Однородные и неоднородные системы линейных алгебраических

Уравнений

 

Определение. Система Л.А.У., все свободные члены которой нулевые, называется однородной. Система, столбец свободных членов которой ненулевой, называется неоднородной.

В общем случае однородная система из m уравнений с n неизвестными имеет вид:

(1)

В матричной форме она записывается в виде AX=0.

Здесь – нулевой столбец.

Однородная система всегда совместна, так как она имеет решение x₁=0, x₂=0,..., x_n=0, которое называется тривиальным.

Матричный метод и метод Крамера не имеет смысла применять для решения однородных систем с квадратной матрицей A. Поскольку, если A не вырождена, то система имеет единственное тривиальной решение, если же

|A| =0, то эти методы неприменимы, система имеет бесконечное число решений.

Метод Гаусса для решения однородных систем используется в следующем виде.

Записываем матрицу системы A и с помощью элементарных преобразований приводим её к верхнетреугольному виду. Возможны два случая.

1) r (A)=n. Система имеет единственное тривиальное решение.

Пример 1.

 

Запишем матрицу системы и преобразуем её.

~ ~

 

r (A)=3, следовательно, система имеет единственное решение:

2) r (A)<n. Система имеет бесконечно много решений, зависящих от n–r параметров.

Пример 2.

Преобразуем матрицу системы.

~ ~

r (A)=2, поэтому система имеет бесконечно много решений, зависящих от одного параметра.

Восстановим систему и решим её.

Обозначим решение системы (1) в виде строки . Решения системы линейных однородных уравнений обладают следующими свойствами:

1. Если строка - решение системы (1), то и строка - также решение этой системы.

2.Если строка и - решения системы (1), то при любых их линейная комбинация - также решение данной системы.

Из сформулированных свойств следует, что всякая линейная комбинация решений системы линейных однородных уравнений также является решением этой системы. Поэтому представляет интерес найти такие линейно независимые решения системы (1), через которые линейно выражались бы все остальные ее решения.

Определение. Система линейно независимых решений называется фундаментальной, если каждое решение системы (1) является линейной комбинацией решений .

Теорема. Если ранг r матрицы коэффициентов при неизвестных системы линейных однородных уравнений (1) меньше числа неизвестных n, то всякая фундаментальная система решений системы (1) состоит из n-r решений.

Поэтому общее решение системы (1) линейных однородных уравнений имеет вид:

Где

- любая фундаметальная система решений,

- произвольные числа и .

Пример3. В последнем рассмотренном примере

мы получили, что r (A)=2, поэтому фундаментальная система решений состоит из 3–2=1 решения. Чтобы его получить, положим в общем решении системы или . Пусть c =1, следовательно, и любое решение системы имеет вид линейной комбинации: .

Контрольные вопросы

1. Что такое определитель второго порядка, n-го порядка? Укажите основные свойства определителей.
2. В чем отличие матрицы от определителя? Укажите действия над матрицами.
3. В каком случае возможно умножение двух матриц?
4. Что такое вектор? Дайте определение модуля вектора.
5. В чем заключается метод Гаусса решения систем линейных уравнений?
6. Матричный способ решения систем линейных уравнений. Когда он применяется?
7. Что называется рангом матрицы? Какой цели служит ранг матрицы?
8. Какие системы линейных уравнений называются совместными?

Литературы:

Основная [1] § 1,2,3,4 стр. 5-33

[6] § 1,3 стр. 12-42, стр. 66-83

[19] Глава 1.8- 1.12, 1.14 стр. 52-58, 72-83, 87-94

Дополнительная

[30] § 2.4.4, стр. 151-168