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

Lin_Alg-BE

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
13.03.2015
Размер:
1.01 Mб
Скачать

December 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).

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]