение. Если k r n система

(5.15) сводится к системе (5.10) при d1

dr

0 и имеет бесконечное множе-

ство решений, которое описывается формулой

общего решения (5.13) при

1

r

0. Таким образом,

при r n однородная система (5.15) ранга r с

n неизвестными,

 

x3 , имеет общее решение вида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x , x ,

, x T

X С X

0 С X 0

 

 

С

 

X 0

 

,

(5.19)

 

 

 

 

1 2

 

 

n

 

 

 

1 1

 

2 2

 

 

 

n r

 

n r

 

 

где С , С ,...,C

 

– произвольные постоянные, X 0 , X 0

,

, X 0

 

– столбцы высо-

1

2

n r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

n r

 

 

 

 

ты n ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

12

 

 

 

 

 

1,n r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,n r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X 0

 

r1

 

, X 0

 

r 2

,

, X 0

 

 

r ,n r .

 

 

 

(5.20)

 

 

 

 

1

 

 

1

 

2

 

0

 

 

n r

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Элементы

ij

столбцов

X

0 , 1 i r,1 j n r , определяются однозначно

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

по элементам матрицы A после выполнения всех операций метода Гаусса, кон-

кретные выражения ij

через элементы матрицы

A в дальнейшем не понадо-

бятся.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Утверждение 5.4.

 

Если

X1, X2 , , Xl

решения

однородной

системы

(5.15), то любая их линейная комбинация 1 X1 2 X2

 

 

l Xl также явля-

ется решением этой системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство. По условию

AX1 O ,

AX2 O , …,

AXl

O и поэтому

A 1 X1 2 X2

l Xl 1 AX1 2 AX2

 

l AXl

 

 

1 O 2 O

 

l O O .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 5.9. Совокупность линейно независимых решений однород-

ной СЛУ называется фундаментальной системой решений (ФСР) этой систе-

мы, если любое ее решение можно представить в виде линейной комбинации решений данной совокупности.

Утверждение 5.5. Для любой однородной СЛУ ранга r с n неизвестными, r n , существует ФСР этой системы, содержащая n r решений.

Доказательство. Пусть задана однородная СЛУ (5.15) ранга r с n неизвестными. Покажем, что n r столбцов (5.20), построенные по этой системе методом Гаусса, образуют ФСР этой системы. По определению общего реше-

65

ния с помощью линейных комбинаций (5.19) этих столбцов можно получить любое решение системы (5.15). Для доказательства предложения осталось проверить выполнение двух условий: 1) столбцы X 0j – решения системы (5.15),

1 j n r ; 2) совокупность X 0 , X 0 ,

, X 0

независима.

 

 

 

 

1

2

n r

 

1)

По определению общего решения правые части (5.19) являются решени-

ями (5.15) при любом выборе С , С ,...,C

 

. Столбец X 0 получается из (5.19)

 

 

 

 

1

2

n r

j

при Сj

1, Сl

0, l j , 1 l n r .

 

 

 

 

2)

В матрице

B X10 , X20 ,

, Xn0 r

размера n (n r) , составленной из

столбцов X 0

, X 0 ,

, X 0

, последние

n r

строк образуют единичную матрицу

 

1

2

n r

 

 

 

 

 

E , det E 1 0 , т.е. в матрице B есть отличный от нуля минор порядка n r и r(B) n r . По теореме 4.3 (о ранге матрицы) в матрице B есть n r незави-

симых столбцов, т.е. X 0

, X 0 ,

, X 0

независимы.

1

2

n r

 

 

Утверждение 5.6. Любая ФСР однородной СЛУ ранга r с n неизвестным

содержит n r решений.

 

 

 

Доказательство. Пусть

X1, X2 , , X p

– произвольная ФСР однородной

СЛУ ранга r с n неизвестными, X10 , X20 ,

, Xn0 r – ФСР из утверждения 5.5. По

определению 5.9 эти две совокупности столбцов высоты n удовлетворяют всем условиям теоремы 5.5 и, следовательно, p n r .

Утверждение 5.7. Любая линейно независимая совокупность n r реше-

ний однородной СЛУ ранга r

с n неизвестными является ФСР этой СЛУ.

Доказательство. Пусть

X1,..., Xn r – произвольная линейно независимая

совокупность n r решений однородной СЛУ ранга r

с n неизвестными. Тре-

буется доказать, что любое решение X этой СЛУ равно линейной комбинации

столбцов X1,..., Xn r . По определению ФСР имеем

 

X 1Y1 2Y2

n rYn r ,

(5.21)

где Y1,Y2 ,...,Yn r – какая-нибудь ФСР данной СЛУ (любая ФСР содержит ровно n r решений по утверждению 5.6). В совокупности X1,..., Xn r любой столбец

X j (как и вообще любое решение данной СЛУ) равен линейной комбинации

столбцов Y1,...,Yn r . По теореме 5.6 ( p n r ) верно и обратное:

все столбцы

Y1,...,Yn r равны линейным комбинациям столбцов

X1,..., Xn r .

Подставив в

(5.21) эти линейные комбинации вместо Y1,...,Yn r , получим, очевидно, представление X в виде линейной комбинации решений X1,..., Xn r .

66

Теорема 5.7. (о структуре общего решения однородной СЛУ). Пусть

X1, X2 ,..., Xn r – произвольная линейно независимая совокупность n r решений однородной СЛУ ранга r с n неизвестными. Тогда общее решение Xо.о. этой СЛУ можно записать в виде:

Xо.о. C1 X1 C2 X2 Cn r Xn r , (5.22)

где С1, С2 ,...,Cn r – произвольные постоянные. (правая часть (5.22) –решение данной СЛУ при любых С1, С2 ,...,Cn r , любое решение можно получить при подходящем выборе С1, С2 ,...,Cn r ).

Доказательство. Из определения общего решения, определения ФСР и утверждения 5.4 следует, что в (5.19) можно заменить X10 , X20 , , Xn0 r на любые X1, X2 ,..., Xn r , образующие ФСР данной однородной СЛУ. По утверждению 5.7 в качестве ФСР можно выбрать любую линейно независимую совокупность n r решений данной однородной СЛУ.

Теорема 5.8. (о структуре общего решения неоднородной СЛУ). Если си-

стема (5.1) имеет бесконечное множество решений (в матричной форме (5.2) выполнено r(A) r(A | B) r n ), то ее общее решение Xо.н. можно предста-

вить в виде:

Xо.н. Xч.н. Xо.о. Xч.н. C1 X1 C2 X2

Cn r Xn r ,

(5.23)

где Xч.н. – одно из решений (5.1) (частное решение);

Xо.о. – общее решение со-

ответствующей (5.1) однородной (с той же

матрицей А)

системы;

X1, X2 ,..., Xn r – линейно независимая совокупность решений соответствующей

однородной СЛУ; С1, С2 ,...,Cn r – произвольные постоянные.

 

Доказательство. По теореме 5.7 в (5.23) достаточно доказать

только

Xо.н. Xч.н. Xо.о. , т.е. проверить совпадение множества всех решений

X си-

стемы (5.1) с множеством всех сумм Xч.н.

Xодн. , где Xодн. – любое решение со-

ответствующей однородной системы. По определению AXч.н. B , AXодн. O и

A Xч.н.

Xодн. AXч.н. AXодн. B O B , т.е. Xч.н.

Xодн. – решение (5.1).

С

другой стороны,

для любого

решения

X системы (5.1)

имеем

A X Xч.н. AX AXч.н.

B B O , т.е.

X Xч.н.

– решение однородной си-

стемы, и X Xч.н. X Xч.н. – представление X в виде суммы Xч.н. и решения X Xч.н. однородной системы.

67

Пример 5.5. Найдите все решения следующих однородных СЛУ, в случае бесконечного множества решений запишите общее решение и найдите какуюнибудь ФСР:

а) x1 2x2 x3 0

x1 x2 3x3 0

б) x x 4x 0

2x1 9x2 3x3 0.

 

3

 

1 2

 

 

2x1 2x2 5x3 0.

 

x1 x2 3x3 0

2x1 x2 3x3 5x4 0

 

 

x2 5x3

 

0

 

6x3 0

 

x1

 

в) x1 3x2

г)

 

2x2 2x3 5x4

0

 

4x3 0.

3x1

2x1 x2

 

 

 

 

 

 

 

7x 5x 9x 10x 0.

 

 

 

1

2

3

4

 

1 2

1

 

 

 

1 2

1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. а)

,

 

 

 

,

r( A) r( A) , поэтому одно-

A

2 9

3

 

A

2 9

3

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

родная система всегда совместна. Столбец свободных членов нулевой и не меняется при элементарных преобразованиях, поэтому достаточно работать с основной матрицей системы. Приведем основную матрицу системы с помощью

элементарных

преобразований

 

над

строками к ступенчатому

виду:

1 2

1

 

 

 

~

1 2

 

 

1

. По виду полученной матрицы заключаем,

 

 

 

 

2 I

 

 

 

 

 

 

 

2

9 3 II

 

 

0 5

 

 

1

 

 

 

 

 

 

что r( A) 2 , n 3 ,

r( A) n и система имеет ненулевые решения (бесконечное

множество решений).

Полученной матрице соответствует эквивалентная ис-

 

 

 

 

x 2x

x

 

0

 

 

 

 

 

 

 

ходной система

1

 

 

 

2

3

 

 

,

в которой за базисные можно принять неиз-

 

 

 

 

 

 

5x2 x3

 

0

 

 

 

 

 

 

 

вестные x1

и x2 ,

тогда свободной будет одна неизвестная x3 . Перенесем члены

со свободной переменной x3

 

в правые части уравнений и получим систему

x 2x x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

3 . Далее выразим через x3 базисные неизвестные, сначала x2

из

 

 

5x2 x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2-го уравнения, затем x1

из 1-го: x2 x3 / 5 ,

x1 x3 2x2 x3

(2/5)x3 (3/5)x3 .

 

Обозначим через C значение свободной переменной,

x3 C . Тогда общее

решение имеет вид x1 (3/ 5)С , x2

(1/5)C , x3 C , или в «матричном» виде:

 

 

 

 

 

 

x1

 

(3/ 5)C

(3/ 5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

(1/ 5)C C

 

(1/ 5)

, C R .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

 

 

 

 

 

 

 

 

Любая ФСР содержит одно решение,

так как n r(A) 3 2 1. Одна из

ФСР получается из общего при C 1, X1

3/ 5,1/ 5,1 T .

ФСР будет и любой

столбец, пропорциональный X1 , например, 5X1 3,1,5 T .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

68

 

 

 

 

 

Замечание. В данном примере можно было выбрать за базисные любые две неизвестные, так как в матрице исходной системы все миноры 2-го порядка не равны нулю (проверьте).

б) Запишем основную матрицу системы и приведем ее с помощью элементарных преобразований над ее строками к ступенчатому виду:

1

1

3

 

 

1

1

3

 

1

1 3

 

 

1

 

 

II I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4

 

 

~

0 0

1

 

~

0

0

1

.

 

2

2

5

 

 

 

 

0

0

1

 

 

0

0

0

 

 

II 2 I

 

III II

 

 

Имеем r( A) 2 . Поскольку n 3 , то r( A) n . Следовательно, система имеет бесконечное множество решений. Количество базисных неизвестных

равно r( A) 2 ,

количество свободных неизвестных равно

n r(A) 3 2 1.

Полученной матрице

 

 

 

 

x x 3x

0

. За базисные

 

соответствует система 1

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3 0

 

можно выбрать переменные x1

и x3

или x2 и x3 , так как соответствующие ми-

 

3

 

1 и

 

 

1

3

 

1 не равны нулю. Пару x ,

 

 

 

норы

1

 

 

 

x

2

нельзя считать базис-

 

0

1

 

 

 

 

 

0

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0. Если x

 

 

 

ной, так как

1

 

и x

– базисные, то x

– свободная и, обозначив

 

 

 

 

 

0

0

 

 

1

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

C , получим выражения через C для базисных переменных x1 и x3 : сначала

x3

0 из 2-го уравнения, затем x1

x2 3x3 C 0 C из 1-го. Общим решени-

ем системы будет x1 C , x2 C ,

x3 0 , C R . Любая ФСР состоит из одного

решения, так как n r(A) 3 2 1. Одна из ФСР получается из общего решения при C 1, 1,1,0 T .

в) Запишем основную матрицу системы и приведем ее с помощью элементарных преобразований над ее строками к ступенчатому виду:

1

1

3

 

1

1

3

 

1

1 3

 

 

 

 

1

1 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

3

6

II I

 

~

0

2

3

 

~

0

1 2

 

 

 

~

0 1

2

.

 

2

1

4

 

 

 

0

1

 

 

 

0

2 3

 

III 2

II

 

0

0

1

 

 

II 2 I

 

2

 

 

 

 

 

 

Имеем

r( A) 3.

Поскольку

n 3 ,

то

r( A) n .

Следовательно,

система

имеет

единственное

нулевое

решение.

Действительно,

запишем

 

систему

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1 x2 3x3 0

 

 

 

уравнений, соответствующую полученной матрице:

x2

2x3

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x3

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Откуда x1 0, x2

0, x3

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

69

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) Запишем основную матрицу системы и приведем ее с помощью элементарных преобразований над ее строками к ступенчатому виду:

2

1

3

5

 

 

1

1

5

0

 

 

 

1

1

5

0

 

 

 

2

1

3

5

 

II 2 I

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

II 3 I ~

 

3

2

2

5

 

 

3

2

2

5

 

 

 

5

9

10

 

 

 

 

5

9

10

 

 

 

7

 

 

 

7

III 7 I

 

1

1

5

0

 

 

 

 

1

1

5

0

 

 

 

0 1

13

5

 

 

 

 

 

0 1

13

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

0

1

13

5

 

III II

 

~

 

0

0

 

0

0

.

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

2

26

III 2 II

 

 

0

0

 

0

0

 

Имеем r( A) 2 . Поскольку n 4 имеем r( A) n . Следовательно, система

имеет бесконечное множество решений. Количество базисных неизвестных равно r( A) 2 , количество свободных неизвестных равно n r(A) 4 2 2. В

 

x

x

5x

0

 

системе

 

1

2

3

 

, соответствующей полученной матрице, выбе-

 

 

 

x2 13x3 5 x4 0

 

рем за базисные неизвестные x1 и x2 , тогда x3 и x4 – свободные (проверьте, что

все миноры 2–го порядка матрицы полученной системы не равны нулю и в качестве базисных можно было бы выбрать любые две неизвестные). Обозначим

через C1

и C2

значения свободных неизвестных:

x3 C1 , x4 C2 . Выразим через

C1 и C2

значения базисных переменных: из 2–го уравнения x2 13x3

5 x4

 

13C1

5C2 ,

затем из 1-го уравнения

x1

x2 5x3 13C1 5 C2

5C1

 

8C1 5C2 .

Общее решение имеет вид:

x1

8C1 5C2 ,

x2 13C1 5C2 ,

x3 C1 ,

x4 C2 , C1,C2 R , или

 

 

 

 

 

x1

x2

x3x4

 

8С1 5С2

 

 

82

 

 

5

 

 

13С 5С

 

 

С

 

13

 

С

 

5

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

.

 

 

С1 0 С2

 

 

1

 

1

 

2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 С1 С2

 

 

 

 

0

 

 

 

1

 

Любая ФСР содержит n r(A) 4 2 2 решения. Одну из ФСР X1, X 2

можно

получить,

положив в общем решении сначала

C1 1, C2 0, затем

C 0 , C 1:

X

1

8; 13;1; 0 T ,

X

2

5; 5; 0;1 T .

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

Если принять за базисные неизвестные x2 и

x4 , их выражениями через

свободные x1

и

x3 будут x2 x1

5x3 , x4 0,2x1

1,6x3

(проверьте!). «Стан-

дартный» способ построения общего решения и ФСР приводит в этом случае к

70