Lin_Alg-BE
.pdfDecember 6, 2011 Курбатов В.Г. |
20 |
2.5 Матричные уравнения
Прием, описанный в Ÿ 2.4, позволяет решать и более сложные матричные уравнения.
Задача 6. Решить матричное уравнение XA = B, ãäå
A = |
02 |
1 |
41 |
; |
B = |
0 0 |
1 |
01 |
: |
|
1 |
1 |
1 |
|
|
¡1 |
3 |
1 |
|
|
@1 |
1 |
3A |
|
|
@¡2 |
0 |
4A |
|
Решение. Умножая уравнение XA = B справа на A¡1, получаем формулу XAA¡1 = BA¡1 èëè X = BA¡1, по которой можно находить решение. Вычисляем:
|
B = 0 |
|
1; |
A = |
0 11 |
¡1 |
1 |
|
1 |
; |
|
|
|
||||||
|
|
¡1 3 |
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
¡ |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
A |
|
|
|
|
||||
|
|
@¡2 0 |
4A |
|
|
¡1 |
|
@¡2 |
0 |
2 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
0 1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
= |
|
= 0 |
|
10 |
1 |
1 |
¡1 |
1 |
3 |
1 |
= 0 |
|
|
¡ |
|
1 |
|
||
|
|
¡1 3 |
|
1 |
2 |
2 |
|
1 ¡ |
2 |
|
|
2 ¡4 |
5 |
|
|||||
X BA¡1 |
@¡2 0 |
|
4A@¡ |
|
0 |
2 |
|
A @¡3 ¡2 |
5A |
: |
|||||||||
0 1 |
|
0 |
1 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
1 |
Задача 7. По какой формуле надо решать матричное уравнение AXB = F ?
Решение. Умножим уравнение слева на A¡1 и справа на B¡1. Получим
A¡1AXBB¡1 = A¡1F B¡1;
EXE = A¡1F B¡1;
X = A¡1F B¡1:
2.6 Метод Гаусса
Рассмотрим произвольную систему
> |
a11x1 + a12x2 + : : : + a1nxn = b1; |
|
|
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : |
(2.5) |
||
> |
|
||
> |
|
|
|
< |
|
+ a22x2 + : : : + a2nxn = b2; |
|
8a21x1 |
|
||
> |
|
|
|
> |
|
|
|
: |
|
+ am2x2 + : : : + amnxn = bm: |
|
>am1x1 |
|
На этот раз не будем предполагать, что число уравнений m обязательно совпадает с числом неизвестных n.
Две системы линейных уравнений называют эквивалентными, если они имеют одно и то же множество решений.
Элементарными преобразованиями системы линейных уравнений называют:
December 6, 2011 Курбатов В.Г. |
21 |
1)перестановку двух уравнений местами;
2)умножение уравнения на ненулевое число или сокращение на общий множитель;
3)прибавление к одному уравнению другого, умноженного на некоторое число;
4)отбрасывание нулевых1) уравнений.
Ясно, что элементарные преобразования переводят систему в эквивалентную. |
||||||||
Элементарные преобразования системы аналогичны элементарным преобразова- |
||||||||
ниям матриц, поэтому для сокращения записи их обычно выполняют не с системой |
||||||||
уравнений, а с ее расширенной матрицей |
|
|
|
|
|
|
||
D = |
0 a21 |
a22 : : : a2n |
¯ |
b2 |
1 |
: |
||
a11 |
a12 : : : a1n |
¯ |
b1 |
|
||||
|
B . |
. |
... |
. |
¯ |
. |
C |
|
|
|
¯ |
|
|||||
|
B am1 |
am2 |
: : : amn |
¯ |
bm |
C |
|
|
|
B |
|
|
|
¯ |
|
C |
|
|
@ |
|
|
|
¯ |
|
A |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
Напомним, что матрицу называют ступенчатой, если каждая ее строка начинается со строго большего числа нулей, чем предыдущая. Первый ненулевой элемент в строке ступенчатой матрицы A называют началом ступеньки. Будем различать
ступеньки короткие и длинные.
Пример 23. Ступенчатой является матрица
|
8 |
1 |
0 |
3 |
1 |
5 |
|
: |
00 |
6 |
4 |
¡2 |
0 |
¡31 |
|||
B |
|
|
|
|
|
|
C |
|
@ |
0 |
0 |
0 |
0 |
4 |
¡2 |
A |
|
B0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
C |
|
Метод Гаусса заключается в преобразовании расширенной матрицы D (èëè, ÷òî
эквивалентно, системы уравнений) с помощью элементарных преобразований сна- чала к ступенчатому виду (эту часть метода Гаусса называют прямым ходом), а затем по возможности к диагональному виду (эту часть метода Гаусса называют обратным ходом). Возникающая в результате преобразований система уравнений легко решается. В промежутке между прямым и обратным ходом обсуждают вопрос о существовании и единственности решения. Уточним некоторые детали.
Между прямым и обратным ходом применяют два правила.
Правило 1. Если в последней строке расширенной матрицы, получившейся после окончания прямого хода, до черты есть ненулевые числа, система совместна; если же в последней (ненулевой) строке до черты нет ненулевых чисел, то система несовместна.
Действительно, если последняя ненулевая строка имеет вид
¡ |
¯ |
br |
¢; |
0 0 : : : 0 ¯ |
1)Нулевым называют уравнение, в котором все коэффициенты, а также свободный члены равны
íóëþ: 0 ¢ x1 + 0 ¢ x2 + : : : + 0 ¢ xn = 0.
December 6, 2011 Курбатов В.Г. |
22 |
ãäå br =6 0, то решений нет (система несовместна), поскольку этой строке соответ-
ствует уравнение
0x1 + 0x2 + ¢ ¢ ¢ + 0xn = br;
удовлетворить которому невозможно. Если же последняя ненулевая строка имеет
|
ark = 0, òî, êàê ìû |
¡ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
¢ |
|
|
|
|
âèä |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
0 0 : : : ar k ar k+1 |
|
: : : |
br |
|
; |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
ãäå |
|
|
увидим, система совместна. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
Если система оказалась совместной, то следует применить второе правило:2) |
|||||||||||||||||||
|
Правило 2. Если в расширенной матрице, получившейся после окончания пря- |
|||||||||||||||||||
мого хода, все ступеньки короткие, то система является определенной; если же есть |
||||||||||||||||||||
хотя бы одна длинная ступенька, то система является неопределенной. |
||||||||||||||||||||
|
Если система оказалась совместной, переходят к обратному ходу: используя эле- |
|||||||||||||||||||
ментарные преобразования, делают нули над началами ступенек, а числа, стоящие |
||||||||||||||||||||
на началах ступенек, по возможности превращают в +1. В результате возникает си- |
||||||||||||||||||||
стема, которая решается тривиальным образом. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Задача 8. Решить систему |
|
x + 2x2 + 3x3 + 4x4 = 5; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
> |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
x2 + 2x3 + 3x4 = 1; |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
< |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
>x1 |
|
|
+ 3x3 + 4x4 = 2; |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
>x1 + x2 + 5x3 + 6x4 = 1: |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
: |
|
|
|
|
1 |
0 |
3 |
4 |
¯ |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D = |
0 |
0 1 2 3 |
¯ |
1 |
1 |
: |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
¯ |
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
Решение. Решение начинаем с выписывания расширенной¯ |
матрицы: |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
D = |
0 |
0 1 2 3 |
¯ |
1 |
1 |
: |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
3 |
4 |
¯ |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
5 |
6 |
¯ |
1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
B |
|
|
|
|
¯ |
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
После этого начинаем прямой ход. Его цель¯ |
сделать расширенную матрицу |
||||||||||||||||||
ступенчатой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В качестве первого этапа прямого хода приводим к ступенчатому виду 1-ый стол- |
|||||||||||||||||||
бец, а точнее столбец, соответствующий началу первой ступеньки. |
||||||||||||||||||||
|
Для этого первые две строки переписываем без изменений (поскольку они удовле- |
|||||||||||||||||||
творяют определению ступенчатой матрицы), к 3-ей строке прибавляем 1-ую, умно- |
||||||||||||||||||||
женную на ¡1 (иными словами, из 3-ей строки вычитаем 1-ую), и к 4-ой строке |
||||||||||||||||||||
прибавляем 1-ую, умноженную на ¡1: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
0 0 1 2 3 |
¯ |
1 1 0 0 |
1 2 3 |
¯ |
|
1 1: |
|||||||||||||
|
|
1 0 3 4 |
¯ |
2 |
|
|
|
0 |
2 0 0 |
¯ |
|
3 |
|
|||||||
|
B |
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
|
5 |
C |
||
|
1 1 5 6 |
1 |
|
» |
|
0 |
¡1 2 2 |
¡4 |
||||||||||||
|
¯ |
C B |
¯ |
|||||||||||||||||
|
B |
|
|
|
|
|
¯ |
|
C |
|
B |
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
C |
|
@ |
|
|
|
|
|
¯ |
|
A |
|
@ |
|
¡ |
|
|
|
¯ |
¡ |
|
A |
2) |
Его объяснению посвящен Ÿ 2.8. |
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
||||
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
December 6, 2011 Курбатов В.Г. |
23 |
В качестве второго этапа прямого хода приводим к ступенчатому виду 2-ой столбец. Для этого первые две строки переписываем без изменений, к 3-ей строке прибавляем 2-ую, умноженную на 2, а к 4-ой строке прибавляем 2-ую, умноженную на
1: |
0 |
0 |
1 |
2 |
3 ¯ |
1 1 |
|
0 |
0 |
1 |
2 |
3 ¯ |
1 1: |
||||
|
|
0 |
2 |
0 |
0 ¯ |
3 |
|
|
|
0 |
0 |
4 |
6 ¯ |
1 |
|
||
|
B |
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
C |
|
0 |
¡1 |
2 |
2 |
¡4 |
|
» |
|
0 |
0 |
4 |
5 |
¡3 |
||||
|
¯ |
C B |
¯ |
||||||||||||||
|
B |
|
|
|
|
¯ |
|
C |
|
B |
|
|
|
|
¯ |
|
C |
|
@ |
|
¡ |
|
|
¯ |
¡ |
A |
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
¡ |
A |
|
В качестве третьего этапа прямого¯ |
хода приводим |
¯к ступенчатому виду 3-ий |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
столбец. Для этого первые три строки переписываем без изменений, а к 4-ой строке прибавляем 3-ую, умноженную на ¡1:
0 0 |
1 |
2 |
3 |
¯ |
1 1 |
|
0 0 |
1 |
2 |
3 |
¯ |
1 1: |
||||||
|
0 |
0 |
4 |
6 |
¯ |
1 |
|
|
|
0 |
0 |
4 |
6 |
¯ |
1 |
|
||
B |
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
C |
|
B |
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
C |
||
0 0 |
4 |
5 |
¡3 |
» |
0 |
0 0 |
|
1 |
¡2 |
|||||||||
¯ |
|
|
¯ |
|||||||||||||||
B |
|
|
|
|
¯ |
¡ |
|
C |
|
B |
|
|
|
¡ |
|
¯ |
¡ |
C |
@ |
|
|
|
|
¯ |
|
A |
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
A |
|||
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
Поскольку получилась ступенчатая¯ |
матрица, прямой ход |
¯метода Гаусса закончен. |
После окончания прямого хода применяем два правила, см. с. 21 и 22. Вывод 1: поскольку в последней строке до черты есть ненулевые числа, система является совместной. Вывод 2: поскольку все ступеньки являются короткими, система является определенной.
Переходим к обратному ходу, см. с. 22. Его цель сформировать нули над нача- лами ступенек. Поскольку в нашем случае все ступеньки короткие, это означает, что надо сформировать до черты диагональную (а еще лучше единичную) матрицу.
В качестве первого этапа обратного хода приводим к единичному виду 4-ый столбец. Для этого последнюю строку умножаем на ¡1, 4-ую строку умножаем на ¡6 è
прибавляем к 3-ей, 4-ую строку умножаем на ¡3 и прибавляем к 2-ой, 4-ую строку умножаем на ¡4 и прибавляем к 1-ой:3)
0 0 |
1 |
2 |
3 |
¯ |
1 1 |
|
0 0 |
1 |
2 |
3 |
¯ |
1 1 |
|
0 0 |
1 |
2 |
0 |
¯ |
¡5 1 |
: |
|||||||
|
0 |
0 |
4 |
6 |
¯ |
1 |
|
|
|
0 |
0 |
4 |
6 |
¯ |
1 |
|
|
|
0 |
0 |
4 |
0 |
¯ |
13 |
|
|
|
B |
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
C |
|
B |
1 |
2 |
3 |
4 |
¯ |
5 |
C |
|
B |
1 |
2 |
3 |
0 |
¯ |
¡3 |
C |
|
|
0 |
0 0 |
|
1 |
¡2 |
» |
0 |
0 |
0 1 |
¡2 |
» |
0 |
0 0 |
1 |
¡ 2 |
|
||||||||||||
|
¯ |
|
¯ |
|
¯ |
|
|||||||||||||||||||||
B |
|
|
|
¡ |
|
¯ |
¡ |
C |
|
B |
|
|
|
|
¯ |
|
C |
|
B |
|
|
|
|
¯ |
|
C |
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
A |
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
|
A |
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
|
A |
|
||
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
На втором этапе обратного хода приводим к единичному виду 3-ий столбец. Для этого 4-ую строку оставляем без изменений, 3-ю строку умножаем на 1=4, 3-ю строку
умножаем на ¡2 и прибавляем к 2-ой, а 3-ю строку умножаем на ¡3 и прибавляем к 1-ой:
0 0 |
1 |
2 |
0 |
¯ |
¡5 1 |
|
0 0 |
1 |
2 |
0 |
¯ |
|
¡5 1 |
|
0 0 |
1 |
0 |
0 |
¯ |
|
3=2 1 |
: |
||||||
|
0 |
0 |
4 |
0 |
¯ |
13 |
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
¯ |
|
13=4 |
|
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
¯ |
|
13=4 |
|
|
B |
1 |
2 |
3 |
0 |
¯ |
¡3 |
C |
|
B |
1 |
2 |
3 |
0 |
¯ |
|
¡3 |
C |
|
B |
1 |
2 |
0 |
0 |
¯ |
|
27=4 |
C |
|
0 0 |
0 |
1 |
¡ 2 |
» |
0 0 |
0 |
1 |
¡ |
2 |
» |
0 0 |
0 |
1 |
¡ |
2 |
|
||||||||||||
¯ |
|
¯ |
|
¯ |
|
|||||||||||||||||||||||
B |
|
|
|
|
¯ |
|
C |
|
B |
|
|
|
|
¯ |
|
|
C |
|
B |
|
|
|
|
¯ |
|
|
C |
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
|
A |
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
|
|
A |
|
@ |
|
|
|
|
¯ |
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
3)Термины прямой ход и обратный ход объясняются следующим обстоятельством. При прямом ходе движение идет сверху вниз и слева направо: верхние строки прибавляют к нижним, и на каждом шаге столбец, в котором формируют нули, передвигается вправо. При обратном ходе движение происходит в обратную сторону.
December 6, 2011 Курбатов В.Г. |
24 |
На третьем этапе обратного хода приводим к единичному виду 2-ой столбец. Для этого 2-ую, 3-ю и 4-ую строки оставляем без изменения, а 2-ую строку умножаем на ¡2 и прибавляем к 1-ой:
0 0 1 0 0 |
¯ |
|
3=2 1 0 0 1 0 0 |
¯ |
|
3=2 1 |
: |
|||||||||
|
0 0 1 0 |
¯ |
|
13=4 |
|
|
|
|
0 0 1 0 |
¯ |
|
13=4 |
|
|
|
|
B |
1 2 0 0 |
¯ |
|
27=4 |
|
|
|
|
1 0 0 0 |
¯ |
|
15=4 |
C |
|
||
0 0 0 1 |
¡ |
|
2 |
|
|
» |
|
0 0 0 1 |
¡ |
2 |
|
|||||
¯ |
|
|
C B |
¯ |
|
|||||||||||
B |
|
¯ |
|
|
|
|
C |
|
B |
|
¯ |
|
|
C |
|
|
@ |
|
¯ |
|
|
|
|
A |
|
@ |
|
¯ |
|
|
A |
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
До черты образовалась единичная¯ |
матрица. Поэтому обратный¯ |
ход метода Гаус- |
||||||||||||||
са закончен. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Возвращаясь от полученной расширенной матрицы к системе уравнений, получа- |
||||||||||||||||
åì |
|
|
|
|
x1 |
= 15=4; |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
> |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
> |
|
|
|
¡ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
< |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8x2 |
= 3=2; |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
>x3 = |
|
13=4; |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
что фактически является ответом.: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
>x4 |
= 2; |
|
|
|
|
|
|
|
|
Правило. Если до черты получилась единичная матрица, то после черты находится решение.
2.7 Несовместная система
Задача 9. Решить систему
> |
+ x2 |
+ x3 |
= 1; |
8x1 |
|||
< |
|
|
|
>x1 + x2 + 2x3 = 1; :x1 + x2 + 3x3 = 2:
Решение. Выполним элементарные преобразования прямого хода:
0 |
1 |
1 |
1 |
¯ |
1 |
1 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
¯ |
1 |
1 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
¯ |
1 |
1: |
|
|
1 |
1 |
2 |
1 |
» |
0 |
0 |
1 |
0 |
» |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
||||||||||
|
1 |
1 |
3 |
¯ |
2 |
|
|
0 |
0 |
2 |
¯ |
1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
¯ |
1 |
|
|
|||
@ |
|
|
|
¯ |
|
|
A |
|
@ |
|
|
|
¯ |
|
A |
|
@ |
|
|
|
¯ |
|
A |
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
||||||
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
Поскольку ступенчатая¯ |
матрица получена,¯ |
применяем два правила,¯ |
ñì. ñ. 21 è 22. |
Вывод 1: поскольку в последней строке до черты стоят только нули (а после черты есть ненулевой элемент), система несовместна, т. е. не имеет решений.
Вновь рассмотрим систему общего вида (2.5). Обозначим через A матрицу системы (2.5), а через D расширенную матрицу.
Теорема 6 (Теорема Кронекера Капелли). Åñëè
rang D > rang A, то система (2.5) несовместна, т. е. не имеет решений. Если же rang D = rang A, то система (2.5) совместна, т. е. имеет решения.
December 6, 2011 Курбатов В.Г. |
25 |
Пример 24. Вернемся к системе уравнений, рассмотренной в задаче 9. После пре- |
|||||||
образований мы получили расширенную матрицу |
: |
||||||
0 |
0 |
0 |
1 |
¯ |
0 |
1 |
|
@ |
1 |
1 |
1 |
¯ |
1 |
A |
|
|
|
|
¯ |
|
|
||
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
Видно, что rang D > rang A (см. теорему 1).¯Поэтому система несовместна. |
|||||||
|
0 |
0 |
0 |
¯ |
1 |
|
|
Доказательство. Вернемся к ситуации, возникающей после окончания прямого |
|||
хода метода Гаусса. |
|
|
|
Если последняя ненулевая строка (имеющая для определенности номер r) матри- |
|||
öû D имеет вид |
|
|
|
|
0 0 |
: : : 0 |
br ; |
ãäå br = 0, то решений нет |
(система несовместна). Но в этом случае по теореме 1 |
||
¡ |
¯ |
¢ |
|
6 |
|
¯ |
|
rang D = r, à rang A = r ¡ 1. Таким образом, rang D > rang A.
Если же последняя ненулевая строка (имеющая для определенности номер r) матрицы D имеет вид
¡ 0 0 : : : ar k ar k+1 : : : |
¯ br |
¢; |
ãäå ark = 0, то, как мы увидим ниже, решения есть |
¯(система совместна). Но в этом |
|
6 |
|
|
случае по теореме 1 rang D = r è rang A = r. Таким образом, rang D = rang A.
2.8 Неопределенная система
Обсудим подробнее второй возможный случай, возникший после окончания прямого хода метода Гаусса: имеются длинные ступеньки. Покажем, что в этом случае система совместна, т. е. имеет решения но является неопределенной. Мы сделаем это путем предъявления алгоритма нахождения решения.
Неизвестные, соответствующие столбцам, на которых расположены начала ступенек, называют базисными, а остальные неизвестные свободными. Вернемся от расширенной матрицы к системе уравнений. Свободные неизвестные обозначим произвольными буквами, например, C1, C2, . . . ; это означает, что им позволяется при-
нимать любые значения. Получится система относительно базисных неизвестных. Решая ее, получаем выражения базисных неизвестных через C1, C2, . . . .
Решение, в котором все C1, C2, . . . равны нулю, называют базисным.
Таким образом, в этом случае решений оказывается бесконечно много при каждом новом выборе C1, C2, : : : получается новое решение. Еще раз подчеркнем, что
свободные неизвестные, а с ними и бесконечное множество решений появляются только в том случае, когда есть длинные ступеньки.
Задача 10. Решить систему
8
>x + 2y + z = 1;
<
>x + 2y + 3z = 1;
:x + 2y ¡ z = 1:
December 6, 2011 Курбатов В.Г. |
26 |
Решение. Преобразуем расширенную матрицу системы в соответствии с методом |
||||||||||||||||||||||
Гаусса. Прямой ход: |
|
¯ |
|
1 0 |
|
|
|
|
¯ |
|
1 0 |
|
|
|
¯ |
0 1: |
||||||
0 |
1 2 |
|
3 |
1 |
0 0 |
|
2 |
0 |
0 0 2 |
|||||||||||||
|
1 2 |
|
1 |
¯ |
1 |
|
» |
|
0 0 |
|
2 |
¯ |
0 |
» |
|
0 0 0 |
¯ |
0 |
||||
|
1 |
2 |
|
1 |
¯ |
1 |
|
|
|
1 |
2 |
|
1 |
¯ |
1 |
|
|
1 |
2 |
1 |
¯ |
1 |
@ |
|
|
¡ |
|
¯ |
|
A @ |
|
|
¡ |
|
¯ |
|
A @ |
|
|
|
¯ |
A |
|||
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
Обратный ход: |
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
||
|
0 |
0 0 2 |
¯ |
0 |
1 |
» |
µ |
0 0 1 0 |
¶ » µ |
0 |
0 1 0 |
: |
||||||||||
|
|
0 0 0 |
¯ |
0 |
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
¯ |
|
¶ |
||||||
|
|
1 |
2 |
1 |
¯ |
1 |
|
|
|
1 |
2 |
1 |
¯ |
1 |
|
|
1 |
2 |
0 |
¯ |
1 |
|
|
@ |
|
|
|
¯ |
|
A |
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку в последней ненулевой строке есть ненулевое число до черты, система совместна. Но поскольку есть длинная ступенька, решений бесконечно много. В соответствии с видом полученной ступенчатой матрицы в качестве базисных неизвестных возьмем x è z, а в качестве свободной y.
Обозначая свободную неизвестную y через C и перенося ее вправо, приходим к системе уравнений
x |
|
y |
= 1; |
x = 1 |
|
2C; |
( |
+ 2 |
|
z = 0; |
(z = 0 |
¡ |
|
относительно x è z.
По сути это уже готовый ответ: x = 1 ¡ 2C, y = C, z = 0, ãäå C произвольное число. Подчеркнем, что при различных C будут получаться разные решения. Так, например, при C = 0 имеем x = 1, y = 1, z = 0. Ïðè C = 1 получаем x = ¡1, y = 1,
z = 0. À ïðè C = 3 имеем x = ¡5, y = 3, z = 0.
Задача 11. Решить систему
8
> x + 2y + z = 1;
<
> x + 2y + z = 1; :2x + 4y + 2z = 2:
Решение. У этой системы матрицы A è D имеют одинаковые 1-ю и 2-ю строки,
а 3-я строка пропорциональна 1-й. Поэтому после преобразований по методу Гаусса мы приходим к расширенной матрице, содержащей единственную ненулевую строку
¡ ¯ ¢
1 2 1 ¯ 1 ;
или, что эквивалентно, к единственному уравнению
x + 2y + z = 1:
Очевидно, оно имеет бесконечно много решений. Чтобы их найти, в соответствии с нашим правилом в качестве свободных неизвестных примем y è z, а в качестве
базисной x. Положим y = C1, z = C2 и перенесем их в правую часть уравнения. В результате получим x = 1 ¡ 2C1 ¡ C2. Таким образом, все решения задаются формулами x = 1 ¡ 2C1 ¡ C2, y = C1, z = C2, ãäå C1 è C2 произвольные числа.
Отметим базисное решение: x = 1, y = 0, z = 0.
December 6, 2011 Курбатов В.Г.
2.9 Система линейных однородных уравнений
Система линейных однородных уравнений
> |
a11x1 + a12x2 + : : : + a1nxn = 0; |
|
> |
|
|
< |
|
+ a22x2 + : : : + a2nxn = 0; |
8a21x1 |
||
> |
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : |
|
> |
|
|
> |
|
|
: |
|
+ am2x2 + : : : + amnxn = 0 |
>am1x1 |
27
(2.6)
всегда имеет нулевое решение x1 = 0, x2 = 0, . . . , xn = 0, называемое тривиальным.
Теорема 7. Однородная система имеет ненулевое решение тогда и только тогда, когда ранг ее матрицы строго меньше сила неизвестных: rang A < n.
Если в системе уравнения линейно независимы, то условие rang A < n означает, что число уравнений строго меньше числа неизвестных.
Теорема 8. Если x = (x1; x2; : : : ; xn) решение однородной системы, то ®x = (®x1; ®x2; : : : ; ®xn) также решение.
Åñëè x = (x1; x2; : : : ; xn) è y = (y1; y2; : : : ; yn) решения однородной системы, то
их сумма x + y = (x1 + y1; x2 + y2; : : : ; xn + yn) также решение. Линейная комбинация решений снова решение.
Набор решений e1, e2, . . . , ek однородной системы называют фундаментальной
системой решений, если 1) они линейно независимы и 2) любое решение является их линейной комбинацией. Поэтому общее решение системы (2.6) имеет вид
C1e1 + C2e2 + ¢ ¢ ¢ + Ckek:
Теорема 9. Всякая фундаментальная система решений состоит из k = n ¡ r решений, где n число неизвестных, а r = rang A.
Задача 12. Решить однородную систему
8 |
x ¡ y +2 z ¡2 u = 0; |
||
2 x |
2 y +5 z |
6 u = 0; |
|
< |
3 x |
¡3 y +8 z |
¡5 u = 0; |
: |
|
¡ |
¡ |
Решение. Составим расширенную матрицу:
|
|
|
0 |
3 |
¡3 |
8 |
¡5 ¯ |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
2 |
2 |
0 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2 |
¡2 |
5 |
¡6 ¯ |
0 1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
@ |
|
¡ |
|
¡ |
¯ |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
Выполним элементарные преобразования прямого¯ |
õîäà: |
¯ |
|
1 |
|
|||||||||
0 2 |
¡2 |
5 |
¡6 |
¯ |
0 1 0 0 |
|
0 1 ¡2 |
0 |
» |
|||||
3 |
¡3 |
8 |
¡5 |
¯ |
0 |
» |
0 |
|
0 2 1 |
¯ |
0 |
|
||
1 |
1 |
2 |
2 |
¯ |
0 |
|
1 |
¡1 2 ¡2 |
¯ |
0 |
|
|
||
@ |
¡ |
|
¡ |
¯ |
A |
|
@ |
|
|
|
¯ |
|
A |
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
December 6, 2011 |
Курбатов В.Г. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
28 |
» |
0 0 0 1 ¡2 |
¯ |
0 |
1 0 |
0 0 1 ¡2 |
¯ |
0 1 |
|
|||
0 0 0 5 |
¯ |
0 |
|
» |
|
0 0 0 1 |
¯ |
0 |
|
||
|
1 ¡1 2 ¡2 |
¯ |
0 |
|
|
|
1 ¡1 2 ¡2 |
¯ |
0 |
|
|
|
@ |
¯ |
|
A |
|
@ |
|
|
¯ |
A |
свободной y. |
В качестве базисных неизвестных¯ |
возьмем x, z è u, а в качестве¯ |
||||||||||
Выполним обратный ход: |
¯ |
|
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
¯ |
|
1 0 |
|
¯ |
0 1 |
|
|||||
|
0 0 0 1 ¡2 |
0 |
0 0 1 0 |
|
|||||||
|
0 0 0 1 |
¯ |
0 |
|
» |
|
0 0 0 1 |
¯ |
0 |
|
|
|
1 ¡1 2 ¡2 |
¯ |
0 |
|
|
|
1 ¡1 0 0 |
¯ |
0 |
|
|
|
@ |
¯ |
|
A |
|
@ |
|
¯ |
|
A |
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
|
¯ |
|
|
|
Вернемся от расширенной матрицы к системе уравнений, одновременно обозна- чим свободную неизвестную y через C и перенесем ее вправо:
8
< x = C;
z = 0;
: u = 0;
Ответ: x = C, y = C, z = 0, u = 0.
2.10 Понятие о модели Леонтьева
Рассмотрим замкнутую экономику, состоящую из n отраслей. Продукция каждой
из отраслей расходуется на потребности производства ее самой и других отраслей, а также идет на конечное потребление. Необходимо сбалансировать производство так, чтобы производилось ровно столько, сколько нужно.
Введем обозначения:
xi общий (валовый) объем продукции i-ой отрасли,
yj необходимый объем конечного (для непроизводственного потребления) продукции j-îé отрасли,
aij затраты продукции j-ой отрасли на производство единицы продукции i-îé
отрасли. |
|
|
Имеем следующую систему межотраслевого баланса: |
||
> |
x1 = a11x1 + a12x2 + : : : + a1nxn + y1; |
|
> |
|
|
< |
|
+ a22x2 + : : : + a2nxn + y2; |
8x2 = a21x1 |
||
> |
: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : |
|
> |
|
|
> |
|
|
: |
|
+ an2x2 + : : : + annxn + yn: |
>xn = an1x1 |
Глава 3 Векторы в трехмерном пространстве
3.1 Основные понятия
¡!
Вектором называют направленный отрезок AB с началом в точке A, называемой хвостом и концом в точке B, называемой головой. Вектор принято также обозначать
строчной латинской буквой a¯ с чертой вверху.
Нулевым называют вектор, хвост и голова которого совпадают. Понятие направ- |
||||||||||
ления для нулевого вектора теряет смысл. Нулевой вектор принято обозначать сим- |
||||||||||
0 |
|
|
¡! |
= 0 |
|
|
|
|
|
|
волом ¯. Таким образом, |
AA |
¯. |
|
¡! |
|
|
j¡!j |
|
||
|
jABj |
|
|
a¯ = |
j¯j |
|
|
|||
Длину отрезка |
|
называют длиной вектора |
|
AB и обозначают |
a |
èëè |
AB |
. |
Очевидно, нулевой вектор имеет нулевую длину. |
|
||
Единичным называют вектор, длина которого равна 1. Обычно единичный вектор |
|||
обозначают символом e¯. Таким образом, je¯j = 1. |
|
||
Векторы, лежащие на |
параллельных прямых (или на одной и той же прямой), |
||
называют коллинеарными. |
|
|
|
Два вектора a¯ |
è ¯ |
|
|
b считают равными, если они коллинеарны, направлены в одну |
|||
сторону и их длины совпадают. Иными словами, два вектора a¯ |
è ¯ |
||
b равны, если один |
можно переместить в другой с помощью параллельного переноса. Таким образом, вектор можно передвигать параллельно самому себе. Когда это обстоятельство хотят подчеркнуть, такие векторы называют свободными.
Вектор ¯
b называют произведение числа ¸ на вектор a¯ и обозначают символом ¸¢a¯
èëè ¸a¯, åñëè:
1) вектор ¯
b коллинеарен вектору a¯,
¯
2) jbj = j¸j ¢ ja¯j,
è¯
3)направления векторов a¯ b совпадают, если ¸ > 0, и противоположны, если
¸< 0.
Åñëè |
|
, то уже из условия 2) следует, что ¯ |
¯. |
|
¸ = 0 |
b = 0 |
В качестве определения суммы векторов можно взять любое из двух эквивалент- |
|||||||
ных правил: а) треугольника (см. левый рис. 1); б) параллелограмма (см. правый |
|||||||
ðèñ. 1). |
|
|
|
|
|
|
|
Для сложения большого числа векторов можно пользоваться правилом замкну- |
|||||||
той цепочки векторов (см. рис. 2). |
|
|
|
|
|
||
Вычитанием называют действие, обратное к сложению. |
|
¯ |
|||||
Легко видеть, что a |
¯ |
a |
1) |
¯ |
|
|
|
b |
b. Поэтому разность a¯ |
¡ |
b можно представить |
||||
¯ ¡ |
|
= ¯ + (¡ |
è |
¢вектора |
|
|
|
¯ |
|
|
|
|
¯ |
|
|
в виде суммы a¯ + (¡1) ¢ b вектора a¯ |
|
|
b, умноженного на число (¡1). |