§2. Формулы Крамера для решения системы линейных уравнений
Рассмотрим случай, когда число уравнений системы совпадает с числом уравнений. (т.н. квадратная система):
(1)
Матрицу, составленную из коэффициентов системы (1), А=(аij), называют основной матрицей системы, а её определитель Δ=det(A) называют определителем системы.
Теорема. Квадратная система (1) с отличным от нуля определителем имеет решение, и притом, единственное. Его можно найти по формулам
(2)
где Δj – это определитель, получающийся из определителя Δ после замены в нем j–го столбца столбцом свободных членов системы (1).
Доказательство. Докажем сначала, что числа, определяемые формулами (2), дают решение системы (1). Возьмём левую часть i–го уравнения системы и подставим в нее эти числа, при этом определитель Δj разложим по j–му столбцу:
Внутренняя сумма (т.е. множитель, стоящий возлеbk) в полученном выражении либо равна определителю Δ, если k=i, либо равна 0, если k≠j. Значит во внешней сумме только i–е слагаемое отлично от нуля и вся эта сумма равна
Докажем теперь единственность решения (2), для чего предположим, что существуют числа с1,с2,…,сn такие, что:
(3)
есть система верных
числовых равенств. Выполним с этими
верными равенствами следующее: 1
(a11A11+a21A21+…+an1An1)c1+(a12A11+a22A21+…+an2An1)c2+…
…+(a1
Первая скобка в левой части равна определителю Δ, а все остальные скобки равны 0. Правая же часть есть разложение определителя Δ1 по первому столбцу. Итак, мы получили
Δ·с1 = Δ1.
Если же указанную процедуру повторить, взяв в качестве множителей алгебраические дополнения элементов
Δ·с2 = Δ2
и так далее по аналогии Δ·сn= Δn. Поскольку по условию Δ≠0, то полученные равенства эквивалентны соотношениям
что и означает, что у системы (1) нет других решений кроме тех, что даются формулами Крамера. Теорема доказана.
Значение формул Крамера заключается главным образом в том, что в тех случаях, когда они применимы, эти формулы дают явное выражение для решения системы через коэффициенты и свободные члены. Практическое использование формул Крамера связано с довольно громоздкими вычислениями определителей
Замечание. Из полученных в процессе доказательства равенств
cj
следует важный вывод:
если Δ=0, а хотя бы один из Δ1, Δ2,…, Δn отличен от 0, то системы (1) решений не имеет; в случае же когда Δ=Δ1=Δ2=…=Δn=0 система (1) может быть или несовместной, или неопределенной.
И еще один полезный вывод из теоремы: если однородная система n уравнений с n неизвестными имеет нетривиальное решение, то её определитель равен 0.
studfiles.net
8. Формулы Крамера решения систем линейных алгебраических уравнений.
Метод Крамера состоит в том, что мы последовательно находим главный определитель системы (5.3), т.е. определитель матрицы А
= det (aij)
и n вспомогательных определителей i (i=), которые получаются из определителя заменой i-го столбца столбцом свободных членов.
Формулы Крамера имеют вид:
xi= i( i
=
Из (5.4) следует правило Крамера, которое дает исчерпывающий ответ на вопрос о совместности системы (5.3): если главный определитель системы отличен от нуля, то система имеет единственное решение, определяемое по формулам:
x i= i/ .
Если главный определитель системы и все вспомогательные определители i = 0 (i= ), то система имеет бесчисленное множество решений. Если главный определитель системы = 0, а хотя бы один вспомогательный определитель отличен от нуля, то система несовместна.
x1 + x2 + x3 + x4 = 5,
x1 + 2x2 – x3 + 4x4 = -2,
2x1 – 3x2 – x3 – 5x4 = -2,
3x1 + x2 +2x3 + 11 x4 = 0.
Решение. Главный определитель этой системы
значит, система имеет единственное решение. Вычислим вспомогательные определители i ( i = ), получающиеся из определителя путем замены в нем столбца, состоящего из коэффициентов при xi, столбцом из свободных членов:
Отсюда x1 = 1/ = 1, x2 = 2/ = 2, x3 = 3/ = 3, x4 = 4/ = -1, решение системы – вектор С=(1, 2, 3, -1)T.
9. Метод Гаусса решения систем линейных алгебраических уравнений.
Наиболее распространенным методом решения систем линейных уравнений является метод Гаусса, или метод последовательного исключения неизвестных. Сущность этого метода состоит в том, что посредством последовательных исключений неизвестных данная система превращается в ступенчатую (в частности, треугольную) систему, равносильную данной. При практическом решении системы линейных уравнений методом Гаусса удобнее приводить к ступенчатому виду не саму систему уравнений, а расширенную матрицу этой системы, выполняя элементарные преобразования над ее строками. Последовательно получающиеся в ходе преобразования матрицы обычно соединяют знаком эквивалентности.
Пример 2.13. Решить систему уравнений методом Гаусса:
x + y – 3z = 2,
3x – 2y + z = – 1,
2x + y – 2z = 0.
Решение. Выпишем расширенную матрицу данной системы
и произведем следующие элементарные преобразования над ее строками:
а) из ее второй и третьей строк вычтем первую, умноженную соответственно на 3 и 2:
~ ;
б) третью строку умножим на (-5) и прибавим к ней вторую:
.
В результате всех этих преобразований данная система приводится к треугольному виду:
x + y – 3z = 2,
-5y + 10z = -7,
– 10z = 13.
Из последнего уравнения находим z = -1,3. Подставляя это значение во второе уравнение, имеем y = -1,2. Далее из первого уравнения получим x = – 0,7.
studfiles.net
§1. Основные определения
11
ЛЕКЦИЯ 3
Тема Системы линейных уравнений
В общем случае система m линейных уравнений с n неизвестными имеет следующий вид:
(1)
При этом через x1, x2,…, xn обозначены неизвестные, подлежащие определению, причем, их число n, не предполагается обязательно равным числу уравнений m. Величины a11, a12,…, amn , называемые коэффициентами системы, и величины b1, b2,…, bn, называемые свободными членами, предполагаются известными.
Решением системы (1) называется такая совокупность n чисел c1, c2,…, cn , что каждое из уравнений (1) обращаются в верное числовое равенство после замены в нем неизвестных xi соответствующими числами ci , i=1,2,…,n.
Система уравнений называется совместной, если она имеет, по крайней мере, одно решение, и несовместной, если у нее не существует ни одного решения.
Например, система
является несовместной, ибо в противном случае мы получили бы, что 1=3.
Решить систему уравнений означает найти все её решения или доказать, что она несовместна.
Два решения совместной системы с1, с2, …, сn и d1, d2, …, dn называют-
ся различными, если нарушается хотя бы одно из равенств с1=d1, c2=d2, …
…, cn=dn.
Совместная система уравнений называется определенной, если она имеет единственное решение, и неопределенной, если у нее существуют, по крайней мере, два различных решения.
Система уравнений называется однородной, если свободные члены всех её уравнений равны нулю.
Очевидно, однородная система всегда совместна, ибо обладает решением x1=0, x2=0,…, xn=0 (т.н. тривиальное решение).
Можно доказать, что, если система уравнений имеет два различных решения, то она имеет бесконечное множество решений.
Справедливость этого наглядно проявляется в случае системы двух уравнений с двумя неизвестными:
(2)
Каждое уравнение системы (2) определяет на плоскости Oxy некоторую прямую. Решение системы (2) – это координаты общей точки двух прямых. Но у двух прямых может не существовать общих точек, быть только одна общая точка или бесконечно много общих точек ( если прямые совпадают ).
Две системы линейных уравнений называются эквивалентными (равносильными), если они или обе несовместимы, или же обе совместны и обладают одними и теми же решениями.
§2. Формулы Крамера для решения системы линейных уравнений
Рассмотрим случай, когда число уравнений системы совпадает с числом уравнений. (т.н. квадратная система):
(1)
Матрицу, составленную из коэффициентов системы (1), А=(аij), называют основной матрицей системы, а её определитель Δ=det(A) называют определителем системы.
Теорема. Квадратная система (1) с отличным от нуля определителем имеет решение, и притом, единственное. Его можно найти по формулам
(2)
где Δj – это определитель, получающийся из определителя Δ после замены в нем j–го столбца столбцом свободных членов системы (1).
Доказательство. Докажем сначала, что числа, определяемые формулами (2), дают решение системы (1). Возьмём левую часть i–го уравнения системы и подставим в нее эти числа, при этом определитель Δj разложим по j–му столбцу:
Внутренняя сумма (т.е. множитель, стоящий возлеbk) в полученном выражении либо равна определителю Δ, если k=i, либо равна 0, если k≠j. Значит во внешней сумме только i–е слагаемое отлично от нуля и вся эта сумма равна bi·Δ. Откуда получаем, что левая часть i–го уравнения при подстановке (2) равна , т.е. правой части этого уравнения. Итак, числа (2) дают решение системы (1).
Докажем теперь единственность решения (2), для чего предположим, что существуют числа с1,с2,…,сn такие, что:
(3)
есть система верных числовых равенств. Выполним с этими верными равенствами следующее: 1е умножим на алгебраическое дополнение элемента а11, 2е – на дополнение элемента а21 и т.д. и почленно сложим. Получим следующее:
(a11A11+a21A21+…+an1An1)c1+(a12A11+a22A21+…+an2An1)c2+…
…+(a1nA11+a2nA21+…+annAn1)cn=b1A11+b2A21+…+bnAn1.
Первая скобка в левой части равна определителю Δ, а все остальные скобки равны 0. Правая же часть есть разложение определителя Δ1 по первому столбцу. Итак, мы получили
Δ·с1 = Δ1.
Если же указанную процедуру повторить, взяв в качестве множителей алгебраические дополнения элементов а12, а22,…,аn2, то получим
Δ·с2 = Δ2
и так далее по аналогии Δ·сn= Δn. Поскольку по условию Δ≠0, то полученные равенства эквивалентны соотношениям
что и означает, что у системы (1) нет других решений кроме тех, что даются формулами Крамера. Теорема доказана.
Значение формул Крамера заключается главным образом в том, что в тех случаях, когда они применимы, эти формулы дают явное выражение для решения системы через коэффициенты и свободные члены. Практическое использование формул Крамера связано с довольно громоздкими вычислениями определителей n–го порядка. К этому следует добавить, что, если коэффициенты уравнений и свободные члены представляют собой лишь приближенные значения каких-либо измеряемых физических величин или округляются в процессе вычислений, то использование формул Крамера может привести к большим ошибкам и в ряде случаев является нецелесообразным.
Замечание. Из полученных в процессе доказательства равенств
cj·Δ = Δj , j=1,2,…,n
следует важный вывод:
если Δ=0, а хотя бы один из Δ1, Δ2,…, Δn отличен от 0, то системы (1) решений не имеет; в случае же когда Δ=Δ1=Δ2=…=Δn=0 система (1) может быть или несовместной, или неопределенной.
И еще один полезный вывод из теоремы: если однородная система n уравнений с n неизвестными имеет нетривиальное решение, то её определитель равен 0.
studfiles.net