3975

Системы линейных неравенств

Лекция

Математика и математический анализ

Лекция Системы линейных неравенств Основные понятия Системы линейных неравенств применяются для решения различных математических задач. Системой линейных неравенств из m с n неизвестными x1 ,x2 ,...

Русский

2012-11-10

331.41 KB

61 чел.

Лекция 27

Глава 3. Системы линейных неравенств

3.1. Основные понятия

Системы линейных неравенств применяются для решения различных математических задач.

Системой линейных неравенств из m с n неизвестными x1 ,x2 , ,xn называется

система соотношений вида

a11 x1

a12 x 2

 a1n x n

b1 ,

a 21 x1

a 22 x 2

 a2n xn

b2 ,



a m1 x1 a m 2 x 2  a mn x n bm ,

где числа aij , i 1,2,  , m, i 1,2,  , n

называются коэффициентами системы, числа

bi , i 1,2, , m - свободными членами. Если bi 0, i 1,2,, m , то система линейных

неравенств называется однородной.

Решением системы линейных неравенств называется такая последовательность

вещественных чисел

j все

1 , 2 , , n , для которой после замены каждого x j на

неравенства системы оказываются верными числовыми неравенствами:

ai 1 1

 ain n

ai 2 2

1,2 , , m.

bi , i

Если система линейных неравенств имеет хотя бы одно решение, она называется

разрешимой, а если не имеет ни одного решения неразрешимой.

Две системы линейных неравенств называются эквивалентными, или

равносильными, если любое решение одной из них является решением и для другой.

Другими словами, множество решений одной системы совпадает с множеством решений

другой. При установлении эквивалентности двух систем линейных неравенств обычно

используются общие свойства неравенств для вещественных чисел.

В системе неравенств могут быть так же неравенства со знаком :

a1 x1

a2 x2

 an xn

b.

Такие неравенства, умножив на -1, изменим знак неравенства на противоположный:

a1 x1

a2 x2

 an xn

b.

Следовательно, системы линейных неравенств с разными знаками неравенств, всегда

можно свести к системам одного знака неравенства.

Вместе с системами линейных уравнений и системами линейных неравенств

рассматривают также системы, содержащие как линейные уравнения, так и линейные

неравенства. Уравнение

a1 x1

a2 x2

 an xn

b

можно заменить двумя неравенствами:

a1 x1 a2 x2  an xn

a1 x1

a2 x2  a n xn

b,

b.

Таким образом, любая система линейных соотношений, состоящая из уравнений и

неравенств, может быть сведена к системе линейных неравенств одного знака.


Для систем линейных неравенств с двумя и с тремя неизвестными можно дать

геометрическую интерпретацию.

Рассмотрим сначала одно линейное неравенство с двумя неизвестными, которое

запишем в виде (а и b одновременно не равны 0):

ax by c 0 .

Возьмем плоскость с фиксированной прямоугольной декартовой системой

координат. Если х, у - координаты точки на этой плоскости, то данное неравенство

определяет на плоскости некоторое множество точек, координаты которых удовлетворяют

этому неравенству. Нетрудно выяснить, каково это множество точек.

Рассмотрим уравнение:

ax+ by+ c = 0.

В случае b

0 запишем его в виде:

a

c

,h

.

b

b

Как известно, в рассматриваемом случае уравнение определяет на плоскости

некоторую прямую, не параллельную оси Оу.

В случае b > 0 исходное неравенство можно записать в виде

y

kx h , k

y

kx h,

и, значит, точки плоскости, определяемые этим неравенством, лежат по одну сторону от

указанной прямой («ниже» этой прямой) и на самой прямой (рис.1).

Y

y=kx+b

O

y< kx+b

X

Рис. 1

В случае b < 0, записав исходное неравенство в виде

y

kx h ,

мы видим, что и на этот раз все точки, определяемые им, лежат по одну сторону от

соответствующей прямой («выше» этой прямой) и на ней (рис.2).


Y

y< kx+b

y=kx+b

O

X

Рис. 2

Пусть b = 0. Тогда неравенство запишется в виде:

c

.

a

Уравнение х=h определяет на плоскости некоторую прямую, параллельную оси Оу.

При h=0 это будет сама ось Оу. Поэтому наше неравенство определяет множество точек

плоскости, лежащих по одну сторону от этой прямой: или «слева» от нее, или «справа

(включая каждый раз и точки самой этой прямой) (рис. 3).

h или x

x

Y

h, h

x<h

x>h

O

X

x=h

Рис. 3

Таким образом, неравенство

ax by c

0

определяет на плоскости одну из двух полуплоскостей, определяемых прямой с

уравнением ах+by+с=0, т. е. множество точек, лежащих по одну сторону от этой прямой и

на самой прямой.

Рассмотрим теперь систему линейных неравенств с двумя неизвестными:

a1 x b1 y c1

a 2 x b2 y c 2

0,

0,



a m x bm y c m 0.


Множество точек плоскости, определяемых этой системой, состоит из тех точек,

координаты которых удовлетворяют этой системе. Значит, это множество есть

пересечение тех полуплоскостей, которые определяются неравенствами данной системы.

Нетрудно видеть, что это множество является многоугольной выпуклой областью на

плоскости (выпуклость означает, что вместе с любыми двумя точками из этого множества

все точки отрезка, соединяющего их, тоже лежат в этом множестве). При помощи

соответствующей системы линейных неравенств, можно получить

выпуклый

многоугольник, выпуклую неограниченную область, луч, отрезок, точку или пустое

множество.

Аналогичные рассуждения могут быть проведены и для систем линейных

неравенств с тремя неизвестными. В этом случае речь пошла бы о выпуклых

многогранных областях в пространстве.

►Пример 1.

При помощи системы линейных неравенств зададим треугольник с вершинами в

точках, заданных своими координатами: A(-2, 0), В(1, 3), С (4, 0) (рис. 4). Запишем

уравнения прямых, на которых лежат стороны треугольника:

AB: x – y + 2 = 0, BC: x + y – 4 = 0, AC: y = 0

и изобразим их на плоскости.

Определим полуплоскость относительно прямой AB, в которой расположен

треугольник. Для этого в уравнение этой прямой x – y + 2 = 0 подставим координаты

точки O(0;0) , получим верное числовое неравенство 2 0. Следовательно, и координаты

любой точки полуплоскости, расположенной «ниже» прямой AB, удовлетворяют

неравенству x – y + 2 0. Подобным образом получаем и другие неравенства. В итоге

система неравенств, определяющая треугольник ABC, имеет вид:

x

x

y 2

y 4

у

0,

0,

0.

Y

B(1;3)

A(-2;0)

O

C(4;0)

Рис. 4

X


►Пример 2.

Система неравенств

x

y 3

x

0,

y 3

x 2y

0,

0

определяет на плоскости луч (рис. 5).

Y

x-y+3=0

x+2y=0

O

X

Рис. 5

►Пример 3.

Многогранная область, определяемая системой линейных неравенств

x z 1 0,

x 0,

y 0,

y 2,

z 0.

представляет собой треугольную призму (рис. 6).


Z

1

O

2

Y

1

X

Рис. 6

3.2. Решение систем линейных неравенств

Между системами линейных неравенств и системами линейных уравнений

устанавливается следующее соотношение.

Произвольной системе т линейных неравенств с п неизвестными:

a11 x1

a12 x 2

 a1n x n

b1 ,

a 21 x1

a 22 x 2

 a2n xn

b2 ,

  

a m1 x1 a m 2 x 2  a mn x n bm

сопоставим систему т линейных уравнений с п + т неизвестными:

a11 x1

a12 x 2

 a1n x n

a 21 x1

a 22 x 2

 a2n xn

xn

b1 ,

1

xn

2

b2 ,



a m1 x1 a m 2 x 2  a mn x n

x n m bm .

Теорема. Если 1 , 2 , , n , n 1 , n 2 , , n m есть решение указанной системы

линейных уравнений и n 1 0 , n 2 0 , , n m 0 , то 1 , 2 , , n

решение

исходной системы линейных неравенств.

При этом всякое решение системы линейных неравенств может быть получено

указанным образом.

Доказательство.

1) Если

ai 2 2  ain n

2) Пусть теперь (

неравенств, т. е.

1

,

2

n i

ai 2 2  ain n

ai1 1

то

ai1 1

bi i

,,

n

bi , n i

0,

1,2 , ,m

) есть какое-нибудь решение системы линейных


ai1 1

ai 2 2  ain n

bi i

1,2 , ,m

Обозначая

n i

bi

ai 2 2  ain n

ai1 1

получаем, что

1 , 2 , , n , n 1 , n 2 , , n m

системы линейных уравнений.

0

является решением построенной

►Пример 4. Решить систему линейных неравенств

2 x1

x2

x1

1,

x2

0.

Запишем соответствующую систему линейных уравнений:

2 x1

x2

x3

x1

1,

x2

0,

x1

1 x3

x4 ,

x2

добавив в уравнения неизвестные x3

x4

1 x3

2 x4 ,

0, x 4

0.

Находим общее решение этой системы:

где x3 0, x 4 0 .

Отсюда получаем общий вид решений исходной системы линейных неравенств:

x1 1 p q, x2 1 p 2q, p 0, q 0 .

►Пример 5. Решить систему линейных неравенств

2 x1

x2

4 x1

1,

2 x2

4.

Преобразуем систему неравенств к одному знаку неравенств:

2 x1

x2

2 x1

1,

x2

2.

Запишем соответствующую систему линейных уравнений:

2 x1

x2

2 x1

добавив в уравнения неизвестные x3

x3

x2

0, x 4

1,

x4

2,

0.

1 . Значит, эта система

Решая систему методом Гаусса, получим уравнение x3 x 4

уравнений не имеет решения с условием x3 0, x 4 0 .

Следовательно, исходная система линейных неравенств не имеет решения.


►Пример 6. При помощи системы линейных неравенств задать треугольник с вершинами

в точках A(3;1), В(0;4), С (5;5).

Запишем уравнения прямых, на которых лежат стороны треугольника:

AB: x + y -4 = 0, BC: x -5 y +20 = 0, AC: 2x -y = 5.

Тогда система неравенств, определяющая треугольник ABC, имеет вид:

x y 4 0,

x 5 y 20 0,

у

2x

5.

Преобразуем систему неравенств к виду, удобному для решеня:

x y 4,

x 5 y 20,

у

2x

5.

Запишем соответствующую систему линейных уравнений:

x

y

x1

x 5y

2x

где x1

0, x2

0, x3

x2

4,

20,

у x 3 5.

0.

Общее решение этой системы:

x

y

x1

где p

где 6

0, q 0 .

Если учесть условие x1

1

p

3

2

q

3

0, p

0, q

1

p

9

2

5

p

9

1

6

p

3

5

5

q,

9

1

q,

9

2

q,

3

0 , то решение исходной системы неравенств имеет вид:

1

5

x 5

p

q,

9

9

2

1

y 5

p

q,

9

9

0.


3.2. Задачи для самостоятельной работы

В следующих задачах изобразить множества заданные системами неравенств.

3 x1 5 x 2 15,

3 x1 4 x 2 12,

3.1. x1 2 x 2 3,

3.2. 2 x1 3 x 2 6,

x1 x 2

1.

2 x1 x 2

2.

x1

4 x2

3 0,

3.3. x1

3x2

4

x1

4.

3.5.

x2

x1 2 x 2 10,

x1 3x 2 30,

5 x1 4 x 2 40,

8 x1 10 x 2 80,

0, x 2

x2

3.8.

x1

0, x 2

3 x1

3.10.

0.

x2

9

0.

x2

0,

0,

20,

2 x1 3 x 2 12,

2 x1 4 x 2 16,

x1

60,

x1 x 2 30,

x1 3 x 2 75,

x1

2 x1

0.

3 x1

3

3 x1 6 x 2 12,

3.6. x1 2 x 2 4,

x1 x 2 1.

4.

x1

3.9.

3.4.

2 x2

x2

0,

2 x1 x 2 2 0,

2 x1 x 2 2,

x1

3.7.

3 x1

0, x 2

5x2

0.

600 ,

5 x1 8 x 2 720 ,

x1 x 2 100 ,

x1

0, x 2

0.

В следующих задачах найти решения систем неравенств.

x1 2 x 2 6,

3.11. 9 x1 4 x 2 56,

3x1 5 x 2 4.

3x1

3.12.

3.13. 5 x1

5 x1

x1

x2

2 x2

2,

10,

2 x2

10.

x2

3.15. 6 x1 7 x 2 42,

2 x1 3x2 6,

x1

3 x1

3.14. x1

x1

3,

0, x 2

0.

x1

3.16.

1,

x1 3x2 13,

x1 4 x 2 9,

2 x1

x1

x2

x2

9.

2 x 2 3 0,

x 2 9 0,

x2

2 x2

9

0.

4,

2 x1 x 2

3 x1 8 x 2

6,

24

x1

0.

0, x 2


3.17.

x1 2 x 2 10,

x1 3x 2 30,

5 x1 4 x 2 40,

8 x1 10 x 2 80,

x1

0, x 2

2 x1

3.18.

x1 2 x 2 4,

5 x1 2 x 2 10,

3.19.

4 x1 3 x 2 12,

7 x1 4 x 2 20.

x1

3.20.

20,

2 x1 3 x 2 12,

2 x1 4 x 2 16,

x1

0.

x2

0, x 2

0.

2 x2

1,

5 x1 2 x 2

4 x1 3 x 2

10,

12,

x1

0, x 2

0.



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84137. Проблемы истинного знания в философии. Истина, заблуждение, ложь. Критерии истинного знания. Характеристика практики и ее роль в познании 39.57 KB
  Цель любого философского познания – достижение истины. Истина – это соответствие знания тому, что есть. Следовательно, проблемы истинного знания в философии состоят в том, каким образом то или иное философское течение отвечает на вопрос – что же, в самом деле, есть? Или – что есть истинное бытие?
84138. Эмпирический и теоретический уровень научного познания. Их основные формы и методы 38.65 KB
  ЭМПИРИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ это непосредственное чувственное исследование реально существующих и доступных опыту объектов. Классификация и теоретическое обобщение сведений о полученных научных фактах: – введение понятий и обозначений; – выявление закономерностей в связях и отношениях объектов познания; – выявление общих признаков у объектов познания и сведение их в общие классы по этим признакам; – первичное формулирование исходных теоретических положений. Таким образом эмпирический уровень научного познания содержит в своем...
84139. Категории качества, количества, меры и скачка. Закон взаимного перехода количественных и качественных изменений. Эволюция и революция в развитии 32.98 KB
  Изменение качества объекта означает изменение объекта вплоть до превращения его в другой объект а исчезновение качества объекта означает его уничтожение поскольку качество неотделимо от объекта. Но поскольку внешние количественные свойства объекта берутся не откуданибудь а произрастают именно из специфики его качества то изменение внешних свойств объекта всегда говорит о том или ином соответствующем изменении и в его качестве. Следовательно изменение количественных характеристик свидетельствует об определенном изменении качества...
84140. Категории тождества, различия, противоположности и противоречия. Закон единства и борьбы противоположностей 33.64 KB
  Таким образом противоречия – это внутренний источник движения изменения развития объекта поскольку возникающие противоречия для своего разрешения порождают необходимые внутренние предпосылки объекта к соответствующему необходимому изменению. Когда объект меняется он превращается в нечто иное себе снимая обострившиеся противоречия и таким образом совершает некое необходимое развитие. Однако после момента снятия противоречий после их разрешения сразу же возникают новые противоречия поскольку у изменившегося объекта сразу же возникает...
84141. Категории отрицания и отрицания отрицания. Метафизическое и диалектическое понимание отрицания. Закон отрицания отрицания 38.35 KB
  Отрицание в логике – это акт опровержения некоего несоответствующего действительности высказывания который разворачивается в новое высказывание. В философии же отрицание – это возникновение нового отменяющего и замещающего собой старое. Применяться подобным образом в философии термин отрицание стал Гегелем который с его помощью объяснял циклический характер развития действительности: 1. В чем суть этого противоречия которое созревает в Разуме и отменяет отрицает собою нынешнее состояние Разума Рассмотрим это: суть этого внутренне...
84142. Общая характеристика философских категорий. Метафизическое и диалектическое понимание их взаимосвязи 39.51 KB
  Кроме того категории отражают наиболее важные характеристики и явления бытия которые пронизывают бытие насквозь во всём его многообразии и во всей его необъятности время пространство движение причина следствие единичное общее материя дух взаимодействие сила субстанция и т. К основным категориям относятся: бытиенебытие единичноеобщее причинаследствие случайностьнеобходимость сущностьявление возможностьдействительность материядвижение времяпространство качествоколичество сущностьявление содержаниеформа...
84143. Понятие общества. Основные идеи формационного и цивилизационного понимания общественной жизни и истории 38.69 KB
  Народ – это всё население как таковое вовлеченное в совместную жизнь в системе какоголибо общества. Особая специфика и особая сложность общества состоит в том что его главным смысловым элементом является человек в результате чего общество в отличие от природных систем взаимодействия обладает высокой степенью непредсказуемости своего развития. Благодаря этому общественное развитие – это процесс настолько сложный что его исследовательский анализ и теоретическое описание вызывают огромные трудности и сопровождаются безостановочными...
84144. Трудовая деятельность людей как основной фактор антропосоциогенеза. Общественное бытие и общественное сознание, характер их соотнесенности 32.32 KB
  Общественное бытие и общественное сознание характер их соотнесенности. Решающим для превращения человека в разумное и общественное животное стало пользование огнем и приручение животных. Таким образом благодаря труду бытие отдельного человека включено в общественное бытие. Общественное бытие – это совокупность всевозможных форм совместной деятельности людей подчиненной общественной необходимости.
84145. Материальное производство и его структура: производительные силы и производственные отношения. Характер их соотнесенности 34.15 KB
  Теория материального производства разработана марксизмом. Главной особенностью материального производства которая служит его показательным отличием от любого другого вида производства различные виды производства духовных продуктов и нематериальных благ является наличие в процессах материального производства обязательного взаимодействия человека с природой. Таким образом в процессе материального производства человек воздействует на природу с помощью какихлибо средств труда. Сырье – природный материал который в процессе производства...