Qndev’s blog

About me Logo

View the Project on GitHub qndev/qndev.github.io

30 November 2019

Phương trình tuyến tính trong đại số tuyến tính - Notes

by NGUYEN DINH QUANG

Hệ phương trình tuyến tính

Một phương trình tuyến tính với các biến x1,x2,x3,,xn trong phưowng trình có thể viết dưới dạng: (1)a1x1+a2x2++anxn=b trong đó b và các hệ số a1,a2,,an là các số thực. Các chỉ số n là các số nguyên dương. Ví dụ: Các phương trình: x1+15x1+4x2=1996vàx2=28x1+2x3+15 là các phương trình tuyến tính bởi khi ta rút gọn chúng lạ ta có 14x1+4x2=1996và28x1x2+2x3=15có dạng (1). Các phương trình: 4x15x2=x1x2vàx2=2x16 không phải là các phương trình tuyến tính.

Hệ phương trình tuyến tính hay hệ tuyến tính là tổ hợp của một hoặc nhiều phương trình tuyến tính có liên quan đến các biến giống nhau được gọi là x1,x2,,xn. Ví dụ: Ta có hệ phương trình: (2){2x1x2+1.5x3=8x1+0x24x3=7

Lời giải của hệ là danh sách (s1,s2,s3,,sn) các số mà tại đó làm thoả mãn từng phương trình trong hệ (các giá trị s1,s2,s3,,sn) thay thế tương ứng chó các biến (x1,x2,x3,,xn). Ví dụ: (5,6.5,3) là lời giải cho hệ phương trình (2) bởi vì khi thay thế các số thực trên tương ứng với x1,x2,x3 của hệ ta được các phương trình luôn đúng: 8=8và7=7.

Tất cả các lời giải có thể thoả mãn hệ được gọi là tập lời giải (tập nghiệm). Hai hệ phương trình tuyến tính được gọi là tương đương nhau nếu chúng có cùng tập nghiệm.

Chú ý: Một hệ phương trình tuyến tính có thể có: không có nghiệm hoặc có chính xác một nghiệm duy nhất hoặc có vô số nghiệm.

Ví dụ: Ta có hệ phương trình: {x12x2=1x1+3x2=3 có nghiệm duy nhất.

Image: Hệ phương trình có nghiệm duy nhất

Trong hệ trên hệ pt có cặp nghiệm (x1,x2)=(3,2).

Hệ phương trình: {x12x2=1x1+2x2=3 không có nghiệm.

Image: Hệ phương trình không có nghiệm

Hệ phương trình: {x12x2=1x1+2x2=1 có vô số nghiệm.

Image: Hệ phương trình có vô số nghiệm

Một hệ phương trình được gọi là thoả mãn nếu chúng hoặc có một nghiệm hoặc vô số nghiệm, hệ pt không thoả mãn nếu chúng vô nghiệm.

Kí hiệu ma trận

Các thông tin cần thiết của một hệ phương trình tuyến tính có thể ghi lại gọn trong một hình chữ nhật bao gồm các hệ số của hệ phương trình được gọi là ma trận. Ta có hệ pt sau: (3){x12x2+x3=0 2x28x3=8 5x15x3=10

Với các hệ số tương ứng với các biến của các cột như sau: [121028505] ma trận các hệ số của hệ pt (3).

Và ma trận [1210028850510] (4) được gọi là ma trận bổ sung của hệ.

Chú ý: Ở hàng 2 và hàng 3 của các ma trận trên có các phần tử 0 tương ứng với các hệ số tương ứng với các biến x1x2 của phương trình (2) và (3) của hệ (3) nhưng không được xuất hiện. Cụ thể ta có thể viết lại pt (2) và (3) của hệ (3) như sau: 0x1+2x28x3=85x1+0x25x3=10. Ma trận bổ sung bên trên có thêm cột bên phải là các hằng số bên phải của các phương trình trong hệ.

Kích thước của ma trận được thể hiện thông qua các chỉ số hàng và cột mà ma trận có. Ma trận (4) có 3 hàng và 4 cột được gọi là ma trận 3 nhân 4 (3 by 4).

Giải hệ phương trình tuyến tính

Giải hệ phương trình tuyến tính (3)

Lời giải: Thực hiện thủ tục khử (loại bỏ) được biểu hiện bằng hệ phương trình và ma trận hệ số của hệ phương trình song song để dễ dàng so sánh.

{x12x2+x3=0 2x28x3=8 5x15x3=10[1210028850510]

Giữ nguyên x1 của phương trình đầu tiên cà thực hiện phương pháp khử (loại bỏ) nó từ các phương trình khác trong hệ. Để làm được điều đó ta tiến hành cộng (5) với phương trình (1) với phương trình (3).

5.[pt1]+[pt2][pt3mi]{5x1+10x25x3=0 5x15x3=10 10x210x3=10

Kết quả của việc tính toán trên được viết thay thế pt3 của hệ.

{x12x2+x3=0 2x28x3=8 10x210x3=10[121002880101010]

Bây giờ nhân phương trình (2) của hệ với 12 theo thứ tự ta thu được hệ số của x2 là 1.

{x12x2+x3=0 x24x3=4 10x210x3=10[121001440101010]

Sử dụng x2 của phương trình (2) để khử 10x2 của phương trình (3).

10.[pt2]+[pt3][pt3mi]{10x2+40x3=40 10x210x3=10 30x3=30

Kết quả của việc tính toán trên ta thu được phương trình thứ 3 mới của hệ.

{x12x2+x3=0 x24x3=4 30x3=30[12100144003030]

Bây giờ tiếp tục nhân phương trình (3) với 130 ta thu được hệ số 1 của x3.

{x12x2+x3=0 x24x3=4 x3=1[121001440011]

Hệ phương trình tuyến tính mới ta thu được có dạng tam giác.

Cuối cùng, loại bỏ 2x2 của phương trình (1), nhưng để hiệu quả hơn ta sử dụng x3 của phương trình (3) trước, ta tiến hành loại bỏ 4x3+x3 của phương trình (2) và (1). Dưới đây là miêu tả việc tính toán đó:

4.[pt3]+[pt2][pt2mi]{4x3=4 x24x3=4 x2=0 1.[pt3]+[pt1][pt1mi]{x3=1 x12x2+x3=0 x12x2=1

Kết quả ta thu được:

{x12x2=1 x2=0 x3=1[120101000011]

Ta đã tìm được x3 ở phương trình (3) và sử dụng x2 của phương trình (2) để khử 2x2 của phương trình (1) bằng cách cộng 2 lần phương trình (2) với phương trình (1) ta thu được:

{x1=1 x2=0 x3=1[100101000011]

Như vậy hệ phương trình đã cho có nghiệm duy nhất và có rất nhiều cách khác nhau để tính toán, loại bỏ các hệ số trong hệ có thể dùng để tìm nghiệm của hệ. Để kiểm tra lại xem nghiệm tìm được có chính xác không ta thế các giá trị (x1,x2,x3) vừa tìm được vào bên trái của hệ xem kết quả có đúng bằng phía bên phải là các giá trị trong cột bổ sung của ma trận hay không.

12(0)+1(1)=02(0)8(1)=85(1)5(1)=10

Thao tác khử các hệ số của các phương trình trong hệ (phép khử): Thay thế phương trình(hàng) bằng tổng của chính nó với bội số của hàng khác; hoán đổi hai phương trình (hai hàng); nhân giá trị của phương trình với một hằng số khác không.

Vector Equations

Vector trong R2

Một ma trận chỉ có một cột được gọi là vector cột hay thường gọi là vector. Ví dụ: một vector với hai phần tử

u=[31],v=[0.20.3],w=[w1w2]

Với vector w, w1w2 là các số thực. Tập hopwj tất cả các vector với hai phần tử được kí hiệu là: R2. R được kí hiệu như là đại diện cho một phần tử số thực trong vector và số 2 trên thể hiện việc vector có hai phần tử số thực. Hai vector được gọi là bằng nhau nếu phần tử tương ứng của chúng bằng nhau. Vector [47][74] là không bằng nhau.

Tổng của hai vector uv thuộc R2 thu được bằng cách cộng các phần tử tương ứng của uv. Ví dụ:

[12]+[25]=[1+22+5]=[33]

Nhân số vô hướng c với một vector bằng cách nhân tương ứng từng phần tử của vector với số vô hướng c đó. Ví dụ:

u=[35]andc=5,cu=5[35]=[1525] số thực c trong cu được gọi là scalar giá trị vô hướng.

Biểu diễn trong hình học R2

Tọa độ điểm Vectors theo mũi tên
Image: Tọa độ điểm Vectors theo mũi tên

Quy tắc hình bình hành trong việc công vector.

Nếu vectors uv thuộc R2 được thể hiện giống như các điểm trong mặt phẳng thì u+v tương ứng là đỉnh thứ tư của hình bình hành tạo cùng với ba đỉnh còn lại là u, 0v. Hình ảnh minh họa dưới đây cho thấy rõ điều đấy:

Image: Quy tắc hình bình hành

Ở đây các vector u=[23] - vector màu xanh, v=[11] - vector màu đỏ, 0=[00] - gốc tọa độ và vector u+v=[14] - vector màu vàng.

Vector thuộc R3

Vector thuộc R3 là ma trận 3x1 với 3 phần tử. Biểu diễn tương ứng trong hình học là điểm trong hệ tọa độ không gian ba chiều.

Vector thuộc Rn

Nếu n là số nguyên dương, Rn là kí hiệu của tập hợp danh sách của n số thực, thường được viết giống như ma trận cột nx1.

u=[u1u2..un]

Vector mà tất cả các phần tử của nó bằng 0 được gọi là vector không.

Tổ hợp tuyến tính

Các vetor v1,v2,,vp thuộc Rn và các số vô hướng c1,c2,,cp. Vector y được định nghĩa dưới dạng: y=c1v1+c2v2++cpvp được gọi là tổ hợp tuyến tính của v1,v2,,vp với các trọng số c1,c2,,cp. Các trọng số trong tổ hợp tuyến tính có thể là bất kì số thực nào kể cả là 0. Ví dụ: Một vài tổ hợp tuyến tính của hai vector v1,v2.

3v1+v2,12v1+0v2,0v1+0v2

Ax=b

Ax=[a1a2..an][x1x2..xn]=a1x1+a2x2++anxn

Ax=ba1x1+a2x2++anxn=b[a1a2..anb]

Tập nghiệm của hệ phương trình tuyến tính

Hệ thuần nhất có dạng Ax=0 có nghiệm không tầm thường khi và chỉ khi phương trình có ít nhất một biến tự do(là biến với hệ số bằng không).

Ví dụ: [A0]

[354032406180][354003000900][354003000000]

[1043001000000]{x143x3=0 x2=0 0=0

Như vậy ta có x1=43x3, x2=0, suy ra x=[x1x2x3]=[43x30x3]=vx3 với v=[4301]

Ta có vx3=[4301]. Về mặt hình học, tập nghiệm của hệ phương trình là đường thẳng đi qua gốc tọa độ trong R3.

Ví dụ: 10x13x22x3=0, suy ra x1=0.3x2+0.2x3.

x=[x1x2x3]=[0.3x2+0.2x3x2x3]=[0.3x2x20]+[0.2x30x3]

x=x2[0.310]+x3[0.201]

Như vậy tập nghiệm của pt là tổ hợp tuyến tính của hai vector uv với u=[0.310]v=[0.201] hay spanu,v hay mặt phẳng đi qua gốc tọa độ chứa uv.

Tập nghiệm dạng: x=su+tv (s,tR).

Nghiệm của hệ không thuần nhất

w=p+vh trong đó vh là nghiệm của Ax=0.

Độc lập tuyến tính

Tập {v1,v2,,vp}R được gọi là độc lập tuyến tính nếu pt:

x1v1+x2v2++xpvp=0

chỉ có nghiệm tầm thường và phụ thuộc tuyến tính nếu tồn tại các trọng số c1,c2,,cp không đồng thời bằng 0

c1v1+c2v2++cpvp=0


Latest Posts

tags: linear algebra