Методы решения системы линейных алгебраических уравнений

Решение систем линейных алгебраических уравненийявляется одной из основных задач линейной алгебры. Эта задача имеет важное прикладное значение при решении научных и технических проблем, кроме того является вспомогательной при реализации многих алгоритмов вычислительной математики, математической физики, обработки результатов экспериментальных исследований.

Системой линейных алгебраических уравнений называют систему уравнений вида: (1)

где – неизвестные; – коэффициенты при неизвестных, – свободные члены.

Решением системы уравнений (1) называют всякую совокупность чисел которая будучи поставлена в систему (1) на место неизвестных обращает все уравнения системы в верные числовые равенства.

Систему уравнений называют совместной, если она имеет хотя бы одно решение, и несовместной, если не имеет решений.

Совместную систему уравнений называют определенной, если она имеет одно единственное решение, и неопределенной, если она имеет, по крайней мере, два различных решения.

Две системы уравнений называют равносильными или эквивалентными, если они имеют одно и то же множество решений.

Систему (1) называют однородной, если свободные члены равны нулю:

Однородная система всегда является совместной - она имеет решение (возможно, не единственное).

Если в системе (1) , то имеем систему n линейных уравнений с n неизвестными: где – неизвестные; – коэффициенты при неизвестных, – свободные члены.

Линейная система может иметь единственное решение, бесконечно много решений или не иметь ни одного решения.

Рассмотрим систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными

Если то система имеет единственное решение;

если то система не имеет решений;

если то система имеет бесконечное множество решений.

Пример. Система имеет единственное решение пару чисел

Система имеет бесконечное множество решений. Например, решениями данной системы являются пары чисел и т.д.

Система не имеет решений, так как разность двух чисел не может принимать двух различных значений.

Определение. Определителем второго порядка называют выражение вида:

.

Обозначают определитель символом D.

Числа а _{11, …,} а ₂₂ называют элементами определителя.

Диагональ, образованную элементами а ₁₁; а ₂₂ называют главной, диагональ, образованную элементами а ₁₂; а ₂₁ − побочной.

Таким образом, определитель второго порядка равен разности произведений элементов главной и побочной диагоналей.

Заметим, что в ответе получается число.

Пример. Вычислим определители:

Рассмотрим систему двух линейных уравнений с двумя неизвестными: где х _1, х ₂ – неизвестные; а ₁₁, …, а ₂₂ – коэффициенты при неизвестных, b ₁, b ₂– свободные члены.

Если система двух уравнений с двумя неизвестными имеет единственное решение, то его можно найти с помощью определителей второго порядка.

Определение. Определитель, составленный из коэффициентов при неизвестных, называют определителем системы: D= .

В столбцах определителя D стоят коэффициенты соответственно при х ₁и при _, х ₂. Введем два дополнительных определителя, которые получаются из определителя системы заменой одного из столбцов столбцом свободных членов: D₁= D₂= .

Теорема 14 (Крамера, для случая n=2). Если определитель D системы отличен от нуля (D¹0), то система имеет единственное решение, которое находят по формулам:

Данные формулы называют формулами Крамера.

Пример. Решим систему по правилу Крамера:

Решение. Найдем числа

Воспользуемся формулами Крамера и найдем решение исходной системы:

.

Ответ.

Определение. Определителем третьего порядка называют выражение вида:

Элементы а _11; а ₂₂; а ₃₃ – образуют главную диагональ.

Числа а _13; а ₂₂; а ₃₁ – образуют побочную диагональ.

В запись с плюсом входят: произведение элементов на главной диагонали, остальные два слагаемых являются произведением элементов, расположенных в вершинах треугольников с основаниями, параллельными главной диагонали. Слагаемые с минусом образуют по той же схеме относительно побочной диагонали.

Пример. Вычислим определители:

Рассмотрим систему трех линейных уравнений с тремя неизвестными: где – неизвестные; – коэффициенты при неизвестных, – свободные члены.

В случае единственного решения систему 3-х линейных уравнений с тремя неизвестными можно решить с помощью определителей 3-го порядка.

Определитель системы D имеет вид:

Введем три дополнительных определителя:

.

Теорема 15 (Крамера, для случая n=3). Если определитель D системы отличен от нуля, то система имеет единственное решение, которое находят по формулам Крамера:

Пример. Решим систему по правилу Крамера.

Решение. Найдем числа

Воспользуемся формулами Крамера и найдем решение исходной системы:

Ответ.

Заметим, что теорема Крамера применима, когда число уравнений равно числу неизвестных и когда определитель системы D отличен от нуля.

Если определитель системы равен нулю, то в этом случае система может либо не иметь решений, либо иметь бесчисленное множество решений. Эти случаи исследуются особо.

Отметим только один случай. Если определитель системы равен нулю (D=0), а хотя бы один из дополнительных определителей отличен от нуля, то система решений не имеет, то есть является несовместной.

Теорему Крамера можно обобщать для системы n линейных уравнений с n неизвестными: где – неизвестные; – коэффициенты при неизвестных, – свободные члены.

Если определитель системы линейных уравнений с неизвестными то единственное решение системы находят по формулам Крамера:

Дополнительный определитель получают из определителя D, если в нем столбец коэффициентов при неизвестном x_i заменить столбцом свободных членов.

Заметим, что определители D, D₁, …, D _n имеют порядок n.

Метод Гаусса решения систем линейных уравнений

Одним из наиболее распространенных методов решения систем линейных алгебраических уравнений является метод последовательного исключения неизвестных −метод Гаусса. Данный метод представляет собой обобщение метода подстановки и состоит в последовательном исключении неизвестных до тех пор, пока не останется одно уравнение с одним неизвестным.

Метод основан на некоторых преобразованиях системы линейных уравнений, в результате которых получается система, равносильная исходной системе. Алгоритм метода состоит из двух этапов.

Первый этап называют прямым ходом метода Гаусса. Он заключается в последовательном исключении неизвестных из уравнений. Для этого на первом шаге делят первое уравнение системы на ( в противном случае осуществляют перестановку уравнений системы). Обозначают коэффициенты полученного приведенного уравнения, домножают его на коэффициент и вычитают из второго уравнения системы, исключая, тем самым, из второго уравнения (обнуляя коэффициент ).

Аналогично поступают с остальными уравнениями и получают новую систему, во всех уравнениях которой, начиная со второго коэффициенты при , содержатся только нули. Очевидно, что полученная при этом новая система, будет равносильна исходной системе.

Если новые коэффициенты, при , не все равны нулю, можнотаким же образом исключить из третьего и последующих уравнений. Продолжая эту операцию для следующих неизвестных, приводят систему к так называемому треугольному виду:

Здесь символами и обозначены изменившиеся в результате преобразований числовые коэффициенты и свободные члены.

Из последнего уравнения системы единственным образом определяют , а затем последовательной подстановкой – остальные неизвестные.

Замечание. Иногда, в результате преобразований, в каком-либо из уравнений все коэффициенты и правая часть обращаются в ноль, то есть уравнение превращается в тождество 0=0. Исключив такое уравнение из системы, уменьшают число уравнений по сравнению с числом неизвестных. Такая система не может иметь единственного решения.

Если же в процессе применения метода Гаусса какое-нибудь уравнение превратится в равенство вида 0=1 (коэффициенты при неизвестных обратились в 0, а правая часть приняла ненулевое значение), то исходная система не имеет решения, так как подобное равенство является неверным при любых значениях неизвестных.

Рассмотрим систему трех линейных уравнений с тремя неизвестными:

(2)

где – неизвестные; – коэффициенты при неизвестных, – свободные члены.

Метод Гаусса решения данной системы состоит в следующем. Разделим все члены первого уравнения на , а затем, умножив полученное уравнение на вычтем его соответственно из второго и третьего уравнений системы (2). Тогда из второго и третьего уравнений неизвестное будет исключено, и получится система вида: (3)

Теперь разделим второе уравнение системы (3) на умножим полученное уравнение на и вычтем из третьего уравнения. Тогда из третьего уравнения неизвестное будет исключено и получится система треугольного вида: (4)

Из последнего уравнения системы (4) находим , подставляя найденное

значение в первое уравнение, находим

Пример. Решим систему методом Гаусса.

Решение. Разделив первое уравнение на 2, получим равносильную систему:

Вычтем из второго уравнения удвоенное первое, а из третьего – первое, умноженное на 5. Получим:

Вычтем из третьего уравнения удвоенное второе, а затем разделим второе уравнение на –7 (коэффициент при ), а третье – на 15 (новый коэффициент при ). Система примет вид:

Тогда

Отсюда – единственное решение системы.

Ответ.

Пример. Решим систему методом Гаусса.

Решение. Система после исключения из второго и третьего уравнений примет вид:

Если затем вычесть второе уравнение из третьего, то последнее уравнение станет тождеством 0=0. В системе осталось два уравнения:

Ее решение можно записать в виде: ‒ любое число,

Таким образом, данная система имеет бесконечно много решений.

Ответ. Система имеет бесконечно много решений.

Пример. Решим систему методом Гаусса.

Решение. Применив к этой системе метод Гаусса, получим

Откуда Последнее равенство является неверным при любых значениях неизвестных, следовательно, система не имеет решения.

Ответ. Система не имеет решений.

Заметим, что рассмотренный ранее метод Крамера можно применять при решении только тех систем, в которых число уравнений совпадает с числом неизвестных, причём определитель системы должен быть отличен от нуля. Метод Гаусса является более универсальным и пригоден для систем с любым числом уравнений.