background image

1

Układy równań liniowych

Definicja Układem

m

równań z

n

niewiadomymi

x

1

, x

2

, . . . , x

,

gdzie

m, n ∈ N

, nazywamy układ równań postaci:

()

a

11

x

1

+

a

12

x

2

. . .

+

a

1n

x

n

b

1

a

21

x

1

+

a

22

x

2

. . .

+

a

2n

x

n

b

2

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

a

m1

x

1

a

m2

x

2

. . .

a

mn

x

n

b

m

gdzie

a

ij

∈ R

nazywamy współczynnikami układu,

b

i

∈ R

nazywamy wyrazami wolnymi (

= 12, . . . , m

,

= 12, . . . , n

).

background image

2

Definicja

• Rozwiązaniem układu równań

()

nazywamy ciąg liczb rzeczywistych

x

1

, x

2

, . . . , x

, spełniających ten układ.

• Układ, który nie posiada rozwiązania nazywamy układem sprzecznym.

Uwaga

Układ

()

można zapisać w postaci macierzowej:

A X = B,

gdzie

A =

























a

11

a

12

. . .

a

1n

a

21

a

22

. . .

a

2n

. . .

. . .

. . .

. . .

a

m1

a

m2

. . .

a

mn

























X =

























x

1

x

2

. . .

x

n

























B =

























b

1

b

2

. . .

b

m

























background image

3

Definicja

• Macierz

A

nazywamy macierzą główną układu równań

()

.

• Macierz

X

nazywamy macierzą (kolumną) niewiadomych.

• Macierz

B

nazywamy macierzą (kolumną) wyrazów wolnych.

Rozwiązywanie układów równań liniowych

1) Metoda mcierzy odwrotnej

Jeżeli

n

i

det A 6= 0

, czyli macierz główna układu

()

jest macierzą kwadratową nieosobliwą (tym samym istnieje macierz

odwrotna

A

1

), to rozwiązania układu

()

możemy poszukiwać

background image

4

jako rozwiązania równania macierzowego

A X = B,

tzn.

X = A

1

B.

Przykład

Metodą macierzy odwrotnej rozwiąż układ równań:

x

y − 2z

= 3

y −

z

1

−x

+ 2z

= 5

background image

5

2) Wzory Cramera

Definicja

Układ

()

nazywamy układem Cramera, jeżeli macierz

główna

A

tego układu jest macierzą kwadratową nieosobliwą.

Twierdzenie

(Cramera)

Układ Cramera ma dokładnie jedno rozwiązanie. Rozwiązanie to

dane jest wzorami (Cramera):

x

1

=

det A

1

det A

,

x

2

=

det A

2

det A

,

. . . ,

x

n

=

det A

n

det A

,

gdzie macierz

A

i

dla

= 12, . . . , n

powstaje z macierzy

A

w

wyniku zastąpienia kolumny współczynników stojących przy niewiadomej

x

kolumną wyrazów wolnych.

background image

6

Przykład

Wyznacz

x

z układu równań:

2x

1

− 2x

2

+

x

3

+ 3x

4

= 5

x

1

+ 3x

2

x

3

+

x

4

= 6

3x

1

x

2

x

3

+

x

4

= 6

x

1

+

x

2

+ 2x

3

x

4

= 2

background image

7

3) Twierdzenie Kroneckera-Capelli

Rozważmy układ

()

, gdzie w ogólności

m 6n

.

Definicja

Macierz

U = A|B =

























a

11

a

12

. . .

a

1n

b

1

a

21

a

22

. . .

a

2n

b

2

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

a

m1

a

m2

. . .

a

mn

b

m

























nazywamy macierzą rozszerzoną układu

()

.

Twierdzenie

(Kroneckera-Capelli)

Układ

()

ma rozwiązanie wtedy i tylko wtedy, gdy

R(U) = R(A)

.

Co więcej:

background image

8

• jeżeli

R(U) = R(A) = n

(

n

-liczba niewiadomych), to układ

()

ma dokładnie jedno rozwiązanie,

• jeżeli

R(U) = R(A) = r < n

, to układ

()

ma nieskończenie

wiele rozwiązań zależnych od

n − r

parametrów.

Przykład

Rozwiąż następujące układy równań:

a)

3x − y +

z

= 2

x

+ 2= 1

b)

x

y

+ 3= 2

2+ 7+ 5= 1

2x − 2+ 65

background image

9

c)

x

1

x

3

x

4

= 5

x

1

− x

2

x

3

= 1

x

2

x

3

− x

4

= 0

x

1

x

2

x

3

= 3

d)

3x

1

+ 2x

2

+ 2x

3

+ 2x

4

= 2

2x

1

+ 3x

2

+ 2x

3

+ 5x

4

= 3

9x

1

+

x

2

+ 4x

3

− 5x

4

= 1

2x

1

+ 2x

2

+ 3x

3

+ 4x

4

= 5

7x

1

+

x

2

+ 6x

3

x

4

= 7

background image

10

Układy jednorodne

Definicja

Układ postaci

()

nazywamy układem jednorodnym,

jeżeli macierz wyrazów wolnych tego układu jest macierzą zerową.

Fakt

Układ jednorodny ma zawsze rozwiązanie. Co więcej:

• jeżeli

R(A) = n

(

n

-liczba niewiadomych), to układ jednorodny

ma dokładnie jedno rozwiązanie postaci

x

1

= 0,

x

2

= 0,

. . . ,

x

n

= 0.

Rozwiązanie to nazywamy rozwiązaniem zerowm.

• jeżeli

R(A) = r < n

, to układ

()

ma nieskończenie wiele

rozwiązań zależnych od

n − r

parametrów, przy czym zbiór

rozwiązań zawiera w sobie rozwiązanie zerowe.

background image

11

Przykład

Dla jakich wartości parametru

a

układ ma rozwiązanie

niezerowe?

x

ay − 3= 0

2+

y

+

z

= 0

3ay −

z

= 0