3-ma’ruza chiziqli tenglamalar sistemasi va ularni yechish usullari. Kronekker-Kapelli teoremasi. Chiziqli algebraik tenglamalarni yechishda dasturlar majmuasidan foydalanish
Download 428.27 Kb. Pdf ko'rish
|
3-MARUZA
- Bu sahifa navigatsiya:
- Chiziqli tenglamalar sistemasining Gauss usuli
- 5-Misol.
- Chiziqli tenglamalar sistemasini teskari matritsa usulida yechish
- Chiziqli tenglamalar sistemasini tekshirish. Kroneker- Kapelli teoremasi.
- 3-Teorema. (Kroneker-Kapelli).
- Ma’vzu yuzasidan savollar
3-MA’RUZA Chiziqli tenglamalar sistemasi va ularni yechish usullari. Kronekker-Kapelli teoremasi. Chiziqli algebraik tenglamalarni yechishda dasturlar majmuasidan foydalanish. Ma’ruza rejasi: 1. Umumiy tushunchalar. 2. Chiziqli tenglamalar sistemasini yechishning Kramer usuli. 3. Chiziqli tenglamalar sistemasini yechishning Gauss usuli. 4. Chiziqli tenglamalar sistemasini yechishning Teskari matritsa usuli. 5. Kroneker- Kapelli teoremasi.
, ...
2 2 1 1 b x a x a x a n n
ko‘rinishdagi tenglamaga aytiladi, bu yerda i a va b – sonlar, i x - noma’lumlar. Shunday qilib, chiziqli tenglamaning chap tomonida no’malumlarning chiziqli kombinatsiyasi, o‘ng tomonida esa son turadi. Agar 0
b bo‘lsa, chiziqli tenglama bir jinsli, aks holda, ya’ni 0
bo‘lsa, bir jinsli bo‘lmagan tenglama deyiladi. Chiziqli tenglamalar sistemasi deb quyidagi ko‘rinishdagi sistemaga aytiladi: , ... ....
.......... .......... .......... .......... ... ...
2 2 1 1 2 2 2 22 1 21 1 1 2 12 1 11 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
bu erda , - sonlar, j x - noma’lumlar, n – noma’lumlar soni, m – tenglamalar soni (
, 1 ; , 1 ). Chiziqli tenglamalar sistemaining yechimi deb shunday sonlarga aytiladiki, bu sonlarni noma’lumlar o‘rniga quyilganda, sistemaning har bir tenglamasi o‘rinli tenglikka aylanadi. Agar chiziqli tenglamalar sistemasi hech bo‘lmaganda bitta yechimga ega bo‘lsa
tenglamalar sistemasi deyiladi. Shuningdek, agar birgalikda bo‘lgan tenglamalar sistemai yagona yechimga ega bo‘lsa aniqlangan, bittadan ko‘p yechimga ega bo‘lsa, aniqlanmagan tenglamalar sistemasi deb yuritiladi.
Ikkita chiziqli tenglamalardan iborat ushbu 11 12
21 22 2 , a x a y b a x a y b
(1) sistema ikki x va
y noma’lumli chiziqli tenglamalar sistemasi deyiladi, bunda 11 12
22 , , , a a a a sonlar tenglamalar sistemasining koeffitsientlari, 1
va
2 b sonlar ozod hadlar deyiladi. (1) sistemaning koeffitsientlaridan ushbu 11 12
22 a a a a
determinantni, so’ng bu determinantning birinchi ustunidagi elementlarni ozod hadlar bilan almashtirib 1 12 2 22
b a b a
determinantni, ikkinchi ustundagi elementlarni ozod hadlar bilan almashtirib 11 1
2 y a b a b
determinantlar hosil qilamiz.
Demak, (1) sistema berilgan holda har doim , ,
y
determinantlarga ega bo’lamiz.
11 12 1 21 22 2 , a x a y b a x a y b
(2) tenglamalar sistemasi berilgan bo’lsin. Agar 1) 0
bo’lsa, u holda (2) sistema yagona
, x y yechimga ega bo’lib, ,
bo’ladi; 2) 0
bo’lib, 0, 0 x y
bo’lsa, u holda (2) sistema yechimga ega bo’lmaydi; 3) 0
bo’lsa, u holda (2) sistema cheksiz ko’p yechimga ega bo’ladi. ◄ (2) sistemaning birinchi tenglamasini 22
ga, ikkinchi tenglamasini – 12
ga
ko’paytirib, so’ng ularni hadlab qo’shib topamiz: 11 22 12 22 22 1
21 12 12 22 12 2 11 22 12 21 22 1 12 2 , a a x a a y a b a a x a a y a b a a a a x a b a b
Keyingi tenglikdan х х
, ya’ni
х х
bo’lishi kelib chiqadi. Shuningdek, (2) sistemaning birinchi tenglamasini – 21
ga, ikkinchi tenglamasini 11
ga ko’paytirib, so’ng ularni hadlab qo’shib topamiz: 11 21 12 21 1 21 11 21
11 22 2 11
11 22 12 21 11 2 21 1
, .
a a y b a a a x a a y b a a a a a у a b a b
Bu tenglikdan у у
, ya’ni
у у
bo’lishi kelib chiqadi. Shunday qilib berilgan tenglamalar sistemasi quyidagi х у х у
ko’rinishga kelib, sistema 0
bo’lganda yagona yechimga ega bo’lib, ,
х х у
bo’ladi. Shunga o’xshash
0 bo’lganda sistema yechimga ega bo’lmasligi, 0
bo’lganda sistema cheksiz ko’p echimga ega bo’lishi ko’rsatiladi. ► 1-misol. Ushbu 2 3 1 3 5 4 x y x y
sistema yechilsin. ◄Bu sistema uchun , ,
y
larni topamiz: 2 3 1 3 2 1 10 9 1,
5 12 7, 8 3 5. 3 5
4 5 3 4 x y
Demak, 7 5 7, 5 1 1 у х х у
bo’ladi. ► 2-misol. Ushbu 5 2 4, 0,35 1,14
2 x y x y
sistema yechilsin. ◄Bu sistema uchun , ,
у
larni topamiz: 5 2 5 0,14
0,35 2 0, 7 0, 7 0 0,35
0,14 4 2 4 0,14
2 2 0,56 4 0. 2 0,14 х
Demak, berilgan sistema yechimga ega emas. ► Uchta chiziqli tenglamalardan iborat ushbu
11 12 13 1 21 22 23 2 31 32 33 3 , , , a x a y a z b a x a y a z b a x a y a z b
(3) sistema uchta ,
va
noma’lumli chiziqli tenglamalar sistemasi deyiladi, bunda 11 12
21 22 23 31 32 33 , , , , , , , ,
a a a a a a a а sonlar tenglamalar sistemasining koeffitsientlari, 1 2
, b b ва b sonlar ozod hadlar deyiladi.
( 3) sistemaning koeffitsientlaridan quyidagi 11 12 13 21 22 23 31 32 33 a a a a a a a a a
uchinchi tartibli determinantni hosil qilamiz. So’ng bu determinantning birinchi, ikkinchi va uchinchi ustunlarini mos ravishda ozod hadlar bilan almashtirib quyidagi determinantlarni tuzamiz: 1 12
11 1 13 11 12 1 2 22 23 21 2 23 21 22 2 3 32 33 31 3 33 31 32 3 , , . х y z b a a a b a a a b b a a a b a a a b b a a a b a a a b
Demak, (3) sistema berilgan holda har doim , , , x y z
determinantlarga ega bo’lamiz.
11 12 13 1 21 22 23 2 31 32 33 3 , , .
a y a z b a x a y a z b a x a y a z b tenglamalar sistemasi berilgan bo’lsin. Agar 1) 0
bo’lsa, u holda (3) sistema yagona , , x y z yechimga ega bo’lib, , ,
х z х у z bo’ladi; 2) 0
bo’lib, 0, 0 x y
bo’lsa, u holda (3) sistema yechimga ega bo’lmaydi; 3) 0
bo’lsa, u holda (3) sistema cheksiz ko’p yechimga ega bo’ladi. ◄Bu teoremaning isboti 2–teoremaning isboti kabidir. ► 3-misol. Ushbu 2 3 5, 2 7, 2 1
y z x y z x y z
◄Avvalo sistema koeffitsientlaridan tuzilgan determinantni hisoblaymiz: 2 3
1 1 2 2 12 1 ( 2) ( 4) 3 18 2 1
.
, ,
у z
determinantlarni hisoblaymiz:
3 1 7 1 2 5 6 7 1 10 21 8, 1 1 1 x
2 5 1 1 7 2 14 20 1 14 4 5
38, 2 1 1 y
2 3 5 1 1 7 2 42 5 10 14 3 40 2 1 1
z
.
Unda 8 4 18 9
х 38 19 18 9
у 40 20 18 9
z bo’ladi. ►
Yuqorida keltirilgan tenglamalar sistemasining yechimini topish usuli Kramer usuli deyiladi. Shu usul bilan n ta chiziqli tenglamalardan tuzilgan n ta
1 2 , , n х х х noma’lumli tenglamalar sistemasi 1 12 2 1 1 21 1 22 2 1 2 1 1
2 2 , , .............................................. ,
ni ham yechish mumkin. Chiziqli tenglamalar sistemasining Gauss usuli Biz endi chiziqli tenglamalar sistemasini yechishning Gauss usulini ko‘rib chiqamiz. Bu usulda noma’lumlarni ketma-ket yo‘qotish bilan yechim topildi. Bu usulni ko‘rishdan avval biz kengaytirilgan matritsa usulini ko‘rib chiqamiz. Bizga n o‘zgaruvchili quyidagi tenglamalar sistemasi berilgan bo‘lsin:
Bu sistemaning kengaytirilgan matritsasi deb quyidagi matritsaga aytiladi: Biz hozir berilgan sistemaning kengaytirilgan matritsasi qanday qurilishini ko‘rsatamiz. Quyidagi sistema berilgan bo‘lsin:
Uning kengaytirilgan matritsasi quyidagi ko‘rinishda bo‘ladi: Kengaytirilgan matritsani qurish uchun noma’lumlar koeffitsientlaridan tuzilgan matritsaning o‘ng tomoniga ozod hadlardan tuzilgan yangi ustun qo‘shiladi. Usulning asosiy goyasi berilgan sistemani unga teng kuchli bo‘lgan, lekin yechish oson bo‘lgan sistema bilan almashtirib, keyin hosil bo‘lgan sistemani yechishdan iborat. Yangi sistema odatda quyidagi amallarni bajarish natijasida bo‘ladigan bir nechta qadamlardan keyin hosil bo‘ladi: 1.
Tenglamani 0 dan farqli o‘zgarmas songa ko‘paytirish. 2.
Ikkita tenglamaning o‘rnini almashtirish. 3.
Bir tenglamaga karrali tenglamani ikkinchisiga qo‘shish. Kengaytirilgan matritsaning satrlari sistemadagi tenglamalarga mos kelgani uchun yuqoridagi uchta amal kengaytirilgan maritsa uchun quyidagicha bo‘ladi: 1.
Satrni 0 dan farqli o‘zgarmas songa ko‘paytirish. 2. Ikkita satrning o‘rnini almashtirish. 3. Bir satrga karrali satrni ikkichisiga qo‘shish. Bu amallar satrlar ustidaga elementar almashtirishlar deyiladi. Quyidagi misolni Yechish orqali bu amallarni qanday qo‘llanilishini ko‘rsatamiz. 4-Misol. Quyidagi tenglama berilgan:
Uning kengaytirilgan matritsasi quyidagi ko‘rinishda bo‘ladi: 1 – satr elementlarini -2 ga ko‘paytirib 2- satr mos elementlariga qo‘shsak:
hosil bo‘ladi. 1 – satr elementlarini -3 ga ko‘paytirib 3- satr mos elementlariga qo‘shsak:
bo‘ladi. 2- satr elementlarini ga ko‘paytiramiz:
1- satr elementlarini -3 ga ko‘paytirib 3- satr mos elementlariga qo‘shamiz:
2- satr elementlarini -2 ga ko‘paytiramiz:
1-
satr elementlarini -1 ga ko‘paytirib 1- satr mos elementlariga qo‘shamiz:
3- satr elementlarini ga ko‘paytirib 1-satr mos elementlariga qo‘shamiz va ga ko‘paytirib 2- satr mos elementlariga qo‘shamiz:
Demak, sistemaning yechimi x=1, y=2, z=3. Yechimning kengaytirilgan matritsasidan x=1, y=2, z=3 ekanligi ko‘rinib turadi. Matritsani bu shaklga keltirish uchun u quyidagi shartlarni bajarishi kerak: 1. Agar 1- satr faqat 0 elementlardan tashkil topmagan bo‘lsa uning 1- elementini 1 ga tenglab olamiz. Buning uchun uning elementlarini a 11 ga bo‘lib chiqamiz. 2.
Agar qandaydir satrlar faqat 0 lardan iborat bo‘lsa bu satrlar matritsaning pastki qismiga joylashtiriladi. 3. Elementlari 0 lardan iborat bo‘lmagan ketma-ket kelgan ikkita satrdan quyidagisining 1 ga teng elmenti yuqorisidagining 1 ga teng elementidan 1- ustun chapda joylashgan bo‘ladi. 4. 1-elementi mavjud ixtiyoriy ustunning boshqa elementlari 0 ga teng bo‘ladi. Endi kengaytirilgan matritsa ko‘rinishidagi quyidagi sistemalarni quraylik. 5-Misol.
O‘z-o‘zidan ko‘rinib turibdiki bu sistemaning yechimi x =5, y = -2, z =4 bo‘ladi. 6-Misol.
Kengaytirilgan matritsani quyidagi tenglamalar sistemasi ko‘rinishida yozamiz: Kengaytirilgan matritsaning 1 elementiga x 1 , x 2 , x 3 mos kelgani uchun ularni bazis elementlar deb ataymiz. x 4 esa erkli noma’lum deb ataladi. U holda sistemaning yechimi erkli o‘zgaruvchiga nisbatan quyidagicha topiladi:
Bundan ko‘rinib turibdiki erkli o‘zgaruvchi x 4 ning o‘rniga ixtiyoriy qo‘ysak bo‘ladi. U holda sistema quyidagi ko‘rinishda bo‘ladi:
Demak sistema cheksiz ko‘p yechimga ega. 7-Misol. Tenglamalar sistemasini Gauss usulida yeching:
11 3 3 2 4 4 9 2 3 z y x z y x z y x .
yo‘qotishdan iboratdir. Bu usulni qo‘llash oson bo‘lishi uchun 1-chi va 2-chi tenglamalarning o‘rnini almashtiramiz.
11 3 3 2 9 2 3 4 4 z y x z y x z y x . Endi 2-chi va 3-chi tenglamalardan x ni yo‘qotamiz. Buning uchun birinchi tenglamani 3 ga ko‘paytirib, ikkinchi tenglamadan, 2 ga ko‘paytirib, 3-chi tenglamadan ayiramiz va quyidagiga ega bo‘lamiz:
3 11 3 13 4 4
y z y z y x . 2-chi tenglamaga 3-chi tenglamani qo‘shib, 3-chi tenglamadan z ni yo‘qotamiz: 0 24 3 13 4 4 y z y z y x . Oxirgi tenglamadan 0
ekanligi kelib chiqadi. Bu qiymatni 2-chi tenglamaga qo‘yib z ni aniqlaymiz. Topilgan y va z ni 1-chi tenglamaga qo‘yib topamiz. z=3, x= 1. Shunday qilib, x = 1, y = 0, z = 3.
Chiziqli tenglamalar sistemasinini qaraylik (4) va quyidagicha belgilashlar kiritaylik:
nn n n n n a a a a a a a a a A ...
... ...
... ...
... ...
2 1 2 22 21 1 12 11 - sistemaning matritsasi, n x x x X ...
2 1 - noma’lumlar ustuni, n b b b B ...
2 1 - ozod hadlar ustuni. U holda (4) sistemani matritsaviy tenglama ko‘rinishida quyidagicha yozish mumkin: 1 1 11 1 12 2 1 2 2 21 1 22 2 2 1 1 2 2 . n n n n m n m m mn n a x a x a x a x a x a x a x a x A x a x a x a x a x
(5)
Faraz qilaylik А - xosmas matritsa bo‘lsin, u holda unga teskari 1
matritsa mavjud bo‘ladi. (5) tenglamaning har ikki tomonini 1
ga chapdan ko‘paytiraylik. . 1 1 B A AX A
Ma’lumki , 1
A A u holda B A EX 1 ,
EX ekanligidan . 1
A X Shunday qilib, (5) – matritsaviy tenglamaning yechimi, А matritsaga teskari matritsaning (4) sistemaning ozod hadlaridan iborat ustun matritsaga ko‘paytmasiga teng ekan.
Bizga n o‘zgaruvchili quyidagi tenglamalar sistemasi berilgan bo‘lsin: (6) Bu sistemaning kengaytirilgan matritsasi deb quyidagi matritsaga aytiladi: (7)
Yuqorida qaralgan noma’lumlari soni n ta, tenglamalari soni m ta bo‘lgan (6)
sistemani qaraylik. Uning koeffitsentlaridan tuzilgan (7)
matritsa va
ozod hadlar
qo‘shilishidan hosil
bo‘lgan kengaytirilgan matritsani qaraylik
, Ravshanki rangA ≤ rangB.
Zarurligi. (6) sistema birgalikda va x 1 =k 1 , x 2=
2 ,..., x n= k n va yechimga ega bo‘lsin, uholda quyidagi tengliklar to‘g‘ri bo‘ladi.
Yuqoridagi (6) chiziqli tenglamalar sistemasi birgalikda bo‘lishi uchun bu sistema matritsasi va kengaytirilgan matritsalar ranglari teng bo‘lishi zarur va etarli.
B matritsaning 1- ustunini k 1 ga, 2- ustunini k 2 ga va hokazo n ustunini k n ga
ko‘paytirib oxirgi ustunidan ayiramiz va B ga ekvivalent matritsa hosil qilamiz
Bu matritsaning oxirgi ustunini o‘chirish bilan A matritsaga kelamiz. Buning elementar almashtirishligini e’tiborga olsak: rangA=rangB. Yetarliligi.
bo‘lsin. U holda A matritsadagi chiziqli bog‘liq bo‘lmagan maksimal sondagi ustunlar B matritsada ham chiziqli bog‘liq bo‘lmaydi. Demak shunday k
koeffitsentlar topiladiki, B matritsaning oxirgi
ustuni bu
koeffitsentlarning A matritsa ustunlari bilan ko‘paytmasining yig‘indisiga teng. B matritsaning oxirgi ustuni (6) sistemaning oxirgi ustuni ekanligini hisobga olsak, Bu koeffitsentlar (6) sistemaning yechimi bo‘ladi. Demak A va B matritsalar rangining tengligi bu sistemaning birgalikda ekanligini keltirib chiqaradi.
Agar rangA=rangB=n bo‘lsa tenglamalar soni noma’lumlar soniga teng bo‘lib sistema yagona yechimga ega bo‘ladi.
bo‘lib k noma’lumlar erkli o‘zgaruvchi k lar orqali ifodalanadi va sistema cheksiz ko‘p yechimga ega bo‘ladi. Agar A va
kengaytirilgan B matritsalar ranglari teng bo‘lmasa, sistema yechimga ega bo‘lmaydi.
Agar (6) sistemada b 1
=b =... =b n =0 bo‘lsa sistema bir jinsli deb ataladi.
Bu systema doimo birgalikda, chunki kengaytirilgan B matritsa A matritsadan elementlari noldan iborat oxirgi ustun bilan farq qiladi va rangA=rangB. Agar rangA=n bo‘lsa sistema yagona x 1 =0, x 2 =0,..., x n =0 yechimga ega. rangA Yuqoridagi sistema nolmas yechimga ega bo‘lishi uchun bu sistemaning asosiy determinanti nolga teng bo‘lishi kerak, bu tasdiq rangA kuchli bo‘ladi.
1. Chiziqli tenglamalar sestimasi deganda nimani tushunasiz? 2. Chiziqli tenglamalar sestimasini yechishda teskari matritsa usulidan fodalanish uchun qanday shart bajarilishi kerak? 3. Chiziqli tenglamalar sestimasini yechishning Kramer usuli deganda nimani tushunasiz? 4. Chiziqli tenglamalar sestimasini yechishda matritsa rangi qanday vazifa bajaradi? 5. Chiziqli tenglamalar sestimasini yechishda Gauss usulini ating? Download 428.27 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling