10. Однородные системы.

Система называется однородной, если в ней все свободные члены равны нулю. Если такая однородная система имеет характеристические определители, то их последний столбец состоит из нулей, и они все равны нулю. Совершенно очевидно, что всякая однородная система имеет решение

которое в дальнейшем мы будем называть нулевым.

Для однородной системы основным является вопрос о том, имеет ли она решения, отличные от нулевого, и если имеет, то какова будет совокупность всех таких решений. Рассмотрим сначала тот случай, когда число уравнений равно числу неизвестных. Система будет иметь вид:

Если определитель этой системы отличен от нуля, то, согласно теореме Крамера, эта система имеет одно определенное решение, а именно в данном случае нулевое решение. Если же этот определитель равен нулю, то ранг k таблицы коэффициентов будет меньше числа неизвестных и, следовательно, значения (п — k) неизвестных останутся совершенно произвольными, и мы будем иметь бесчисленное множество решений, отличных от нулевого. Мы приходим таким образом к следующей основной теореме:

Теорема I. Для того чтобы система (14) имела решение, отличное от нулевого, необходимо и достаточно, чтобы ее определитель равнялся нулю.

Проведем параллель тех результатов, которые мы получили для неоднородной системы (1) и однородной системы (14). Если определитель системы отличен от нуля, то неоднородная система (1) имеет одно определенное решение, и однородная система — только нулевое решение. Если же определитель системы равен нулю, то однородная система (14) имеет решения, отличные от нулевого, но при этом условии неоднородная система (1), вообще говоря, вовсе решения не имеет, ибо для того, чтобы она имела решение, необходимо, чтобы свободные ее члены были выбраны так, чтобы они обращали в нуль все характеристические определители. Приведенный параллелизм результатов будет играть в дальнейшем существенную роль. В вопросах физики однородные системы встретятся при рассмотрении собственных колебаний, а неоднородные — при рассмотрении вынужденных колебаний, и указанный выше случай равенства нулю определителя будет характеризовать для однородной системы наличие собственных колебаний, а для неоднородной системы — явление резонанса.

Переходим теперь к более подробному рассмотрению решений системы (14), когда ее основной определитель равен нулю. Пусть k есть ранг таблицы ее коэффициентов, причем, очевидно, . Согласно доказанной в предыдущем номере теореме, мы должны взять те k уравнений, которые содержат главный определитель, и решить их относительно k неизвестных.

Положим, не ограничивая общности, что эти неизвестные будут . Решения получатся в виде:

где определенные численные коэффициенты и могут принимать произвольные значения.

Отметим одно общее свойство решения системы (14), непосредственно вытекающее из линейности и однородности этой системы, и которое может быть названо принципом наложения решений, а именно — если мы имеем несколько решений системы:

то, умножая их на произвольные постоянные и складывая, мы получим также решение системы

Поступая аналогично тому, как это мы делали для линейных дифференциальных уравнений [II, 27], назовем решения (16) линейно-независимыми, если не существует никаких значений постоянных Q, среди которых есть отличные от нуля, таких, что при всяком s имеют место равенства:

Нетрудно построить линейно-независимых решений системы таких, что, умножая их на произвольные постоянные и складывая, получим все решения системы. Действительно, обратимся к формулам (15), дающим общее решение системы, и построим на основе этих формул решения следующим образом: в первом решении положим а все остальные равными нулю; во втором решении положим а все остальные равными нулю и т. д. и, наконец, в последнем решении положим и все остальные равными нулю. Нетрудно видеть, что построенные решения линейно-независимы, так как каждое из них содержит одно из неизвестных равным единице, которое в остальных решениях равно нулю. Обозначим полученные решения следующим образом:

Возьмем теперь какое-нибудь решение системы (14). Оно получается по формулам (15) при некоторых частных значениях:

Непосредственно очевидно, что это решение есть линейная комбинация построенных нами решений, а именно:

Мы вернемся к исследованию решений однородной системы (14) и покажем, что при любом выборе линейно-независимых решений их общее число будет равно .

Обратимся к общему случаю однородных уравнений с неизвестными. Если то ранг k, который не может превышать , также будет меньше неизвестных останутся произвольными, т. е. если число однородных уравнений меньше числа неизвестных, то система имеет решения, отличные от нулевого.

Вообще и при сиаема будет иметь только нулевое решение.