Рассмотрите систему линейных уравнений с параметром t: x + y = 1, x + t y = 2; для каких значений t система совместна и сколько решений она имеет, и как это видно из методов линейной алгебры?
Чтобы проанализировать систему линейных уравнений с параметром t t t:
x+y=1 x + y = 1 x+y=1уравнение1уравнение 1уравнение1x+ty=2 x + t y = 2 x+ty=2уравнение2уравнение 2уравнение2
можно воспользоваться методом определения совместности систем линейных уравнений и методом ранга.
Шаг 1: Приведение системы к матричной форме
Система уравнений может быть записана в матричной форме Ax=b A \mathbf{x} = \mathbf{b} Ax=b, где
A=(1amp;1 1amp;t),x=(x y),b=(1 2)
A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \ 1 & t \end{pmatrix}, \quad \mathbf{x} = \begin{pmatrix} x \ y \end{pmatrix}, \quad \mathbf{b} = \begin{pmatrix} 1 \ 2 \end{pmatrix} A=(1amp;11amp;t),x=(xy),b=(12)
Шаг 2: Определение ранга матрицы
Для проверки совместности системы уравнений необходимо найти ранг матрицы A A A и расширенной матрицы A′ A' A′:
A′=(1amp;1amp;1 1amp;tamp;2)
A' = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \ 1 & t & 2 \end{pmatrix} A′=(1amp;1amp;11amp;tamp;2)
Ранг матрицы A A A:
Для нахождения ранга матрицы A A A, вычислим его определитель: det(A)=1⋅t−1⋅1=t−1
\text{det}(A) = 1 \cdot t - 1 \cdot 1 = t - 1 det(A)=1⋅t−1⋅1=t−1Если t≠1 t \neq 1 t=1, то ранк матрицы A A A равен 2 двелинейнонезависимыестрокидве линейно независимые строкидвелинейнонезависимыестроки.Если t=1 t = 1 t=1, то строки матрицы A A A линейно зависимы, и ранк равен 1.
Ранг расширенной матрицы A′ A' A′:
Если t=1 t = 1 t=1, то расширенная матрица станет: A′=(1amp;1amp;1 1amp;1amp;2)
A' = \begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \ 1 & 1 & 2 \end{pmatrix} A′=(1amp;1amp;11amp;1amp;2)Покажем, что строки этой матрицы также являются линейно зависимыми:Если вычтем первую строку из второй: (1amp;1amp;1 0amp;0amp;1)
\begin{pmatrix} 1 & 1 & 1 \ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} (1amp;1amp;10amp;0amp;1)Ранг будет равен 2, так как первая строка не является линейной комбинацией второй. То есть rank(A′)=2 \text{rank}(A') = 2 rank(A′)=2.Шаг 3: Анализ совместности
Согласно теореме о рангах:
Если rank(A)=rank(A′)=2 \text{rank}(A) = \text{rank}(A') = 2 rank(A)=rank(A′)=2, то система совместна и имеет единственное решение.Если ( \text{rank}(A) < \text{rank}(A') ), система несовместна.Если ( \text{rank}(A) = \text{rank}(A') < 2 ), система имеет бесконечно много решений.
rank(A)=1 \text{rank}(A) = 1 rank(A)=1, rank(A′)=2 \text{rank}(A') = 2 rank(A′)=2 → несовместная система.ВыводСистема совместна и имеет единственное решение при t≠1 t \neq 1 t=1.При t=1 t = 1 t=1 система несовместна.
Таким образом, система (t≠1) (t \neq 1) (t=1) имеет единственное решение, а для(t=1)для ( t = 1 )для(t=1) - нет решений.
Чтобы проанализировать систему линейных уравнений с параметром t t t:
x+y=1 x + y = 1 x+y=1 уравнение1уравнение 1уравнение1x+ty=2 x + t y = 2 x+ty=2 уравнение2уравнение 2уравнение2можно воспользоваться методом определения совместности систем линейных уравнений и методом ранга.
Шаг 1: Приведение системы к матричной формеСистема уравнений может быть записана в матричной форме Ax=b A \mathbf{x} = \mathbf{b} Ax=b, где
A=(1amp;1 1amp;t),x=(x y),b=(1 2) A = \begin{pmatrix}
Шаг 2: Определение ранга матрицы1 & 1 \
1 & t
\end{pmatrix}, \quad \mathbf{x} = \begin{pmatrix}
x \
y
\end{pmatrix}, \quad \mathbf{b} = \begin{pmatrix}
1 \
2
\end{pmatrix}
A=(1 amp;1 1 amp;t ),x=(x y ),b=(1 2 )
Для проверки совместности системы уравнений необходимо найти ранг матрицы A A A и расширенной матрицы A′ A' A′:
A′=(1amp;1amp;1 1amp;tamp;2) A' = \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 \
1 & t & 2
\end{pmatrix}
A′=(1 amp;1 amp;1 1 amp;t amp;2 )
Ранг матрицы A A A:
Для нахождения ранга матрицы A A A, вычислим его определитель:det(A)=1⋅t−1⋅1=t−1 \text{det}(A) = 1 \cdot t - 1 \cdot 1 = t - 1
det(A)=1⋅t−1⋅1=t−1Если t≠1 t \neq 1 t=1, то ранк матрицы A A A равен 2 двелинейнонезависимыестрокидве линейно независимые строкидвелинейнонезависимыестроки.Если t=1 t = 1 t=1, то строки матрицы A A A линейно зависимы, и ранк равен 1.
Ранг расширенной матрицы A′ A' A′:
Если t=1 t = 1 t=1, то расширенная матрица станет:A′=(1amp;1amp;1 1amp;1amp;2) A' = \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 \
1 & 1 & 2
\end{pmatrix}
A′=(1 amp;1 amp;1 1 amp;1 amp;2 )Покажем, что строки этой матрицы также являются линейно зависимыми:Если вычтем первую строку из второй:
(1amp;1amp;1 0amp;0amp;1) \begin{pmatrix}
1 & 1 & 1 \
0 & 0 & 1
\end{pmatrix}
(1 amp;1 amp;1 0 amp;0 amp;1 )Ранг будет равен 2, так как первая строка не является линейной комбинацией второй. То есть rank(A′)=2 \text{rank}(A') = 2 rank(A′)=2.Шаг 3: Анализ совместности
Согласно теореме о рангах:
Если rank(A)=rank(A′)=2 \text{rank}(A) = \text{rank}(A') = 2 rank(A)=rank(A′)=2, то система совместна и имеет единственное решение.Если ( \text{rank}(A) < \text{rank}(A') ), система несовместна.Если ( \text{rank}(A) = \text{rank}(A') < 2 ), система имеет бесконечно много решений.Проверим случаи:
t≠1 t \neq 1 t=1:
rank(A)=2 \text{rank}(A) = 2 rank(A)=2, rank(A′)=2 \text{rank}(A') = 2 rank(A′)=2 → единое решение.t=1 t = 1 t=1:
rank(A)=1 \text{rank}(A) = 1 rank(A)=1, rank(A′)=2 \text{rank}(A') = 2 rank(A′)=2 → несовместная система.ВыводСистема совместна и имеет единственное решение при t≠1 t \neq 1 t=1.При t=1 t = 1 t=1 система несовместна.Таким образом, система (t≠1) (t \neq 1) (t=1) имеет единственное решение, а для(t=1)для ( t = 1 )для(t=1) - нет решений.