Модуль 1 Линейная алгебра
.pdfОбратный 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