Далее: 4. Матрицы и определители Вверх: I. Элементы аналитической геометрии Назад: 2. Прямая на плоскости

3. Системы линейных уравнений

Вопросы теории. Система линейных уравнений и ее решение. Совместные и несовместные системы линейных уравнений. Равносильные системы. Однородная система. Совместность однородных систем линейных уравнений. Свойства решений однородной системы линейных уравнений. Основная и расширенная матрицы системы линейных уравнений. Элементарные преобразования системы линейных уравнений. Теорема об элементарных преобразованиях. Метод Гаусса решения систем линейных уравнений.

Образцы решения задач
Задача 1. Известно, что $ \alpha=\{x_1=2, y_1=-3, z_1=1, t_1=-1\}$ и $ \beta=\{x_2=0, y_2=-1, z_2=0, t_2=2\}$ - решения системы

$\displaystyle \left\{ \begin{array}{rrrrrrrr}
3x&+&2y&+&z&+&t&=0,\\
&&2y&+&7z&+&t&=0.
\end{array}\right.
$

Не решая системы, укажите еще одно ненулевое ее решение, отличное от данных.
Решение. Система однородна, поэтому всякая линейная комбинация $ p\alpha+q\beta=\{px_1+qx_2,py_1+qy_2,pz_1+qz_2,pt_1+qt_2\}$ ее решений $ \alpha=\{x_1,y_1,z_1,t_1\}$ и $ \beta=\{x_2,y_2,z_2,t_2\}$ будет снова решением. Выбирая, например, $ p=q=1,$ имеем $ \alpha+\beta=\{x=2,y=-4,z=1,t=1\}$. Непосредственной проверкой убеждаемся в том, что полученная комбинация действительно является решением системы.

Задача 2. Найдите общее и укажите какое-нибудь частное решение системы

$\displaystyle \left\{ \begin{array}{rrrrrrrrr}
x&+&2y&-&3z&+&t&=&0,\\
-x&+&y&-...
...&t&=&-6,\\
2x&-&y&+&z&-&t&=&-1,\\
2x&+&2y&-&3z&-&t&=&-7.
\end{array} \right.
$

Решение. Решим систему методом Гаусса. Расширенная матрица системы имеет вид

$\displaystyle \left[ \begin{array}{rrrr\vert r}
x&y&z&t\\
\hline
1&2&-3&1&0\\
-1&1&-1&-1&-6\\
2&-1&1&-1&-1\\
2&2&-3&-1&-7
\end{array} \right].
$

Сначала исключим переменную $ t$ из всех уравнений, кроме первого. Для этого надо воспользоваться первой строкой: для вычисления преобразованной второй строки прибавим первую строку ко второй, для вычисления преобразованной третьей строки - к третьей прибавим первую, для вычисления четвертой строки - к четвертой прибавим первую. Матрица примет вид

$\displaystyle \left[ \begin{array}{rrrr\vert r}
1&2&-3&1&0\\
0&3&-4&0&-6\\
3&1&-2&0&-1\\
3&4&-6&0&-7
\end{array} \right].
$

Исключив переменную $ y$ из всех уравнений, кроме третьего, имеем:

$\displaystyle \left[ \begin{array}{rrrr\vert r}
-5&0&1&1&2\\
-9&0&2&0&-3\\
3&1&-2&0&-1\\
-9&0&2&0&-3
\end{array} \right].
$

В полученной матрице вторая и четвертая строки одинаковы; это значит, что в соответствующей ей системе уравнений, равносильной исходной, два уравнения совпадают. Следовательно, одну из совпадающих строк можно вычеркнуть. Матрица принимает вид

$\displaystyle \left[ \begin{array}{rrrr\vert r}
-5&0&1&1&2\\
-9&0&2&0&-3\\
3&1&-2&0&-1
\end{array} \right].
$

Исключая переменную $ z$ из всех уравнений, кроме второго, получаем

$\displaystyle \left[ \begin{array}{rrrr\vert r}
-0,5&0&0&1&3,5\\
-9&0&2&0&-3\\...
...\vert r}
-0,5&0&0&1&3,5\\
-4,5&0&1&0&-1,5\\
-6&1&0&0&-4
\end{array} \right].
$

Ставя в соответствие этой матрице систему уравнений и выражая из нее базисные переменные $ y,z,t$ через свободную переменную $ x$, получим общее решение

$\displaystyle \left\{ \begin{array}{rrrrrrrrr}
-0,5x&+&&&t&=&3,5,\\
-4,5x&+&&z...
...R}},\\
y&=&-4&+&6x,\\
z&=&-1,5&+&4,5x,\\
t&=&3,5&+&0,5x.
\end{array}\right.
$

Полагая, например, $ x=1,$ имеем частное решение: $ x=1,\;y=2,\;z=3,\;t=4.$

Задачи для самостоятельного решения
1. Даны два частных решения однородной системы. Не решая систему, укажите еще два ненулевых частных решения той же системы, отличных от данных. Есть ли в задаче избыточные данные?

\begin{displaymath}
\begin{array}{ll}
1) \;\begin{array}{ll}
\alpha =&\{2,3,4\},...
...&+&t&=0,\\
x&+&6y&-&5z&-&t&=0.
\end{array}\right.
\end{array}\end{displaymath}

2. Найдите общие решения систем, указанных в задаче 1.
3. Найдите общее и укажите какое-нибудь частное решение системы

$\displaystyle 1) \left\{ \begin{array}{rrrrrrrrrr}
x &+&2y&-&3z&=&-1,\\
-2x&+&...
...x&+&y&+&z&-&t&=0,\\
x&+&y&-&z&+&t&=0,\\
x&-&y&+&z&+&t&=0.
\end{array}\right.
$

$\displaystyle 3) \left\{ \begin{array}{rrrrrrrrrr}
2x&-&y&+&2z&=0,\\
-x&+&y&-&...
...+&z&-&t&=&1,\\
3x&+&y&-&z&+&t&=&-2,\\
2x&-&y&+&z&-&t&=&0.
\end{array}\right.
$



Далее: 4. Матрицы и определители Вверх: I. Элементы аналитической геометрии Назад: 2. Прямая на плоскости

ЯГПУ, Центр информационных технологий обучения
27.03.2007