АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция

Наивысший порядок отличных от нуля миноров матрицы А равен рангу этой матрицы

Читайте также:
  1. I. Определение ранга матрицы
  2. I. Порядок медицинского отбора и направления на санаторно-курортное лечение взрослых (кроме больных туберкулезом)
  3. I. Порядок медицинского отбора и направления на санаторно-курортное лечение взрослых больных (кроме больных туберкулезом)
  4. II Неравенства.
  5. II. Порядок медицинского отбора и направления детей на санаторно-курортное лечение
  6. II. Умножение матрицы на число
  7. II. Элементарные преобразования. Эквивалентные матрицы.
  8. III Общий порядок перемещения товаров через таможенную границу Таможенного союза
  9. III. Порядок защиты дипломной работы
  10. IV. Порядок выявления и эвакуации больных, которым противопоказано санаторно-курортное лечение
  11. SWOT- анализ и составление матрицы.
  12. V. Порядок освидетельствования на ВИЧ-инфекцию

Доказательство. Пусть наивысший порядок отличных от нуля миноров матрицы А равен г. Предположим,— что не нарушает

а

sit

общности доказательства,— что минор л-го порядка D, стоящий в левом верхнем углу матрицы

А —

             
  «И ... а   а1,Г + 1 аШ  
    D....        
  ап ... агг   аг, г + 1 агп  
аг + 1, 1 ••• аг + 1, г аг+ 1, /■ +1 •• аг + 1, п
[ asl ... dgr   as, г + 1 •• asn .

отличен от нуля, ИфО. Тогда первые г столбцов матрицы А будут между собой линейно независимыми: если бы между ними суще­ствовала линейная зависимость, то, так как при сложении векторов складываются соответствующие компоненты, между столбцами ми­нора D существовала бы эта же линейная зависимость и поэтому минор D был бы равен нулю.

Докажем теперь, что всякий /-й столбец матрицы А, г<С1^п, будет линейной комбинацией первых г столбцов. Берем любое i,

2 ^ г s, и строим вспомогательный определитель (г+ 1)-го порядка

  Й11 • аи аи
А/—      
ап агг ап
  аи air аи

получающийся «окаймлением» минора D соответствующими элемен­тами I-то столбца и /-й строки. При любом i определитель А,- равен нулю. Действительно, если <>/■, то Af будет минором (r-fl)-ro порядка нашей матрицы А и поэтому равен нулю ввиду выбора числа г. Если же i^r, то А,- уже не будет минором матрицы А, так как не может быть получен вычеркиванием из этой матрицы некоторых ее строк и столбцов; однако определитель Af будет содер­жать теперь две равные строки и, следовательно, снова равен нулю.

Рассмотрим алгебраические дополнения элементов последней стро­ки определителя А,-. Алгебраическим дополнением для элемента а(-

служит, очевидно, минор D. дополнением для элемента

аН

*i, 1-11, /+1

А; = {— 1)('+1>+''

ar,]~\ ar, 1+1

оно не зависит от i и поэтому обозначено через Aj. Таким образом, разлагая определитель А,- по его последней строке и приравнивая это разложение нулю, так как А(= 0, мы получим:

Если же 1 /Сг, то в А,- будет число

алгебраическим

aaAi~

■ а

(2

А-г + + airAr -\-ацО — О»

откуда, ввиду БФ 0,

А 1 А% Аг

аИ= £Г ail J) aii ' • ■ • air■

Это равенство справедливо при всех i, i— 1, 2, а так как

его коэффициенты от i не зависят, тог мы получаем, что весь /-й столбец матрицы А будет суммой ее первых г столбцов, взятых,

А А А

соответственно, с коэффициентами —..., — -jj.

Таким образом, в системе столбцов матрицы А мы нашли мак­симальную линейно независимую подсистему, состоящую из г столб­цов. Этим доказано, что ранг матрицы А равен г, т. е. доказана теорема о ранге.

Эта теорема дает метод для практического вычисления ранга матрицы, а поэтому и для решения вопроса о существовании линей­ной зависимости в данной системе векторов; составляя матрицу, для которой данные векторы служат столбцами, и вычисляя ранг этой матрицы, мы находим максимальное число линейно независи­мых векторов нашей системы.

Метод нахождения ранга матрицы, основанный на теореме о ранге, требует вычисления хотя и конечного, но, быть может, очень боль­шого числа миноров этой матрицы. Следующее замечание позволяет, однако, внести в этот метод значительные упрощения. Если чита­тель просмотрит еще раз доказательство теоремы о ранге, то за­метит, что мы не использовали при его проведении равенства нулю всех миноров (r-f-l)-ro порядка матрицы А —в действительности употреблялись лишь те миноры (г+ 1)"го порядка, которые окай­мляют данный не равный нулю минор r-го порядка D (т. е. содер­жат его целиком внутри себя), и поэтому из равенства нулю лишь эгих миноров вытекает, что г есть максимальное число линейно не­зависимых столбцов матрицы А; последнее же влечет за собой ра­венство нулю вообще всех миноров (г+ 1)-го порядка этой матрицы. Мы приходим к следующему правилу вычисления ранга матрицы:

При вычислении ранга матрицы следует переходить от миноров меньших порядков к минорам больших порядков. Если уже найден минор k-го порядка D, отличный от нуля, то тре­буют вычисления лишь миноры (к-\-\)-го порядка, окаймляющие минор D: если все они равны нулю, то ранг матрицы равен k.

Примеры.

3 Найти ранг матрицы

— 4     0>
—2   —4  
  — 1    
—7   —4  

Минор второго порядка, стоящий в левом верхнем углу этой матрицы, равен нулю. Однако в матрице содержатся и отличные от нуля миноры вто­рого порядка, например

. -4 3

-2 1

Минор третьего порядка

d' =

окаймляющий минор d, отличен от нуля, d' = 1, однако оба минора четвер­того порядка, окаймляющие минор d', равны нулю:

  —4         —4    
  —2   —4 == 0,   —2    
    —1         —1  
  —7   —4     —7    

= 0.

Таким образом, ранг матрицы А равен трем.

2. Найти максимальную линейно независимую подсистему в системе векторов

а1 = (2, -2, -4), а2 = (1, 9, 3), а3 = (-2, -4, 1), а4=(3, 7, -1).

Составляем матрицу

2 1 —2

4 9 —4 -4 3 1

для которой данные векторы служат столбцами. Ранг этой матрицы равен двум: минор второго порядка, стоящий в левом верхнем углу, отличен от нуля, но оба минора третьего порядка, его окаймляющие, равны нулю. Отсюда следует, что векторы а*, а2 составляют в заданной системе одну из макси­мальных линейно независимых подсистем.

В качестве следствия из теоремы о ранге матрицы докажем утверждение, уже высказанное ранее:

Максимальное число линейно независимых строк всякой мат­рицы равно максимальному числу ее линейно независимых столб­цов, т. е. равно рангу этой матрицы.

Для доказательства транспонируем матрицу, т. е. сделаем ее стро­ки столбцами, сохраняя их нумерацию. При транспонировании макси­мальный порядок отличных от нуля миноров матрицы не может измениться, так как транспонирование не меняет определителя, а для всякого минора исходной матрицы минор, полученный из него транспонированием, содержится в новой матрице, и обратно. Отсюда следует, что ранг новой матрицы равен рангу исходной матрицы; он равен, вместе с тем, максимальному числу линейно независимых столбцов новой матрицы, т. е. максимальному числу линейно неза­висимых строк исходной матрицы.

7*0.

-1

откуда, ввиду БФ 0,

А 1 А% Аг

аИ= £Г ail J) aii ' • ■ • air■

Это равенство справедливо при всех i, i— 1, 2, а так как

его коэффициенты от i не зависят, тог мы получаем, что весь /-й столбец матрицы А будет суммой ее первых г столбцов, взятых,

А А А

соответственно, с коэффициентами —..., — -jj.

Таким образом, в системе столбцов матрицы А мы нашли мак­симальную линейно независимую подсистему, состоящую из г столб­цов. Этим доказано, что ранг матрицы А равен г, т. е. доказана теорема о ранге.

Эта теорема дает метод для практического вычисления ранга матрицы, а поэтому и для решения вопроса о существовании линей­ной зависимости в данной системе векторов; составляя матрицу, для которой данные векторы служат столбцами, и вычисляя ранг этой матрицы, мы находим максимальное число линейно независи­мых векторов нашей системы.

Метод нахождения ранга матрицы, основанный на теореме о ранге, требует вычисления хотя и конечного, но, быть может, очень боль­шого числа миноров этой матрицы. Следующее замечание позволяет, однако, внести в этот метод значительные упрощения. Если чита­тель просмотрит еще раз доказательство теоремы о ранге, то за­метит, что мы не использовали при его проведении равенства нулю всех миноров (r-f-l)-ro порядка матрицы А —в действительности употреблялись лишь те миноры (г+ 1)"го порядка, которые окай­мляют данный не равный нулю минор r-го порядка D (т. е. содер­жат его целиком внутри себя), и поэтому из равенства нулю лишь эгих миноров вытекает, что г есть максимальное число линейно не­зависимых столбцов матрицы А; последнее же влечет за собой ра­венство нулю вообще всех миноров (г+ 1)-го порядка этой матрицы. Мы приходим к следующему правилу вычисления ранга матрицы:

При вычислении ранга матрицы следует переходить от миноров меньших порядков к минорам больших порядков. Если уже найден минор k-го порядка D, отличный от нуля, то тре­буют вычисления лишь миноры (к-\-\)-го порядка, окаймляющие минор D: если все они равны нулю, то ранг матрицы равен k.

Примеры.

5 Найти ранг матрицы

— 4     0>
—2   —4  
  — 1    
—7   —4  

Минор второго порядка, стоящий в левом верхнем углу этой матрицы, равен нулю. Однако в матрице содержатся и отличные от нуля миноры вто­рого порядка, например

. -4 3

-2 1

Минор третьего порядка

d' =

окаймляющий минор d, отличен от нуля, d' = 1, однако оба минора четвер­того порядка, окаймляющие минор d', равны нулю:

  —4         —4    
  —2   —4 == 0,   —2    
    —1         —1  
  —7   —4     —7    

= 0.

Таким образом, ранг матрицы А равен трем.

2. Найти максимальную линейно независимую подсистему в системе векторов

а1 = (2, -2, -4), а2 = (1, 9, 3), а3 = (-2, -4, 1), а4=(3, 7, -1).

Составляем матрицу

2 1 —2

6 9 —4 -4 3 1

для которой данные векторы служат столбцами. Ранг этой матрицы равен двум: минор второго порядка, стоящий в левом верхнем углу, отличен от нуля, но оба минора третьего порядка, его окаймляющие, равны нулю. Отсюда следует, что векторы а*, а2 составляют в заданной системе одну из макси­мальных линейно независимых подсистем.

В качестве следствия из теоремы о ранге матрицы докажем утверждение, уже высказанное ранее:

Максимальное число линейно независимых строк всякой мат­рицы равно максимальному числу ее линейно независимых столб­цов, т. е. равно рангу этой матрицы.

Для доказательства транспонируем матрицу, т. е. сделаем ее стро­ки столбцами, сохраняя их нумерацию. При транспонировании макси­мальный порядок отличных от нуля миноров матрицы не может измениться, так как транспонирование не меняет определителя, а для всякого минора исходной матрицы минор, полученный из него транспонированием, содержится в новой матрице, и обратно. Отсюда следует, что ранг новой матрицы равен рангу исходной матрицы; он равен, вместе с тем, максимальному числу линейно независимых столбцов новой матрицы, т. е. максимальному числу линейно неза­висимых строк исходной матрицы.

7*0.

-1

РАНГ МАТРИЦЫ

Пример. В§8 уже было введено понятие линейной формы от п не­известных и. определено сложение линейных форм и их умножение на число. Это определение позволяет перенести на линейные формы понятие линейной зависимости со всеми его свойствами.

Пусть дана система линейных форм

/ 1 = *1 + 2*2 + *з + 3д:4,

/2 = 4*!— *2— 5*з — 6 *4,

*1—3*2 4*g 7*4,

/4 = 2*!+ * 2 — *3.

Нужно выделить в ней максимальную линейно независимую подсистему. Составим матрицу из коэффициентов этих форм:

и найдем ее ранг. Минор второго порядка, стоящий в левом верхнем углу, отличен от нуля, но, как легко проверить, все четыре минора третьего по­рядка, его окаймляющие, равны нулю. Отсюда следует, что первые две строки нашей матрицы линейно независимы, а третья и четвертая будут их линей­ными комбинациями. Система /х, /2 будет, следовательно, искомой подсисте­мой заданной системы линейных форм.

Укажем еще одно важное следствие из теоремы о ранге ма­трицы.

Определитель п-го порядка тогда и. только тогда равен нулю, если между его строками существует линейная зависи­мость.

В одну сторону это утверждение уже доказано в § 4 (свой­ство 8). Пусть теперь нам дан определитель п- го порядка, равный нулю, т. е. дана, иными словами, квадратная матрица л-го порядка, единственный минор которой, имеющий максимальный порядок, равен нулю. Отсюда следует, что наивысший порядок отличных от нуля миноров этой матрицы меньше л, т. е. ранг меньше л, а поэтому, на основании доказанного выше, строка этой матрицы линейно за­висимы.

Понятно, что в формулировке доказанного сейчас следствия можно вместо строк говорить о столбцах определителя.

Для вычисления ранга матрицы существует еще один метод, не связан­ный с теоремой о ранге и не требующий вычисления определителей. Он при­меним, впрочем, только в том случае, если мы хотим знать лишь самый ранг и не интересуемся тем, какие именно столбцы (или строки) составляют ма­ксимальную линейно независимую систему. Изложим этот метод.

Элементарными преобразованиями матрицы А называются следующие преобразования этой матрицы:

7 перемена мест (транспозиция) двух строк или двух столбцов;

8 умножение строки (или столбца) на произвольное отличное от нуля число;

(с) прибавление к одной строке (или столбцу) другой строки (столбца), умноженной на некоторое число.

Легко видеть, что элементарные преобразования не меняют ранга мат­рицы. Действительно, если эти преобразования применяются, например, к столбцам матрицы, то система столбцов, рассматриваемых как векторы, заменяется эквивалентной системой. Докажем это лишь для преобразова­ния (с), так как для (а) и (Ь) это очевидно. Пусть к i-му столбцу приба­вляется /-й столбец, умноженный на число k. Если столбцами матрицы до преобразования служили векторы

сц а«. • • ■. а/. ■ • •. ««.

то после преобразования столбцами матрицы будут векторы схх,..., аг = а,- + Аау,..., а^,..., а„.

Система (2) линейно выражается через систему (1), а равенство

а,- = atka/

(1)

(2)

показывает, что система (1), в свою очередь, линейно выражается через (2) Эти системы, следовательно, эквивалентны, и поэтому И? максимальные ли­нейно независимые подсистемы состоят из одинакового числа векторов.

Таким образом, при вычислении ранга матрицы можно предварительно ее упростить при помощи некоторой комбинации элементарных преобразо­ваний.

Говорят, что матрица, содержащая s строк и п столбцов, имеет диаго­нальную форму, если все ее элементы равны нулю, кроме элементов а,,, а22, ...,аГГ (где 0< г < min (s, ri)), равных единице. Ранг этой матрицы равен, очевидно, г.

Всякую матрицу можно элементарными преобразованиями привести к диагональной форме.

В самом деле, пусть дана матрица

Если все ее элементы равны нулю, то она уже имеет диагональную форму. Если же в ней есть элементы, отличные от нуля, то транспозицией строк и столбцов можно добиться того, чтобы элемент аи был отличен от нуля. Умножая затем первую строку на a~f, мы превратим элемент ап в единицу. Если мы вычтем теперь из /-го столбца, / > 1, первый столбец, умноженный на axj. то элемент а,7- будет заменен нулем. Делая это преобразование со всеми столбцами, начиная со второго, а также со всеми строками, мы при­дем к матрице вида

Совершая такие же преобразования с матрицей, остающейся в правом ниж­нем углу, и т. д., мы после конечного числа шагов придем к диагональной матрице, имеющей тот же ранг, что и исходная матрица А.

Таким образом, для нахождения ранга матрицы нужно элементарными преобразованиями привести эту матрицу к диагональной форме и подсчитать число единиц, стоящих в последней на главной диагоНалй,

Пример. Найти ранг матрицы

О 2—4 -1 —4 5

9 1 7

О 5 —10.230

Переставляя в этой матрице первый и второй столбец, а затем умножая

мы придем к матрице 1 02 ^

—4 -1  
     
    — 10
    0,

Прибавляя к ее третьему столбцу удвоенный первый столбец, а затем при­бавляя некоторое кратное новой первой строки к каждой из остальных строк, мы получим матрицу

( 1   O'!
  —1 —3
     
     
    6,

Умножая, наконец, вторую строку на —1, вычитая из третьего столбца утроенный второй столбец, а затем вычитая из третьей и пятой строк не­которые кратные новой второй строки, мы придем к искомой диагональной форме

    O'»
     
     
     
,0   0,

Таким образом, ранг матрицы А равен двум.

В гл. 13 мы еще раз встретимся с элементарными преобразованиями и диагональной формой матриц; это будут, впрочем, матрицы, элементами которых являются не числа, а многочлены.

§ 11. Системы линейных уравнений

Мы переходим к изучению произвольных систем линейных урав­нений, причем уже не делаем предположения, что число уравнений системы равно числу неизвестных. Наши результаты будут, впрочем, применимы и к тому случаю (оставленному в § 7 без рассмотрения), когда число уравнений равно числу неизвестных, но определитель системы равен нулю.

первую строку на число

Пусть дана система линейных уравнений

«11*1 + 012 * 2 + •• • +elBxe = 0 i,

агА + а22*2 + • • • + аыхп —

aslX 1 + а,2*2 + • • • + ^пХп = Ь'.

Как мы знаем из § 1, прежде всего следует решить вопрос о сов­местности этой системы. Для этой цели возьмем матрицу А из коэф­фициентов системы и «расширенную» матрицу А, полученную при­соединением к А столбца из свободных членов,

/й11 а12 ■ ■ aln

А = I в21 й22 • • • а2п ^2 I

1 •’

а as2... asn bs/

и вычислим ранги этих матриц. Легко видеть, что ранг матрицы А либо равен рангу матрицы А, либо на единицу больше последнего. В самом деле, берем некоторую максимальную линейно независимую систему столбцов матрицы А. Она будет линейно независимой и в ма­трице А. Если она сохраняет и свойство максимальности, т. е. столбец из свободных членов через нее линейно выражается, то ранги матрицы А и Л равны; в противоположном случае, присоединяя к этой системе столбец из свободных членов, мы получаем линейно неза­висимую систему столбцов матрицы А, которая будет в ней макси­мальной.

Вопрос о совместности системы линейных уравнений полностью решается следующей теоремой.

Теорема Кронекера — Капелли. Система линейных урав­нений (1) тогда и только тогда совместна, когда ранг расши­ренной матрицы А равен рангу матрицы А.

Доказательство. 1. Пусть система (1) совместна и пусть klt k2,...,kn будет одним из ее решений. Подставляя эти числа вместо неизвестных в систему (1), мы получим s тождеств, которые показывают, что последний столбец матрицы А является суммой всех остальных столбцов, взятых соответственно с коэффициентами kx, k2,..., kn. Всякий другой столбец матрицы А входит и в матрицу А и поэтому линейно выражается через все столбцы этой матрицы. Обратно, всякий столбец матрицы А является столбцом и в А, т. е. линейно выражается через столбцы этой матрицы. Отсюда следует, что системы столбцов матриц А и А эквивалентны между собой, а поэтому, как доказано в конце § 9, обе эти системы s-мер­ных векторов имеют один и тот же ранг; иными словами, ранги матриц А и А равны между собой.

2. Пусть теперь дано, что матрицы А и А имеют равные ранги. Отсюда следует, что любая максимальная линейно независимая си­стема столбцов матрицы А остается максимальной линейно независи­мой системой и в матрице А. Таким образом, через эту систему, а поэтому и вообще через систему столбцов матрицы А, линейно выражается последний столбец матрицы А. Существует, следова­тельно, такая система коэффициентов klt k2, kn, что сумма столбцов матрицы А, взятых с этими коэффициентами, равна столбцу из свободных членов, а потому числа klt k2,..., kn составляют решение системы (1). Таким образом, совпадение рангов матриц Л и А влечет за собой совместность системы (1).

Теорема полностью доказана. При ее применении к конкретным примерам необходимо вычислить сперва ранг матрицы А, для чего найти один из тех отличных от нуля миноров этой матрицы, что все миноры, его окаймляющие, равны нулю; пусть это будет минор М. После этого следует вычислить все миноры матрицы А, окаймляю­щие М, но в А не содержащиеся (так называемые характеристи­ческие определители системы (1)). Если они все равны нулю, то ранг матрицы А равен рангу матрицы А и потому система (1) сов­местна, в противоположном случае она несовместна. Таким образом, теореме Кронекера—Капелли можно дать такую формулировку: си­стема линейных уравнений (1) тогда и только тогда сов­местна, если все ее характеристические определители равны нулю.

Предположим теперь, что система (1) совместна. Теорема Кронекера—Капелли, при помощи которой мы устанавливаем совме­стность этой системы, утверждает существование решения; она не дает, однако, никакого способа для практического разы­скания всех решений системы. К этой задаче мы сейчас переходим.

Пусть матрица А имеет ранг г. Как доказано в предшествующем параграфе, г равно максимальному числу линейно независимых строк матрицы А. Пусть, для определенности, первые г строк матрицы А линейно независимы, а каждая из остальных будет их линейной комбинацией. Тогда первые г строк матрицы А также будут линейно независимыми: всякая линейная зависимость между ними была бы линейной зависимостью и между первыми г строками матрицы А (вспомнить определение сложения векторов!). Из совпадения рангов матриц АиА следует, далее, что первые г строк матрицы А составляют в ней максимальную линейно независимую систему строк, т. е.вся­кая другая строка этой матрицы будет их линейной комбинацией.

Отсюда следует, что всякое уравнение системы (1) можно пред­ставить как сумму первых г уравнений, взятых с некоторыми коэф­фициентами, а поэтому любое общее решение первых г уравнений

будет удовлетворять всем уравнениям системы (1). Достаточно, сле­довательно, найти все решения системы

а11Х1 4“ а12Х2 4“ • • • а1 пХп ~ ^1! а21Х1 4" а22Х2 4~ • ■ • 4" а2пХп = ^2>

аг1Х1 4“ аг2Х2 Ь • • • 4~ агпХп ~ Ьг-

Так как строки из коэффициентов при неизвестных в уравне­ниях (2) линейно независимы, т. е. матрица из коэффициентов имеет ранг г, то г<яи, кроме того, хотя бы один из миноров г-го по­рядка этой матрицы отличен от нуля. Если г = /г, то (2) будет системой с равным числом уравнений и неизвестных и с отличным от нуля определителем, т. е. она, а потому и система (1), обладает един­ственным решением, а именно — вычисляемым по правилу Крамера.

П)Сть теперь г<Сп и пусть, для определенности, отличен от нуля минор г -го порядка, составленный из коэффициентов при пер­вых г неизвестных. Перенесем в каждом из уравнений (2) в правую часть все члены с неизвестными хг + ъ хп и выберем для этих неизвестных некоторые значения сг+1,..., с п:Мы получим систему г уравнений

anxi 4" а\ 2х2 4~ • • • 4- auxr = b1alt Г+ 1 с Г+1... — а1псп, а21Х1 "4~ а22Х2 4- • - • 4- аХг~ ^2 а2, г + 1Сг + 1 • * * Я2пСш

+ аг 2х2 + • • • 4- arrxr = br — art r+1cr+1-... — arncn

относительно г неизвестных хг, х2,...,хг. К этой системе приме­нимо правило Крамера, и поэтому она обладает единственным реше­нием с-у, с2,..., сг; очевидно, что система чисел сг, с2,..., сп сг+1,..., сп будет служить решением системы (2). Так как значения сг+1,...,сп для неизвестных хг + 1,..., хп, называемых свободны­ми неизвестными, мы могли выбирать произвольным образом, то этим путем будет пол учено бесконечно многоразличных решений системы (2).

С другой стороны, всякое решение системы (2) может быть по­лучено указанным путем: если дано некоторое решение съ с2,..., сп системы (2), то в качестве значений для свободных неизвестных берем числа сг+1,..., сп. Тогда числа сх, с2, • •., сг будут удовле­творять системе (3) и поэтому будут составлять то единственное решение этой системы, которое вычисляется по правилу Крамера.

Все сказанное выше объединяется в виде следующего правила решения произвольной системы линейных урав­нений:

Пусть дана совместная система линейных уравнений (1) и пусть матрица из коэффициентов А имеет ранг г. Выбираем в А г линейно независимых строк и оставляем в системе (1)

лишь уравнения, коэффициенты которых вошли в выбранные строки. В этих уравнениях оставляем в левых частях такие г неизвестных, что определитель из коэффициентов при них от­личен от нуля, а остальные неизвестные объявляем свободными и переносим в правые части уравнений. Давая свободным неиз­вестным произвольные числовые значения и вычисляя значения остальных неизвестных по правилу Крамера, мы получим все решения системы (1).

Дополнительно еще раз формулируем следующий полученный нами результат:

Совместная система (1) тогда и -только тогда обладает единственным решением, если ранг матрицы А равен числу не­известных.

Примеры. 1. Решить систему

Ранг матрицы из коэффициентов равен двум: минор второго порядка, стоящий в левом верхнем углу этой матрицы, отличен от нуля, но оба минора третьего порядка, его окаймляющие, равны нулю. Ранг расширенной матрицы равен трем, так как

5—17

2 1 1 =— 35 #0.

10 —3 0

Отсюда следует, что система несовместна.

1. Решить систему

Раиг матрицы из коэффициентов равен двум, т. е. равен числу неизвест­ных; ранг расширенной матрицы также равен двум. Таким образом, система совместна и обладает единственным решением. Левые части первых двух уравнений линейно независимы; решая систему этих двух уравнений, мы получим для неизвестных значения

Система совместная, так как ранг расширенной матрицы, как и ранг матрицы из коэффициентов, равен двум. Левые части первого и третьего уравнений линейно независимы, так как коэффициенты при неизвестных хг

*1—17.

Легко видеть, что это решение удовлетворяет и третьему уравнению. 3. Решить систему

и xs составляют отличный от нуля минор второго порядка. Решаем систему из этих двух уравнений, причем неизвестные x3,xit хъ считаем свободными, переносим в правые части уравнений и предполагаем, что им уже приданы некоторые числовые значения. Мы получим, применяя правило Крамера:

5,1 3 Х 1 ^ 44 хз ^ xi хь >

1, 7, 7 х2 = — *8 ^~7 *4'

Эти равенства определяют общее решение заданной системы: давая в них свободным неизвестным произвольные числовые значения, мы получим все решения нашей системы. Так, решениями нашей системы будут, например,

векторы (2, 5, 3, G, 0), (3, 5, 2, 1, —2), ^0, —, —1, 1, и т. д. С другой

стороны, подставляя выражения для х1 и х% из общего решения в любое из уравнений системы, например во второе, ранее исключенное из рассмо­трения, мы получим тождество.

11 Решить систему

4*i+ х3 —2*3+ *4 = 3, х1—2х3 «3 + 2*4= 2,

2*! +5jc2 — *4 = —1,

+ 3#2 *3 3*4 ==а 1.

Хотя число уравнений равно числу неизвестных, но определитель системы равен нулю и поэтому правило Крамера неприменимо. Ранг матрицы из коэффициентов равеи трем—в правом верхнем углу этой матрицы располо-. жен отличный от нуля минор третьего порядка. Ранг расширенной матрицы также равен трем, т. е. система совместна. Рассматривая лишь первые три уравнения и считая неизвестное *х свободным, мы получим общее решение в виде

12 8,9

*2— g" g- Х1' Х3— —+ Х1> #4 — 0-

12 Пусть дана система, состоящая из п +1 уравнений относительно п неизвестных. Расширенная матрица А этой системы будет квадратной порядка п+1. Если наша система совместна, то, по теореме Кронекера—Капелли, определитель матрицы А должен быть равный нулю.

Так, пусть дан? система

*i—8*2=» 3,

2*1+ *2“ 1,

4*!+ 7 *2 = —4.

Определитель из коэффициентов и свободных членов этих уравнений отличен от нуля!

2. —8 3

3. 1 1 4 7—4

поэтому система несовместна.

Обратное утверждение не будет, вообще говоря, справедливым! из равенства нулю определителя матрицы А не следует совпадение рангов матриц А и А.

; —77,

§ 12. Системы линейных однородных уравнений

Применим результаты предшествующего параграфа к случаю системы линейных однородных уравнений:

й11*1 ~Ь «12*2 «1л* л “

«21*1 + «22*2 +•••+ 02пХп = О,

«$ 1*1 + «, 2*2 +... + «*„*„ = 0.

Из теоремы Кронекера—Капелли вытекает, что эта система всегда совместна, так как добавление столбца из нулей не может повысить ранга матрицы. Это, впрочем, видно и непосредственно — система'(1) заведомо обладает нулевым решением (0, 0,

Пусть матрица А из коэффициентов системы (1) имеет ранг г. Если г = п, то нулевое petumue бужет единственным решением системы (\)\приг<.п система обладает также решениями, от­личными от нулевого, и для разыскания всех этих решений примет няется тот же прием, как выше в случае произвольной системы уравнений. В частности, система п линейных однородных уравне­ний с п неизвестными тогда и только тогда обладает решениями, отличными от нулевого, если определитель этой системы равен нулю1). В самом деле, равенство нулю этого определителя равносильно утверждению, что ранг матрицы А меньше п. С другой стороны, если в системе однородных уравнений число уравнений меньше числа неизвестных, то система непременно обладает решениями, отличными от нулевого, так как ранг в этом случае не может быть равным числу неизвестных; этот результат уже был получен в § 1 из других соображений.

Рассмотрим, в частности, случай системы, состоящей из п — 1 однород­ных уравнений относительно п неизвестных, причем предположим, что ле­вые части этих уравнений между собой линейно незави­симы. Пусть

/«11 «12 * * *«1л Д t=[ «S1 « •••«2 п

\«Л^1, 1 «И —1,9 «Л-1,!>

13 матрица из коэффициентов этой системы; через М{ обозначим минор (п — 1)-го порядка, получающийся после вычеркивания из матрицы А ее

г-го столбца, /=1,2 п. Тогда одним из решений нашей системы


1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |

Поиск по сайту:



Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.053 сек.)