Матричный способ решения системы трех линейных уравнений

Решение СЛАУ методом обратной матрицы

Напомним, что решением системы линейных уравнений называется всякая совокупность чисел 1, x₂, . x_n> , подстановка которых в эту систему вместо соответствующих неизвестных обращает каждое уравнение системы в тождество.
Система линейных алгебраических уравнений обычно записывается как (для 3-х переменных):

2x1-3x2+x3 = 4 -x1+2x2+5x3 = 10 3x1-x2+3x3 = -1

или

2x-3y+z = 4 -z+2y+5z = 10 3x-y+3z = -1

См. также Решение матричных уравнений.

Алгоритм решения

1. Вычисляется определитель матрицы A . Если определитель равен нулю, то конец решения. Система имеет бесконечное множество решений.
2. При определителе отличном от нуля, через алгебраические дополнения находится обратная матрица A -1 .
3. Вектор решения X =1, x₂, . x_n> получается умножением обратной матрицы на вектор результата B .

Пример №1 . Найти решение системы матричным методом. Запишем матрицу в виде:

2 3 1 -2 1 0 1 2 -2

Вектор B:
B T = (3,-2,-1)
Система будет иметь решение, если определитель матрицы A отличен от нуля.
Найдем главный определитель.
∆ = 2•(1•(-2)-2•0)-(-2•(3•(-2)-2•1))+1•(3•0-1•1) = -21
Итак, определитель -21 ≠ 0, поэтому продолжаем решение. Для этого найдем обратную матрицу через алгебраические дополнения.
Транспонированная матрица

A T =

2 -2 1 3 1 2 1 0 -2

Алгебраические дополнения.

A1,1 = (-1) 1+1

1 2 0 -2

∆1,1 = (1•(-2)-0•2) = -2

A1,2 = (-1) 1+2

3 2 1 -2

∆1,2 = -(3•(-2)-1•2) = 8

A1,3 = (-1) 1+3

3 1 1 0

∆1,3 = (3•0-1•1) = -1

A2,1 = (-1) 2+1

-2 1 0 -2

∆2,1 = -(-2•(-2)-0•1) = -4

A2,2 = (-1) 2+2

2 1 1 -2

∆2,2 = (2•(-2)-1•1) = -5

A2,3 = (-1) 2+3

2 -2 1 0

∆2,3 = -(2•0-1•(-2)) = -2

A3,1 = (-1) 3+1

-2 1 1 2

∆3,1 = (-2•2-1•1) = -5

A3,2 = (-1) 3+2

2 1 3 2

∆3,2 = -(2•2-3•1) = -1

A3,3 = (-1) 3+3

2 -2 3 1

∆3,3 = (2•1-3•(-2)) = 8

Обратная матрица:

A -1 = -1/21

-2 8 -1 -4 -5 -2 -5 -1 8

Вектор результатов X = A -1 • B

X = -1/21 -2 8 -1 -4 -5 -2 -5 -1 8 · 3 -2 -1

X T = (1,0,1)
x₁ = -21 / _-21 = 1
x₂ = 0 / _-21 = 0
x₃ = -21 / _-21 = 1
Проверка:
2•1+3•0+1•1 = 3
-2•1+1•0+0•1 = -2
1•1+2•0+-2•1 = -1

Запишем матрицу в виде:

Вектор B:
B T = (1,2,3,4)
Главный определитель
Минор для (1,1):

= 3•(3•2-6•2)-5•(3•2-6•1)+7•(3•2-3•1) = 3
Определитель минора
∆ = 2•(-3)-3•0+5•3-4•3 = -3

Вектор результатов X
X = A -1 ∙ B

Пример №3 . Систему уравнений записать в матричной форме и решить ее с помощью обратной матрицы. Сделать проверку полученного решения.
Решение:xls

Пример №4 . Записать систему уравнений в матричной форме и решить с помощью обратной матрицы.
Решение:xls

Пример №5 . Дана система трех линейных уравнений с тремя неизвестными. Требуется: 1) найти ее решение с помощью формул Крамера; 2) записать систему в матричной форме и решить ее средствами матричного исчисления.
Методические рекомендации. После решения методом Крамера, найдите кнопку «Решение методом обратной матрицы для исходных данных». Вы получите соответствующее решение. Таким образом, данные вновь заполнять не придется.
Решение. Обозначим через А — матрицу коэффициентов при неизвестных; X — матрицу-столбец неизвестных; B — матрицу-столбец свободных членов:

-1 3 0 3 -2 1 2 1 -1

Вектор B:
B T =(4,-3,-3)
С учетом этих обозначений данная система уравнений принимает следующую матричную форму: А*Х = B.
Если матрица А — невырожденная (ее определитель отличен от нуля, то она имеет обратную матрицу А -1 . Умножив обе части уравнения на А -1 , получим: А -1 *А*Х = А -1 *B, А -1 *А=Е.
Это равенство называется матричной записью решения системы линейных уравнений. Для нахождения решения системы уравнений необходимо вычислить обратную матрицу А -1 .
Система будет иметь решение, если определитель матрицы A отличен от нуля.
Найдем главный определитель.
∆=-1•(-2•(-1)-1•1)-3•(3•(-1)-1•0)+2•(3•1-(-2•0))=14
Итак, определитель 14 ≠ 0, поэтому продолжаем решение. Для этого найдем обратную матрицу через алгебраические дополнения.
Пусть имеем невырожденную матрицу А:

A=	a11 a12 a13 a21 a22 a23 a31 a32 a33

Тогда:

A=1/∆

A11 A21 A31 A12 A22 A32 A13 A23 A33

где A_ij — алгебраическое дополнение элемента a_ij в определителе матрицы А, которое является произведением (—1) i+j на минор (определитель) n-1 порядка, полученный вычеркиванием i-й строки и j-го столбца в определителе матрицы А.
Транспонированная матрица

A T =

-1 3 2 3 -2 1 0 1 -1

Вычисляем алгебраические дополнения.

A1,1=(-1) 1+1

-2 1 1 -1

∆_1,1=(-2•(-1)-1•1)=1

A1,2=(-1) 1+2

3 1 0 -1

∆_1,2=-(3•(-1)-0•1)=3

A1,3=(-1) 1+3

3 -2 0 1

∆_1,3=(3•1-0•(-2))=3

A2,1=(-1) 2+1

3 2 1 -1

∆_2,1=-(3•(-1)-1•2)=5

A2,2=(-1) 2+2

-1 2 0 -1

∆_2,2=(-1•(-1)-0•2)=1

A2,3=(-1) 2+3

-1 3 0 1

∆_2,3=-(-1•1-0•3)=1

A3,1=(-1) 3+1

3 2 -2 1

∆_3,1=(3•1-(-2•2))=7

A3,2=(-1) 3+2

-1 2 3 1

∆_3,2=-(-1•1-3•2)=7

A3,3=(-1) 3+3

-1 3 3 -2

∆_3,3=(-1•(-2)-3•3)=-7
Обратная матрица

A -1 =1/14

1 3 3 5 1 1 7 7 -7

Вектор результатов X
X=A -1 • B

X=1/14 1 3 3 5 1 1 7 7 -7 · 4 -3 -3

X=1/14

-3))

X=1/14

-14 14 28

X T =(-1,1,2)
x₁= -14 / ₁₄=-1
x₂= 14 / ₁₄=1
x₃= 28 / ₁₄=2
Проверка.
-1•-1+3•1+0•2=4
3•-1+-2•1+1•2=-3
2•-1+1•1+-1•2=-3
doc:xls
Ответ: -1,1,2.

Пример №6 . Решить неоднородную систему линейных алгебраических уравнений методом обратной матрицы.

Источник

Квадратные СЛАУ. Матричный метод решения

С помощью данного метода можно находить решение только для квадратных СЛАУ.

Матричный метод решения

Запишем заданную систему в матричном виде:

Если матрица $$A$$ невырождена, то тогда с помощью операций над матрицами выразим неизвестную матрицу $$X$$ . Операция деления на множестве матриц заменена умножением на обратную матрицу, поэтому домножим последнее равенство на матрицу $A^<-1>$ слева:

$$A^ <-1>A X=A^ <-1>B \Rightarrow E X=A^ <-1>B \Rightarrow$$ $$X=A^ <-1>B$$

Поэтому, чтобы найти неизвестную матрицу $$X$$ надо найти обратную матрицу к матрице системы и умножить ее справа на вектор-столбец свободных коэффициентов.

Данный метод удобно применять тогда, когда нужно решить много одинаковых систем с разными правыми частями.

Примеры решения систем уравнений

Задание. Найти решение СЛАУ $\left\<\begin 5 x_<1>+2 x_<2>=7 \\ 2 x_<1>+x_<2>=9 \end\right.$ матричным методом.

$$X=\left(\begin x_ <1>\\ x_ <2>\end\right)=A^ <-1>B=\left(\begin 1 & -2 \\ -2 & 5 \end\right) \cdot\left(\begin 7 \\ 9 \end\right)=$$ $$=\left(\begin -11 \\ 31 \end\right) \Rightarrow\left(\begin x_ <1>\\ x_ <2>\end\right)=\left(\begin -11 \\ 31 \end\right)$$

Две матрицы одного размера равны, если равны их соответствующие элементы, то есть в итоге имеем, что $x_<1>=-11, x_<2>=31$

Ответ. $x_<1>=-11, x_<2>=31$

Квадратные СЛАУ. Матричный метод решения не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!

Задание. Решить с помощью обратной матрицы систему $\left\<\begin 2 x_<1>+x_<2>+x_<3>=2 \\ x_<1>-x_<2>=-2 \\ 3 x_<1>-x_<2>+2 x_<3>=2 \end\right.$

Решение. Запишем данную систему в матричной форме:

где $A=\left(\begin 2 & 1 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \\ 3 & -1 & 2 \end\right)$ — матрица системы, $X=\left(\beginx_ <1>\\ x_ <2>\\ x_<3>\end\right)$ — столбец неизвестных, $X=\left(\begin x_ <1>\\ x_ <2>\\ x_ <3>\end\right)$ — столбец правых частей. Тогда $X=A^ <-1>B$

Найдем обратную матрицу $X=A^<-1>$ к матрице $A$ с помощью союзной матрицы:

Здесь $\Delta=|A|$ — \lt a href=»formules_6_11.php» title=»Методы вычисления определителей матрицы: теоремы и примеры нахождения»>определитель матрицы $A$ ; матрица $\tilde$ — союзная матрица, она получена из исходной матрицы $A$ заменой ее элементов их алгебраическими дополнениями. Найдем $A$ , для этого вычислим алгебраические дополнения к элементам матрицы $A$ :

Определитель матрицы $A$

$$\Delta=\left|\begin 2 & 1 & 1 \\ 1 & -1 & 0 \\ 3 & -1 & 2 \end\right|=2 \cdot(-1) \cdot 2+1 \cdot(-1) \cdot 1+1 \cdot 0 \cdot 3-$$ $$-3 \cdot(-1) \cdot 1-(-1) \cdot 0 \cdot 2-1 \cdot 1 \cdot 2=-4 \neq 0$$

Источник

Решение систем линейных уравнений матричным методом

Вы будете перенаправлены на Автор24

Матричный способ решения систем линейных уравнений

Рассмотрим систему линейных уравнений следующего вида:

Числа $a_ (i=1..n,j=1..n)$ — коэффициенты системы, числа $b_ (i=1..n)$ — свободные члены.

В случае, когда все свободные члены равны нулю, система называется однородной, в противном случае — неоднородной.

Каждой СЛАУ можно поставить в соответствие несколько матриц и записать систему в так называемом матричном виде.

Матрица коэффициентов системы называется матрицей системы и обозначается, как правило, буквой $A$.

Столбец свободных членов образует вектор-столбец, который, как правило, обозначается буквой $B$ и называется матрицей свободных членов.

Неизвестные переменные образуют вектор-столбец, который, как правило, обозначается буквой $X$ и называется матрицей неизвестных.

Описанные выше матрицы имеют вид:

Используя матрицы, СЛАУ можно переписать в виде $A\cdot X=B$. Такую запись часто называют матричным уравнением.

Вообще говоря, в матричном виде записать можно любую СЛАУ.

Примеры решения системы с помощью обратной матрицы

Дана СЛАУ: $\left\<\begin <3x_<1>-2x_ <2>+x_ <3>-x_ <4>=3> \\ -12x_ <2>-x_ <3>-x_ <4>=7> \\ <2x_<1>-3x_ <2>+x_ <3>-3x_ <4>=5> \end\right. $. Записать систему в матричном виде.

Решение:

В случае, когда матрица системы является квадратной, СЛАУ можно решить уравнения матричным способом.

Имея матричное уравнение $A\cdot X=B$, можно выразить из него $X$ следующим способом:

$A^ <-1>\cdot A\cdot X=A^ <-1>\cdot B$

$A^ <-1>\cdot A=E$ (свойство произведения матриц)

$E\cdot X=A^ <-1>\cdot B$

$E\cdot X=X$ (свойство произведения матриц)

Алгоритм решения системы алгебраических уравнений с помощью обратной матрицы:

• записать систему в матричном виде;
• вычислить определитель матрицы системы;
• если определитель матрицы системы отличен от нуля, то находим обратную матрицу;
• решение системы вычисляем по формуле $X=A^ <-1>\cdot B$.

Готовые работы на аналогичную тему

Если матрица системы имеет определитель, не равный нулю, то данная система имеет единственное решение, которое можно найти матричным способом.

Если матрица системы имеет определитель, равный нулю, то данную систему нельзя решить матричным способом.

Дана СЛАУ: $\left\<\begin +3x_ <3>=26> \\ <-x_<1>+2x_ <2>+x_ <3>=52> \\ <3x_<1>+2x_ <2>=52> \end\right. $. Решить СЛАУ методом обратной матрицы, если это возможно.

Решение:

Нахождение определителя матрицы системы:

$\begin <\det A=\left|\begin <1>& <0>& <3>\\ <-1>& <2>& <1>\\ <3>& <2>& <0>\end\right|=1\cdot 2\cdot 0+0\cdot 1\cdot 3+2\cdot (-1)\cdot 3-3\cdot 2\cdot 3-2\cdot 1\cdot 1-0\cdot (-1)\cdot 0=0+0-6-18-2-0=-26\ne 0> \end$ Так как определитель не равен нулю, то матрица системы имеет обратную матрицу и, следовательно, система уравнений может быть решена методом обратной матрицы. Полученное решение будет единственным.

Решим систему уравнений с помощью обратной матрицы:

Искомая обратная матрица:

Найдем решение системы:

$X=\left(\begin <2>\\ <23>\\ <8>\end\right)$ — искомое решение системы уравнений.

Источник

Читайте также:  Метод перманганатометрии способ титрования