Однородные системы линейных алгебраических уравнений

Однородная система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) — это система, у которой все свободные члены равны нулю. Такие системы имеют важное теоретическое и практическое значение.

Основные свойства однородных СЛАУ

  • Однородная система всегда совместна, так как всегда имеет, по крайней мере, одно решение — тривиальное (когда все неизвестные равны нулю).
  • Если определитель матрицы системы (квадратной) не равен нулю, система является определённой, и тривиальное решение будет единственным.
  • Нетривиальные (ненулевые) решения возникают, когда определитель системы равен нулю, и система становится неопределённой.

Для того чтобы однородная система имела нетривиальное решение, необходимо и достаточно, чтобы её определитель равнялся нулю.

Пример решения методом Гаусса (система 3x3)

Рассматривается система трёх уравнений с тремя неизвестными. В процессе преобразования расширенной матрицы методом Гаусса одна из строк обнуляется, что указывает на равенство определителя нулю.

  • После исключения нулевой строки получается система из двух уравнений с тремя неизвестными, которая является неопределённой.
  • Одна из переменных выбирается в качестве свободного параметра (например, x₃ = t).
  • Остальные переменные выражаются через этот параметр:
    • Из второго уравнения: x₂ = -2t.
    • Из первого уравнения после подстановки: x₁ = 3t.
  • Решение проверяется подстановкой в исходные уравнения.
  • Общее решение записывается в виде: (x₁, x₂, x₃) = (3t, -2t, t), где t ∈ R (любое действительное число).

Пример решения (система 4x4)

Для системы четырёх уравнений с четырьмя неизвестными преобразуется только матрица коэффициентов, так как столбец свободных членов нулевой.

  • После приведения матрицы к упрощённому виду получаются две одинаковые строки, которые обнуляются вычитанием.
  • Итоговая система содержит два уравнения с четырьмя неизвестными.
  • В качестве свободных переменных (параметров) выбираются x₃ = t и x₄ = s.
  • Остальные переменные выражаются через параметры:
    • Из второго уравнения: x₂ = 5t - 4s.
    • Из первого уравнения после подстановки: x₁ = -11t + 7s.
  • Общее решение: (x₁, x₂, x₃, x₄) = (-11t + 7s, 5t - 4s, t, s), где t, s ∈ R.

Структура общего решения

  • Количество свободных параметров в общем решении равно разности между количеством неизвестных и количеством ненулевых уравнений в конечной ступенчатой системе. Эта разность равна рангу матрицы системы.
    • В первом примере: 3 неизвестных - 2 уравнения = 1 параметр.
    • Во втором примере: 4 неизвестных - 2 уравнения = 2 параметра.
  • В матричной записи вектор-столбец решений представляется в виде линейной комбинации базисных векторов, количество которых равно количеству свободных параметров. Коэффициентами этой комбинации служат сами параметры.