Sistem de ecuații liniare

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - "Sistem liniar" se referă aici. Dacă sunteți în căutarea conceptului de sistem liniar în teoria sistemelor , consultați Sistemul dinamic liniar .

În matematică și în special în algebra liniară , un sistem de ecuații liniare , numit și sistem liniar , este un sistem compus din mai multe ecuații liniare care trebuie verificate toate în același timp. O soluție a sistemului este un vector ale cărui elemente sunt soluțiile ecuațiilor care alcătuiesc sistemul, adică astfel încât, dacă sunt substituite necunoscutelor, fac ecuațiile identităților .

Definiție

Un sistem de ecuații liniare este un set de ecuații liniare în necunoscute, care pot fi scrise după cum urmează: [1] [2]

Numarul dintre necunoscute se mai numește și ordinea sistemului.

Dacă termenii cunoscuți toate sunt nule și se spune că sistemul este omogen .

A -upla a elementelor din domeniu este o soluție a sistemului dacă satisface toate ecuații. [3]

Se spune că două sisteme sunt echivalente dacă au același set de soluții. În special, două sisteme liniare sunt echivalente dacă fiecare ecuație a unuia este o combinație liniară a ecuațiilor celeilalte. [4]

Forma matricei

În notația oficială, sistemul este scris:

Prin definirea vectorilor coeficienților:

și vectorul de termeni cunoscuți:

sistemul este echivalent cu combinația liniară: [1]

Definire vectorul de necunoscute:

fiecare ecuație este echivalentă cu un produs scalar standard: [5]

Dacă sistemul este omogen, vectorul necunoscutelor este deci ortogonal cu vectorii coeficienților.

Folosind matricile și produsul scalar dintre matrice (produs rând cu coloană) putem separa coeficienții, necunoscutele și termenii cunoscuți ai sistemului, scriindu-l după cum urmează:

Acum dacă este matricea dintre coeficienți:

dintre care de fapt sunt coloanele, cu definițiile vectorului necunoscutelor și ale termenilor cunoscuți, sistemul este în cele din urmă scris sub formă de matrice:

Matrice completă

Sistemul poate fi descris folosind matricea completă:

respectiva matrice asociată sistemului. Se obține din juxtapunerea matricei coeficienților și a vectorului termenilor cunoscuți.

Matricile Și sunt numite respectiv incomplete (sau matrice de coeficienți) și matrice completă (sau tivită ). Numerele sunt necunoscutele, numerele sunt coeficienții și numerele termeni cunoscuți. Coeficienții și termenii cunoscuți sunt elemente ale unui câmp , cum ar fi cel format din numere reale sau complexe .

Caracteristici

Gradul unui sistem de ecuații polinomiale este definit ca produsul gradelor ecuațiilor care îl compun. Deci, un sistem liniar este un sistem polinomial de gradul I.

În general, un sistem liniar poate fi:

  • Determinat , când are o singură soluție.
  • Imposibil , atunci când nu există nicio soluție.
  • Nedeterminat , când are soluții infinite.
  • Numeric , când soluțiile sunt reprezentate prin numere .
  • Literal , atunci când soluțiile sunt reprezentate prin expresii literale.
  • Omogen , când termenii cunoscuți sunt zero.

Dacă câmpul a apartenenței coeficienților și a termenilor cunoscuți ai unui sistem de comandă este infinit, există trei posibilități: există o singură soluție, nu există soluții sau există infinit. Teorema care afirmă acest fapt și care permite stabilirea dacă și câte soluții există fără rezolvarea sistemului este teorema Rouché-Capelli . Dacă există soluții, acestea formează un subspatiu afin de .

Sistemul omogen asociat

Luați în considerare operația liniară:

Nucleul este spațiul soluțiilor sistemului omogen asociat, în timp ce imaginea este spațiul generat de coloane . Prin teorema rangului rezultă că dimensiunea spațiului soluției plus rangul pe coloane ale este egal cu .

Deoarece vectorul necunoscutelor este ortogonal cu vectorii de rând ai matricei coeficienților, spațiul soluției este complementul ortogonal al subspaiului generat de rândurile de . Prin urmare, suma dimensiunilor respective trebuie să fie egală cu .

Din cele două afirmații anterioare se concluzionează că rangul pe rânduri este egal cu rangul pe coloane și că spațiul soluțiilor are dimensiune . [5] Spațiul soluției este, prin urmare, un subspațiu vectorial al dimensiunii .

Spațiul soluțiilor

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Teorema Rouché-Capelli .

Sistemul admite soluția dacă și numai dacă vectorul este imaginea vectorială obținută prin aplicare liniară definit astfel:

Imaginea lui este generat de vectorii dați de coloanele lui , și apoi este în imagine dacă și numai dacă întinderea coloanelor din conține , adică dacă și numai dacă spațiul generat de coloanele din este egal cu spațiul generat de coloanele din . În mod echivalent, sistemul admite soluția dacă și numai dacă cele două matrice au același rang, așa cum este stabilit de teorema Rouché-Capelli.

Dacă există o soluție , orice altă soluție este scrisă ca , unde este este o soluție a sistemului liniar omogen asociat: [6]

Intr-adevar:

Spațiul soluțiilor, obținut prin traducerea nucleului cu vectorul , este deci subspatiul afin dat de:

Dimensiunea spațiului soluției sistemului complet este egală cu dimensiunea spațiului soluției sistemului omogen asociat. [7] Prin teorema Rouché-Capelli această soluție este unică dacă și numai dacă rangul matricei Și . Altfel dacă câmpul este infinit, există soluții infinite, iar acestea formează un subspatiu vectorial al , având ca dimensiune nulitatea a matricei.

Instrumente de rezoluție

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Sistem de ecuații .

Dat fiind un sistem liniar în formă

unde este este vectorul coloană al necunoscutelor, este vectorul coloană al termenilor cunoscuți și este matricea coeficienților și este pătrată și inversabilă , soluția este unică și este egală cu produsul :

unde este este inversul . Calculul matricei inverse este adesea complicat și împovărător din punct de vedere al calculului, motiv pentru care un sistem liniar nu este rezolvat în mod normal prin calcularea directă a matricei inverse.

Regula lui Cramer are o mare importanță teoretică pentru sistemele liniare, dar nu este utilizată în practică din motive similare.

Metoda de eliminare gaussiană , care se bazează pe metoda de reducere, este de uz general pentru sistemele cu mii de ecuații.

Metoda de reducere

Metoda de reducere este specifică pentru sistemele liniare. Procedura constă în înlocuirea uneia dintre ecuațiile sistemului cu o combinație liniară adecvată a două ecuații ale aceluiași sistem, obținându-se un sistem echivalent cu cel dat. Mai exact, dacă două linii sunt exprimate ca produsul unor sub-matrici adecvate ale coeficienților și vectorul x al soluțiilor, acesta este

atunci este posibil să înlocuiți unul dintre cele două cu ecuația

.

unde este Și sunt două numere scalare , ambele diferite de zero.

Notă

  1. ^ a b Lang , p. 61 .
  2. ^ Hoffman, Kunze , p. 3 .
  3. ^ Hoffman, Kunze , p. 4 .
  4. ^ Hoffman, Kunze , p. 6 .
  5. ^ a b Lang , p. 176 .
  6. ^ Lang , p. 177 .
  7. ^ Lang , p. 178 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

Controlul autorității GND ( DE ) 4035826-4
Matematica Portalul de matematică : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de matematică