3.3. Системы линейных уравнений

Система линейных уравнений имеет вид

где — коэффициенты; — свободные члены; — неизвестные величины.

Решением этой системы называется совокупность чисел которые, будучи подставлены вместо неизвестных в уравнения, обращают эти уравнения в тождества. Система уравнений называется совместной, если она имеет хотя бы одно решение. Если же система не имеет ни одного решения, то она называется несовместной.

Совместная система называется определенной, если она имеет только одно решение, и неопределенной, если она имеет более одного решения.

Матрицы

называются соответственно матрицей и расширенной матрицей системы (2).

Теорема Кронекера-Капелли. Для совместности системы (2) необходимо и достаточно, чтобы ранг матрицы этой системы был равен рангу расширенной матрицы:

Правило Крамера. Если ранг матрицы совместной системы равен числу ее неизвестных, то система является определенной. Если число неизвестных системы (2) совпадает с числом уравнений и матрица системы невырожденная то система имеет единственное решение, которое находится по правилу Крамера:

В этих формулах — определитель системы, а — определитель, полученный из определителя системы заменой столбца столбцом свободных членов

Матричное решение системы. Система линейных уравнений (2) может быть записана в матричной форме

где А — матрица системы; X — матрица-столбец неизвестных; В — матрица-столбец свободных членов. Если матрица А квадратная и невырожденная, то решение системы (3) может быть записано в матричной форме:

Равносильные системы уравнений. Две системы линейных уравнений называются равносильными, если множества их решений совпадают. Нахождение решений системы линейных уравнений основано на переходе к равносильной системе, которая проще исходной. Укажем простейшие операции, которые приводят к равносильной системе:

1) перемена местами двух уравнений в системе;

2) умножение какого-либо уравнения системы на действительное число (отличное от нуля);

3) прибавление к одному уравнению другого уравнения, умноженного на произвольное число.

Неизвестное называется разрешенным или базисным, если какое-нибудь уравнение системы содержит его с коэффициентом 1, а во все остальные уравнения не входит.

Если каждое уравнение системы содержит разрешенное неизвестное, то такая система называется разрешенной. Ее неизвестные, не являющиеся базисными, называются свободными.

Для отыскания всех решений совместной системы линейных уравнений достаточно найти равносильную ей разрешенную систему. Если все неизвестные окажутся базисными, то разрешенная система дает значения этих неизвестных, составляющие единственное решение исходной системы. В противном случае выражают базисные неизвестные через свободные.

Метод Жордана — Гаусса. Запишем систему линейных уравнений (2) в виде таблицы

Жордановым преобразованием системы с разрешающим элементом называется следующая последовательность действий:

1) умножение строки таблицы на число ;

2) прибавление к первой строке таблицы ее строки (полученной после первого действия), умноженной на —

3) прибавление ко второй строке строки, умноженной на — и т. д.

После этих преобразований неизвестное станет разрешенным, все коэффициенты столбца будут равны нулю, кроме

Проводя последовательно жордановы преобразования с разрешающими элементами, взятыми в различных строках, получим разрешенную систему, равносильную исходной.

Если в результате преобразований все коэффициенты при неизвестных в какой-нибудь строке окажутся равными нулю, а свободный член этой строки не будет равным нулю, то данная система уравнений несовместна. Если же получится строка, состоящая из одних нулей, то она вычеркивается из таблицы.

Пример 1. Решить систему уравнений

Решение. Запишем эту систему в виде таблицы и проведем ее преобразование к разрешенному виду в шесть шагов:

В приведенных таблицах обведены разрешающие элементы. На первом шаге было произведено вычитание из первой и третьей строк удвоенной второй строки; на втором шаге — вычитание из третьей строки первой; на третьем шаге — деление третьей строки на 3; на четвертом шаге к первой строке была прибавлена третья, умноженная на 7, а ко второй — третья, умноженная на —2; на пятом шаге первая строка была разделена на 11; на шестом шаге ко второй строке была прибавлена первая, умноженная на 3. В результате исходная система принимает следующий разрешенный вид:

В итоге имеем решение

Пример 2. Решить систему уравнений

Решение. С помощью жордановых преобразований эта система приводится к разрешенной:

Следовательно, совокупность всех решений исходной системы задается формулами где принимают любые действительные значения.