1

Układy równań liniowych

Definicja Układem m równań z n niewiadomymi x 1 , x 2 , . . . , xn , gdzie m, n ∈ N , nazywamy układ równań postaci:















a





11 x 1

+

a 12 x 2 + . . . + a 1 n xn

= b 1



























a





21 x 1

+

a 22 x 2 + . . . + a 2 n xn

= b 2

( ∗)

















. . .

. . .

. . .

. . .

. . .































a





m 1 x 1

+ am 2 x 2 + . . . + amn xn = bm





gdzie

aij ∈ R nazywamy współczynnikami układu, bi ∈ R

nazywamy wyrazami wolnymi ( i = 1 , 2 , . . . , m , j = 1 , 2 , . . . , n ).

2

Definicja

• Rozwiązaniem układu równań ( ∗) nazywamy ciąg liczb rzeczywistych x 1 , x 2 , . . . , xn , spełniających ten układ.

• Układ, który nie posiada rozwiązania nazywamy układem sprzecznym.

Uwaga

Układ ( ∗) można zapisać w postaci macierzowej: A X = B ,

gdzie



























a





x





b





11

a 12 . . .

a 1 n 



1 



1

































































a





x





b





21

a 22 . . .

a 2 n 



2 



2















A = 















X = 



B = 









































. . .

. . .

. . .

. . . 



. . . 



. . . 











































































a





x





b





m 1

am 2 . . . amn 



n 



m 

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

m = n i det A 6= 0 , czyli macierz główna układu ( ∗) jest macierzą kwadratową nieosobliwą (tym samym istnieje macierz

−

odwrotna

1

A

), to rozwiązania układu ( ∗) możemy poszukiwać

4

jako rozwiązania równania macierzowego

A X = B ,

tzn.

− 1

X = A

B .

Przykład

Metodą macierzy odwrotnej rozwiąż układ równań:















x

+ y − 2 z

= 3























y −

z

= − 1



























−



x

+ 2 z

= 5







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):

det A

det A

det A n

x

1

2

1 =

,

x 2 =

,

. . . ,

xn =

,

det A

det A

det A

gdzie macierz A i dla i = 1 , 2 , . . . , n powstaje z macierzy A w wyniku zastąpienia kolumny współczynników stojących przy niewiadomej xi kolumną wyrazów wolnych.

6

Przykład

Wyznacz x 2 z układu równań:















2 x





1

− 2 x 2 + x 3 + 3 x 4 = 5



























x





1

+ 3 x 2 − x 3

+

x 4 = 6

















3 x





1

−

x 2 − x 3

+

x 4 = 6



























x





1

+

x 2

+ 2 x 3 − x 4 = 2





7

3) Twierdzenie Kroneckera-Capelli

Rozważmy układ ( ∗) , gdzie w ogólności m 6= n .

Definicja

Macierz











a





11

a 12 . . .

a 1 n

b 1 























a





21

a 22 . . .

a 2 n

b 2 





U = A | B = 





















. . .

. . .

. . .

. . .

. . . 



























a





m 1

am 2 . . . amn

bm 

nazywamy macierzą rozszerzoną układu ( ∗) .

Twierdzenie

(Kroneckera-Capelli)

Układ ( ∗) ma rozwiązanie wtedy i tylko wtedy, gdy R(U) = R(A) .

Co więcej:

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)















3 x − y +

z

= 2





















x

+ y + 2 z = 1









b)















x

−

y

+ 3 z = 2























2 x + 7 y + 5 z = 1





























2 x − 2 y + 6 z = − 5







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)















3 x





1

+ 2 x 2 + 2 x 3 + 2 x 4 = 2



























2 x





1

+ 3 x 2 + 2 x 3 + 5 x 4 = 3



















9 x



1

+

x 2 + 4 x 3 − 5 x 4 = 1



























2 x





1

+ 2 x 2 + 3 x 3 + 4 x 4 = 5



























7 x





1

+

x 2 + 6 x 3 − x 4 = 7



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 ,

. . . ,

xn = 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.

11

Przykład

Dla jakich wartości parametru a układ ma rozwiązanie niezerowe?















x

+ ay − 3 z = 0























2 x +

y

+

z

= 0





























3 x + ay −

z

= 0





