Системи линеарних једначина

Линеарна једначина са непознатом x1,x2,...,xn{x_1},{x_2},...,{x_n} је једначина облика

a1x1+a2x2+...+anxn=b,{a_1}{x_1} + {a_2}{x_2} + ... + {a_n}{x_n} = b,

где су a1,a2,...an{a_1},{a_2},...{a_n} реални бројеви, које називамо коефицијентима једначине, а bb  је реалан број који називамо слободан члан једначине.

Ако је b=0b = 0 , горњу jедначину називамо хомогена линеарна једначина.

Систем од mm линеарних једначина са nn непознатих x1,x2,...,xn{x_1},{x_2},...,{x_n} је систем:

a11x1+a12x2+⋅⋅⋅+a1nxn =b1,{a_{11}}{x_1} + {a_{12}}{x_2} + \cdot \cdot \cdot + {a_{1n}}{x_n}{\text{ }} = {b_1},

a21x1+a22x2+⋅⋅⋅+a2nxn =b2,{a_{21}}{x_1} + {a_{22}}{x_2} + \cdot \cdot \cdot + {a_{2n}}{x_n}{\text{ }} = {b_2},

.
.
.

am1x1+am2x2+⋅⋅⋅+amnxn =bm,{a_{m1}}{x_1} + {a_{m2}}{x_2} + \cdot \cdot \cdot + {a_{mn}}{x_n}{\text{ }} = {b_m},


Где су aij,bi(i=1,2,...,m; j=1,2,...,n){a_{ij}},{b_i}\left( {i = 1,2,...,m;{\text{ }}j = 1,2,...,n} \right) реални бројеви.

  1. Систем линеарних једначина је сагласан (могућ, конзистентан) ако има бар једно решење. Уколико систем нема ни једно решење, он је противречан (контрадикторан, немогућ, несагласан).
    Сагласан систем је одређен ако има једно и само једно решење, а неодређен ако има више од једног решења.
  2. Два система линеарних једначина су еквивалентна, ако и само ако је свако решење првог система решење другог и обрнуто, свако решење друго система је решење првог.
    За два противречна система каже се да су еквивалентна.

Крамерово правило
Ако је детерминаната

D=∣a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann∣D = \left| {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {{a_{11}}}&{{a_{12}}}& \cdots &{{a_{1n}}} \\ {{a_{21}}}&{{a_2}_2}& \cdots &{{a_{2n}}} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ {{a_{n1}}}&{{a_{n2}}}& \cdots &{{a_{nn}}} \end{array}} \right|

система линеарних једначина

a11x1+a12x2+⋅⋅⋅+a1nxn =b1,{a_{11}}{x_1} + {a_{12}}{x_2} + \cdot \cdot \cdot + {a_{1n}}{x_n}{\text{ }} = {b_1},

a21x1+a22x2+⋅⋅⋅+a2nxn =b2,{a_{21}}{x_1} + {a_{22}}{x_2} + \cdot \cdot \cdot + {a_{2n}}{x_n}{\text{ }} = {b_2},

.
.
.

an1x1+an2x2+⋅⋅⋅+annxn =bn,{a_{n1}}{x_1} + {a_{n2}}{x_2} + \cdot \cdot \cdot + {a_{nn}}{x_n}{\text{ }} = {b_n},

различита од нуле, онда тај систем има јединствено решење

x1=D1D,x2=D2D,...,xn=DnD,{x_1} = \frac{{{D_1}}}{D},\quad {x_2} = \frac{{{D_2}}}{D},...,{x_n} = \frac{{{D_n}}}{D},

где је Di, i=1,2,...,n{D_i},{\text{ }}i = 1,2,...,n, детерминанта која се добија од детерминанте DD заменом ii-те колоне колоном коју чине слободни чланови система.
Ако је D=0D = 0 и бар једна од детерминанти Di{D_i} различита од нуле, онда је систем противречан. 
Ако је D=Di=0, i=1,2,...,nD = {D_i} = 0,{\text{ }}i = 1,2,...,n, онда систем може бити неодређен или противречан.

Систем линеарних једначина је сагласан ако има бар једно решење, а противречан ако нема ниједно. Сагласан систем је одређен ако има тачно једно решење, а неодређен ако их има више. Еквивалентни системи имају иста решења.

Кад је једначина онолико колико и непознатих, користи се Крамерово правило. Ако је детерминанта система D≠0D \neq 0, решење је јединствено: xi=DiDx_i = \frac{D_i}{D}, где DiD_i настаје кад се ii-та колона замени колоном слободних чланова. Ако је D=0D = 0, а бар једна Di≠0D_i \neq 0, систем је противречан. Ако су DD и све DiD_i једнаке нули, систем може бити неодређен, али и противречан, па га решите Гаусовим поступком. Честа грешка је да се тада одмах закључи да решења има бесконачно много.

x+y+z=x+y+z=x+y+z=
D =
11131010−1
= 1
Dx =
3011541090−1
= 15
Dy =
1301354019−1
= 9
Dz =
11303154109
= 6

x = Dx / D = 15 / 1 = 15

y = Dy / D = 9 / 1 = 9

z = Dz / D = 6 / 1 = 6

Решење: x = 15, y = 9, z = 6.

D
1
x (победе)
15
y (нерешене)
9
z (порази)
6
Свака непозната је количник DiD\frac{D_i}{D}, а овде је D=1D = 1. Промените коефицијент 3 у другој врсти у 2, као кад је победа доносила 2 бода: DD постаје 0, а Dx≠0D_x \neq 0, па је систем противречан. Тада би клуб са 9 победа више него пораза увек имао 30+9=3930 + 9 = 39 бодова, а не 54.

Апотекари и нутриционисти системима рачунају мешавине, економисти расподелу буџета, а електротехничари струје у колима по Кирхофовим законима.

Бодови на табели

Фудбалски клуб је у првенству одиграо 30 утакмица и освојио 54 бода. Победа доноси 3 бода, нерешена утакмица 1, а пораз ниједан. Клуб има 9 победа више него пораза. Колико утакмица је добио, колико одиграо нерешено, а колико изгубио? Решите систем Крамеровим правилом.

Решење

  1. Са xx, yy и zz означимо број победа, нерешених утакмица и пораза: x+y+z=30x + y + z = 30, 3x+y=543x + y = 54 и x−z=9x - z = 9.
  2. Детерминанта система по Сарусовом правилу: D=∣11131010−1∣=(−1+0+0)−(1+0−3)=1≠0D = \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 \\ 3 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & -1 \end{vmatrix} = (-1 + 0 + 0) - (1 + 0 - 3) = 1 \neq 0, па је решење јединствено.
  3. Заменом прве колоне слободним члановима: Dx=∣3011541090−1∣=(−30+0+0)−(9+0−54)=15D_x = \begin{vmatrix} 30 & 1 & 1 \\ 54 & 1 & 0 \\ 9 & 0 & -1 \end{vmatrix} = (-30 + 0 + 0) - (9 + 0 - 54) = 15. Исто тако Dy=9D_y = 9 и Dz=6D_z = 6.
  4. x=151=15x = \frac{15}{1} = 15, y=91=9y = \frac{9}{1} = 9 и z=61=6z = \frac{6}{1} = 6. Провера: 15+9+6=3015 + 9 + 6 = 30 и 3⋅15+9=543 \cdot 15 + 9 = 54.

Одговор: Клуб је имао 15 победа, 9 нерешених утакмица и 6 пораза.

Задатак за вежбу

Апотекару треба 300 ml раствора јачине 20%, а има растворе јачине 10% и 40%. Колико милилитара сваког треба да помеша? Решите систем Крамеровим правилом.

Прикажи решење

x+y=300x + y = 300 и 0,1x+0,4y=600{,}1x + 0{,}4y = 60. D=0,4−0,1=0,3D = 0{,}4 - 0{,}1 = 0{,}3, Dx=300⋅0,4−60=60D_x = 300 \cdot 0{,}4 - 60 = 60 и Dy=60−0,1⋅300=30D_y = 60 - 0{,}1 \cdot 300 = 30, па је x=200x = 200 ml раствора од 10% и y=100y = 100 ml раствора од 40%.