21180

Системи лінійних алгебраїчних рівнянь загального виду. Теорія Кронекера-Капеллі. Метод Гаусса

Реферат

Математика и математический анализ

Система називається сумісною якщо вона має хоча б один розв язок тобто хоча б один стовпець який перетворює рівняння 9.1 в тотожність і несумісною якщо вона не має розв язків. Система називається означеною якщо вона має один розв язок і неозначеною якщо вона має розв язків більше одного. Аналіз систем рівнянь повинен дати відповідь на два питання чи сумісна система тобто чи має вона розв язок і якщо сумісна то чи вона означена чи ні.

Украинкский

2013-08-02

237.5 KB

7 чел.

PAGE  72

Системи лінійних алгебраїчних рівнянь загального виду.

Теорія Кронекера-Капеллі. Метод Гаусса.

Розглянемо систему

, (9.1)

де А є матриця mn, яка називається матрицею системи, Х - стовпець n1 невідомих, В - стовпець m1 вільних членів рівнянь. Якщо B=0 система називається однорідною, в протилежному разі - неоднорідною.

Система називається сумісною, якщо вона має хоча б один розв"язок, тобто хоча б один стовпець , який перетворює рівняння (9.1) в тотожність, і несумісною, якщо вона не має розв"язків.

Система називається означеною, якщо вона має один розв"язок, і неозначеною, якщо вона має розв"язків більше одного.

Аналіз систем рівнянь повинен дати відповідь на два питання - чи сумісна система, тобто чи має вона розв"язок, і якщо сумісна, то чи вона означена, чи ні. Якщо система сумісна, то потрібен алгоритм находження розв"язків.

Відповідь на перші два питання дає теорія Кронекера-Капеллі (1883, 1892) (Kronecker Leopold, 1823-1891, Німмечина), (Capelli Alfred, 1855-1910, Італія). Для її формулювання складемо матрицю з матриці А і стовпця В: D=(AB). Вона називається розширеною матрицею системи.

 Теорема про необхідну і достатню умову сумісності системи: Для того, щоб система лінійних алгебраїчних рівнянь була сумісною, необхідно і достатньо щоб ранг матриці системи дорівнював рангу розширеної матриці, тобто r(A)=r(D).

1) Необхідність умови сумісності системи рівнянь.

Хай система має розв"язок Х=. Це означає, що підстановка розв"язку в (9.1) перетворює його в тотожність, тобто

0=В-АХ.  (9.2)

Розглянемо елементарні перетворення матриці D, які полягають в тому, що матрицю А множемо на стовпець X, тобто перший стовпець А домножають на , другий на , і т. д., і результат віднімають від стовпця В. Одержимо

. (9.3)

Тепер ми маємо, що з одного боку r(D)=r(C), а з другого r(C)=r(A), так як С має нульовий стовпець. Таким чином, одержуємо, що r(D)=r(A), якщо система має розв"язок.

2) Достатня умова.

Хай ранг матриць дорівнює k, r(A)=r(D)=k. Це означає, що в матриці D лінійно незалежні тільки k рядків, а останні є наслідком їх. Це ж саме відноситься і до рівнянь системи, з яких ми залишимо тільки лінійно незалежні

 (9.4)

причому kn.

 Розглянемо два випадки.

а) k=n, тобто число невідомих дорівнює числу рівнянь. Так як детермінант системи співпадає з базисним мінором матриці системи А, і причому , то, згідно з теоремою Крамера, система має розв”язок, причому єдиний,

 (9.5)

де  - допоміжний детермінант.

б) k<n. Залишимо зліва k невідомих, причому таких, щоб детермінант з коефіцієнтів при них був відмінний від нуля. Останні невідомі, які називають вільними, перенесемо управо:

 (9.6)

По відношенню до невідомих  знову маємо квадратну систему, яка має єдиний розв"язок, але цей розв"язок залежить від , яким можна придавати довільні значення:

 , i=1 ... k. (9.7)

 Таким чином, знайдені за цими формулами k невідомих  , а також довільно вибрані  і становлять розв"язок системи. Міняючи вільні невідомі будемо одержувати нові розв"язки системи, тобто їх нескінченно багато, і таким чином, система сумісна, але невизначена.

Приклад 1.

1) Складемо розширену матрицю систему і за допомогою елементарних перетворень над її рядками приведемо її до східчатого виду. При цьому відділимо стовпець з вільних членів системи і будемо мати паралельно також перетворення матриці системи А.

.

Звідси маємо, що r(D)=r(A)=3. Система сумісна і визначена.

2) З чотирьох рівнянь залишимо тільки перші три, які є лінійно незалежні Їм відповідає матриця системи

.

3) Обернена матриця дорівнює

.

4) Тепер знаходимо розв"язок системи

 

 Слід відзначити, що матриця  називається стійкою, якщо малим змінам в А відповідають малі зміни в . Тоді А називають добре обумовленою.

Приклад 2. Знайти розв”язок системи

 

1) Перетворимо розширену матрицю

,

звідки знаходимо, що r(D)=r(A)=2, тобто система сумісна, але невизначена.

2) Залишимо перші два рівняння і оголосимо  вільною невідомою

 

3) Детермінант системи .

Допоміжні детермінанти:

, ,

4) Розв"язок системи:

,  ,

або у виді рядка .

Якщо , то  .

Якщо , то  і т.д.

В першому прикладі розв"язок знайдено за допомогою оберненої матриці, у другому - за допомогою формул Крамера. З точки зору розрахунків, ці методи дуже трудомісткі, і звичайно використовують другі методи. Одним з найпоширеніших є метод Гаусса, на якому побудовано багато других методів. Розглянемо цей метод на прикладах.

1)

Приведемо розширену матрицю системи до східчатого виду

 

Так як перетворення рядків рівносильно перетворенню рівнянь системи, то з перетвореної матриці маємо

 

Хай  та  будуть вільними невідомими. Перенесемо їх направо

 

Тепер ідучи знизу вгору находимо невідомі  та :

, .

Розв"язок:

2) Розглянемо тепер розв”язок однорідної системи рівнянь

 

За допомогою метода Гаусса маємо

 

Виберемо  та  за вільні невідомі. Придаючи м значення 1, 0 та 0, 1 одержимо два ровв”язки

та , які є лінійно незалежні і утворюють так звану фундаментальну систему розв”яків. Так як однорідна система рівнянь є невизначена система, то вона має безліч розв”язків. Загальний вид розв”язку дорівнює , де  та  - довільні числа.

З других методів згадаємо метод простих ітерацій. Систему А=В перепишемо так

 

де  вектор-стовпець з вільних членів системи. Означимо С=Е-А. Тоді маємо

. (9.9)

Підставимо в правій стороні замість  деякий відомий вектор  (за який можна взяти , наприклад, вектор ) і одержимо першу ітерацію, або перший наближений розв"язок

. (9.10)

Далі можна продовжити

. (9.11)

Цей метод дає наближені розв"язки, які наближаються з ростом номера п до точного, якщо

, (9.12)

де  - елементи матриці С.

Відхилення від точного розв"язку задовільнює нерівності

  (9.13)

Звичайно процес закінчують при

 , (9.14)

де  є задана похибка. 

Контрольні питання.

1. Дайте означення сумісної і несумісної, означеної і неозначеної системи алгебраїчних лінійних рівнянь.

2. Сформулюйте теорему Кронекера-Капеллі.

3. Які невідомі називають “вільними”?

4. Наведіть алгоритм методу Гаусса.

5. Дайте поняття методу простих ітерацій.

PAGE  

PAGE  72


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56173. SPORTS EVENTS IN THE WORLD. СПОРТИВНІ ПОДІЇ В СВІТІ 227.5 KB
  Dear pupils! Imagine you are in the picture exhibition. Look at the pictures attentively. What association do these pictures arouse in your mind? What can you see in these symbols? Explain your opinion.
56174. Sport. Dangerous Sport 278 KB
  Sport is probably as old as the humanity itself. It has been developing with the developing and growth of the mankind. All over the world people of different ages are very fond of sports and games. Sport not only helps people to become strong and to develop physically but also makes them more organized and better disciplined in their daily activities.
56175. Значение занятий спортом для физического развития 1.61 MB
  Цель: продолжить знакомство с видами спорта; познакомить учащихся с системой закаливания показать значение утренней зарядки; прививать интерес к занятиям физкультурой и спортом.
56176. Впровадження комп′ютерно-орієнтованих методів навчання, спрямованих на розвиток всебічно розвиненої особистості молодшого школяра 561.5 KB
  МЕТА: провести спортивні змагання у рамках проекту «Здоровеньку були!»; продовжити роботу з популяризації здорового способу життя серед учнів 2 А класу та їхніх батьків; розвивати у дітей навички командної роботи на єдиний результат;
56177. Тато, мама, я - спортивна сім’я! 315.5 KB
  Команди вітають одна одну журі вболівальників і йдуть до місця старту. Команди шикуються в колони. За сигналом перший учасник підбиваючи кульку вгору біжить до кеглі оббігає її і повертається назад де на лінії старту передає кульку другому учаснику команди...
56178. «Більше, сильніше, швидше». Олімпійські ігри. Спорт 48.5 KB
  Today we’re going to talk to learn about the Olympic Games and we’ll discuss it. You will listen to the text about the Olympic Games and do some tasks, discuss famous Ukrainian spotsman. So, let’s start.
56179. ВИГОТОВЛЕННЯ ІГРАШОК-СУВЕНІРІВ “СПОРТСМЕНИ“ 56.5 KB
  Із поролону вирізати деталі: тулуб разом із головою та ноги. Із коричневого драпу вирізати деталі тулуба й ніг. З’єднати деталі тулуба із тканини й поролону зметати й зшити косим стібком через край. З’єднати деталі із тканини й поролону зметати й зшити.
56181. Німецька мова — одна з найкращих європейських мов 145.5 KB
  Stimmt. Ich bin damit einverstanden. Auβerdem werden wir H?rverstehen?ben, Sprachreaktion entwickeln, die Liebe zur deutschen Sprache beitragen. Jetzt beginnen wir mit der Wortschatzarbeit.