ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m...

11
ЛЕКЦИЯ 6 ОДНОРОДНЫЕ СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ. ОБЩЕЕ РЕШЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ НЕОДНОРОДНОЙ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ 6.1. Однородные системы линейных уравнений: структура общего решения линейной однородной системы, фундаментальная система решений. Теорема о виде общего решения линейной неоднородной системы............................................................................2

Upload: others

Post on 03-Mar-2020

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

ЛЕКЦИЯ 6

ОДНОРОДНЫЕ СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ

УРАВНЕНИЙ.

ОБЩЕЕ РЕШЕНИЕ ЛИНЕЙНОЙ

НЕОДНОРОДНОЙ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ 6.1. Однородные системы линейных уравнений:

структура общего решения линейной однородной

системы, фундаментальная система решений. Теорема

о виде общего решения линейной неоднородной

системы............................................................................2

Page 2: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

6.1. ОДНОРОДНЫЕ СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ:

СТРУКТУРА ОБЩЕГО РЕШЕНИЯ, ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ

СИСТЕМА РЕШЕНИЙ. ТЕОРЕМА О ВИДЕ ОБЩЕГО

РЕШЕНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНЕ. Система линейных уравнений (С.Л.У) называется

однородной, если столбец её свободных членов равен нулю:

0...

............................................

0...

0...

2211

2222121

1212111

nmnmm

nn

nn

xaxaxa

xaxaxa

xaxaxa

Так как у однородной С.Л.У всегда есть тривиальное решение

( 0...21 nxxx ), то она всегда совместна (см. ЛЕКЦИЯ 5, п.5.1).

Возможны два случая:

nrA rang , т.е. 0det A и решение единственное (тривиальное).

nrA rang , тогда решений бесконечно много.

ЗАМЕЧАНИЕ. Очевидно, что если X и Y - некоторые решения однородной

С.Л.У, тогда и любая их линейная комбинация YX является решением

этой системы.

В случае, когда решений бесконечно много, встаёт вопрос о виде общего

решения однородной системы и в конце этой лекции мы сформулируем и

докажем соответствующую теорему. Для этого нам понадобится ввести ряд

дополнительных понятий.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Совокупность ненулевых решений kXXX ,...,, 21 однородной

С.Л.У. называется фундаментальной системой решений, если:

1) kXXX ,...,, 21 - линейно независимы,

2)Любое другое ненулевое решение X однородной C.Л.У может быть

представлено линейной комбинацией kXXX ,...,, 21 :

RcХсXcXcX ikk ,, 2211 .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Решение однородной С.Л.У, представленное в виде

RcХсXcXcX ikk ,, 2211 ,

где kXXX ,...,, 21 - фундаментальная система решений однородной С.Л.У ,

называется общим решением однородной С.Л.У.

Далее перейдём к формулировке и доказательству теоремы о

фундаментальной системе решений.

Page 3: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

ТЕОРЕМА (О ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ РЕШЕНИЙ). Если

ранг матрицы коэффициентов однородной С.Л.У меньше числа

неизвестных, то эта система имеет фундаментальную систему решений

размерностью (n-r) , где n - число неизвестных, r=rangA.

Доказательство:

Т.к. r=rangA, то выразим r базисных переменных через n-r свободных:

(*)

......

............................................

......

......

112211

21122222121

11111212111

nrnrrrrrrrr

nnrrrr

nnrrrr

xaxaxaxaxa

xaxaxaxaxa

xaxaxaxaxa

Базисный минор

0

...

.........

...

1

111

rrr

r

r

aa

aa

M ,

значит базисные переменные rxxx ,...,, 21 находятся однозначно, если придать

свободным переменным nrr xxx ,...,, 21 некоторые числовые значения.

Придадим свободным неизвестным следующие наборы решений (всего n-r

наборов):

1

...

0

0

0

,...,

0

..

1

0

0

,

0

..

0

1

0

,

0

..

0

0

1

подставим их в систему и найдём r наборов базисных неизвестных.

Например, берём набор

0

..

0

0

1

, которому соответствуют следующие значения

свободных переменных:

0,...,0,1 21 nrr xxx ,

тогда, при подстановке в систему (*), получим:

12211

122222121

111212111

...

............................................

...

...

rrrrrrr

rrr

rrr

axaxaxa

axaxaxa

axaxaxa

,

Page 4: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

эта С.Л.У имеет единственное решение - столбец значений базисных

переменных:

1

1

3

1

2

1

1

..

rx

x

x

x

.

Далее, берём набор

0

..

0

1

0

, которому соответствуют следующие значения

свободных переменных:

0,...,1,0 21 nrr xxx ,

тогда, при подстановке в систему (*) получим:

22211

222222121

211212111

...

............................................

...

...

rrrrrrr

rrr

rrr

axaxaxa

axaxaxa

axaxaxa

,

откуда однозначно находим ещё один столбец базисных значений

переменных:

2

2

3

2

2

2

1

..

rx

x

x

x

.

Продолжая процесс далее, находим r наборов базисных неизвестных:

1

1

3

1

2

1

1

..

rx

x

x

x

,

2

2

3

2

2

2

1

..

rx

x

x

x

,...,

rn

r

rn

rn

rn

x

x

x

x

..

3

2

1

.

Объединим наборы базисных и свободных переменных в n-r наборов

решений однородной С.Л.У:

Page 5: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

0

..

0

0

1

..1

1

2

1

1

1

rx

x

x

X ,

0

..

0

1

0

..2

2

2

2

1

2

rx

x

x

X ,...,

1

..

0

0

0

..

2

1

rn

r

rn

rn

rn

x

x

x

X .

УТВЕРЖДЕНИЕ. Полученная система решений r-nXXX ,...,, 21 является

фундаментальной системой решений, т.е. она линейно независима и любое

другое решение системы X есть линейная комбинация фундаментальных

решений.

Доказательство:

1) Докажем линейную независимость системы решений r-nXXX ,...,, 21 .

Рассмотрим линейную комбинацию 0...2211 r-nrn XcXcXс , которая

соответствует однородной С.Л.У с переменными rnсcс ,...,, 21 .

Матрица коэффициентов этой системы:

1...00

............

0...00

0...10

0...01

...

............

...

21

1

2

1

1

1

rn

rrr

rn

xxx

xxx

,

в ней можно выделить базисный минор

01

1...00

............

0...10

0...01

rnM ,

значит однородная С.Л.У с переменными rnсcс ,...,, 21 имеет единственное

решение - тривиальное, что доказывает, что система решений r-nXXX ,...,, 21 -

линейно независима.

2) Рассмотрим любое решение X :

Page 6: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

n

r

r

x

x

x

x

x

X

...

...

1

2

1

и матрицу 1nY :

rnnrr XxXxXxXY ...2211 =

0

...

0

0

0

...

1

..

0

0

0

..

...

0

..

0

1

0

..

0

..

0

0

1

..

...

...

2

1

2

1

2

2

2

2

1

2

1

1

2

1

1

1

3

2

1

2

1

r

rn

r

rn

rn

n

r

r

r

r

n

r

r

r

r y

y

y

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

которая является столбцом решений однородной С.Л.У (см. ЗАМЕЧАНИЕ

в начале лекции ). Значит и решение равносильной системы (*), которая при

таком наборе решений является однородной и имеет только одно решение -

тривиальное, т.е.

0

...

0

0

0

0

...

0

0

0

...

0

0

0

...

2

1

ry

y

y

Y .

Тогда

Page 7: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

0

...

0

0

0

0

...

0

0

1

..

0

0

0

..

...

0

..

0

1

0

..

0

..

0

0

1

..

...

...

2

1

2

2

2

2

1

2

1

1

2

1

1

1

3

2

1

2

1

rn

r

rn

rn

n

r

r

r

r

n

r

r

r

r x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

,

откуда находим, что

1

..

0

0

0

..

...

0

..

0

1

0

..

0

..

0

0

1

..

...

...

2

1

2

2

2

2

1

2

1

1

2

1

1

1

3

2

1

2

1

rn

r

rn

rn

n

r

r

r

r

n

r

r

r

r x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

или в краткой форме

r-nnrr XxXxXxX ...2211 .

Утверждение доказано.

ЗАМЕЧАНИЕ. В ходе доказательства ТЕОРЕМЫ (О

ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ РЕШЕНИЙ) мы доказали, что общее

решение X однородной системы представляется в виде

kk XсXсXсX ...2211 ,

где система решений kXXX ,...,, 21 является фундаментальной системой

решений однородной С.Л.У.

Далее сформулируем (без доказательства) ещё одну важную теорему.

ТЕОРЕМА (ОБ ОБЩЕМ ВИДЕ РЕШЕНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ С.Л.У.)

Если Y - некоторое частное решение неоднородной С.Л.У с n неизвестными,

ранг системы r, k=n-r, kkо XсXсXсX ...2211 - общее решение

соответствующей однородной С.Л.У., тогда общее решение неоднородной

С.Л.У имеет вид:

Page 8: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

YXсXсXсYXX kko ...2211

ПРИМЕР 1. Найти общее решение неоднородной С.Л.У.

1422

74

332

2

4321

4321

4321

4321

xxxx

xxxx

xxxx

xxxx

.

Решение:

1. Найдём общее решение соответствующей однородной С.Л.У.

0422

04

032

0

4321

4321

4321

4321

xxxx

xxxx

xxxx

xxxx

Посчитаем ранг матрицы коэффициентов:

2

0000

0000

5330

1111

5330

5330

5330

1111

4221

1114

3112

1111 (

rrr ~~(2)-(4)(2)-(3)

(1)-(4)(1)4-(3)1)2-(2)

.

Базисный минор 30

112

M , ему соответствуют базисные переменные 21, xx .

224 rnk - число свободных неизвестных и размерность

фундаментальной системы решений.

Выразим базисные переменные 21, xx через свободные переменные 43 , xx . Для

этого от преобразованной матрицы коэффициентов

0000

0000

5330

1111

перейдём

к эквивалентной однородной С.Л.У.

,0533

0

432

4321

xxx

xxxx

432

4321

533 xxx

xxxx

и найдём фундаментальные решения 1X и 2X :

,

0

1

533

4

3

432

4321

x

x

xxx

xxxx

0

1

105133

1

011

4

3

2

4321

x

x

x

xxxx

,

0

1

1

0

4

3

2

1

x

x

x

x

, т.е.

0

1

1

0

1X ,

Page 9: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

,

1

0

533

4

3

432

4321

x

x

xxx

xxxx

1

0

3

51503

3

1

3

210

3

5

4

3

2

4321

x

x

x

xxxx

,

1

0

3

5

3

2

4

3

2

1

x

x

x

x

, т.е.

1

03

53

2

2X ,

тогда общее решение однородной С.Л.У.

1

03

53

2

0

1

1

0

212211 ссXсXсX о, Rcc 21, .

2. Найдём частное решение исходной неоднородной системы. Для этого

преобразуем расширенную матрицу этой системы к ступенчатому виду (с

помощью тех же преобразований, которыми мы применяли при подсчёте

ранга матрицы коэффициентов однородной С.Л.У.), посчитаем её ранг,

выделим базисный минор и перейдём к эквивалентной С.Л.У:

2

0|0000

0|0000

1|5330

2|1111

1|5330

1|5330

1|5330

2|1111

1|4221

7|1114

3|3112

2|1111 (

rr ~~(2)-(4)(2)-(3)

(1)-(4)(1)4-(3)1)2-(2)

Базисный минор 30

112

M , ему соответствуют базисные переменные 21, xx .

224 rnk - число свободных неизвестных и размерность

фундаментальной системы решений.

Выразим базисные переменные 21, xx через свободные переменные 43 , xx . Для

этого от преобразованной расширенной матрицы

0|0000

0|0000

1|5330

2|1111

перейдём к эквивалентной неоднородной С.Л.У.

1533

2

432

4321

xxx

xxxx.

Найдём любое частное решение этой системы, придав свободным

переменным некоторые числовые значения, например при 0,0 43 xx .

Page 10: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

Тогда

,

0

0

1533

2

4

432

4321

x

x

xxx

xxxx

3

,

0

0

3

1

3

1

3

5

3

52

3

12

4

432

4321

x

x

xxx

xxxx

3

т.е. частное решение Y исходной неоднородной С.Л.У.: Y=

0

03

13

5

.

Теперь запишем общее решение неоднородной С.Л.У.:

0

03

13

5

1

03

53

2

0

1

1

0

212211 ссYXсXсYXX o , Rcc 21,

или

.3

1

3

5

3

5

3

2

24

1

212

21

cx

cx

ccx

cx

3

Проверка. Проверку можно сделать двумя способами:

1. Придадим коэффициентам 21,cc некоторые значения , 1,1 21 cc . Тогда

частное решение неоднородной С.Л.У :

1

1

3

7

3

11

3

51

3

7

3

5)1(

3

2

4

2

1

x

x

x

x

3

,

1

1

3

7

3

7

4

2

1

x

x

x

x

3

,

подставим эти значения в исходную С.Л.У.:

Page 11: ЛЕКЦИЯ 6mathdep.ifmo.ru/mathdep1/wp-content/uploads/2018/09/6...1 1 2 2 211 222 2 111 122 1 m m mn n n n n n a x a x a x ax a x a x ax ax ax Так как у однородной

163

2142

3

72

3

7

73

2111

3

7

3

74

34743

21131

3

7

3

72

2)1(13

7

3

7

- получили верные тождества, значит проверка верна.

2. Подставим в исходную С.Л.У. выражения для переменных при всех

Rcc 21, :

24

1

212

21

3

1

3

5

3

5

3

2

cx

cx

ccx

cx

3

,

1423

1

3

52

3

5

3

2

73

1

3

5

3

5

3

24

333

1

3

5

3

5

3

22

23

1

3

5

3

5

3

2

21212

21212

21212

21212

ссccc

ссccc

ссccc

ссccc

- также получаем верные тождества.

ЗАМЕЧАНИЕ. Очевидно, что при приведении расширенной матрицы

неоднородной С.Л.У и при подсчёте ранга матрицы коэффициентов

соответствующей однородной С.Л.У применялись одни и те же

преобразования. Поэтому, для сокращения поиска общего решения

неоднородной С.ЛУ., можно сразу начинать с преобразования расширенной

матрицы системы и, выписывая из неё матрицу коэффициентов однородной

С.Л.У, находить соответствующую фундаментальную систему решений.