Решение систем линейных уравнений через определитель. Определители и системы линейных уравнений курсовая по математике, дипломная из математика

  • Системы m линейных уравнений с n неизвестными.
    Решение системы линейных уравнений — это такое множество чисел {x 1 , x 2 , …, x n }, при подстановке которых в каждое из уравнений системы получается верное равенство.
    где a ij , i = 1, …, m; j = 1, …, n — коэффициенты системы;
    b i , i = 1, …, m — свободные члены;
    x j , j = 1, …, n — неизвестные.
    Вышеприведенная система может быть записана в матричном виде: A · X = B ,




    где (A |B ) — основная матрица системы;
    A — расширенная матрица системы;
    X — столбец неизвестных;
    B — столбец свободных членов.
    Если матрица B не является нуль-матрицей ∅, то данная система линейных уравнений называется неоднородной.
    Если матрица B = ∅, то данная система линейных уравнений называется однородной. Однородная система всегда имеет нулевое (тривиальное) решение: x 1 = x 2 = …, x n = 0 .
    Совместная система линейных уравнений — это имеющая решение система линейных уравнений.
    Несовместная система линейных уравнений — это не имеющая решение система линейных уравнений.
    Определённая система линейных уравнений — это имеющая единственное решение система линейных уравнений.
    Неопределённая система линейных уравнений — это имеющая бесконечное множество решений система линейных уравнений.
  • Системы n линейных уравнений с n неизвестными
    Если число неизвестных равно числу уравнений, то матрица – квадратная. Определитель матрицы называется главным определителем системы линейных уравнений и обозначается символом Δ.
    Метод Крамера для решения систем n линейных уравнений с n неизвестными.
    Правило Крамера.
    Если главный определитель системы линейных уравнений не равен нулю, то система совместна и определена, причем единственное решение вычисляется по формулам Крамера:
    где Δ i — определители, получаемые из главного определителя системы Δ заменой i -го столбца на столбец свободных членов. .
  • Системы m линейных уравнений с n неизвестными
    Теорема Кронекера−Капелли .


    Для того чтобы данная система линейных уравнений была совместной, необходимо и достаточно, чтобы ранг матрицы системы был равен рангу расширенной матрицы системы, rang(Α) = rang(Α|B) .
    Если rang(Α) ≠ rang(Α|B) , то система заведомо не имеет решений.
    Eсли rang(Α) = rang(Α|B) , то возможны два случая:
    1) rang(Α) = n (числу неизвестных) − решение единственно и может быть получено по формулам Крамера;
    2) rang(Α) < n − решений бесконечно много.
  • Метод Гаусса для решения систем линейных уравнений


    Составим расширенную матрицу (A |B ) данной системы из коэффициентов при неизвестных и правых частей.
    Метод Гаусса или метод исключения неизвестных состоит в приведении расширенной матрицы (A |B ) с помощью элементарных преобразований над ее строками к диагональному виду (к верхнему треугольному виду). Возвращаясь к системе уравнений, определяют все неизвестные.
    К элементарным преобразованиям над строками относятся следующие:
    1) перемена местами двух строк;
    2) умножение строки на число, отличное от 0;
    3) прибавление к строке другой строки, умноженной на произвольное число;
    4) выбрасывание нулевой строки.
    Расширенной матрице, приведенной к диагональному виду, соответствует линейная система, эквивалентная данной, решение которой не вызывает затруднений. .
  • Система однородных линейных уравнений.
    Однородная система имеет вид:

    ей соответствует матричное уравнение A · X = 0 .
    1) Однородная система всегда совместна, так как r(A) = r(A|B) , всегда существует нулевое решение (0, 0, …, 0).
    2) Для того чтобы однородная система имела ненулевое решение, необходимо и достаточно, чтобы r = r(A) < n , что равносильно Δ = 0.
    3) Если r < n , то заведомо Δ = 0, тогда возникают свободные неизвестные c 1 , c 2 , …, c n-r , система имеет нетривиальные решения, причем их бесконечно много.
    4) Общее решение X при r < n может быть записано в матричном виде следующим образом:
    X = c 1 · X 1 + c 2 · X 2 + … + c n-r · X n-r ,
    где решения X 1 , X 2 , …, X n-r образуют фундаментальную систему решений.
    5) Фундаментальная система решений может быть получена из общего решения однородной системы:

    ,
    если последовательно полагать значения параметров равными (1, 0, …, 0), (0, 1, …, 0), …, (0, 0, …,1).
    Разложение общего решения по фундаментальной системе решений — это запись общего решения в виде линейной комбинации решений, принадлежащих к фундаментальной системе.
    Теорема . Для того, чтобы система линейных однородных уравнений имела ненулевое решение, необходимо и достаточно, чтобы Δ ≠ 0.
    Итак, если определитель Δ ≠ 0, то система имеет единственное решение.
    Если же Δ ≠ 0, то система линейных однородных уравнений имеет бесконечное множество решений.
    Теорема . Для того чтобы однородная система имела ненулевое решение, необходимо и достаточно, чтобы r(A) < n .
    Доказательство :
    1) r не может быть больше n (ранг матрицы не превышает числа столбцов или строк);
    2) r < n , т.к. если r = n , то главный определитель системы Δ ≠ 0, и, по формулам Крамера, существует единственное тривиальное решение x 1 = x 2 = … = x n = 0 , что противоречит условию. Значит, r(A) < n .
    Следствие . Для того чтобы однородная система n линейных уравнений с n неизвестными имела ненулевое решение, необходимо и достаточно, чтобы Δ = 0.

Системы линейных уравнений

Система уравнений следующего вида:

где а ij , b i – числовые коэффициенты, x i – переменные, называется системой линейных уравнений.

Решить систему линейных уравнений – значит указать все решения системы, то есть такие наборы значений переменных, которые обращают уравнения системы в тождества.

Система линейных уравнений называется:

    совместной, если она имеет хотя бы одно решение;

    несовместной, если она не имеет решений;

    определенной, если она имеет единственное решение;

    однородной, если все b i = 0;

    неоднородной, если все b i ≠ 0.

Правило Крамера

(Габриель Крамер (1704-1752) швейцарский математик)

Данный метод применим только в случае систем линейных уравнений, где число переменных совпадает с числом уравнений. Кроме того, необходимо ввести ограничения на коэффициенты системы. Необходимо, чтобы все уравнения были линейно независимы, т.е. ни одно уравнение не являлось бы линейной комбинацией остальных.

Для этого необходимо, чтобы определитель матрицы системы не равнялся 0.

 = det A  0;

Теорема. (Правило Крамера):

Система из n уравнений с n неизвестными

В случае, если определитель матрицы системы не равен нулю, то система имеет единственное решение и это решение находится по формулам:

х i = ;

где - главный определитель , составленный из числовых коэффициентов при неизвестных, а  i – вспомогательный определитель , получаемый из главного заменой i -го столбца столбцом свободных членов b i .

 i =

Пример. Решить систему, используя правило Крамера.

;

 1 =
;  2 =
;  3 =
;

x 1 = ; x 2 = ; x 3 = ;

Пример. Найти решение системы уравнений:

 =
= 5(4 – 9) + (2 – 12) – (3 – 8) = -25 – 10 + 5 = -30;

 1 =
= (28 – 48) – (42 – 32) = -20 – 10 = -30.

 2 =
= 5(28 – 48) – (16 – 56) = -100 + 40 = -60.

 3 =
= 5(32 – 42) + (16 – 56) = -50 – 40 = -90.

Если система однородна, т.е. b i = 0, то при 0 система имеет единственное нулевое решение x 1 = x 2 = … = x n = 0.

Матричный метод

Матричный метод применим к решению систем уравнений, где число уравнений равно числу неизвестных.

Этот метод удобен для решения систем невысокого порядка. Он основан на применении свойств умножения матриц.

Пусть дана система уравнений:

Введем обозначения:

A =
- матрица коэффициентов системы;

B = матрица – столбец свободных членов;

X = - матрица – столбец неизвестных.

Систему уравнений можно записать в матричной форме:

Сделаем следующее преобразование: A -1 AX = A -1 B,

т.к. А -1 А = Е, то ЕХ = А -1 В, получим

Х = А -1 В - решение матричного уравнения

Пример. Решить систему матричным методом

Решение.Обозначим:

,
,
.

Получаем матричное уравнение
.

Его решение
, т.е.

(Нахождение обратной матрицы было рассмотрено ранее).

Метод Гаусса

(Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) немецкий математик)

В отличие от матричного метода и метода Крамера, метод Гаусса может быть применен к системам линейных уравнений с произвольным числом уравнений и неизвестных. Суть метода заключается в последовательном исключении неизвестных.

Рассмотрим систему линейных уравнений:

Определение: Матрица, составленная из коэффициентов при неизвестных системы, называется матрицей системы.

Определение: Матрица называется расширенной матрицей системы, если к матрице А присоединить столбец свободных членов системы.

Расширенная матрица – это закодированная запись системы. Строки матрицы соответствуют уравнениям системы. Умножение уравнения на число и сложение этого произведения с другим уравнением эквивалентно умножению строки матрицы на это число и почленному сложению произведения с другой строкой матрицы. Таким образом, работу с уравнениями можно заменить работой со строками матрицы.

Определение: Матрицу А называют ступенчатой, если:

А) любая ее строка имеет хотя бы один отличный от нуля элемент,

Б) первый отличный от нуля элемент каждой ее строки, начиная со второй, расположен правее неравного нулю элемента предыдущей строки.

Метод Гаусса является эффективным методом решения и исследования систем линейных уравнений. Он состоит в том, что данная система линейных уравнений преобразуется в равносильную ей систему ступенчатого вида, которая легко решается и исследуется. Применение метода Гаусса не зависит ни от числа уравнений, ни от числа неизвестных в системе.

Разберем идею метода Гаусса на конкретных примерах.

Пример. Решить систему линейных уравнений методом Гаусса.

Составим расширенную матрицу системы и с помощью элементарных преобразований приведем к виду:

, откуда получаем: x 3 = 2; x 2 = 5; x 1 = 1.

Пример. Решить систему методом Гаусса.

Составим расширенную матрицу системы.

Таким образом, исходная система может быть представлена в виде:

  • Курсовой проект пояснительная записка

    Курсовой проект

    И третий столбец матрицы, находим вспомогательные определители : Находим коэффициенты полинома: Таким образом... произведение: Найдем произведение: Найдем главный определитель : Находим вспомогательные определители и, подставляя матрицу поочередно в...

  • Методические рекомендации по выполнению внеурочной самостоятельной работы студента Дисциплина «Математика» для специальности

    Методические рекомендации

    Пример: вычислить определитель второго порядка 1) 2) 2. Вычислить определитель третьего порядка Определителем третьего порядка называется... из коэффициентов при неизвестных Составим вспомогательные определители системы следующим образом: … Тогда...

  • Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по лингвистическим специальностям Москва «Высшая школа» 2002

    Учебник

    Восполнителями, вспомогательные глаголы, аспектные и фазисные глаголы, наречия-интенсификаторы, указательные определители ; гетерогенными... путем сочетания «вещественного» слова с «вспомогательно -грамматическим» словом. Соответственно этому и...

    • Cтраница 1


    Главный определитель составляется так, чтобы в первом столбце находились коэффициенты при том параметре, который откладывается по горизонтальной оси. В данном случае принято, что klK откладывается по вертикальной оси, a & 2it - по горизонтальной.  

    Главный определитель равен нулю, а хотя бы один вспомогательный определитель не равен нулю.  

    Главный определитель - Гурвица составляется следующим образом.  

    Граф / С4 - х и его остовы.  

    Главный определитель матрицы Р (или Q) имеет порядок т, а выражение соответствующие главные определители означает, что столбцы матрицы Р, входящие в рассматриваемый определитель, имеют такие же номера и такой же порядок, как строки матрицы Q, входящие в другой определитель.  

    Главный определитель D (p), называемый характеристическим, не зависит ни от искомой переменной, ни от места приложения возмущающей силы.  

    Составляем главный определитель А.  

    Составляем главный определитель системы и приравниваем его нулю. Об устойчивости судим по характеру корней. Степень характеристического уравнения определяется числом энергоемких элементов, независимо накапливающих энергию, с учетом полюсов у каждого из имеющихся в схеме частотно-зависимых управляемых источников. В некоторых случаях необходимо при исследовании устойчивости учитывать не только первый доминантный полюс ОУ или транзистора, но и остальные полюса.  

    Поскольку главный определитель системы (3.50) равен нулю, собственные векторы определяются не однозначно, а с точностью до постоянного множителя.  

    Выразим главный определитель D [ ф-ла (8.35) ] через параметры схемы.  

    Если главный определитель системы п линейных уравнений с п неизвестными не равен нулю, то система имеет единственное решение, если же этот определитель равен нулю, то система является либо неопределенной, либо несовместной.  

    Если главный определитель однородной системы (9) не равен нулю, то согласно предыдущей теореме система имеет единственное решение. Это решение является тривиальным. Если же главный определитель равен нулю, то система в соответствии с теоремой 2 может быть или несовместной, или неопределенной. Однако система уравнений (9) несовместной быть не может, так как существует тривиальное решение.  

    Если главный определитель однородной системы (9) не равен нулю, то согласно предыдущей теореме система имеет единственное решение. Это решение является тривиальным. Если же главный определитель равен нулю, то система. Однако система уравнений (9) несовместной быть не может, так как существует тривиальное решение.  

    Если главный определитель однородной системы (9) не равен нулю, то согласно предыдущей теореме система имеет единственное решение. Это решение является тривиальным. Если же главный определитель равен нулю, то система, в соответствии с теоремой 2 может быть или несовместной, или неопределенной. Однако система уравнений (9) несовместной быть не может, так как существует тривиальное решение.  

    КОСТРОМСКОЙ ФИЛИАЛ ВОЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА РХБ ЗАЩИТЫ

    Кафедра «Автоматизации управления войсками»

    Только для преподавателей

    "Утверждаю"

    Начальник кафедры № 9

    полковник ЯКОВЛЕВ А.Б.

    «____»______________ 2004 г.

    доцент А.И.СМИРНОВА

    "ОПРЕДЕЛИТЕЛИ.

    РЕШЕНИЕ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ"

    ЛЕКЦИЯ № 2 / 1

    Обсуждено на заседании кафедры № 9

    «____»___________ 2004г.

    Протокол № ___________

    Кострома, 2004.

    Введение

    1. Определители второго и третьего порядка.

    2. Свойства определителей. Теорема разложения.

    3. Теорема Крамера.

    Заключение

    Литература

    1. В.Е. Шнейдер и др., Краткий курс высшей математики, том I, гл. 2, п.1.

    2. В.С. Щипачев, Высшая математика, гл.10, п.2.

    ВВЕДЕНИЕ

    На лекции рассматриваются определители второго и третьего порядков, их свойства. А также теорема Крамера, позволяющая решать системы линейных уравнений с помощью определителей. Определители используются также в дальнейшем в теме "Векторная алгебра" при вычислении векторного произведения векторов.

    1-ый учебный вопросОПРЕДЕЛИТЕЛИ ВТОРОГО И ТРЕТЬЕГО

    ПОРЯДКА

    Рассмотрим таблицу из четырех чисел вида

    Числа в таблице обозначены буквой с двумя индексами. Первый индекс указывает номер строки, второй – номер столбца.

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ 1. Определителем второго порядка называют выражение вида :

    (1)

    Числа а 11, …, а 22 называют э л е м е т а м и определителя.

    Диагональ, образованная элементами а 11 ; а 22 называется г л а в н ой, а диагональ, образованная элементами а 12 ; а 21 -п о б о ч н ой.

    Таким образом, определитель второго порядка равен разности произведений элементов главной и побочной диагоналей.

    Заметим, что в ответе получается число.

    ПРИМЕРЫ. Вычислить:

    Рассмотрим теперь таблицу из девяти чисел, записанных в три строки и три столбца:

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2. Определителем третьего порядка называется выражение вида :

    Элементы а 11; а 22 ; а 33 – образуют главную диагональ.

    Числа а 13; а 22 ; а 31 – образуют побочную диагональ.

    Изобразим, схематически, как образуются слагаемые с плюсом и с минусом:


    " + " " – "

    С плюсом входят: произведение элементов на главной диагонали, остальные два слагаемых являются произведением элементов, расположенных в вершинах треугольников с основаниями, параллельными главной диагонали.

    Слагаемые с минусом образуются по той же схеме относительно побочной диагонали.

    Это правило вычисления определителя третьего порядка называют

    п р а в и л о м т р е у г о л ь н и к о в.

    ПРИМЕРЫ. Вычислить по правилу треугольников:


    ЗАМЕЧАНИЕ. Определители называют также д е т е р м и н а н т а м и.

    2-ой учебный вопросСВОЙСТВА ОПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ.

    ТЕОРЕМА РАЗЛОЖЕНИЯ

    Свойство 1. Величина определителя не изменится, если его строки поменять местами с соответствующими столбцами.

    .

    Раскрывая оба определителя, убеждаемся в справедливости равенства.

    Свойство 1 устанавливает равноправность строк и столбцов определителя. Поэтому все дальнейшие свойства определителя будем формулировать и для строк и для столбцов.

    Свойство 2. При перестановке двух строк (или столбцов) определитель изменяет знак на противоположный, сохраняя абсолютную величину .

    .

    Свойство 3. Общий множитель элементов строки (или столбца ) можно выносить за знак определителя.

    .

    Свойство 4. Если определитель имеет две одинаковые строки (или столбца), то он равен нулю.

    Это свойство можно доказать непосредственной проверкой, а можно использовать свойство 2.

    Обозначим определитель за D. При перестановке двух одинаковых первой и второй строк он не изменится, а по второму свойству он должен поменять знак, т.е.

    D = - DÞ 2 D = 0 ÞD = 0.

    Свойство 5. Если все элементы какой–то строки (или столбца ) равны нулю, то определитель равен нулю.

    Это свойство можно рассматривать как частный случай свойства 3 при

    Свойство 6. Если элементы двух строк (или столбцов ) определителя пропорциональны, то определитель равен нулю.

    .

    Можно доказать непосредственной проверкой или с использованием свойств 3 и 4.

    Свойство 7. Величина определителя не изменится, если к элементам какой-либо строки (или столбца) прибавить соответствующие элементы другой строки (или столбца), умноженные на одно и то же число.

    .

    Доказывается непосредственной проверкой.

    Применение указанных свойств может в ряде случаев облегчить процесс вычисления определителей, особенно третьего порядка.

    Для дальнейшего нам понадобится понятия минора и алгебраического дополнения. Рассмотрим эти понятия для определения третьего порядка.

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ 3. Минором данного элемента определителя третьего порядка называется определитель второго порядка, полученный из данного вычеркиванием строки и столбца, на пересечении которых стоит данный элемент.

    Минор элемента а i j обозначается М i j . Так для элемента а 11 минор

    Он получается, если в определителе третьего порядка вычеркнуть первую строку и первый столбец.

    ОПРЕДЕЛЕНИЕ 4. Алгебраическим дополнением элемента определителя называют его минор, умноженный на (-1) k , где k - сумма номеров строки и столбца, на пересечении которых стоит данный элемент.

    Алгебраическое дополнение элемента а i j обозначается А i j .

    Таким образом, А i j =

    .

    Выпишем алгебраические дополнения для элементов а 11 и а 12.

    . .

    Полезно запомнить правило: алгебраическое дополнение элемента определителя равно его минору со знаком плюс , если сумма номеров строки и столбца, в которых стоит элемент, четная, и со знаком минус , если эта сумма нечетная .

    Матрица - прямоугольная таблица, составленная из чисел.

    Пусть дана квадратная матрица 2 порядка:

    Определителем (или детерминантом) 2 порядка, соответствующим данной матрице, называется число

    Определитель (или детерминант) 3 порядка, соответствующим матрице называется число

    Пример1: Найти определители матриц и

    Система линейных алгебраических уравнений

    Пусть дана система 3х линейных уравнений с 3мя неизвестными

    Систему (1) можно записать в матрично-векторной форме

    где А - матрица коэффициентов

    В - расширенная матрица

    Х - искомый компонентный вектор;

    Решение систем уравнений методом Крамера

    Пусть дана система линейных уравнений с двумя неизвестными:

    Рассмотрим решение систем линейных уравнений с двумя и тремя неизвестными по формулам Крамера. Теорема 1. Если главный определитель системы отличен от нуля, то система имеет решение, притом единственное. Решение системы определяется формулами:

    где x1, x2 - корни системы уравнений,

    Главный определитель системы, x1, х2 - вспомогательные определители.

    Вспомогательные определители:

    Решение систем линейных уравнений с тремя неизвестными по методу Крамера.

    Пусть дана система линейных уравнений с тремя неизвестными:

    Теорема 2. Если главный определитель системы отличен от нуля, то система имеет решение, притом единственное. Решение системы определяется формулами:

    где x1, x2, x3 - корни системы уравнений,

    Главный определитель системы,

    x1, x2, x3 - вспомогательные определители.

    Главный определитель системы определяется:

    Вспомогательные определители:


    • 1. Составить табличку (матрицу) коэффициентов при неизвестных и вычислить основной определитель.
    • 2. Найти - дополнительный определитель x, получаемый из заменой первого столбца на столбец свободных членов.
    • 3. Найти - дополнительный определитель y, получаемый из заменой второго столбца на столбец свободных членов.
    • 4. Найти - дополнительный определитель z, получаемый из заменой третьего столбца на столбец свободных членов. Если основной определитель системы не равен нулю, то выполняют пункт 5.
    • 5. Найти значение переменной x по формуле x / .
    • 6. Найти значение переменной у по формуле y / .
    • 7. Найти значение переменной z по формуле z / .
    • 8. Записать ответ: х=…; у=…, z=… .