Главная » Уроки по Численным методам » Урок 14. Решение систем линейных уравнений (СЛУ). Теорема Кронекера-Капелли. Решение СЛУ с помощью матричных уравнений |
ЛЕКЦИЯ |
Урок 14. Решение систем линейных уравнений (СЛУ). Теорема Кронекера-Капелли. Решение СЛУ с помощью матричных уравнений
Система линейных уравнений:
(1)
Здесь и (i =1..m, j=1..n) - заданные, а - неизвестные действительные числа.
Матричной записью системы линейных уравнений называется выражение вида:
=, или кратко: = (2),
где:
= | = |
= |
матрица системы |
столбец неизвестных |
столбец свободных членов |
Упорядоченная совокупность n вещественных чисел (c1, c2,..., cn) называется решением системы(1), если в результате подстановки этих чисел вместо соответствующих переменных x1, x2,..., xn каждое уравнение системы обратится в арифметическое тождество; другими словами, если существует вектор C= (c1, c2,..., cn)T такой, что AC = B.
СЛУ называется совместной, или разрешимой, если она имеет, по крайней мере, одно решение. Система называется несовместной, или неразрешимой, если она не имеет решений.
Матрица
,
образованная путем приписывания справа к матрице A столбца свободных членов, называется расширенной матрицей системы.
Вопрос о совместности системы (1) решается следующей теоремой.
Теорема Кронекера-Капелли
Теорема Кронекера-Капелли. Система линейных алгебраических уравнений совместна тогда и только тогда, когда ранг её основной матрицы равен рангу её расширенной матрицы.
Система имеет единственное решение, если ранг равен числу неизвестных, и бесконечное множество решений, если ранг меньше числа неизвестных.
Решить систему — это значит выяснить, совместна она или несовместна. Если система совместна, найти ее общее решение.
Пример. Исследовать систему линейных уравнений
Решение. Составим расширенную матрицу системы и с помощью элементарных преобразований вычислим одновременно ранги обеих матриц.
Далее умножим вторую строку на -2 и сложим с третьей, а затем сложим третью строку с последней. Имеем
.
Ранг матрицы системы =3, так как матрица имеет три ненулевых строки,
а ранг расширенной матрицы =4.
Тогда согласно теореме Кронекера-Капелли система не имеет решений.
Для решения произвольной системы линейных уравнений нужно уметь решать системы, в которых число уравнений равно числу неизвестных, - так называемые системы крамеровского типа:
a11 x1 + a12 x2 +... + a1n xn = b1,
a21 x1 + a22 x2 +... + a2n xn = b2, (3)
... ... ... ... ... ...
an1 x1 + an1 x2 +... + ann xn = bn.
Системы (3) решаются одним из следующих способов:
1) методом Гаусса, или методом исключения неизвестных;
2) по формулам Крамера;
3) матричным методом.
Матричный метод
Если матрица А системы линейных уравнений невырожденная, т.е. det A=0, то матрица А имеет обратную, и решение системы (3) совпадает с вектором . Иначе говоря, данная система имеет единственное решение. Отыскание решения системы по формуле X=C, C=A-1B называют матричным способом решения системы, или решением по методу обратной матрицы.
Задание 1: Решить систему уравнений матричным способом в Excel
Ход решения:
- Сначала надо записать систему в матричном виде и ввести ее на лист Excel:
, здесь ,
- Затем надо с помощью Excel найти обратную матрицу для матрицы А.
- Далее полученную матрицу нужно умножить на матрицу В.
- В результате получим ответ:
Задание 2: Самостоятельно решить матричным способом систему уравнений
Ответ для самопроверки:
Составитель: Салий Н.А.