Giáo án Đại số tuyến tính - Chương I: Ma trận và hệ phương trình tuyến tính - Lê Văn Hợp
GV : LÊ VĂN HỢP
CHƯƠNG I
MA TRẬN VÀ HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH
N là tập hợp các số nguyên không âm và N* = N \ {0}.
Z là tập hợp các số nguyên và Z* = Z \ {0}.
Q là tập hợp các số hữu tỉ và Q* = Q \ {0}.
R là tập hợp các số thực và R* = R \ {0}.
I. MA TRẬN:
1.1/ ĐỊNH NGHĨA: Cho m, n N*. Một ma trận thực A có kích thước (m x n) là một
bảng số thực hình chữ nhật có m dòng và n cột như sau:
a
a12 ... a1n
11
a21 a22 ... a2n
A =
hay A = a
với aij R (1 i m, 1 j n)
1im
ij
1 jn
...
am1 am2 ... amn
Khi m = n thì A = a
là ma trận vuông thực cấp n.
ij
1i, jn
Ký hiệu : Mm x n(R) là tập hợp các ma trận thực (m x n).
Mn(R) là tập hợp các ma trận vuông thực cấp n.
Ví dụ:
3
3 7
2
4
5
3
A = a
=
0
1 cos8 M3 x 4(R) trong đó a14 = 5, a33 = 6 và a21 = 7 .
6
1i3
ij
1 j4
2 ln9
7
1/ 2
0
B = b
= 5/3
4
9 M3(Q) trong đó b13 = 0, b22 = 4 và b32 = 8.
ij
1i, j3
6
8 2/ 7
6
4
C = 9 4 0 7 1 M1 x 5(Z)
D =
M4 x 1(N)
1
9
1.2/ ĐỊNH NGHĨA: Ma trận không là ma trận có tất cả các hệ số bằng 0.
Ký hiệu ma trận không là O (hiểu ngầm kích thước) hay Om x n hay On.
Ví dụ:
0 0 0 0
0 0 0
O3 x 4 = 0 0 0 0 M3 x 4(R) và O3 = 0 0 0 M3(R).
0 0 0 0
0 0 0
1
1.3/ CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI SƠ CẤP TRÊN DÒNG CHO MA TRẬN:
Cho A Mm x n(R). Xét 1 i j m.
Có 3 hình thức biến đổi sơ cấp trên dòng cho ma trận:
a) Hoán vị dòng (i) với dòng (j). Ta ghi (i) (j).
b) Nhân dòng (i) với số c R*. Ta ghi (i) c(i).
c) Thế dòng (i) bằng [ dòng (i) + c.dòng (j) ] với số c R. Ta ghi (i) [(i) + c(j)].
Các phép biến đổi đảo ngược của các phép biến đổi sơ cấp trên dòng trên lần lượt
là (i) (j), (i) c1(i) và (i) [(i) c(j)].
Ví dụ:
3 2
4
5
2 9 6 4
A = 7 0 1 8 A1 = 7 0 1 8 qua phép biến đổi (1) (3).
2 9 6 4
3 2
4
5
3 2
4
5
3
2
4
5
3
4
A = 7 0 1 8 A2 = 21/ 4 0 3/ 4 6 qua phép biến đổi (2)
(2).
2 9 6 4
2
9
6 4
3 2
4
5
3 2
4
5
A = 7 0 1 8 A3 = 7 0 1 8 qua phép biến đổi (3) [(3) + 2(2)].
2 9 6 4
12 9 8 12
Các phép biến đổi đảo ngược của các phép biến đổi sơ cấp trên dòng nói trên lần lượt
4
3
là (1) (3), (2)
(2) và (3) [(3) 2(2)].
1.4/ SỰ TƯƠNG ĐƯƠNG DÒNG:
Cho A, B Mm x n(R). Ta nói A và B là tương đương dòng với nhau nếu A có thể
biến đổi thành B (và ngược lại) bằng một số hữu hạn các phép biến đổi sơ cấp trên
dòng. Ký hiệu A B để chỉ A và B là tương đương dòng với nhau.
Quan hệ tương đương dòng là một quan hệ tương đương trên Mm x n(R).
Ví dụ:
2
1 0
9
2
1 0
9
7
3
8
4
7 / 4 3/ 4 2
1
A = 5
2
3
3 6 1 0 3 24 1 0 3 24 1
8
0
3 24
7
4
7
3
8
4
2
1 0
9
2
1
0
9
7 / 4 3/ 4 2
1
1
0
5
3 24 = B. Để ý A biến thành B qua các phép biến đổi sơ cấp trên
16
16
1
1
4
dòng liên tiếp (2) [(2) + 2(1)], (1) (3), (1) (1) và (3) [(3) 8(1)].
Như vậy B lại có thể biến thành A qua các phép biến đổi sơ cấp trên dòng liên tiếp
(3) [(3) + 8(1)], (1) 4(1), (1) (3) và (2) [(2) 2(1)]. Vậy A B.
2
II. HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH:
2.1/ ĐỊNH NGHĨA: Cho m, n N*. Một hệ phương trình tuyến tính thực với m
phương trình và n ẩn số là một hệ phương trình có dạng như sau:
a11x a12 x2 ... a1n xn b
1
a x a x ... a x b
21
1
21
2
2n
n
2
(*)
với aij, bi là các số thực cho trước (1 i m, 1 j n) và
am1x1 am2 x2 ... amn xn bm
x1, x2, … , xn (đều xuất hiện dưới dạng bậc nhất) là n ẩn số thực cần tìm.
Đặt A = a
Mm x n(R), B = b
Mm x 1(R) và X = x
Mn x 1(R) thì
1im
ij
j
i
1im
1 jn
1 jn
hệ (*) được viết gọn thành các dạng AX = B hoặc (A | B) (ma trận X hiểu ngầm).
Ví dụ:
5x1 2x2 x3 x4 7
Xét hệ
8x3 7x4 3x1 0 . Hệ trên được viết gọn thành AX = B hoặc (A | B) với
9x2 6x3 x4 2x1 4
x
1
5
2
0
1
8
4
7
x2
A = 3
7 , B = 0 và X =
1
.
x
3
2
9
6
4
x4
2.2/ NGHIỆM CỦA HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH THỰC:
Xét hệ phương trình tuyến tính thực AX = B (*) đã nêu trong (2.1).
Ta nói bộ (c1, c2, …, cn) Rn là một nghiệm của (*) nếu tất cả các phương trình
của (*) đều thỏa khi thế x1 = c1, x2 = c2, … và xn = cn.
Ví dụ:
2x x 5x 3x 22
1
2
3
4
Xét hệ
x1 4x3 2x4 12 . Ta có (2,0,3,1) là một nghiệm của hệ đã cho.
3x1 6x2 7x3 15
2.3/ MỆNH ĐỀ: (số lượng nghiệm của một hệ phương trình tuyến tính thực)
Xét hệ phương trình tuyến tính thực AX = B.
Có đúng một trong 3 trường hợp sau xảy ra :
a) Hệ vô nghiệm
b) Hệ có nghiệm duy nhất
c) Hệ có vô số nghiệm
Ví dụ:
a) Phương trình 0x = 5 vô nghiệm. Phương trình 2x = 6 có nghiệm duy nhất x = 3.
Phương trình 0x = 0 có vô số nghiệm (x thực tùy ý).
3
b) Hệ (3x + 7y = 15 & 9x 21y = 4) vô nghiệm.
Hệ (3x + 7y = 15 & 4x 5y = 7) có nghiệm duy nhất (x = 2, y = 3).
Hệ (3x + 7y = 15 & 6x 14y = 30) có vô số nghiệm với một ẩn tự do là x hoặc y
Ghi kết quả: [ x thực tùy ý, y = (3x + 15)/7 ] hoặc [ y thực tùy ý, x = (7y 15)/3 ].
2.4/ HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH THUẦN NHẤT
( hay HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH ĐẲNG CẤP ):
Xét hệ phương trình tuyến tính thuần nhất AX = O (có vế phải triệt tiêu).
Hệ này có ít nhất một nghiệm tầm thường là (x1 = 0, x2 = 0, … , xn = 0).
Do đó có đúng một trong 2 trường hợp sau xảy ra :
a) Hệ có nghiệm duy nhất (chính là nghiệm tầm thường)
b) Hệ có vô số nghiệm
Ví dụ:
a) Hệ (9x + 7y = 0 & 4x 5y = 0 & 3x + 8y = 0) có nghiệm duy nhất (x = 0, y = 0).
b) Hệ (5x + 8y 4z = 0) có vô số nghiệm với hai ẩn tự do là (x,y) hoặc (x,z) hoặc (y,z).
Ta ghi kết quả theo một trong 3 dạng sau : [ x, y R, z =(5x + 84)/4 ] hoặc
[ x, z R, y = (4z 5x)/8 ] hoặc [ y, z R , x = (4z 8y)/5 ].
III. PHƯƠNG PHÁP GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH:
3.1/ MỆNH ĐỀ:
a) Nếu hai hệ phương trình tuyến tính AX = B và CX = D có các ma trận
(A | B) và (C | D) tương đương dòng với nhau thì hai hệ trên là tương đương
(nghĩa là hai hệ trên có cùng một tập hợp nghiệm).
b) Suy ra trong quá trình giải một hệ phương trình tuyến tính, ta có thể sử dụng tùy
ý các phép biến đổi sơ cấp trên dòng mà không làm thay đổi tập hợp nghiệm
của nó.
3.2/ VÍ DỤ HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH CÓ NGHIỆM DUY NHẤT:
Xét hệ phương trình tuyến tính với 4 ẩn số x, y, z và t :
x y z
t
*
*
1
2
3
2 6
2
5
3
8
2
1
8
6
0
7
16 26
1
1
2
1
2
3
2
1
8
4
4
1* 2
7
10
0
0
0
0
0
0
3
2
2
1
2
4 10
7 4
14
20
0 18 36 54
0 18 54 90
3
8
5
x y z t
*
*
0 0 2
5
0 0
0
0
0
1
1
1
1*
0
3
4
1*
0
*
2
0
0
0
0
: nghiệm duy nhất (x = 1, y = 2, z = 1, t = 2)
*
0 1 2
3
0 1
1
0
0
0 0 18 36
0 0 1* 2
4
Bảng 1: (2) (2) + 2(1), (3) (3) 3(1), (4) (4) 2(1)
Bảng 2: (2) (2) + (3), (1) (1) 2(2), (3) (3) + 4(2), (4) (4) + 7(2)
Bảng 3: (4) (4) (3), (3) 181(3), (1) (1) 7(3), (2) (2) + 2(3)
Bảng 4: (4) 181(4), (1) (1) + 2(4), (2) (2) 3(4), (3) (3) + 2(4)
3.3/ VÍ DỤ HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH VÔ NGHIỆM:
Xét hệ phương trình tuyến tính với 5 ẩn số x, y, z, t và u:
x y z t
u
*
*
3
1
2
1
1 1
2
9
4
6 1
2
1
9
4
1
6 1
1
1
2 1
7
3
5
5
7
8
2
3
3
7 11 13 19 4
7
1
4
0
0
0
0
0
0
1
3
2
7
1
7
9
1
1
4
2
7 11 13 19 4
3 2
5
3
6
9
3
9
6
9
2
*
0 23
1*
2
1
4 9
1
7
1
4
0
0 0 0 0 0 4 : vô nghiệm.
0
0
60 6 12 24
0
0
30 3
6
14
Bảng 1: (4) (4) (1), (1) (1) (2), (2) (2) 2(3), (3) (3) (1)
Bảng 2: (2) (3)
Bảng 3: (1) (1) 2(2), (3) (3) + 7(2), (4) (4) + 3(2)
Bảng 4: (3) (3) 2(4)
3.4/ VÍ DỤ HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH CÓ VÔ SỐ NGHIỆM:
Xét hệ phương trình tuyến tính với 5 ẩn số x1, x2, x3, x4 và x5:
x1 x2 x3 x4 x5
*
*
1
1
0
3 1 2
1
2
6
2
0
2
6
3 1 2
0
1
2 1/ 2 1/ 2
1
1
1 1
4 2
2
1
3
0
1
7
1
2
1
0
3
15
5
1* 1 1 1/ 2 3/ 2
0
0
0
0
0
0
6
4
7
15
0
0
0
0
9
3
4
6
8
2
4
2
4
2 10 5
12
x1 x2 x3 x4 x5
*
0
1
0 7/ 6 5/ 6
1
1* 1 0 5/ 6 5/ 6
0
: các cột (3) và (5) không biến đổi được.
0
0
0 1* 1/3 2/3
0
0
0
0
0
0
Hệ có vô số nghiệm với 2 ẩn tự do:
x3 = a, x5 = b (a, b R), x1 = (7b 6a + 5)/6, x2 = (6a 5b 5)/6, x4 = (b + 2)/3
Bảng 1: (2) (2) (1), (3) (3) 4(1), (4) (4) 2(1)
Bảng 2: (3) (3) 3(2), (4) (4) + (2) (2) 21(2) , (1) (1) (2)
Bảng 3: (3) 91(3), (4) (4) 12(3), (1) (1) + 2(3), (2) (2) + (3)
5
3.5/ CÁC CỘT CHUẨN (có m DÒNG):
*
0
0
0
0
1
*
1
0
0
0
0
*
0
1
0
0
0
E =
1
, E =
, E =
, … , E
=
và E =
.
2
3
m 1
m
*
0
0
1
0
0
*
0
0
0
1
0
3.6/ PHƯƠNG PHÁP GAUSS – JORDAN:
(GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH):
Xét hệ phương trình tuyến tính thực (A | B) có m phương trình và n ẩn số.
Ta thực hiện các bước sau đây:
* Dùng các phép biến đổi sơ cấp trên dòng thích hợp để xây dựng tuần tự các cột
chuẩn E1, E2, E3, … trong A (từ trái qua phải). Việc chuẩn hóa các cột phải
tuân thủ các qui định sau :
- Khi xây dựng Ek , không làm thay đổi các cột E1, E2, … , Ek 1 đã có trước đó.
- Nếu cột đang xét không thể chuẩn hóa thành Ek thì xét qua cột kế cận bên phải.
- Sau khi xây dựng xong Ek , phải tiến hành ngay việc xây dựng Ek + 1 nếu được.
* Quá trình chuẩn hóa các cột sẽ kết thúc khi gặp sự mâu thuẫn hoặc khi đã chuẩn
hóa xong cột cuối của A mà không gặp sự mâu thuẫn nào.
* Khi kết thúc quá trình chuẩn hóa các cột của A, có đúng 1 trong 3 trường hợp
sau đây xảy ra:
a) Trường hợp 1: Ta gặp sự mâu thuẫn khi đang chuẩn hóa [ nghĩa là gặp một
dòng có dạng 0 0 ... 0 a với a 0. Dòng này là hệ quả của hai dòng nào
đó có sự tỉ lệ không tương thích giữa vế trái và vế phải ]. Khi đó hệ vô nghiệm.
b) Trường hợp 2: Ta xây dựng được n cột chuẩn liên tiếp E1, E2, … , En trong
A mà không gặp sự mâu thuẫn nào. Khi đó hệ có nghiệm duy nhất bằng cách
dùng các phương trình không tầm thường theo thứ tự từ trên xuống dưới của
hệ cuối cùng trong quá trình chuẩn hóa để tính lần lượt các ẩn từ trái qua phải
c) Trường hợp 3: Ta xây dựng được k cột chuẩn E1, E2, … , Ek (k < n) trong A
xen kẽ với (n k) cột khác không chuẩn hóa được mà không gặp sự mâu
thuẫn nào. Khi đó hệ có vô số nghiệm với (n k) ẩn tự do như sau :
* Các ẩn ứng với các cột không chuẩn hóa được là các ẩn tự do lấy giá trị
thực tùy ý.
* Các ẩn còn lại (ứng với các cột chuẩn hóa được) được tính theo các ẩn tự do
dựa theo các phương trình không tầm thường theo thứ tự từ trên xuống dưới
của hệ cuối cùng trong quá trình chuẩn hóa.
6
3.7/ ĐIỀU KIỆN CHUẨN HÓA CỦA MỘT CỘT:
u1
0
u2
0
uk1
uk
u
0
Ta muốn chuẩn hóa cột U =
thành Ek =
(số 1* ở vị trí dòng k ).
*
1
0
k1
um
0
a) Nếu uk = uk+1 = … = um = 0 thì U không thể chuẩn hóa thành Ek.
(không sử dụng u1 , u2 , … , uk1 để tạo 1* cho Ek vì cần bảo toàn E1, E2, … ,
Ek 1 đã có trước đó. Còn uk , uk + 1 , … , um không thể để tạo 1* cho Ek được).
b) Nếu có ít nhất một hệ số 0 trong các số uk , uk+1 , … , um thì U có thể chuẩn
hóa thành Ek (hệ số 0 tự chia cho chính nó để tạo 1* cho Ek. Dùng 1* đó để
tạo các hệ số 0 cho Ek. Nếu 1* đó nằm ở dòng thứ j với j k thì ta hoán vị các
dòng (j) và (k) với nhau).
Ví dụ:
4
5
2
0
9
8
0
a) Ta muốn chuẩn hóa các cột U =
và V =
thành E4.
0
0
7
0
3
U không thể chuẩn hóa thành E4 được (vì u4 = u5 = u6 = 0).
V có thể chuẩn hóa thành E4 được (vì có v5 = 7 0) bằng các phép biến đổi
(5) (5) + 2(6), (1) (1) 2(5), (3) (3) + 8(5), (6) (6) + 3(5) và (4) (5).
b) Trường hợp hệ phương trình tuyến tính (4 ẩn x, y, z, t) vô nghiệm:
*
4
1
2
3
0
5 3
1
7
0
6
9
2
4
0
(A | B)
0 0 0 0 1 : sự mâu thuẫn và hệ vô nghiệm.
8
0
12
5
0
E1
3
Dòng (3) và (4) có sự tỉ lệ không tương thích ở vế trái và vế phải : (4) (4) + (3)
2
c) Trường hợp hệ phương trình tuyến tính (3 ẩn x, y, z) có nghiệm duy nhất:
x y z
*
0
0
1
2
ln3
4/9
0
*
1
0
*
0
(A | B)
: nghiệm duy nhất ( x =
, y = ln3, z = 4/ 9 ).
2
0 1
0
0
0
0
7
d) Trường hợp hệ phương trình tuyến tính (9 ẩn x1, x2, … , x9) có vô số nghiệm:
x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9
*
0
0 5
8
0
0
9
0
0
0
0
7
0
1
*
sin8
1
2
0
0
0
0
0
3 0
0
*
0
0
0
0
0
0 1 4 0 0 1
0
0
0
0
0
3
0 1*
0
0
6
0
0
(A | B)
0
0
0
0
0
0
0
0
4/ 7
0
0
0
0
0 1*
0
0
0
0
0
E1 E2
E3
E4 E5
Các cột (3), (4), (6), (9) không chuẩn hóa được và hệ có vô số nghiệm với 4 ẩn tự
do:
x3 = a, x4 = b, x6 = c, x9 = d, (a, b, c, d R, x1 = 5a 8b 7d,
4
x2 = 2a + 3b 9c + sin8, x5 = 4c + d 3 , x7 = và x8 = 6d .
7
3.8/ VÍ DỤ GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH THỰC CÓ THAM SỐ:
Giải và biện luận hệ phương trình tuyến tính với 3 ẩn số x, y, z theo tham số thực m
x y z
*
1
1
1
m
1
1
m
1
1
1 m
1
1 m m 1
0
0
(*)
1 m 1
1
1
m 1
0
1 m
0
m 1
1
1 m 1 m 1 m2
0
E1
Bảng 1: (2) (2) (3), (3) (3) (1), (4) (4) m(1)
a) Nếu m = 1 thì hệ tương đương với một phương trình là x + y + z = 1.
Hệ có vô số nghiệm với 2 ẩn tự do (y, z R, x = 1 y z).
b) Nếu m 1, ta tiếp tục biến đổi hệ (*) :
x y z
*
*
*
1
1
m
0
2
m
0
0
m 2
1
1
1
*
*
1 m m 1
0
1
1
0
1
0
*
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
m 1
0
1 m
0
m 1
1 m
0 1
1 m 1 m 1 m2
0 2(1 m) 1 m2
0
0
(1 m)(m 3)
0
E1
E1 E2
E1 E2 E3
Khi 1 m 3 thì hệ vô nghiệm.
Khi m = 3 thì hệ có nghiệm duy nhất (x = y = z = 1).
Bảng 1: (3) (3) + (2), (4) (4) (2), (2) (1 m)1(2), (1) (1) (2)
Bảng 2: (4) (4) + 2(3), (3) (m 1)1(3), (1) (1) 2(3), (2) (2) + (3)
8
3.9/ CÁC CỘT BÁN CHUẨN (có m DÒNG):
Dạng tổng quát của các cột bán chuẩn có m dòng là
v1
v2
v3
b
c*
0
0
0
d
e
u1
u2
u3
*
a
0
*
f
0
F =
1
, F =
, F =
, … , F
=
và F =
trong đó
2
3
m 1
m
0
0
*
v
u
0
0
m1
m1
*
vm
0
a*, c*, f*, … , um* 1 , vm* là các số thực tùy ý 0 và
b, d, e, … , u1, u2, … , um 2 , v1, v2, … , vm 1 là các số thực tùy ý.
Các cột chuẩn (có m dòng) chính là các cột bán chuẩn (có m dòng) đặc biệt.
Ví dụ: Một số cột bán chuẩn có 5 dòng :
3
*
ln 6
1
0
*
2
0
0
e
5
0
0
0
*
3
F1 =
, F2 =
, F3 =
, F4 =
và F5 =
1
0
0
4
8/ 3
0
4/ 7*
0
0
0
0
sin9*
3.10/ PHƯƠNG PHÁP GAUSS (GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH):
Xét hệ phương trình tuyến tính thực (A | B) có m phương trình và n ẩn số.
Phương pháp Gauss có những sự tương tự nhất định với phương pháp Gauss –
Jordan nhưng ta xây dựng các cột bán chuẩn (thay vì cột chuẩn). Điều kiện để
một cột bán chuẩn hóa được y hệt như điều kiện chuẩn hóa được (xem 3.7).
Phương pháp Gauss được thực hiện cụ thể như sau :
* Dùng các phép biến đổi sơ cấp trên dòng thích hợp để xây dựng tuần tự các cột
bán chuẩn F1, F2, F3, … trong A (từ trái qua phải). Việc bán chuẩn hóa các cột
phải tuân thủ các qui định sau :
- Khi xây dựng Fk , không làm thay đổi các cột F1, F2, … , Fk 1 đã có trước đó.
- Nếu cột đang xét không thể bán chuẩn hóa thành Fk thì xét qua cột kế cận bên
phải.
- Sau khi xây dựng xong Fk , phải tiến hành ngay việc xây dựng Fk + 1 nếu được.
* Quá trình chuẩn hóa các cột sẽ kết thúc khi gặp sự mâu thuẫn hoặc khi đã bán
chuẩn hóa xong cột cuối của A mà không gặp sự mâu thuẫn nào.
* Khi kết thúc quá trình bán chuẩn hóa các cột của A, có đúng 1 trong 3 trường
hợp sau đây xảy ra:
9
a) Trường hợp 1: Ta gặp sự mâu thuẫn[ nghĩa là gặp một dòng có dạng
0 0 ... 0 a với a 0. Dòng này là hệ quả của hai dòng nào đó có sự tỉ lệ
không tương thích giữa vế trái và vế phải ]. Khi đó hệ vô nghiệm.
b) Trường hợp 2: Ta xây dựng được n cột bán chuẩn liên tiếp F1, F2, … , Fn
trong A mà không gặp sự mâu thuẫn nào. Khi đó hệ có nghiệm duy nhất
được xác định như sau: dùng các phương trình không tầm thường theo thứ tự
từ dưới lên trên của hệ cuối cùng trong quá trình bán chuẩn hóa để tính lần
lượt các ẩn từ phải qua trái (dùng các ẩn đã biết để tính các ẩn chưa biết).
c) Trường hợp 3: Ta xây dựng được k cột bán chuẩn F1, F2, … , Fk (k < n)
trong A xen kẽ với (n k) cột khác không bán chuẩn hóa được mà không
gặp sự mâu thuẫn nào.
Khi đó hệ có vô số nghiệm với (n k) ẩn tự do được xác định như sau:
* Các ẩn ứng với các cột không bán chuẩn hóa được là các ẩn tự do lấy giá trị
thực tùy ý.
* Các ẩn còn lại (ứng với các cột bán chuẩn hóa được) được tính theo các ẩn
tự do bằng cách dùng các phương trình không tầm thường theo thứ tự từ
dưới lên trên của hệ cuối cùng trong quá trình bán chuẩn hóa để tính lần lượt
các ẩn từ phải qua trái (dùng các ẩn đã biết để tính các ẩn chưa biết).
Ví dụ:
a) Trường hợp hệ phương trình tuyến tính có nghiệm duy nhất (các ẩn là x, y, z, t):
x y z
t
5
*
*
2 1
0
3
1
3
6
3
0
4
5
3
1 0
5
3
2
2
4 1
4
7
12 18
2 24
1 41
3* 4 2 24
0
0
2 5
6
38
7
0
0
1
1
9
3
5
0
0
0
0
6
0
3 20 14
3
5
23
1
F1
F1 F2
x y z
t
5
*
1
3*
0
0
3
2
4
2 24
0
: hệ có nghiệm duy nhất như sau:
*
1
9
5
0
0
0
0 6*
6
F1 F2 F3 F4
t = [6/(6)] = 1, z = 9t 5 = 4, y = [(4z 2t 24)/3] = 2, x = [(y 5t + 3)/2 = 3].
Bảng 1: (2) (2) + 2(1), (3) (3) + (1), (4) (4) 3(1)
Bảng 2: (3) (3) + 2(4), (4) (4) + (2)
Bảng 3 : (4) (4) (3)
10
b) Trường hợp hệ phương trình tuyến tính vô nghiệm (các ẩn là x, y, z, t):
y z
x
t
*
*
5 19 12 15 16
3
2
1
2
3
2
1 2
1
1
2
8
5
7
4
7
2
0
2
1
5
3
2* 1
5
2
4
3
4
0
0
0
0
0
0
4
8
9
8
1 18
16
0
0
3
7 15 17 4
6 3 11 14
6
5
F1
0 0 0 0 3 : hệ vô nghiệm.
F1 F2
Bảng 1: (3) (3) + 2(2), (1) (1) + 2(2), (2) (2) + 2(1), (4) (4) + 7(1)
Bảng 2: (3) (3) 4(2), (4) (4) + 3(2)
Bảng 3 : (4) (4) + 2(3)
c) Trường hợp hệ phương trình tuyến tính có vô số nghiệm (các ẩn là x1, x2, x3, x4, x5):
x1 x2 x3 x4 x5
*
*
1 1
3
2 0
4
1 3 2
0
2
4
1 3 2 0 4
1
1
3
2
1 8 6 2
5
2
10
4
1
1
0
7
2* 1
0
2
7
4
0
0
0
0
0
4
6
6
6 7 11
4 12 31
0
0
6
3
4 2
2 1
2
5
2
5
20
1
2
5
12
2
0
F1
F1 F2
x1 x2 x3 x4 x5
*
1 3 2 0 4
1
2* 1
0
2
7
2
0
: các cột (4) và (5) không bán chuẩn hóa được.
0
0
3* 2 1
0
0
0
0
0
0
F1 F2 F3
Hệ có vô số nghiệm với 2 ẩn tự do : x4 = a, x5 = b (a, b R), x3 = (2a b + 2)/3,
x2 = (x3 2b 7)/2 = (2a 7b 19)/6, x1 = x2 3x3 + 2a + 4 = (2a b 7)/6
Bảng 1: (2) (2) 3(1), (3) (3) + (4), (4) (4) + 2(1)
Bảng 2: (3) (3) 5(2), (4) (4) 2(2)
Bảng 3 : (3) 21(3), (4) (4) (3)
IV. HẠNG CỦA MA TRẬN:
4.1/ DẠNG BẬC THANG VÀ DẠNG BẬC THANG RÚT GỌN CỦA MA TRẬN:
Cho A Mm x n(R).
a) Bán chuẩn hóa tối đa các cột của A, ta được ma trận SA Mm x n(R) (biến đổi
Gauss). Trong SA, các dòng không tầm thường (dòng O) nằm phía trên các dòng
O và số hạng 0 đầu tiên của các dòng chính là số hạng có đánh dấu * của các
cột bán chuẩn. Ta nói SA là dạng bậc thang của A hay ma trận rút gọn theo dòng
của A. Dạng bậc thang SA của A không duy nhất.
11
b) Chuẩn hóa tối đa các cột của A, ta được ma trận RA Mm x n(R) (biến đổi
Gauss - Jordan). Trong RA, các dòng không tầm thường (dòng O) nằm phía trên
các dòng O và số hạng 0 đầu tiên của các dòng chính là số 1* của các cột
chuẩn. Ta nói RA là dạng bậc thang rút gọn của A hay ma trận rút gọn theo
dòng từng bậc của A. Dạng bậc thang RA của A là duy nhất.
RA là một dạng đặc biệt của SA.
4.2/ HẠNG CỦA MA TRẬN:
Cho A Mm x n(R) và các dạng SA và RA của A.
Đặt r(A) = (hạng của A) = số dòng không tầm thường (dòng O) của SA(hay RA)
hay r(A) = (hạng của A) = số cột (bán) chuẩn hiện diện trong RA (hay SA).
Ta có 0 r(A) min{ m, n }.
Khi A = Om x n thì r(A) = 0. Khi A Om x n thì r(A) 1.
Ví dụ: Xét A M4 x 5(R) như sau:
*
*
1 3 2
1
3
7
1
1
3 2
5 5
1
5
7
15
8
1 3 2
1
1
2
6
7
3
0
0
0
0
0
1*
1
0
0
2
3
3
1
2
1
A =
5
16 32
1
1
3
0
5
1 4 13 24
0
10 10 16 45
0
15
F1
F1 F2
*
*
*
1 3 2
1
1
2*
0
7
3
1
0 1
2
1
2
0
2
3
1
0
1 0
3
*
*
0
0
0
1*
1
0
0
0 1
1
0
0
0 1
1
0
1/ 2
= SA
= RA
*
0
5
0
0
0
5
0
0
0
0 1 5/ 2
0
0
0
0
0
0
0
0
F1 F2
F3
E1 E2
E1 E2
E3
Ta có r(A) = 3 vì SA (hay RA) có 3 dòng không tầm thường (3 dòng O).
Ta có r(A) = 3 vì RA (hay SA) có 3 cột (bán) chuẩn.
0 r(A) = 3 min{ m = 4, n = 5 } = 4.
Bảng 1: (2) (2) + 2(1), (3) (3) + (4), (4) (4) + 3(1)
Bảng 2: (4) (4) 2(2), (2) 51(2), (3) (3) (2)
Bảng 3 : (4) (4) + 3(3)
Bảng 4 : (1) (1) + 3(2), (1) (1)
Bảng 5 : (1) (1) + (3), (3) 21(3), (2) (2) + (3)
4.3/ ĐỊNH LÝ KRONECKER – CAPELLI:
Cho hệ phương trình tuyến tính AX = B có m phương trình và n ẩn số.
Đặt A = (A | B) Mm x (n + 1)(R). Ta gọi A là ma trận bổ sung của hệ (A | B).
Ta có r(A) = k n và [ r( A ) = r(A) hay r( A ) = r(A) + 1 ].
a) Nếu r( A ) = r(A) + 1 thì hệ (A | B) vô nghiệm.
b) Nếu r( A ) = r(A) = n thì hệ có nghiệm duy nhất.
c) Nếu r( A ) = r(A) = k < n thì hệ có vô số nghiệm với số ẩn tự do là (n k).
12
Ví dụ:
a) Hệ AX = B trong (3.2) có r( A ) = r(A) = n = 4 nên hệ có nghiệm duy nhất.
b) Hệ AX =|B trong (3.3) có r( A ) = 4 = = 3 + 1 = r(A) + 1 nên hệ vô nghiệm.
c) Hệ AX = B trong (3.4) có r( A ) = r(A) = k = 3 < n = 5 nên hệ có vô số nghiệm với
số ẩn tự do là (n k) = (5 3) = 2 .
d) Hệ AX = B trong (3.8) :
* Khi m = 1 thì r( A ) = r(A) = k = 1 < n = 3 nên hệ có vô số nghiệm với
số ẩn tự do là (n k) = (3 1) = 2.
* Khi m = 3 thì r( A ) = r(A) = n = 3 nên hệ có nghiệm duy nhất.
* Khi 3 m 1 thì r( A ) = 4 = 3 + 1 = r(A) + 1 nên hệ vô nghiệm.
e) Các hệ AX = B trong Ví dụ của (3.10) được khảo sát một cách tương tự.
---------------------------------------------------------------------------------
13
13 trang
26/04/2022
6060
Bạn đang xem tài liệu "Giáo án Đại số tuyến tính - Chương I: Ma trận và hệ phương trình tuyến tính - Lê Văn Hợp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_an_dai_so_tuyen_tinh_chuong_i_ma_tran_va_he_phuong_trin.pdf
