Istnienie rozwiązań układu równań liniowych

Definicja

Rozwiązać układ równań liniowych, to znaczy wyznaczyć zbiór jego rozwiązań, a więc podać zbiór ciągów spełniających układ lub uzasadnić, że ten zbiór jest pusty (nie istnieje żadne jego rozwiązanie).

Istnienie i ilość rozwiązań takiego układu rozstrzyga twierdzenie pochodzące od Kroneckera i Capellego:

Twierdzenie

Dany jest układ m równań liniowych o n niewiadomych Am x n ⋅ Xn = Bm . Ten układ ma rozwiązanie jedynie wtedy, gdy rząd macierzy Am x n współczynników układu jest równy rzędowi macierzy uzupełnionej [Am x n | Bm ], czyli: R(A) = R([A|B]) = r.

Twierdzenie to rozstrzyga problem istnienia rozwiązań. Z niego wynika, że jeśli te rzędy nie są równe, to układ nie ma rozwiązań.

Przykład 1.

2 x + 3 y = 5

Układ 

nie ma rozwiązań, bo

4 x + 6 y = 8

2 3

a) macierz współczynników A = 

 można przekształcić (operacje elementarne –

4 6

2 3

1 0

od w2 odejmujemy 2 w1) do postaci 

 , i dalej 

 , a więc jej rząd jest 1.

0 0

0 0

2 3 5

2 3 5

b) macierz uzupełnioną [A|B] = 

 przekształcamy do postaci 

 ,

4 6 8

0 0 8

1 0 0

i dalej 

 co oznacza, że jej rząd jest 2.

0 1 0

Przykład 2.

 2 x + 3 y = 5

Natomiast układ 

ma rozwiązanie, bo:

4 x + 6 y = 10

1

2 3

2 3

a) macierz współczynników A = 

 można przekształcić do postaci 

 , co

4 6

0 0

oznacza, że jej rząd jest 1;

2 3

5 

2 3 5

b) macierz uzupełnioną [A|B] = 

 można przekształcić do postaci 

 ,

4 6 10

0 0 0

co oznacza, że jej rząd jest 1.

Przykład 3.

 x + 2 y = 3

 2 x − y =1

Układ równań liniowych 

ma rozwiązanie, bo macierz

 3 x + y = 4

 x − 3 y = −2

1

2 

5

0 









2

−1

2

−1

współczynników 

 doprowadzimy do postaci 

 oraz macierz uzupełnioną





3

1





0

0









1 − 

3

0

0 

1

2

3 

5

0

5

0

0

5













2

−1 1

2

−1 1

2

−1 0



 doprowadzimy do postaci 

 i dalej 

 .





3

1

4





0

0

0





0

0

0













1 − 3 − 2

0

0

0

0

0

0

Nietrudno zauważyć, że obie macierze mają rząd równy 2.

2