Пространство решений системы линейных однородных уравнений

Пространство решений системы линейных однородных уравнений

Пусть дана система (30) линейных однородных уравнений с коэффициентами из поля Р.

(30)	Так как столбец свободных членов в матрице А1 этой системы состоит только из нулей, то rang A = rang A1, т. е. система линейных однородных уравнений всегда совместна. В частности она всегда имеет нулевое решение. Рассмотрим множество всех возможных решений системы (30).

Пусть a =(a1, a2, … , an) и b =(b1, b2, … , bn) – любые два из них. Их можно рассматривать, как векторы в арифметическом n-мерном пространстве над полем Р. Пусть l – любой элемент поля Р. Тогда a +b = (a1 + b1, a2 + b2, … , an + bn ), l×a = (la1, la2, … , lan). Подставим компоненты этих векторов в произвольное s-е уравнение системы (30). Получим Итак, если a и b – любые два решения системы (30) и l – любой элемент поля Р, то a +b и l×a тоже являются решением этой системы. Но тогда из теоремы 14 следует

Теорема 27. Множество решений системы линейных однородных уравнений с n переменными есть линейное подпространство арифметического пространства Аn .

Теорема 28. Размерность пространства решений системы линейных однородных уравнений равна n – r, где n – число неизвестных, r – ранг матрицы системы.

Доказательство. Пусть L – пространство решений системы (30). Тогда L Ì Аn . Пусть a = (a1, a2, … ar, ar+1, … , an) – произвольное решение системы. Пусть (ar+1, … , an) – набор свободных неизвестных, соответствующий этому решению. Множество всех возможных наборов свободных неизвестных есть арифметическое (n – r)-мерное пространство Аn–r . Зададим отображение j: L ® Аn–r по правилу

a = (a1, a2, … ar, ar+1, … , an) ® j(a) = (ar+1, … , an).

Покажем, что j – изоморфизм (определение 24). Для этого нужно проверить три условия.

1. Покажем, что j – взаимнооднозначное отображение. Решению a = (a1, a2, … ar, ar+1, … , an) соответствует только один набор (ar+1, … , an), следовательно, j – однозначное отображение. Обратно, если задать элемент (ar+1, … , an) из Аn–r , то по теореме Крамера найдётся только один набор (a1, a2, … ar ) искомых неизвестных, т. е. каждый элемент j(a) из Аn–r соответствует единственному элементу из L .

2. j(la) = (lar+1, … , lan ) = l×(ar+1, … , an ) = l×j(а).

3. j(а + в) = (ar+1 + br+1, … ,an + bn ) = (ar+1, … , an) + (br+1, … , bn ) = j(а) + j(в).

Итак, пространство решений системы линейных однородных уравнений изоморфно арифметическому (n – r)-мерному пространству. Следовательно, размерность L равна (n – r).

Определение 29. Базис пространства решений системы линейных однородных уравнений называется её фундаментальной системой решений.

Так как при изоморфизме базис пространства Аn–r соответствует базису пространства L, то для того. чтобы найти фундаментальную систему решений для системы (30), достаточно выбрать (n – r) линейно независимых наборов свободных неизвестных и для каждого из них найти решение данной системы.

Следствие. Если а1, а2, …, аn–r фундаментальная система решений системы линейных однородных уравнений (30) и С1, С2, … , Сn–r – произвольные элементы поля Р, то С1а1 + С2а2 + … + Сn–r аn–r – общее решение этой системы.

Связь решений однородной и неоднородной систем линейных уравнений

Пусть (25) произвольная система линейных неоднородных уравнений с коэффициентами из поля Р. Если в этой системе все свободные члены заменить нулями, то полученная система линейных однородных уравнений называется соответствующей однородной системой (это система (30)). Решения систем (25) и (30) удовлетворяют следующим свойствам:

(30)	10. Сумма решений данной неоднородной и соответствующей однородной системы линейных уравнений есть решение данной неоднородной системы. Пусть а – частное решение системы (25) и с – частное решение системы (30). Рассмотрим вектор (а + с).

Системы (25) и (30) в векторной форме имеют вид А×х = в (31) и А×х = 0 (32). По условию А×а = в, А×с = 0. Следовательно, А×(а + с) = А×а + А×с = в + 0 = в. Следовательно, (а + с) – решение уравнения (31), а поэтому и системы (25).

20. Разность двух решений неоднородной системы линейных уравнений есть решение соответствующей однородной системы.

Пусть а и с – решения системы (25), а следовательно, и уравнения (31), т. е. А×а = в и А×с = в. Тогда А×(а – с) = А×а – А×с = в – в = 0, т. е. (а – с) – решение уравнения (32), а поэтому и системы (30).

30. Если а – фиксированное частное решение системы (25), а с пробегает все решения системы (30), то (а + с) пробегает все решения системы (25).

Согласно 10, при любом с вектор (а + с) будет решением системы (25). Если d – любое решение системы (25), то, согласно 20, разность (d – а) будет решением системы (30). Обозначив (d – а) = с, получим d = (а + с).

Теорема 29. Если а – частное решение линейной неоднородной системы уравнений и а1, а2, …, аn–r – фундаментальная система решений соответствующей однородной системы уравнений, то общее решение данной неоднородной системы имеет вид

d = а + С1а1 + С2а2 + … + Сn–r аn–r , где С1, С2, … , Сn–r – любые элементы поля Р.

(Иными словами, общее решение системы линейных неоднородных уравнений равно сумме частного решения этой системы и общего решения соответствующей однородной системы.)

Доказательство является следствием предыдущих свойств.

Задание подпространств конечномерного линейного пространства с помощью систем линейных уравнений

Пусть дано n-мерное линейное пространство L и пусть в нём зафиксирован базис е = (е1, е2, … , еn ). Пусть М – линейное подпространство в L .

Определение 30. Будем говорить, что система линейных уравнений задаёт подпространство М, если этой системе удовлетворяют координаты всех векторов из М и не удовлетворяют координаты никаких других векторов.

Из свойств решений однородной системы линейных уравнений следует, что любая однородная линейная система уравнений ранга r с n переменными задаёт в любом n-мерном пространстве Ln (если в нём зафиксирован базис) (n–r )-мерное линейное подпространство.

Справедливо и обратное утверждение. А именно, имеет место следующая теорема.

Теорема 30. Если в линейном n-мерном пространстве Ln зафиксирован базис, то любое его к-мерное линейное подпространство можно задать системой линейных однородных уравнений с n неизвестными ранга (n – к).

Доказательство. Пусть в Ln зафиксирован базис е = (е1, е2, … , еn ). Пусть Lк – линейное к-мерное подпространство в Ln . Выберем в Lк любой базис а = (а1, а2, … , ак). Пусть В матричной форме а = е × А, где А = .

Так как а – базис, то ранг матрицы А равен к.

Если d – любой вектор, то d Î Lк Û d = с1а1 + с2а2 + … +скак, где с1, с2, … , ск независимо друг от друга пробегают все элементы поля Р. Их называют параметрами. В матричном виде d = а × с, где с – столбец параметров. Отсюда d = е×(А×с). Если х – столбец координат вектора а в базисе е, то d = е×х. Отсюда, е×х = е×(А×с) и х = А×с. Распишем в координатном виде.

Получили параметрические уравнения, определяющие Lк . После исключения параметров получится система (n – к) линейных однородных уравнений. Векторы а1, а2, … , ак являются её линейно независимыми решениями. Все остальные решения являются их линейными комбинациями.

Следовательно, система векторов (а1, а2, … , ак) будет фундаментальной системой решений полученной системы уравнений и поэтому ранг этой системы уравнений равен (n – к).

Пример. В пространстве L5 зафиксирован базис е = (е1, е2, е3, е4 , е5 ). Найти систему линейных однородных уравнений, задающих L3 = <а1, а2, а3>, если а1 = (1, –2, 2, 0, 1), а2 = (0, 4, 7, 0, 1), а3 = (–2, 3, –1, 0, 0).

Решение. Найдём ранг системы векторов (а1, а2, а3 ). Для этого достаточно найти ранг матрицы . Минор . Окаймляющий минор ¹ 0, следовательно, ранг матрицы равен 3, т. е. векторы а1, а2, а3 линейно независимы и подпространство L3 – трёхмерное. Согласно доказанной теоремы, оно может быть задано системой линейных однородных уравнений ранга 2.

d Î L3 Û d = с1а1 + с2а2 + с3а3 . Отсюда d Î L3 Û х1 = с1 – 2с3 , х2 = –2с1 + 4с2 + 3с3 , х3 = 2с1 + 7с2 – с3 , х4 = 0, х5 = с1 + с2. Если из первого второго и пятого уравнений выразить с1, с2 и с3 и подставить их в третье и четвёртое уравнения, то получим следующую систему

Замечание. Очевидно, система, задающая данное подпространство, определяется не единственным образом. К найденным уравнениям можно добавлять новые уравнения, являющиеся их линейными комбинациями.