✖

Системи линейни уравнения

Системата линейни уравнения е множество от m линейни уравнения с n променливи. Като решим системата, получаваме стойности, които можем да заместим вместо нашите n променливи, така че всички уравнения да са верни.

Определение на система линейни уравнения

Със сигурност вече си се срещал с проста система от вида

a11x+a12y=b1a21x+a22y=b2

където a11,…,a22, b1, b2 са зададени реални числа, а x и y са променливи. Тази система уравнения може да има различен брой решения – нито едно, едно или безброй много, подобно на обикновеното линейно уравнение. При системата линейни уравнения въпросът за броя на решенията и за намирането им е по-сложен, отколкото при простото линейно уравнение.

Определение на система линейни уравнения:

a11x1+a12x2+…+a1nxn=b1a21x1+a22x2+…+a2nxn=b2⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮am1x1+am2x2+…+amnxn=bm

където a11, …, amn, b1, …, bm са реални числа. Тази система се нарича система от m линейни уравнения с n неизвестни x1, …, xn с коефициенти a11, …, amn. Конкретен пример за система линейни уравнения може да изглежда така:

3x1+−2x2+4x3+5x4=15x1+4x2+2x3+−10x4=211x1+8x2+10x3+20x4=4

Ако обаче някое aij е отрицателно, обичайно е да се записва във вида:

3x1−2x2+4x3+5x4=15x1+4x2+2x3−10x4=211x1+8x2+10x3+20x4=4

И в двата записа е изпълнено, че a12 = −2 и a24 = −10.

Матричен запис

Тази система можем да преобразуваме в матричен вид. Определяме общо три матрици – една за коефициентите, една за дясната страна на уравненията и една за самите променливи. Матриците ще изглеждат така:

A=(a11a12…a1na21a22…a2n⋮⋮⋱⋮am1am2…amn),b=(b1b2⋮bm),x=(x1x2⋮xn)

Матрицата A съдържа коефициентите на първоначалните уравнения и я наричаме „матрица на системата“, матрицата b съдържа дясните страни на уравненията, а матрицата x съдържа променливите. Тогава цялата система уравнения можем да запишем като уравнението

Ax=b

Това уравнение има смисъл, защото отляво имаме произведение на две матрици, а отдясно имаме матрица, като размерностите им си съответстват. Можем да опитаме да умножим лявата страна. Умножаваме матрица от тип m × n по матрица от тип n × 1, така че получената матрица ще е от тип m × 1, ще има m реда и един стълб. Засега всичко е наред.

Сега извършваме класическия алгоритъм за умножение на матрици, започваме с първия ред на матрицата A и с първия стълб на матрицата x (друг стълб няма). Получаваме:

a11x1+a12x2+…+a1nxn

С този сбор получихме първия елемент на новата матрица, тоест стойността b1. Като заместим всичко в уравнението, имаме:

a11x1+a12x2+…+a1nxn=b1

Получихме точно първото уравнение от нашата система уравнения. По същия начин бихме продължили за останалите редове. Определяме още разширената матрица на системата, която е матрицата на системата, към която добавяме матрицата b по следния начин:

B=(A|b)=(a11a12…a1nb1a21a22…a2nb2⋮⋮⋱⋮⋮am1am2…amnbm)

След това ни интересува рангът на тази разширена матрица на системата. Ранга на първоначалната неразширена матрица на системата означаваме с rank(A), а ранга на разширената – rank(A|b). Каква е връзката между тези рангове? Ако към матрицата A добавим стълба b, могат да настъпят две ситуации: ако този нов стълб е линейна комбинация на стълбовете на матрицата A, рангът не се променя. Ако не е бил линейна комбинация, рангът ще е с единица по-голям.

Теорема на Фробениус

Рангът на разширената матрица ще е важен за нас, защото е в сила важна теорема, теоремата на Фробениус: Системата уравнения Ax = b има решение тогава и само тогава, когато рангът на матрицата на системата е равен на ранга на разширената матрица на системата: rank(A) = rank(A|b).

Ще се опитаме да покажем, че тази теорема е вярна поне в едната посока – ако x = β е решение на уравнението Ax = b, то rank(A) = rank(A|b). Ако тези рангове са равни, трябва да е изпълнено, че стълбът b е линейна комбинация на стълбовете на матрицата A. Ще го разпишем. Матрицата β има вида:

β=(β1β2⋮βn)

И ние твърдим, че ако вместо x1 заместим β1 и т.н., всички уравнения в системата ще са верни:

a11β1+a12β2+…+a1nβn=b1a21β1+a22β2+…+a2nβn=b2⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮am1β1+am2β2+…+amnβn=bm

Сега ще препишем малко уравненията. Ако погледнем първия стълб, ще установим, че там винаги имаме стойностите a11, a21, …, am1, които умножаваме по една и съща стойност β1. Ако отделим стълба в самостоятелна матрица, можем да изнесем стойността β1 пред матрицата и така получаваме:

(a11β1a21β1⋮am1β1)=β1(a11a21⋮am1)

Сега по този начин можем да препишем цялата система:

β1(a11a21⋮am1)+β2(a12a22⋮am2)+…+βn(a1na2n⋮amn)=(b1b2⋮bm)

За да е вярно това уравнение, матрицата отдясно трябва да е линейна комбинация на стълбовите матрици отляво и стойностите β1, …, βn трябва да са техните коефициенти.

Така доказахме, че ако матрицата β е решение на системата уравнения, дясната страна на системата, матрицата b, трябва да е линейна комбинация на стълбовете на матрицата на системата. А ако стълбът от матрицата b е линейна комбинация на стълбовете на матрицата A, матрицата A трябва да има същия ранг като матрицата (A|b).

Освен това, ако rank(A) = rank(A|b) = k и k е равно на броя на неизвестните, тоест k = n, системата има точно едно решение. Ако k < n, системата има безброй много решения и за записването им ще са ни нужни n − k параметъра.

Елементарни редови преобразувания

От предишното уравнение се вижда още, че ако извършваме в матрицата (A|b) елементарни редови преобразувания, решението на системата уравнения не се променя. Ако прибавим към втория ред първия ред, бихме получили уравнението:

β1(a11a21+a11⋮am1)+β2(a12a22+a12⋮am2)+…+βn(a1na2n+a1n⋮amn)=(b1b2+b1⋮bm)

Ако разпишем втория ред, получаваме:

β1(a21+a11)+β2(a22+a12)+…+βn(a2n+a1n)=b1+b2

Разкриваме скобите:

β1a21+β1a11+β2a22+β2a12+…+βna2n+βna1n=b1+b2

Сега само малко ги разместваме:

(β1a11+β2a12+…+βna1n)+(β1a21+β2a22+…+βna2n)=b1+b2

В първата скоба всъщност имаме първия ред, а във втората скоба – първоначалния втори ред. Знаем, че първият ред е равен на стойността b1, а вторият ред е равен на стойността b2. Това знаем от първоначалните уравнения. Така че вместо първата скоба можем да запишем b1, а вместо втората b2:

b1+b2=b1+b2.

Подобно можем да умножим целия ред по константа c ≠ 0 и няма да променим верността на системата уравнения. Внимавай обаче: не можем да извършваме преобразувания със стълбове.

Система с едно решение

С пример ще покажем как се решава система, която има точно едно решение. Нека имаме такава система уравнения:

2x1+3x2+7x3=473x1+8x2+x3=503x2+3x3=27

Матрицата A ще изглежда така:

A=(237381033)

Сега пресмятаме ранга на тази матрица:

(237381033)∼(69216162033)∼(692107−19033)∼(6921021−5702121)∼(6921021−570078)

Виждаме, че rank(A) = 3. От това следва също, че rank(A|b) = 3, защото матрица от тип 3 × 4 може да има максимален ранг три. Системата има три неизвестни, така че цялата система има точно едно решение. Как да го намерим?

Метод на Гаус

Методът на Гаус се състои в преобразуване на разширената матрица на системата в стъпаловиден вид. Като преобразуваме матрицата в стъпаловиден вид, ще можем да установим стойността на една променлива. След като намерим стойността на една променлива, можем да започнем да заместваме тази стойност в другите уравнения.

Матрицата (A|b) има вида:

(A|b)=(237473815003327)

Преобразуваме я в стъпаловиден вид. Ще извършваме същите преобразувания като в предишната стъпка, само че този път ще ги прилагаме и към четвъртия стълб:

(237473815003327)∼(6921141616210003327)∼(692114107−19−4103327)∼(6921141021−57−12302121189)∼(6921141021−57−1230078312)

Тъй като извършвахме елементарни редови преобразувания, тази матрица описва еквивалентна система уравнения – система, която има същото множество от решения. Преписваме системата от матричен запис в обикновен, като използваме коефициентите от последната ни матрица:

6x1+9x2+21x3=14121x2−57x3=−12378x3=312

Сега тръгваме от последното уравнение. То ни казва, че 78x3 = 312. Каква стойност трябва да има x3? Това е просто линейно уравнение, така че

78x3=312x3=31278x3=4

Имаме стойността на първата променлива, x3. Тази стойност заместваме във второто уравнение. Получаваме уравнението:

21x2−57x3=−12321x2−57⋅4=−12321x2=−123+22821x2=105x2=10521x2=5

И накрая двете пресметнати стойности заместваме в първото уравнение:

6x1+9x2+21x3=1416x1+9⋅5+21⋅4=1416x1+45+84=1416x1=12x1=2

Стойността на променливата x1 е равна на две. Вече имаме пълното решение. Можем да запишем, че x = (x1; x2; x3) = (2; 5; 4). Както се вижда, методът на Гаус е прост, но ефективен начин за решаване на система линейни уравнения.

Безброй много решения

Ако rank(A) = rank(A|b) = k и k е по-малко от броя на неизвестните, k < n, системата има безброй много решения. Нека вземем прост пример:

4x1+x2=512x1+3x2=15

Виждаме, че второто уравнение е равно на утроеното първо уравнение. Ако умножим първото уравнение по минус три и прибавим към втория ред, получаваме:

4x1+x2=50x1+0x2=0

В този момент броят на променливите е равен на две, n = 2, рангът на матрицата на системата е равен на едно, rank(A) = 1, и рангът на разширената матрица също е равен на едно, rank(A|b) = 1. Изпълнено е k < n, така че системата има безброй много решения. Как да намерим тези решения?

Поглеждаме уравненията. Второто уравнение е изпълнено за всички x1, x2, така че ни интересува само първото уравнение. Всъщност всички двойки x1, x2, които удовлетворяват първото уравнение, ще образуват множеството на всички решения на дадената система уравнения. Затова решаваме уравнението 4x1 + x2 = 5. Преобразуваме уравнението във вида x2 = 5 − 4x1.

След това ще си помогнем с параметър. Избираме си параметър t. Сега ще се стараем да изразим двойката x1, x2 чрез параметъра t, така че да можем да запишем, че например всички двойки от вида (t; t + 2) са решение на системата. Тоест двойки като (1; 3) или (14; 16). Смисълът е да изразим стойността на една променлива чрез друга променлива, така че да знаем, че когато стойността на x1 е еди-каква си, стойността на x2 ще е например три пъти по-голяма. За начална точка избираме x1.

Полагаме равенството t = x1. Ако променливата x1 има стойност t, каква стойност ще има променливата x2? Това виждаме от предишното уравнение, тя ще има стойност x2 = 5 − 4x1. Тоест ако x1 = t, то x2 = 5 − 4t. Можем да запишем, че всички двойки от вида (t; 5 − 4t) са решение на системата уравнения.

Можем да проверим. Ако вместо t заместим едно, имаме: x1 = 1 и x2 = 5 − 4 · 1 = 1. Заместваме тези стойности в уравнението: 4 · 1 + 1 = 5, уравнението е изпълнено.

Ако вместо t заместим пет, имаме: x1 = 5, x2 = 5 − 4 · 5 = −15. След заместване в уравнението имаме: 4 · 5 − 15 = 5. Изпълнено е.

Общо и частно решение

Решението на система уравнения, което е записано с помощта на параметри, наричаме общо решение. Конкретното решение, тоест когато вместо параметрите заместим конкретни числа, наричаме частно решение.

Така от предишния пример: (x1; x2) = (t; 5 − 4t) е общо решение на системата уравнения, а (1; 1) и (5; −15) са частни решения.

Ако имаме матрица на системата A и разширена матрица на системата (A|b) и ранговете им са равни, rank(A) = rank(A|b) = k, за изразяването на общото решение са ни нужни n − k параметъра. Обърни внимание, че ако n = k, са ни нужни нула параметъра. Това е случаят, когато системата има точно едно решение – тогава не е нужен никакъв параметър.

Пример

Реши следната система линейни уравнения:

3x1−2x2+4x3+5x4=15x1−4x2+2x3+10x4=211x1−8x2+10x3+20x4=4

Първо пресмятаме ранга на матриците A и (A|b). Преобразуваме разширената матрица в стъпаловиден вид, от което установяваме ранга на двете матрици. Започваме преобразуванията. (Първия ред умножаваме по две, след това събираме първия и втория ред и този резултат изваждаме от третия ред. След това от втория ред изваждаме първия ред и накрая първия ред делим обратно на две.)

(A|b)=(3−24515−4210211−810204)∼(6−481025−4210211−810204)∼(6−481025−4210200000)∼(6−48102−10−60000000)∼(3−2451−10−60000000)

От тази последна матрица вече виждаме, че rank(A) = rank(A|b) = k = 2. Броят на неизвестните е n = 4, така че ще са ни нужни n − k = 2 параметъра. Изразяваме уравненията според последната матрица:

3x1−2x2+4x3+5x4=1−x1−6x3=0

От второто уравнение получаваме

−x1−6x3=0−x1=6x3x1=−6x3

Избираме първия параметър, t = x3. Тогава можем да запишем, че x1 = −6t. Това можем да заместим в първото уравнение:

3(−6t)−2x2+4t+5x4=1−18t−2x2+4t+5x4=1−14t−2x2+5x4=1−2x2=1+14t−5x4x2=−12−7t+52x4

Включваме в играта втория параметър, s = x4. Тогава можем да запишем, че

x2=−12−7t+52s

Така получаваме общото решение на системата:

(x1;x2;x3;x4)=(−6t;−12−7t+52s;t;s)

Можем да изпробваме някои частни решения. Например s = t = 0. Тогава получаваме: (x1;x2;x3;x4)=(0;−12;0;0). След заместване в първоначалните уравнения:

3x1−2x2+4x3+5x4=15x1−4x2+2x3+10x4=211x1−8x2+10x3+20x4=4

получаваме уравненията:

0−2⋅(−12)+0+0=10−4⋅(−12)+0+0=20−8⋅(−12)+0+0=4

След премахване на нулевите елементи и след умножаване на дробите получаваме:

1=12=24=4

Ще опитаме още едно частно решение: s = 2, t = 1. Тогава получаваме:

x1=−6x2=−12−7+5=−52x3=1x4=2

Заместваме в уравненията:

−18−2(−52)+4+10=1−30−4(−52)+2+20=2−66−8(−52)+10+40=4

Преобразуваме:

−4+5=1−8+10=2−16+20=4

И накрая получаваме:

1=12=24=4

Изглежда, че полученото общо решение е вярно.

Глави: Системи линейни уравнения, Правило на Крамер, Хомогенни системи линейни уравнения