Курсовая: Определители и системы линейных уравнений

1. Определители второго и третьего порядков и их свойства

1.1. Понятие матрицы и определителя второго порядка

Прямоугольную таблицу из чисел,

содержащую произвольное число т строк и произвольное число и столбцов, называют

матрицей. Для обозначения матрицы используют либо сдвоенные вертикальные

черточки, либо круглые скобки. Например:

1 7 9.2 1 7 9.2

28 20 18 28 20 18

-6 11 2 -6 11 2

Если число строк матрицы совпадает с числом ее столбцов, то матрица называется

квадратной. Числа, входящие в состав матрицы, называют ее элементами.

Рассмотрим квадратную матрицу, состоящую из четырех элементов:

(3.1)

Определителем второго порядка, соответствующим матрице (3.1), называется число,

равное

-

и обозначаемое символом

Итак, по определению

= - (3.2)

Элементы, составляющие матрицу данного определителя, обычно называют

элементами этого определителя.

Справедливо следующее утверждение: для того чтобы определитель второго

соответственно его столбцов) были пропорциональны.

Для доказательства этого утверждения достаточно заметить, что каждая из

пропорций /

= /

и /

= /

эквивалентна равенству

=

, а последнее равенство в силу (3.2) эквивалентно обращению в нуль определителя.

1.2. Система двух линейных уравнений с двумя неизвестными

Покажем, как применяются определители второго порядка для исследования и

отыскания решений системы двух линейных уравнений с двумя неизвестными

+ = , + = (3.3)

(коэффициенты ,

, ,

и свободные члены ,

считаются при этом заданными). Напомним, что пара чисел

, называется

решением системы (3.3), если подстановка этих чисел на место

и в данную систему

обращает оба уравнения (3.3) в тождества.

Умножая первое уравнение системы (3.3) на -

, а второе — на - и

затем складывая полученные при этом равенства, получим

( - ) = - (3.4)

Аналогично путем умножения уравнений (3.3) на - и соответственно получим:

( - ) = - (3.5)

Введем следующие обозначения:

= , = , = . (3.6)

С помощью этих обозначений и выражения для определителя второго порядка

уравнения (3.4) и (3.5) могут быть переписаны в виде:

= , = .

Определитель ,

составленный из коэффициентов при неизвестных системы (3.3), принято называть

определителем этой системы. Заметим, что определители

и получаются из

определителя системы

посредством замены его первого или соответственно второго столбца свободными

членами.

Могут представиться два случая: 1) определитель системы

отличен от нуля; 2) этот определитель равен нулю.

Рассмотрим сначала случай

0. Из уравнений (3.7) мы сразу же получаем формулы для неизвестных,

называемые формулами Крамера:

= / , = / (3.8)

Полученные формулы Крамера (3.8) дают решение системы (3.7) и потому доказывают

единственность решения исходной системы (3.3). В самом деле, система (3.7)

является следствием системы (3.3), поэтому всякое решение системы (3.3) (в

случае, если оно существует!) должно являться решением и системы (3.7). Итак,

пока доказано, что если у исходной системы (3.3) существует при

0 решение, то это решение однозначно определяется формулами Крамера (3.8).

Легко убедиться и в существовании решения, т. е. в том. что при

0 два числа и

. определяемые формулами Крамера (3.8). будучи поставлены на место неизвестных в

уравнения (3.3), обращают эти уравнения в тождества. (Предоставляем читателю

самому расписать выражения для определителей

, и

, и убедиться в справедливости указанных тождеств.)

Мы приходим к следующему выводу: если определитель

системы (3.3) отличен от нуля, то существует, и притом единственное решение этой

системы, определяемое формулами Крамера (3.8).

Рассмотрим теперь случай, когда определитель

системы равен нулю. Могут представиться два подслучая: а) хотя

бы один из определителей

или , отличен от

нуля; б) оба определителя

и равны нулю. (если

определитель и

один из двух определителей

и равны нулю, то и

другой из указанных двух определителей равен нулю. В самом деле, пусть,

например = 0

= 0, т.е. /

= /

и /

= /

. Тогда из этих пропорций получим, что

/=

/, т. е.

= 0).

В подслучае а) оказывается невозможным хотя бы одно из равенств (3.7), т. е.

система (3.7) не имеет решений, а поэтому не имеет решений и исходная система

(3.3) (следствием которой является система (3.7)).

В подслучае б) исходная система (3.3) имеет бесчисленное множество решений. В

самом деле, из равенств

==

= 0 и из утверждения в конце разд. 1.1 заключаем, что второе уравнение системы

(3.3) является следствием первого и его можно отбросить. Но одно уравнение с

двумя неизвестными

+ = (3.9)

имеет бесконечно много решений (хотя бы один из коэффициентов

, или отличен от

нуля, и стоящее при нем неизвестное может быть определено из уравнения (3.9)

через произвольно заданное значение другого неизвестного).

Таким образом, если определитель

системы (3.3) равен нулю, то система (3.3) либо вовсе не имеет решений (в

случае, если хотя бы один из определителей

или отличен от

нуля), либо имеет бесчисленное множество решений (в случае, когда

== 0). В последнем

случае два уравнения (3.3) можно заменить одним и при решении его одно

неизвестное задавать произвольно.

Замечание. В случае, когда свободные члены

и равны нулю,

линейная система (3.3) называется однородной. Отметим, что однородная

система всегда имеет так называемое тривиальное решение:

= 0, = 0 (эти два

числа обращают оба однородных уравнения в тождества).

Если определитель однородной системы

= 0, то однородная система имеет бесчисленное множество решений (поскольку

для однородной системы возможность отсутствия решений исключена). Таким

образом, однородная система имеет нетривиальное решение в том и только в

том случае, когда определитель ее равен нулю.

1.3. Определители третьего порядка

Рассмотрим квадратную матрицу, состоящую из девяти элементов

(3.10)

(3.11)

Определителем третьего порядка, соответствующим матрице (3.10),

называется число, равное:

++---

и обозначаемое символом

Итак, по определению

(3.12)

= = ++---.

Как и в случае определителя второго порядка, элементы матрицы (3.10) будем

называть элементами самого определителя. Кроме того, договоримся

называть диагональ, образованную элементами

, и

, главной, а диагональ, образованную элементами

, и

— побочной.

Для запоминания конструкции слагаемых, входящих в выражение для определителя

(3.11), укажем следующее правило, не требующее большого напряжения внимания и

памяти. Для этого к матрице, из которой составлен определитель, допишем

справа еще раз первый, а затем второй столбец. В полученной при этом матрице

сплошной чертой соединены три тройки членов, получаемые параллельным

переносом главной диагонали и отвечающие трем слагаемым, входящим в выражение

(3.11) со знаком «плюс»; пунктирной же чертой соединены три другие тройки

членов, получаемые параллельным переносом побочной диагонали и отвечающие

трем слагаемым, входящим в выражение (3.11) со знаком «минус».

1.4. Свойства определителей

Свойство 1. Величина определителя не изменится, если строки и столбцы

этого определителя поменять ролями, т.е.

(3.13)

=

Для доказательства этого свойства достаточно расписать определители, стоящие

в левой и правой частях (3.13), по указанному в разд. 1.3 правилу и убедиться

в равенстве полученных при этом членов.

Свойство 1 устанавливает полную равноправность строк и столбцов. Поэтому

все дальнейшие свойства определителя можно формулировать и для строк, и для

столбцов, а доказывать — или только для строк, или только для столбцов.

Свойство 2. Перестановка двух строк (или двух столбцов) определителя

равносильна умножению его на число -1.

Доказательство также получается из правила, указанного в предыдущем разделе.

Свойство 3. Если определитель имеет две одинаковые строки (или два одинаковых

столбца), то он равен нулю.

Действительно, при перестановке двух одинаковых строк, с одной стороны,

определитель

не изменится, а с другой стороны, в силу свойства 2 он изменит знак на

противоположный. Таким образом,

= -, т.е. 2

= 0 или = 0.

Свойство 4. Умножение всех элементов некоторой строки (или некоторого

.

Иными словами, общий множитель всех элементов некоторой строки (или

некоторого столбца) определителя можно выносить за знак этого определителя.

Например,

=

Для доказательства этого свойства достаточно заметить, что определитель

выражается в виде суммы (3.12), каждый член которой содержит один и только

один, элемент из каждой строки и один и только один элемент из каждого

столбца.

Свойство 5. Если все элементы некоторой строки (или некоторого столбца)

определителя равны нулю, то и сам определитель равен нулю.

Это свойство вытекает из предыдущего (при = 0).

Свойство 6. Если элементы двух строк (или двух столбцов) определителя

пропорциональны, то определитель равен нулю.

В самом деле, в силу свойства 4 множитель пропорциональности можно вынести за

знак определителя, после чего остается определитель с двумя одинаковыми

строками, равный нулю согласно свойству 3.

Свойство 7. Если каждый элемент п-й строки (или п-го столбца) определителя

исходный определитель, в остальных строках (столбцах).

Например,

= +

Для доказательства этого свойства снова достаточно заметить, что определитель

выражается в виде суммы слагаемых, каждое из которых содержит один и только

один элемент из каждой строки и один и только один элемент из каждого

столбца.

Свойство 8. Если к элементам некоторой строки (или некоторого столбца)

, то величина определителя не изменится.

Действительно, полученный в результате указанного прибавления определитель

можно (в силу свойства 7) разбить на сумму двух определителей, первый из

которых совпадает с исходным, а второй равен нулю вследствие

пропорциональности элементов двух строк (или столбцов) и свойства 6.

1.5. Алгебраические дополнения и миноры

Соберем в выражении (3.12) для определителя члены, содержащие какой-нибудь один

элемент этого определителя, и вынесем указанный элемент за скобки; величина,

остающаяся при этом в скобках, называется алгебраическим дополнением

указанного элемента.

Алгебраическое дополнение данного элемента мы будем обозначать прописной

латинской буквой того же наименования, что и данный элемент, и снабжать тем же

номером, который имеет данный элемент. Например, алгебраическое дополнение

элемента будем

обозначать через

алгебраическое дополнение элемента

— через и т. д.

Непосредственно из выражения для определителя (3.12) и из того, что каждое

слагаемое в правой части (3.12) содержит один и только один элемент из каждой

строки (из каждого столбца), вытекают следующие равенства:

(3.14)

= ++, =++, =++

	(3.15)

=++, =++, =++.

Эти равенства выражают следующее свойство определителя: определитель равен

столбца).

Равенства (3.14) принято называть разложением определителя по элементам

соответственно первой, второй или третьей строки, а равенства (3.15) —

разложением определителя по элементам соответственно первого, второго или

третьего столбца.

Введем теперь важное понятие минора данного элемента определителя

Минором данного элемента определителя n-го порядка (в нашем случае n = 3)

называется определитель (n-1)-го порядка, получаемый из данного определителя

путем вычеркивания той строки и того столбца, на пересечении которых стоит

данный элемент.

Алгебраическое дополнение любого элемента определителя равняется минору этого

«минус» — в противном случае.

Таким образом, соответствующие алгебраическое дополнение и минор могут

отличаться только знаком.

Следующая таблица дает наглядное представление о том, каким знаком связаны

соответствующие алгебраическое дополнение и минор:

Установленное правило позволяет в формулах (3.14) и (3.15) разложения

определителя по элементам строк и столбцов всюду вместо алгебраических

дополнений писать соответствующие миноры (с нужным знаком).

Так, например, первая из формул (3.14), дающая разложение определителя по

элементам первой строки, принимает вид

(3.16)

= = - + .

В заключение установим следующее фундаментальное свойство определителя.

Свойство 9. Сумма произведений элементов какого-либо столбца определителя на

равна величине этого определителя (равна нулю).

Конечно, аналогичное свойство справедливо и в применении к строкам

определителя. Случай, когда алгебраические дополнения и элементы отвечают

одному и тому же столбцу, уже рассмотрен выше. Остается доказать, что сумма

произведений элементов какого-либо столбца на соответствующие алгебраические

дополнения элементов другого столбца равна нулю.

Докажем, например, что сумма произведений элементов первого или второго

столбца на соответствующие алгебраические дополнения элементов третьего

столбца равна нулю.

Будем исходить из третьей формулы (3.15), дающей разложение определителя по

элементам третьего столбца:

(3.17)

= ++.

Так как алгебраические дополнения

, и

элементов третьего столбца не зависят от самих элементов

, и

этого столбца, то в равенстве (3.17) числа

, и

можно заменить произвольными числами

, и

, сохраняя при этом в левой части (3.17) первые два столбца определителя, а в

правой части — величины

, и

алгебраических дополнений.

Таким образом, при любых , и справедливо равенство:

(3.18)

= ++.

Беря теперь в равенстве (3.18) в качестве

, и

сначала элементы ,

и первого столбца,

а затем элементы ,

и второго столбца и

учитывая, что определитель с двумя совпадающими столбцами в силу свойства 3

равен нулю, мы придем к следующим равенствам:

++= 0, ++= 0.

Тем самым доказано, что сумма произведений элементов первого или второго

столбца на соответствующие алгебраические дополнения элементов третьего

столбца равна нулю: Аналогично доказываются равенства:

++= 0, ++= 0,

++= 0, ++= 0

и соответствующие равенства, относящиеся не к столбцам, а к строкам:

++= 0, ++= 0,

++= 0, ++= 0,

++= 0, ++= 0.

2. Системы линейных уравнений с тремя неизвестными

определителем, отличным от нуля.

В качестве приложения изложенной выше теории рассмотрим систему трех линейных

уравнений с тремя неизвестными:

(3.19)

++ = ,

+ + = ,

+ + = ,

(коэффициенты ,

, ,

, ,

, ,

, , и свободные

члены ,

, считаются

заданными). Тройка чисел

, ,

называется решением системы (3.19), если подстановка этих чисел на место

, ,

в систему (3.19) обращает все три уравнения (3.19) в тождества.

Фундаментальную роль в дальнейшем будут играть следующие четыре определителя:

= =

= =

Определитель

принято называть определителем системы (3.19) (он составлен из коэффициентов при

неизвестных). Определители

, и

получаются из определителя системы

посредством замены свободными членами элементов соответственно первого, второго

и третьего столбцов.

Для исключения из системы (3.19) неизвестных

и умножим уравнения

(3.19) соответственно на алгебраические дополнения

, ,

, элементов первого столбца определителя

системы, и после этого сложим полученные при этом уравнения. В результате

получим:

(++)+(++)+(++)=

(3.20)

= + + .

Учитывая, что сумма произведений элементов данного столбца определителя на

соответствующие алгебраические дополнения элементов этого (другого) столбца

равна определителю (нулю) (см. свойство 9), получим:

(3.21)

++=, ++= 0,

++= 0.

(3.22)

Кроме того, посредством разложения определителя

по элементам первого столбца получается формула:

= + + .

С помощью формул (3.21) и (3.22) равенство (3.20) перепишется в следующем (не

содержащем неизвестных

и ) виде:

= .

Совершенно аналогично выводятся из системы (3.19) равенства = и = .

(3.23)

Таким образом, мы установили, что система уравнений

= , = , =

является следствием исходной системы (3.19).

В дальнейшем мы отдельно рассмотрим два случая:

1) когда определитель системы отличен от нуля,

2) когда этот определитель равен нулю.

(3.24)

Итак, пусть

0. Тогда из системы (3.23) мы сразу получаем формулы для неизвестных, называемые

формулами Крамера:

= / , = /, = /.

Полученные нами формулы Крамера дают решение системы (3.23) и потому

доказывают единственность решения исходной системы (3.19), ибо система (3.23)

является следствием системы (3.19), и всякое решение системы (3.19) обязано

быть решением и системы (3.23).

Итак, мы доказали, что если у исходной системы (3.19) существует при

0 решение, то это решение однозначно определяется формулами Крамера

(3.24).

Чтобы доказать, что решение в самом деле существует, мы должны подставить в

исходную систему (3.19) на место х, у и z их значения, определяемые формулами

Крамера (3.24), и убедиться в том, что все три уравнения (3.19) обращаются

при этом в тождества. Убедимся, например, что первое уравнение (3.19)

обращается в тождество при подстановке значений х, у и z, определяемых

формулами Крамера (3.24). Учитывая, что

= + + , = + + ,

= ++,

получим, подставив в левую часть первого из уравнений (2.19) значения

, и

, определяемые формулами Крамера:

++ = ++=

=

.

Группируя внутри фигурной скобки члены относительно A,, А2 и Л3, получим, что:

++=

.

В силу свойства 9 в последнем равенстве обе квадратные скобки равны нулю, а

круглая скобка равна определителю

. Таким образом, мы получим

+

+ =

, и обращение в тождество первого уравнения системы (3.19) установлено.

Аналогично устанавливается обращение в тождество второго и третьего уравнений

(3.19).

Мы приходим к следующему выводу: если определитель

системы (3.19) отличен от нуля, то существует, и притом единственное, решение

этой системы, определяемое формулами Крамера (3.24).

2.2. Однородная система двух линейных уравнений с тремя неизвестными

(3.25)

В этом и в разделе мы разовьем аппарат, необходимый для рассмотрения

неоднородной системы (3.19) с определителем, равным нулю. Сначала рассмотрим

однородную систему двух линейных уравнений с тремя неизвестными:

++= 0, + = 0

Если все три определителя второго порядка, которые можно составить из матрицы

(3.26)

равны нулю, то в силу утверждения из разд. 1.1 коэффициенты первого из

уравнений (3.25) пропорциональны соответствующим коэффициентам второго из этих

уравнений. Стало быть, в этом случае второе уравнение (3.25) является

следствием первого, и его можно отбросить. Но одно уравнение с тремя

неизвестными

+

+= 0, естественно,

имеет бесчисленное множество решений (двум неизвестным можно предписывать

произвольные значения, а третье неизвестное определять из уравнения).

Рассмотрим теперь систему (3.25) для случая, когда хотя бы один из

определителей второго порядка, составленных из матрицы (3.26), отличен

от нуля. Не ограничивая общности, будем считать, что отличен от нуля

определитель

(3.27)

0

Тогда мы можем переписать систему (3.25) в виде

+=,

+ =

и утверждать, что для каждого z существует единственное решение этой системы,

определяемое формулами Крамера (см. разд. 1.2, формулы (3.8)):

(3.28)

, .

Далее удобно использовать алгебраические дополнения

, и

элементов третьей строки определителя:

В силу результатов разд. 1.5 о связи алгебраических дополнений и миноров

можно записать

(3.29)

= , = , = .

Основываясь на (3.29), мы можем переписать формулы (3.28) в виде

(3.30)

, .

Для того чтобы получить решение в виде, симметричном относительно всех

неизвестных х, у, и z, положим

(отметим, что в силу (3.27) определитель

отличен от нуля). Поскольку z может принимать любые значения, то и новая

переменная t может принимать любые значения.

(3.31)

Мы приходим к выводу, что в случае, когда определитель (3.27) отличен от

в которых t принимает какие угодно значения, а алгебраические дополнения

, и

определяются формулами (3.29).

2.3. Однородная система трех линейных уравнений с тремя неизвестными

Рассмотрим теперь однородную систему трех уравнений с тремя неизвестными:

(3.32)

++= 0,

+ = 0,

++= 0.

Очевидно, что эта система всегда имеет так называемое тривиальное решение: х

= 0, у = 0, z = 0.

В случае, когда определитель системы

, это тривиальное решение является единственным (в силу разд. 2.1).

Докажем, что в случае, когда определитель

равен нулю, однородная система (3.32) имеет бесчисленное множество решений.

Если все определители второго порядка, которые можно составить из матрицы

равны нулю, то в силу утверждения из разд. 1.1 соответствующие коэффициенты всех

трех уравнений (3.32) пропорциональны. Но тогда второе и третье уравнения

(3.32) являются следствиями первого и могут быть отброшены, а одно уравнение

+

+= 0, как уже

отмечалось в разд. 2.2, имеет бесчисленное множество решений.

Остается рассмотреть случай, когда хотя бы один минор матрицы (3.33)

отличен от нуля. Так как порядок следования уравнений и неизвестных находится в

нашем распоряжении, то, не ограничивая общности, мы можем считать, что отличен

от нуля определитель (3.27). Но тогда, как установлено в разд. 2.2, система

первых двух уравнений (3.32) имеет бесчисленное множество решений,

определяемых формулами (3.31) (при любом t).

Остается доказать, что х, у, z, определяемые формулами (3.31) (при любом t,

обращают в тождество и третье уравнение (3.32). Подставляя в левую часть

третьего уравнения (3.32) х, у и z, определяемые формулами (3.31), получим

Мы воспользовались тем, что в силу свойства 9 выражение в круглых скобках равно

определителю

системы (3.32). Но определитель

по условию равен нулю, и поэтому при любом t мы получим

+

+= 0.

Итак, доказано, что однородная система (3.32) с определителем А. равным

нулю, имеет бесчисленное множество решений. Если отличен от нуля минор

(3.27), то эти решения определяются формулами (3.31) при произвольно взятом t.

Полученный результат можно сформулировать еще и так: однородная система

определитель ее равен нулю.

2.4. Неоднородная система трех линейных уравнений с тремя неизвестными

с определителем, равным нулю.

Теперь мы располагаем аппаратом для рассмотрения неоднородной системы (3.19) с

определителем

, равным нулю. Могут представиться два случая: а) хотя бы один из определителей

, или

- отличен от нуля; б) все три определителя

, и

равны нулю.

В случае а) оказывается невозможным хотя бы одно из равенств (3.23), т. е.

система (3.23) не имеет решений, а поэтому не имеет решений и исходная

система (3.19) (следствием которой является система (3.23)).

Переходим к рассмотрению случая б), когда все четыре определителя

, ,

и равны нулю. Начнем

с примера, показывающего, что и в этом случае система может не иметь ни одного

решения. Рассмотрим систему:

Ясно, что эта система не имеет решений. В самом деле, если бы решение

, ,

существовало, то из первых двух уравнений мы получили бы

, , а отсюда,

умножая первое равенство на 2, получили бы, что 2 = 3. Далее, очевидно, что все

четыре определителя

, ,

и равны нулю.

Действительно, определитель системы

=

имеет три одинаковых столбца, определители

, и

получаются путем замены одного из этих столбцов свободными членами и, стало

быть, имеют по два одинаковых столбца. В силу свойства 3 все эти определители

равны нулю.

Докажем теперь, что если система (3.19) с определителем

различных решений.

Предположим, что указанная система имеет решение

, ,

. Тогда справедливы тождества

(3.32)

++= ,

+ = ,

++= .

Вычитая почленно из уравнений (3.19) тождества (3.34), получим систему уравнений

(3.35)

эквивалентную системе (3.19). Но система (3.35) является однородной

системой трех линейных уравнений относительно трех неизвестных

, и

с определителем

, равным нулю. Согласно разд. 2.3 последняя система (а стало быть, и система

(3.19)) имеет бесчисленное множество решений. Например, в случае, когда отличен

от нуля минор (3.27), мы с помощью формул (3.31) получим следующее бесконечное

множество решений системы (3.19):

, ,

(t принимает любые значения).

Сформулированное утверждение доказано, и мы можем сделать следующее заключение:

если =

= =

= 0, то неоднородная система уравнений (3.19) либо совсем не имеет решений,

либо имеет их бесконечное множество.

3. Понятие об определителях любого порядка и о линейных системах с

любым числом неизвестных

Установленное нами свойство разложения определителя третьего порядка до

элементам любой (например, первой) строки может быть положено в основу

последовательного введения по индукции определителя четвертого, пятого и всех

последующих порядков.

Предположим, что нами уже введено понятие определителя порядка (n-1), и

рассмотрим произвольную квадратную матрицу состоящую из

элементов

Назовем минором любого элемента

матрицы (3.36) уже введенный нами определитель порядка (n-1), отвечающий матрице

(3.36), у которой удалены i-я строка и j-й столбец. Договоримся обозначать

минор элемента

символом .

Например, минор любого элемента

первой строки матрицы (3.36) является следующим определителем порядка (n-1):

Назовем определителем порядка n, отвечающим матрице (3.36), число

, равное сумме

(3.37)

и обозначаемое символом

(3.38)

=

Заметим, что при n = 3 разложение (3.37) совпадает с разложением (3.16)

определителя третьего порядка по первой строке.

Рассмотрим теперь неоднородную систему n уравнений с n неизвестными:

(3.39)

Определитель порядка n, составленный из коэффициентов при неизвестных системы

(3.39) и совпадающий с определителем

из равенства (3.38), называется определителем этой системы При любом j, равном

1, 2, ..., n, обозначим символом

определитель порядка n, полученный из определителя системы

путем замены его j-го столбца столбцом свободных членов

, , ...,

.

В полной аналогии со случаем n = 3 оказывается справедлив следующий результат:

решение, определяемое формулами Крамера:

, , .

Далее можно доказать, что если определитель системы

отличен от нуля, то система (3.39) не имеет решений.

В случае же, если n > 2 и все определители

решение, то она имеет их бесчисленное множество.

4. Отыскание решения линейной системы методом Гаусса

Рассмотрим неоднородную систему (3.39), в которой мы теперь для сокращения

записи переобозначим свободные члены

, , ...,

, используя для них обозначение

при i = 1, 2 ..., n. Изложим один из самых простых методов решения этой системы,

заключающийся в последовательном исключении неизвестных и называемый

методом Гаусса.

Выберем из коэффициентов

при неизвестных коэффициент, отличный от нуля, и назовем его ведущим. Не

ограничивая общности, будем считать, что таким коэффициентом является

(иначе мы могли бы поменять порядок следования неизвестных и уравнений).

(3.40)

Поделив все члены первою уравнения (3.39) на

, получим первое приведенное уравнение

в котором при j = 1, 2, ..., (n+1).

Напомним, что , и, в частности, .

Для исключения неизвестного вычтем из i-го уравнения системы (3.39)

(i = 2, 3 ..., n)

умноженное на приведенное уравнение (3.40).

В результате получим для любого i = 2, 3, ..., n уравнение

,

в котором

при j = 2, 3, ..., (n+1).

Таким образом, мы получаем первую укороченную систему:

(3.42)

коэффициенты которой определяются по формулам (3.41).

В системе (3.42) находим отличный от нуля ведущий коэффициент. Пусть это будет

. Тогда, поделив первое уравнение (3.42) на этот

коэффициент, мы получим второе приведенное уравнение и, исключив с помощью этого

уравнения по описанной выше схеме неизвестное

, придем ко второй укороченной системе, не содержащей

и .

Продолжая рассуждения по этой

схеме, называемой прямым ходом метода Гаусса, мы либо завершим ее

реализацию, дойдя до линейного уравнения, содержащего только одно неизвестное,

либо не сможем завершить ее реализацию (вследствие того, что исходная система

(3.39) не имеет решений). В случае, если исходная система (3.39) имеет решения,

мы получим цепочку приведенных уравнений

из которой обратным xодом метода Гаусса последовательно находятся неизвестные

(3.43)

Подчеркнем, что все операции при обратном ходе метода Гаусса (1.43)

выполняются без деления,

В качестве примера рассмотрим неоднородную систему трех уравнений с тремя

неизвестными

(3.44)

Конечно, можно убедиться в том, что определитель системы (3.44) отличен от нуля,

и найти ,

и по формулам

Крамера, но мы применим метод Гаусса.

Поделив первое уравнение системы (3.44) на 2, получим первое приведенное

уравнение:

(3.45)

.

Вычитая из второго

уравнения системы (3.44) приведенное уравнение (3.45), умноженное на 3, и

вычитая из третьего уравнения системы (3.44) приведенное уравнение (3.45),

умноженное на 4, мы получим укороченную систему двух уравнений с двумя

неизвестными:

(3.46)

Поделив первое уравнение (3.46) на , получим второе приведенное уравнение:

(3.47)

.

Вычитая из второго уравнения (3.46) приведенное уравнение (3.47), умноженное

на 8, получим уравнение:

,

которое после сокращения на дает = 3.

Подставляя это значение

во второе приведенное уравнение (3.47), получим, что

= -2. Наконец, подставляя найденные значения

= -2 и = 3 в первое

приведенное уравнение (3.45), получим, что

= 1.

ЛИТЕРАТУРА

Проспект, 2004г. – 600с.