19. Системы линейных уравнений.

Определение 1. Уравнение вида a1x1+ ....+an xn=b , где a, ... ,an — числа; x1, ... ,xn — неизвестные, называется линейным уравнением с n неизвестными.

s уравнений с n неизвестными называется системой s линейных уравнений с n неизвестными, т.е.

(1) Матрица А, составленная из коэффициентов при неизвестных системы (1), называется матрицей системы (1). .

Если к матрице А добавить столбец свободных членов, то получим расширенную матрицу системы (1).

X = — столбец неизвестных. — столбец свободных членов.

В матричном виде система имеет вид: AX=B (2).

Решением системы (1) называют упорядоченный набор n чисел (α1 ,…, αn) таких, что если сделаем подстановку в (1) x1 = α1, x2 = α2 ,…, xn = αn , то мы получим числовые тождества.

Определение 2. Систему (1) называют совместной, если она имеет решения, и несовместной в противном случае.

Определение 3. Две системы называют эквивалентными, если множества их решений совпадают.

Существует универсальный способ решения системы (1) — метод Гаусса (метод последовательного исключения неизвестных)

Рассмотрим более подробно случай, когда s = n. Существует метод Крамера решения таких систем.

Пусть d = det ,

dj — определитель d, в котором j–тый столбец заменен столбцом свободных членов.

20. Правило крамера

Теорема (правило Крамера). Если определитель системы d  0, тогда система имеет единственное решение, получающееся по формулам:

x1 = d1 / d …xn = dn / d

<Идея доказательства заключается в том, чтобы переписать систему (1) в форме матричного уравнения. Положим

X = , B =

и рассмотрим уравнение AX = B (2) с неизвестной матрицей-столбцом X. Так как A, X, B — матрицы размеров n x n, n x 1, n x 1 соответственно, то произведение прямоугольных матриц АХ определено и имеет те же размеры, что и матрица В. Таким образом, уравнение (2) имеет смысл.

Связь между системой (1) и уравнением (2) заключается в том, что является решением данной системы тогда и только тогда, когда

столбец есть решение уравнения (2).

Действительно, это утверждение означает выполнение равенства

=

= .

Последнее равенство, как равенство матриц, равносильно системе равенств

которое означает, что — решение системы (1).

Итак, решение системы (1) сводится к решению матричного уравнения (2). Так как определитель d матрицы А отличен от нуля, она имеет обратную матрицу А^-1. Тогда АХ = В  А(^-1)(АХ) = А(^-1)В  (А(^-1)А)Х = А(^-1)В  ЕХ = А(^-1)В  Х = А(^-1)В (3). Следовательно, если уравнение (2) имеет решение, то оно задается формулой (3). С другой стороны, А(А(^-1)В) = (А А(^-1))В = ЕВ = В.

Поэтому Х = А(^-1)В есть единственное решение уравнения (2).

Так как ,

где А_ij — алгебраическое дополнение элемента a_ij в определителе d, то

= ,

откуда (4).

В равенстве (4) в скобках написано разложение по элементам j-го столбца определителя dj, который получается из определителя d после замены в нем

j-го столбца столбцом свободных членов. Поэтому, xj = dj/ d. >

Следствие. Если однородная система n линейных уравнений от n неизвестных имеет ненулевое решение, то определитель этой системы равен нулю.