background image

 

 

SYSTEMS OF LINEAR EQUATIONS  II

Lecture 7

In this lecture we shall consider the Kronecker-Capelli Theorem, which 
allows us to determine whether a system of equations has a solution 
and if it does, whether it is unique. 

background image

 

 




m

n

mn

m

m

n

n

n

n

b

x

a

x

a

x

a

b

x

a

x

a

x

a

b

x

a

x

a

x

a

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

1

1

2

12

1

11

.

a

a

a

a

A

mn

m

n

1

1

11

m

mn

m

n

b

a

a

b

a

a

B

|

A

1

1

1

11

Kronecker – Capelli Theorem
The system of  m linear equations in n unknowns possesses a solution (it 
is said to be consistent) if and only if  the coefficient matrix A and the 
augmented matrix A|B have the same rank. 

rank A = rank A|B = r.

background image

 

 

(i) If the rank of both of the matrices  r  is equal to the number of 
unknowns n                             
                                            rank A = rank A|B = r = n, 
 then the solution is unique. 

 (ii) If the rank of both of the matrices r is smaller than the 
number of unknowns n,                           
                                            
rank A = rank A|B = r < n,
then  (n – r) of the unknowns may be assigned any values, the 
other  r unknowns are uniquely determined from the system. 
This system has infinitely many solutions, because its 
solutions depend on (n – r) parameters.

(iii) If  the rank of the coefficient matrix is smaller than the rank 
of the augmented matrix 
                                             rank A < rank A|B, 

  

then the system does not have a solution, it is said to be  
inconsistent

background image

 

 

Let  rank(A) = r. Then there can be at least one nonsingular  r x r 
matrix M  made from A .

The equations corresponding with the rows of M are called the 
basic equations, the other equations are the side equations.

The unknowns corresponding with the columns of M are called 
the basic unknowns, the other columns are the side 
unknowns

background image

 

 

Illustration of Kronecker-Capelli Theorem using
Gaussian Elimination.

background image

 

 

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

2

0

0

2

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

2

0

2

2

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

1

1

0

0

1

3

2

2

1

2

2

2

0

0

3

3

0

0

0

0

0

0

0

0

1

3

2

2

1

3

5

4

2

1

6

12

6

6

3

2

6

4

4

2

1

3

2

2

1

Gaussian Elimination gives

3

6

2

1

x

x

x

x

5

4

2

1

12

6

6

3

6

4

4

2

3

2

2

1

4

3

2

1

background image

 

 

The reduced row echelon form of A

means that rank A = rank A|B = 3, there are 4 unknowns so one of them will be
the parameter. 





1

x

0

x

p

x

2

p

2

x

0

0

1

x

0

x

2

p

2

x

4

3

2

1

4

3

1

Let   

x

2

 = p

 - parameter

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

2

0

0

2

1

If we cross out the second column
 the ranks: rank A = rank A|B  do not change, so 

x

2

 can be the parameter.

If we cross out the second column
 the ranks: rank A = rank A|B  do not change, so 

x

1

 can be the parameter.

Let   

x

1

 

= p

 - parameter





1

x

0

x

1

2

p

x

p

x

0

0

1

x

0

x

2

x

2

p

4

3

2

1

4

3

2

background image

 

 

background image

 

 

Other Examples

background image

 

 

Example

det A =0, because the third row is equal to the 
difference 
between the second and the first row  ( R2 = (R2 
–R1) )

Rank  A = 2  because 

1. The rank of A 

2.  The rank of A|B

0

0

0

0

6

3

3

0

5

1

2

1

6

3

3

0

6

3

3

0

5

1

2

1

So rank A|B = 2

background image

 

 

The system is consistent because rank A = rank A|B =2

The number of unknowns is 3, thus there is  (3 - 2 =1)  1 parameter, 
there is an infinite number of solutions.

How do we choose the parameter (the side unknown)?
It has to be in the column which if removed does not change the ranks.

It is either the third or second unknown, 

y = p

  or  

z = p

We choose the third one 

z = p

   and place it on the Right Hand 

Side of the equations.

background image

 

 

     Now we can 
     1) either continue the Gaussian Elimination procedure:

0

0

0

0

2

1

1

0

1

1

0

1

0

0

0

0

2

1

1

0

5

1

2

1

0

0

0

0

6

3

3

0

5

1

2

1



R

z

2

z

y

1

z

x

so



R

p

,

p

z

2

p

y

1

p

x

or

background image

 

 

2)  or  we  can reduce the original system to  a  'smaller' one 
                                 A* x* = B*        for   which    rank A* = rank A*|
B*.

because

let

1

2

2

1

A*

4

z

5

z

B*

this means that we cross out the last equation and use  

z = p

  as a parameter:

This system can be solved using methods for nonsingular systems.

background image

 

 

a)   the inverse matrix method

4

p

5

p

y

x

1

2

2

1

A*

4

p

5

p

)

(

y

x

1

*

A

b)  the Cramers Rule

4

p

2

5

p

1

Det

Det

1

y

1

4

p

2

5

p

Det

Det

1

x

*

A

*

A

background image

 

 

TASK
Find the relationship between the number of solutions and the 
value of the parameter p.

p

p

p

A

3

2

2

3

p

p

p

p

p

B

A

2

3

2

2

2

3

|

 

det A = p

- 3p - 4= (p - 4)(p + 1)

p

y

p

x

p

y

p

px

2

)

3

(

2

2

)

2

3

(

1)  det A = 0    iff    p= -1 or  p = 4

If  p ≠ 4, and p ≠ -1  then   det A ≠ 0,
thus  rank A = 2,  also  rank A|B = 2,    so there is  one 
solution.

background image

 

 

2)                     For p = 4: 

7

2

14

4

4

3

2

2

4

3

4

A

2

2

2

1

1

1

1

2

1

3

2

1

2

2

1

3

1

)

(

)

(

B

|

A

3)                     For p= -1:

2

2

1

1

1

3

2

2

1

3

1

)

(

A

8

7

2

6

14

4

4

2

4

3

2

4

2

2

4

3

4

B

|

A

p

p

p

p

p

B

|

A

2

3

2

2

2

3

Rank A = 1    and    rank A|B = 2    so     there are no solutions

Rank A = 1,  rank A|B = 1, there is an infinite number of solutions
dependent on one parameter.

background image

 

 

Answer: 

For p \in R \ { 4, -1} the system has a unique solution,
for p = 4   it is inconsistent – there are no solutions 
for p = -1  there is an infinite number of solutions

background image

 

 

Definition
A system of equations is called homogeneous when all the constants 
are equal to zero, otherwise the system is called non homogeneous.

From the fact that a non-singular system has a unique solution we 
conclude: 
the  obvious  zero solution is the only solution of a homogeneous 
system when it is non-singular.  



0

x

a

x

a

x

a

0

x

a

x

a

x

a

0

x

a

x

a

x

a

n

mn

2

2

m

1

1

m

n

n

2

2

22

1

21

n

n

1

2

12

1

11

background image

 

 

The necessary condition for a homogeneous 
system to have a non zero solution is that, it  IS 
singular, i.e   
                                         det A  = 0. 


Document Outline