Как дельта a найти крамер

Метод Крамера

Одним из методов решения систем линейных уравнений является метод Крамера. Используется для нахождения решения систем, в которых количество строк равно количеству неизвестных. То есть для квадратных систем уравнений. Основан он на вычислении определителей матрицы: основного и дополнительных, получающихся замещением одного из столбца основного определителя на столбец свободных членов системы алгебраических уравнений. Рассмотрим сам алгоритм метода Крамера и примеры с решением.

Дано СЛАУ $ begin{cases} a_{11}x_1+a_{12}x_2+a_{13}x_3 = b_1\a_{21}x_1+a_{22}x_2+a_{23}x_3 = b_2\a_{31}x_1+a_{32}x_2+a_{33}x_3=b_3 end{cases} $

Найти неизвестные $ begin{pmatrix}x_1\x_2\x_3 end{pmatrix} $

Алгоритм решения заключается в том, что  составляется из системы матрица $ A = begin{pmatrix} a_{11}&a_{12}&a_{13}\a_{21}&a_{22}&a_{23}\a_{31}&a_{32}&a_{33} end{pmatrix} $ и столбец свободных членов $ B = begin{pmatrix} b_1\b_2\b_3 end{pmatrix} $

Далее вычисляется основной определитель матрицы $ Delta = |A| $ и дополнительные $ Delta_i $, получающиеся из основного определителя путем поочередного замещения столбцов на столбец свободных членов$ begin{pmatrix}b_1\b_2\b_3 end{pmatrix} $

Если получается $ Delta = 0 $, тогда система не может быть решена методом Крамера! 

В итоге по формуле метода Крамера находим неизвестные в системе линейных уравнений: $$ x_1 = frac{Delta_1}{Delta}, x_2 = frac{Delta_2}{Delta}, x_3 = frac{Delta_3}{Delta} $$

Примеры с решением

Пример 1
Решить систему линейных уравнений методом Крамера: $$ begin{cases} 3x_1+x_2+2x_3 = 4\-x_1+2x_2-3x_3 = 1\-2x_1+x_2+x_3=-2 end{cases} $$
Решение

Составляем матрицу $ A = begin{pmatrix} 3&1&2\-1&2&-3\-2&1&1 end{pmatrix}  $ и выписываем столбец свободных членов $ b = begin{pmatrix} 4\1\-2 end{pmatrix} $

Вычисляем главный определитель матрицы:

$$ Delta = |A| = begin{vmatrix} 3&1&2\-1&2&-3\-2&1&1 end{vmatrix} = 6 + 6 -2 +8 + 1 + 9 = 28 $$

Замечаем, что  $ Delta = 28 ne 0 $, то систему можно решить методом Крамера.

Вычисляем первый дополнительный определитель  $ Delta_1 $. Подставляем столбец свободных членов $ b = begin{pmatrix} 4\1\-2 end{pmatrix} $ на место первого столбца в основной матрице:

$$ Delta_1 = begin{vmatrix} 4&1&2\1&2&-3\-2&1&1 end{vmatrix} = 8 +6 +2 + 8 -1 +12 = 35 $$

Аналогично вычислим $ Delta_2 $:

$$ Delta_2 = begin{vmatrix} 3&4&2\-1&1&-3\-2&-2&1 end{vmatrix} = 3 + 24 + 4 +4 -18 +4 = 21 $$

Точно также находим $ Delta_3 $:

$$ Delta_3 = begin{vmatrix} 3&1&4\-1&2&1\-2&1&-2 end{vmatrix} = -12 -2 -4 +16 -3 -2 = -7 $$

По формуле Крамера:

$$ x_1 = frac{Delta_1}{Delta} = frac{35}{28} = frac{5}{4} $$

$$ x_2 = frac{Delta_2}{Delta} = frac{21}{28} = frac{3}{4} $$

$$ x_3 = frac{Delta_3}{Delta} = frac{-7}{28} = -frac{1}{4} $$

Если не получается решить свою задачу, то присылайте её к нам. Мы предоставим подробное решение онлайн. Вы сможете ознакомиться с ходом вычисления и почерпнуть информацию. Это поможет своевременно получить зачёт у преподавателя!

Ответ
$$ x_1 = frac{5}{4}; x_2 = frac{3}{4}; x_3 = -frac{1}{4} $$
Пример 2

Решить систему уравнений методом Крамера:

$$ begin{cases} x+y-2z = 2\2x-3y-z = 1\x-4y+z=3 end{cases} $$

Решение

Попробуем  решить методом Крамера. Найдем основной определитель системы уравнений:

$$ Delta = begin{vmatrix} 1&1&-2\2&-3&-1\1&-4&1 end{vmatrix} = -3 -1 +16 -6 -4 -2 = 0 $$

Внимание! Получили $ Delta = 0 $, а это означает, что данную систему нельзя решить методом Крамера. Алгоритм завершает  свою работу. Советуем воспользоваться другим методом для решения, например, матричным  методом или Гаусса.

Ответ
Метод Крамера нельзя применить к данной системе линейных уравнений

Метод Крамера. Примеры решения систем линейных алгебраических уравнений методом Крамера.

Метод Крамера предназначен для решения тех систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), у которых определитель матрицы системы отличен от нуля. Естественно, при этом подразумевается, что матрица системы квадратна (понятие определителя существует только для квадратных матриц). Решение системы уравнений методом Крамера проходит за три шага простого алгоритма:

  1. Составить определитель матрицы системы (его называют также определителем системы), и убедиться, что он не равен нулю, т.е. $Deltaneq 0$.
  2. Для каждой переменной $x_i$($i=overline{1,n}$) необходимо составить определитель $Delta_{x_i}$, полученный из определителя $Delta$ заменой i-го столбца столбцом свободных членов заданной СЛАУ.
  3. Найти значения неизвестных по формуле $x_i=frac{Delta_{x_{i}}}{Delta}$ ($i=overline{1,n}$).

Перед переходом к чтению примеров рекомендую ознакомиться с правилами вычисления определителей второго и третьего порядка, изложенными здесь.

Пример №1

Решить СЛАУ $left{begin{aligned}
& 3x_1+2x_2=-11;\
& -x_1+5x_2=15.
end{aligned}right.$ методом Крамера.

Решение

Матрица системы такова: $ A=left( begin{array} {cc} 3 & 2\ -1 & 5 end{array} right)$. Определитель этой матрицы:

$$Delta=left| begin{array} {cc} 3 & 2\ -1 & 5 end{array}right|=3cdot 5-2cdot(-1)=17.$$

Как вычисляется определитель второго порядка можете глянуть здесь.

Так как определитель системы не равен нулю, то продолжаем решение методом Крамера. Вычислим значения двух определителей: $Delta_{x_1}$ и $Delta_{x_2}$. Определитель $Delta_{x_1}$ получаем из определителя $Delta=left| begin{array} {cc} 3 & 2\ -1 & 5 end{array}right|$ заменой первого столбца (именно этот столбец содержит коэффициенты при $x_1$) столбцом свободных членов $left(begin{array} {c} -11\ 15end{array}right)$:

$$
Delta_{x_1}=left|begin{array}{cc}-11&2\15&5end{array}right|=-55-30=-85.
$$

Аналогично, заменяя второй столбец в $Delta=left|begin{array}{cc}3&2\-1&5end{array}right|$ столбцом свободных членов, получим:

$$
Delta_{x_2}=left|begin{array} {cc} 3 & -11\ -1 & 15end{array}right|=45-11=34.
$$

Теперь можно найти значения неизвестных $x_1$ и $x_2$.

$$x_1=frac{Delta_{x_1}}{Delta}=frac{-85}{17}=-5;;x_2=frac{Delta_{x_2}}{Delta}=frac{34}{17}=2.$$

В принципе, можно ещё проверить, правильно ли решена система методом Крамера. Подставим в заданную СЛАУ $x_1=-5$, $x_2=2$:

$$left{begin{aligned}
& 3x_1+2x_2=3cdot(-5)+2cdot{2}=-11;\
& -x_1+5x_2=-(-5)+5cdot{2}=15.
end{aligned}right.$$

Проверка пройдена, решение системы уравнений методом Крамера найдено верно. Осталось лишь записать ответ.

Ответ: $x_1=-5$, $x_2=2$.

Пример №2

Решить СЛАУ $
left{begin{aligned}
& 2x_1+x_2-x_3=3;\
& 3x_1+2x_2+2x_3=-7;\
& x_1+x_3=-2.
end{aligned} right.$, используя метод Крамера.

Решение

Определитель системы:

$$Delta=left| begin{array} {ccc} 2 & 1 & -1\ 3 & 2 & 2 \ 1 & 0 & 1 end{array}right|=4+2+2-3=5.$$

Как вычисляется определитель третьего порядка можете глянуть здесь.

Заменяя первый столбец в $Delta$ столбцом свободных членов, получим $Delta_{x_1}$:

$$
Delta_{x_1}=left| begin{array} {ccc} 3 & 1 & -1\ -7 & 2 & 2 \ -2 & 0 & 1 end{array}right|=6-4-4+7=5.
$$

Заменяя второй столбец в $Delta$ столбцом свободных членов, получим $Delta_{x_2}$:

$$
Delta_{x_2}=left| begin{array} {ccc} 2 & 3 & -1\ 3 & -7 & 2 \ 1 & -2 & 1 end{array}right|=-14+6+6-7-9+8=-10.
$$

Заменяя третий столбец в $Delta$ столбцом свободных членов, получим $Delta_{x_3}$:

$$
Delta_{x_3}=left| begin{array} {ccc} 2 & 1 & 3\ 3 & 2 & -7 \ 1 & 0 & -2 end{array}right|=-8-7-6+6=-15.
$$

Учитывая все вышеизложенное, имеем:

$$
x_1=frac{Delta_{x_1}}{Delta}=frac{5}{5}=1;; x_2=frac{Delta_{x_2}}{Delta}=frac{-10}{5}=-2; ; x_3=frac{Delta_{x_3}}{Delta}=frac{-15}{5}=-3.
$$

Метод Крамера завершён. Можно проверить, верно ли решена система уравнений методом Крамера, подставив значения $x_1=1$, $x_2=-2$ и $x_3=-3$ в заданную СЛАУ:

$$left{begin{aligned}
& 2x_1+x_2-x_3=2cdot{1}+(-2)-(-3)=3;\
& 3x_1+2x_2+2x_3=3cdot{1}+2cdot(-2)+2cdot(-3)=-7;\
& x_1+x_3=1+(-3)=-2.
end{aligned} right.$$

Проверка пройдена, решение системы уравнений методом Крамера найдено верно.

Ответ: $x_1=1$, $x_2=-2$, $x_3=-3$.

Пример №3

Решить СЛАУ $left{begin{aligned}
& 2x_1+3x_2-x_3=15;\
& -9x_1-2x_2+5x_3=-7.
end{aligned}right.$ используя метод Крамера.

Решение

Матрица системы $ left( begin{array} {ccc} 2 & 3 & -1\ -9 & -2 & 5 end{array} right) $ не является квадратной. Однако это вовсе не означает, что решение системы уравнений методом Крамера невозможно. Преобразуем заданную СЛАУ, перенеся переменную $x_3$ в правые части уравнений:

$$

left { begin{aligned}
& 2x_1+3x_2=x_3+15;\
& -9x_1-2x_2=-5x_3-7.

end{aligned} right.

$$

Теперь матрица системы $ left( begin{array} {cc} 2 & 3 \ -9 & -2 end{array} right) $ стала квадратной, и определитель её $Delta=left| begin{array} {cc} 2 & 3\ -9 & -2 end{array}right|=-4+27=23$ не равен нулю. Применим метод Крамера аналогично предыдущим примерам:

$$
begin{aligned}
& Delta_{x_1}
=left| begin{array} {cc} x_3+15 & 3\ -5x_3-7 & -2 end{array}right|
=-2x_3-30-left(-15x_3-21right)
=13x_3-9;\
\
& Delta_{x_2}
=left| begin{array} {cc} 2 & x_3+15\ -9 & -5x_3-7 end{array}right|
=-10x_3-14-left(-9x_3-135right)
=-x_3+121.
end{aligned}
$$

$$
x_1=frac{Delta_{x_1}}{Delta}=frac{13x_3-9}{23};;
x_2=frac{Delta_{x_2}}{Delta}=frac{-x_3+121}{23}.
$$

Ответ можно записать в таком виде: $left{begin{aligned}
& x_1=frac{13x_3-9}{23};\
& x_2=frac{-x_3+121}{23};\
& x_3in R.
end{aligned}right.$ Переменные $x_1$, $x_2$ – базисные (в иной терминологии – основные), а переменная $x_3$ – свободная (в иной терминологии – неосновная). Проверка, при необходимости, проводится так же, как и в предыдущих примерах.

Примечание

В подобных примерах возможна ситуация, когда после переноса переменной (или переменных) в правые части уравнений, определитель системы равняется нулю. В этом случае можно перенести в правую часть иную переменную (или переменные). Например, рассмотрим СЛАУ
$left{begin{aligned}
& 2x_1-5x_2+10x_3=14;\
& -4x_1+10x_2-7x_3=5.
end{aligned}right.$. Если перенести в правые части уравнений $x_3$, получим: $
left{begin{aligned}
&2x_1-5x_2=-10x_3+14;\
&-4x_1+10x_2=7x_3+5.
end{aligned}right.$. Определитель данной системы $Delta=left| begin{array} {cc} 2 & -5\ -4 & 10 end{array}right|=20-20=0$. Однако если перенести в правые части уравнений переменную $x_2$, то получим систему $
left{begin{aligned}
&2x_1+10x_3=5x_2+14;\
&-4x_1-7x_3=-10x_2+5.
end{aligned}right.$, определитель которой $Delta=left| begin{array} {cc} 2 & 10\ -4 & -7 end{array}right|=-14+40=26$ не равен нулю. Дальнейшее решение аналогично рассмотренному в примере №3.

Пример №4

Решить СЛАУ

$$left{begin{aligned}
&x_1-5x_2-x_3-2x_4+3x_5=0;\
&2x_1-6x_2+x_3-4x_4-2x_5=0; \
&-x_1+4x_2+5x_3-3x_4=0.
end{aligned}right.$$

методом Крамера.

Решение

Матрица системы $left(begin{array} {ccccc} 1 & -5 & -1 & -2 & 3 \
2 & -6 & 1 & -4 & -2 \
-1 & 4 & 5 & -3 & 0
end{array}right)$ не является квадратной. Преобразуем заданную СЛАУ, перенеся переменные $x_4$, $x_5$ в правые части уравнений, и применим метод Крамера:

$$
left{begin{aligned}
& x_1-5x_2-x_3=2x_4-3x_5;\
& 2x_1-6x_2+x_3=4x_4+2x_5; \
& -x_1+4x_2+5x_3=3x_4.
end{aligned}right.$$

$$
begin{aligned}
& Delta
=left| begin{array} {ccc} 1 & -5 & -1\ 2 & -6 & 1\-1 & 4 & 5 end{array}right|
=19;\
\
& Delta_{x_1}
=left| begin{array} {ccc} 2x_4-3x_5 & -5 & -1\ 4x_4+2x_5 & -6 & 1\3x_4 & 4 & 5 end{array}right|
=-17x_4+144x_5;\
\
& Delta_{x_2}
=left| begin{array} {ccc} 1 & 2x_4-3x_5 & -1\ 2 & 4x_4+2x_5 & 1\-1 & 3x_4 & 5 end{array}right|
=-15x_4+41x_5;\
\
& Delta_{x_3}
=left| begin{array} {ccc} 1 & -5 & 2x_4-3x_5\ 2 & -6 & 4x_4+2x_5\-1 & 4 & 3x_4 end{array}right|
=20x_4-4x_5.
end{aligned}
$$

Ответ таков: $left{begin{aligned}
& x_1=frac{-17x_4+144x_5}{19};\
& x_2=frac{-15x_4+41x_5}{19};\
& x_3=frac{20x_4-4x_5}{19}; \
& x_4in R; ; x_5in R.
end{aligned}right.$ Переменные $x_1$, $x_2$, $x_3$ – базисные, переменные $x_4$, $x_5$ – свободные.

Естественно, что применение метода Крамера в случаях вроде того, что рассмотрен в примере №4, не всегда оправдано с точки зрения временных затрат. Мы ведь не можем гарантировать, что после переноса каких-либо переменных в правые части уравнений, определитель системы не будет равен нулю. А перебирать различные варианты – слишком долгий процесс. Гораздо удобнее в таком случае применить метод Гаусса. Я привёл пример №4 лишь с одной целью – показать, что метод Крамера применим вне зависимости от содержимого правых частей уравнений заданной СЛАУ (числа, переменные, функции – не имеет значения). Главное, чтобы определитель матрицы системы был отличен от нуля.

Метод Крамера часто применяется для систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Этот способ решения один из самых простых. Как правило, данный метод применяется только для тех систем, где по количеству неизвестных столько же, сколько и уравнений. Чтобы получилось решить уравнение, главный определитель матрицы не должен равняться нулю.

Габриель Крамер - математик, создатель одноименного метода решения систем линейных уравнений

Габриель Крамер – математик, создатель одноименного метода решения систем линейных уравнений

Габриель Крамер – известный математик, который родился 31 июля 1704 года. Ещё в детстве Габриель поражал своими интеллектуальными способностями, особенно в области математики. Когда Крамеру было 20 лет, он устроился в Женевский университет штатным преподавателем.

Во время путешествия по Европе Габриель познакомился с математиком Иоганном Бернулли, который и стал его наставником. Только благодаря Иоганну, Крамер написал много статей по геометрии, истории математики и философии. А в свободное от работы время изучал математику всё больше и больше.

Наконец-то наступил тот день, когда Крамер нашёл способ, при помощи которого можно было бы легко решать не только лёгкие, но и сложные системы линейных уравнений.

В 1740 году у Крамера были опубликованы несколько работ, где доступно изложено решение квадратных матриц и описан алгоритм, как находить обратную матрицу. Далее математик описывал нахождения линейных уравнений разной сложности, где можно применить его формулы. Поэтому тему так и назвали: «Решение систем линейных уравнений методом Крамера».

Учёный умер в возрасте 48 лет (в 1752 году). У него было ещё много планов, но, к сожалению, он так и не успел их осуществить.

Вывод формулы Крамера

Пусть дана система линейных уравнений такого вида:

 left{ begin{aligned} a_{11}x + a_{12}y + a_{13}z = b_1\ a_{21}x + a_{22}y + a_{23}z = b_2\ a_{31}x + a_{32}y + a_{33}z = b_3 end{aligned} right

где x, y, z – неизвестные переменные, a_{11}, a_{12}, a_{13}, a_{21}, a_{22}, a_{23}, a_{31}, a_{32}, a_{33} – это числовые коэффициенты, в b_{1}, b_{2}, b_{3} – свободные члены.

Решением СЛАУ (систем линейных алгебраических уравнение) называются такие неизвестные значения x, y, z при которых все уравнения данной системы преобразовываются в тождества.

Если записать систему в матричном виде, тогда получается A * X = B, где

A = begin{pmatrix} a_{11}&a_{12}&a_{31}\ a_{12}&a_{22}&a_{32}\ a_{13}&a_{23}&a_{33} end{pmatrix} right

В данной главной матрице находятся элементы, коэффициенты которых при неизвестных переменных,

B = begin{pmatrix} b_{1}\ b_{2}\ b_{3} end{pmatrix} right

Это матрица-столбец свободных членов, но есть ещё матрица-столбец неизвестных переменных:

X = begin{pmatrix} x\ y\ z end{pmatrix} right

После того, когда найдутся неизвестные переменные, матрица X и будет решением системы уравнений, а наше равенство A * X = B преобразовывается в тождество. A * Xeqiv{B}. Если умножить A^{-1}, тогда (A^{-1} * A) * X = A^{-1} * B. Получается: X = A^{-1} * B.

Если матрица A – невырожденная, то есть, её определитель не равняется нулю, тогда у СЛАУ есть только одно единственное решение, которое находится при помощи  метода Крамера.

Как правило, для решения систем линейных уравнений методом Крамера, нужно обращать внимания на два свойства, на которых и основан данный метод:

1. Определитель квадратной матрицы A равняется сумме произведений элементов любой из строк (столбца) на их алгебраические дополнения:

A = begin{pmatrix}  a_{11}&a_{12}&...&a_{n_1}\  a_{12}&a_{22}&...&a_{n_2}\  a_{13}&a_{23}&...&a_{n_3}  end{pmatrix} = a_{q1} * A_{q1} + a_{q2} * A_{q2} + ... + a_{qn} * A_{qn} = a_{1k} * A_{1k} + a_{2k} * A_{2k} + ... + a_{nk} * A_{nk}  right, здесь q – 1, 2, …, n; k – 1, 2, 3, …, n.

2. Сумма произведений элементов данной матрицы любой строки или любого столбца на алгебраические дополнения определённых элементов второй строки (столбца) равняется нулю:

a_{q1} * A_{q1} + a_{q2} * A_{q2} + ... + a_{qn} * A_{qn}  = 0,

a_{1k} * A_{1k} + a_{2k} * A_{2k} + ... + a_{nk} * A_{nk} = 0,

где q – 1, 2, …, n; k – 1, 2, 3, …, n. qneq{k}.

Итак, теперь можно найти первое неизвестное x. Для этого необходимо умножить обе части первого уравнения системы на A_{11}, части со второго уравнения на A_{21}, обе части третьего уравнения на A_{31} и т. д. То есть, каждое уравнение одной системы нужно умножать на определённые алгебраические дополнения первого столбца матрицы A:

 left{ begin{aligned} A_{11}a_{11}x + A_{11}a_{12}y + A_{11}a_{13}z = A_{11}b_1\ A_{21}a_{21}x + A_{21}a_{22}y + A{21}a_{23}z = A_{21}b_2\ A_{31}a_{31}x + A_{31}a_{32}y + A_{31}a_{33}z = A_{31}b_3 end{aligned} right

Теперь прибавим все левые части уравнения, сгруппируем слагаемые, учитывая неизвестные переменные x, y, z и приравняем эту же сумму к сумме правых частей системы уравнения:

x * (A_{11}a_{11} + A_{21}a_{21} + ... + A_{n}a_{n}) + y* (A_{11}a_{12} + A_{21}a_{22} + ... + A_{n}a_{n}) + \ + z * (A_{11}a_{1n} + A_{21}a_{2n} + ... + A_{1n}a_{nn}) = A_{11}b_{1} + A_{21b_{2} + ... + A_{1n}b_{n}.

Можно обратиться к вышеописанным свойствам определителей и тогда получим:

A_{11}a_{11} + A_{21}a_{21} + ... + A_{1n}a_{1n} = |A|\  A_{11}a_{12} + A_{21}a_{22} + ... + A_{1n}a_{2n} = 0\  .......................................................\  A_{11}a_{1n} + A_{21}a_{2n} + ... + A_{1n}a_{nn} = 0\  A_{11}b_{1} + A_{21}b_{2} + ... + A_{1n}b_{n} = begin{vmatrix}  b_{1}&a_{12}&...&a_{1n}\  b_{2}&a_{22}&...&a_{2n}\  vdots&vdots&vdots&vdots\  b_{n}&a_{2n}&...&a_{nn}  end{vmatrix}  right

И предыдущее равенство уже выглядит так:

x * |A| = begin{vmatrix} b_{1}&a_{12}&...&a_{1n}\ b_{2}&a_{22}&...&a_{2n}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ b_{n}&a_{2n}&...&a_{nn}\ end{vmatrix} right

Откуда и получается x = |A|.

Аналогично находим y. Для этого надо умножить обе части уравнений на алгебраические дополнения, которые находятся во втором столбце матрицы A.

 left{ begin{aligned} A_{12}a_{11}x + A_{12}a_{12}y + dots + A_{12}a_{1n}z = A_{12}b_1\ A_{22}a_{22}x + A_{22}a_{22}y + dots + A{22}a_{2n}z = A_{22}b_2\ vdots&\ A_{2n}a_{1n}x + A_{2n}a_{2n}y + dots + A_{2n}a_{nn}z = A_{2n}b_n end{aligned} right

Теперь нужно сложить все уравнения системы и сгруппировать слагаемые при неизвестных переменных. Для этого вспомним свойства определителя:

x * (A_{12}a_{11} + A_{22}a_{21} + dots + A_{2n}a_{1n}) + y * (A_{12}a_{12} + A_{22}a_{22} + \ + dots + A_{2n}a_{2n}) + dots +  to{z} * (A_{12}a_{1n} + A_{22}a_{2n} + dots + A_{2n}a_{nn}) = \ = A_{12}b_{1} + A_{22}b_{2} + dots + A_{2n}b_{n}to{x} * 0 + y * |A| + dots + z * 0 = \ = begin{vmatrix}  a_{11}&b_{1}&dots&a_{1n}\  a_{21}&b_{2}&dots&a_{2n}\  vdots&vdots&vdots&vdots\  a_{1n}&b_{n}&dots&a_{nn}  end{vmatrix}to{y}* |A| = begin{vmatrix}  a_{11}&b_{1}&dots&a_{1n}\  a_{21}&b_{2}&dots&a_{2n}\  vdots&vdots&vdots&vdots\  a_{1n}&b_{n}&dots&a_{nn}  end{vmatrix}  right

Откуда получается y = |A|.

Аналогично находятся все остальные неизвестные переменные.

Если обозначить:

Delta = begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&...&a_{1n}\ a_{12}&a_{22}&...&a_{2n}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ a_{1n}&a_{2n}&...&a_{nn} end{vmatrix}, right

Delta_{x}= begin{vmatrix} b_{1}&a_{12}&...&a_{1n}\ b_{2}&a_{22}&...&a_{2n}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ b_{n}&a_{2n}&...&a_{nn} end{vmatrix}, right

Delta_{y}= begin{vmatrix} a_{11}&b_{1}&...&a_{1n}\ a_{21}&b_{2}&...&a_{2n}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ a_{1n}&b_{n}&...&a_{nn} end{vmatrix},

Delta_{z}= begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&...&b_{1}\ a_{21}&a_{22}&...&b_{2}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ a_{1n}&a_{2n}&...&b_{n} end{vmatrix} , right

тогда получаются формулы, благодаря которым находятся неизвестные переменные методом Крамера:

{x} = {Delta_{x}over{Delta}}, {y} = {Delta_{y}over{Delta}}, {z} = {Delta_{z}over{Delta}}.

Замечание.

Тривиальное решение (x = y = dots = z = 0 при Aneq{0}) может быть только в том случае, если система уравнений является однородной (b_1 = b_2 = dots = b_n = 0). И действительно, если все свободные члены нулевые, тогда и определители равняются нулю, так как в них содержится столбец с нулевыми элементами. Конечно же, тогда формулы {x} = {Delta_{x}over{Delta}}, {y} = {Delta_{y}over{Delta}}, {z} = {Delta_{z}over{Delta}} дадут x = y = dots = z = 0

Нужна помощь в написании работы?

Мы – биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Цена работы

Метод Крамера – теоремы

Прежде чем решать уравнение , необходимо знать:

  1. теорему аннулирования;
  2. теорему замещения.

Теорема замещения

Сумма произведений алгебраических дополнений любого столбца (строки) на произвольные числа b_1, b_2, b_3 равняется новому определителю, в котором этими числами заменены соответствующие элементы изначального определителя, что отвечают данным алгебраическим дополнениям.

Например,

b_1A_{11} + b_2A_{21} + b_3A_{32} =  begin{vmatrix} b_1&a_{12}&a_{13}\ b_2&a_{22}&a_{23}\ b_3&a_{32}&a_{33} end{vmatrix} right

где A_{11}, A_{21}, A_{31} – алгебраические дополнения элементов a_{11}, a_{21}, a_{31} первого столбца изначального определителя:

Delta = begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&a_{13}\ a_{21}&a_{22}&a_{23}\ a_{31}&a_{32}&a_{33} end{vmatrix} right

Теорема аннулирования

Сумма произведений элементов одной строки (столбца) на алгебраические дополнения соответствующих элементов другой строки (столбца) равняется нулю.

Например:

a_{12}A_{11} + a_{22}A_{21} + a_{32}A_{31} = 0.

Алгоритм решения уравнений методом Крамера

Метод Крамера – простой способ решения систем линейных алгебраических уравнений. Такой вариант применяется исключительно к СЛАУ, у которых совпадает количество уравнений с количеством неизвестных, а определитель отличен от нуля.

Итак, когда выучили все этапы, можно переходить к самому алгоритму решения уравнений методом Крамера. Запишем его последовательно:

Шаг 1. Вычисляем главный определитель матрицы

Delta = begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&dots&a_{1n}\ a_{21}&a_{22}&dots&a_{2n}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ a_{1n}&a_{2n}&dots&a_{nn} end{vmatrix} right

и необходимо убедиться, что определитель отличен от нуля (не равен нулю).

Шаг 2. Находим определители

Delta_{x} = begin{vmatrix} b_{1}&a_{12}&dots&a_{1n}\ b_{2}&a_{22}&dots&a_{2n}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ b_{n}&a_{2n}&dots&a_{nn} end{vmatrix} right

Delta_{y} = begin{vmatrix} a_{11}&b_{1}&dots&a_{1n}\ a_{21}&b_{2}&dots&a_{2n}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ a_{1n}&b_{n}&dots&a_{nn} end{vmatrix} rightvdots

Delta_{z} = begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&dots&b_{1}\ a_{21}&a_{22}&dots&b_{2}\ vdots&vdots&vdots&vdots\ a_{1n}&a_{2n}&dots&b_{n} end{vmatrix} right

Это и есть определители матриц, которые получались из матрицы A при замене столбцов на свободные члены.

Шаг 3. Вычисляем неизвестные переменные

Теперь вспоминаем формулы Крамера, по которым вычисляем корни (неизвестные переменные):

{x} = {Delta_{x}over{Delta}}, {y} = {Delta_{y}over{Delta}}, {z} = {Delta_{z}over{Delta}}.

Шаг 4. Выполняем проверку

Выполняем проверку решения при помощи подстановки x, y, z в исходную СЛАУ. Абсолютно все уравнения в системе должны быть превращены в тождества. Также можно высчитать произведение матриц A * X. Если в итоге получилась матрица, которая равняется B, тогда система решена правильно. Если же не равняется B, скорей всего в одном из уравнений есть ошибка.

Давайте для начала рассмотрим систему двух линейных уравнений, так как она более простая и поможет понять, как правильно использовать правило Крамера. Если вы поймёте простые и короткие уравнения, тогда сможете решить более сложные системы трёх уравнений с тремя неизвестными.

Кроме всего прочего, есть системы уравнений с двумя переменными, которые решаются исключительно благодаря правилу Крамеру.

Итак, дана система двух линейных уравнений:

left{ begin{aligned} a_{1}x + b_{1}y = S_1\ a_{2}x + b_{2}y = S_2\ end{aligned}  right

Для начала вычисляем главный определитель (определитель системы):

Delta = begin{vmatrix} a_{1}&b_{1}\ a_{2}&b_{2}\ end{vmatrix} right

Значит, если Delta = 0, тогда у системы или много решений, или система не имеет решений. В этом случае пользоваться правилом Крамера нет смысла, так как решения не получится и нужно вспоминать метод Гаусса, при помощи которого данный пример решается быстро и легко.

В случае, если Deltaneq{0}, тогда у система есть всего одно решение, но для этого необходимо вычислить ещё два определителя и найти корни системы.

Delta_x = begin{vmatrix} S_{1}&b_{1}\ S_{2}&b_{2}\ end{vmatrix} right

и

Delta_y = begin{vmatrix} a_{1}&S_{1}\ a_{2}&S_{2}\ end{vmatrix} right

Часто на практике определители могут обозначаться не только Delta, но и латинской буквой D, что тоже будет правильно.

Корни уравнения найти просто, так как главное, знать формулы:

x = {Delta_{x}over{Delta}}, y =  {Delta_{y}over{Delta}}

Так как мы смогли решить систему двух линейных уравнений, теперь без проблем решим и систему трёх линейных уравнений, а для этого рассмотрим систему:

left{ begin{aligned} a_{11}x + a_{12}y + a_{13}z = b_1\ a_{21}x + a_{22}y + a_{23}z = b_2\ a_{31}x + a_{32}y + a_{33}z = b_3 end{aligned}  right

(1)

Здесь алгебраические дополнения элементов – первый столбец {A_{11}, A_{21}, A_{31}. Во время решения не забывайте о дополнительных элементах. Итак, в системе линейных уравнений нужно найти три неизвестных – x, y, z при известных других элементах.

Создадим определитель системы из коэффициентов при неизвестных:

Delta = begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&a_{13}\ a_{21}&a_{22}&a_{23}\ a_{31}&a_{32}&a_{33} end{vmatrix} right

Умножим почленно каждое уравнение соответственно на A_{11}, A_{21}, A_{31} – алгебраические дополнения элементов первого столбца (коэффициентов при x) и прибавим все три уравнения. Получаем:

x(a_{11}A_{11} + a_{21}A_{21} + a_{31}A_{31}) + y(a_{12}A_{11} + a_{22}A_{21} + a_{32}A_{31}) + z(a_{13}A_{11} + a_{23}A_{21} + a_{33}A_{31}) = b_1A_{11} + b_2A_2_1 + b_3A_{31}.

Согласно теореме про раскладывание, коэффициент при x равняется Delta. Коэффициенты при y и z будут равняться нулю по теореме аннулирования. Правая часть равенства по теореме замещения даёт новый определитель, который называется вспомогательным и обозначается

Delta_x = begin{vmatrix} b_1&a_{12}&a_{13}\ b_2&a_{22}&a_{23}\ b_3&a_{32}&a_{33} end{vmatrix} right

После этого можно записать равенство:

x * Delta + y * 0 + z * 0 = Delta_x

(2)

Для нахождения y и z перемножим каждое из уравнений изначальной системы в первом случае соответственно на A_{12}, A_{22}, A_{32},, во втором – на A_{13}, A_{23}, A_{33} и прибавим. Впоследствии преобразований получаем:

y *  Delta =  Delta_y, z *  Delta =  Delta_z

 где

Delta_y= begin{vmatrix} a_{11}&b_1&a_{13}\ a_{21}&b_2&a_{23}\ a_{31}&b_3&a_{33} end{vmatrix},

Delta_z = begin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&b_1\ a_{21}&a_{22}&b_2\ a_{31}&a_{32}&b_3 end{vmatrix}. right

Если  Deltaneq0, тогда в результате получаем формулы Крамера:

x= Delta_xover{Delta}, y = Delta_yover{Delta}, z = Delta_zover{Delta}

Порядок решения однородной системы уравнений

Отдельный случай – это однородные системы:

left{ begin{aligned} a_{11}x + a_{12}y + a_{13}z = 0,\ a_{21}x + a_{22}y + a_{23}z = 0,\ a_{31}x + a_{32}y + a_{33}z = 0. end{aligned} right

(3)

Среди решений однородной системы могут быть, как нулевые решения (x = y = z = 0), так и решения отличны от нуля.

Если определительDelta однородной системы (3) отличен от нуля (Deltaneq0), тогда у такой системы может быть только одно решение.

Действительно, вспомогательные определители Delta_x = Delta_y = Delta_z = 0, как такие у которых есть нулевой столбец и поэтому, за формулами Крамера (x = y = z = 0).

Если у однородной системы есть отличное от нуля решение, тогда её определитель Delta равняется нулю (Delta = 0).

Действительно, пусть одно из неизвестных , например, x, отличное от нуля. Согласно с однородностью Delta_x = 0. Равенство (2) запишется: Delta * x = 0. Откуда выплывает, что Delta = 0 (xneq0).

Примеры решения методом Крамера

Рассмотрим на примере решение методом Крамера и вы увидите, что сложного ничего нет, но будьте предельно внимательно, так как частые ошибки в знаках приводят к неверному ответу.

Задача

Решить систему линейных уравнений методом Крамера:

left{ begin{aligned} 5x_{1} + 2x_{2} = 7\ 2x_{1} + 2x_{2} = 9 end{aligned} right

Решение

Первое, что надо сделать – вычислить определитель матрицы:

Delta = begin{vmatrix}  5&2\  2&2  end{vmatrix} = 5 * 2 - 2 * 2 = 6neq{0}  right

Как видим, Deltaneq{0}, поэтому по теореме Крамера система имеет единственное решение (система совместна). Далее нужно вычислять вспомогательные определители. Для этого заменяем первый столбец из определителя Delta на столбец свободных коэффициентов. Получается:

Delta_{1} = begin{vmatrix}  7&2\  9&2  end{vmatrix} = 14 - 18 = -4.  right

Аналогично находим остальные определители:

Delta_{2} = begin{vmatrix}  5&7\  2&9  end{vmatrix} = 45 - 14 = 31.  right

И проверяем:

x_{1} = {Delta_{1}over{Delta}} =   {- 4over{6}} = -0.7,

x_{2} =  {Delta_{2}over{Delta}} = {31over{6}} = 5.1.

Ответ

x_{1} = -0.7, x_{2} = 5.1.

Задача

Решить систему уравнений методом Крамера:

left{ begin{aligned} 3x - 4y + 2z = 5\ 2x + y + 4z = 9\ 5x - 2y - z = 3 end{aligned}  right

Решение

Находим определители:

Delta= begin{vmatrix} 3&-4&2\ 2&1&4\ 5&-2&-1 end{vmatrix}= 3 * 7 - (-4) * (-22) + 2 * (-9) = -85,  right

Delta_x = begin{vmatrix} 5&-4&2\ 9&1&4\ 3&-2&-1 end{vmatrix}= 5 * 7 - 9 * 8 + 3 * (-18) = -91,  right

Delta_y = begin{vmatrix} 3&5&2\ 2&9&4\ 5&3&-1 end{vmatrix}= 3 * (-21) - 5 * (-22) + 2 * (-39) = -31,  right

Delta_z= begin{vmatrix} 3&-4&5\ 2&1&9\ 5&-2&3 end{vmatrix}= 9- 180 - 20 - 25 + 54 + 24 = - 138;  right

Ответ

x = Delta_xover{Delta} = 91over{85},   y = Delta_yover{Delta} = 31over{85},   z= Delta_zover{Delta} = 138over{85}

Проверка

1over{85}*(3*91 - 4 * 31 + 2 * 138) = 1over{85} * (273 - 124 + 276) = 425over{85} = 5,

1over{85}*(2*91 + 31 + 4 * 138) = 1over{85} * (182 + 31 + 552) = 765over{85} = 9,

1over{85}*(5*91 - 2 * 31 - 138) = 1over{85} * (455 - 62 - 138) = 245over{85} = 3,

Уравнение имеет единственное решение.

Ответ

x = 91over{85},   y = 31over{85},   z = 138over{85}

Задача

Решить систему методом Крамера

 left{ begin{aligned} 3x - y = 5\ - 2x + y + z = 0\ 2x - y + 4z = 15 end{aligned}  right

Решение

Как вы понимаете, сначала находим главный определитель:

 Delta = begin{vmatrix} 3&-1&0\ -2&1&1\ 2&-1&4 end{vmatrix}= 3 * 1 * 4 + (-2) * (-1) * 0 + (-1) * 1 * 2 - 0 * 1 * 2 - \ - 1 * (-1) * 3 - (-1) * (-2) * 4 = 12 - 2 + 3 - 8 = 5.  right

Как мы видим, главный определитель не равняется нулю и поэтому система имеет единственное решение. Теперь можно вычислить остальные определители:

Delta_x = begin{vmatrix} 5&-1&0\ 0&1&1\ 15&-1&4 end{vmatrix}= 5 * 1 * 4 + (-1) * 1 * 15 + 0 * (-1) * 0 - 0 * 1 * 15 - \ - 1 * (-1) * 5 - (-1) * 0 * 4 = 20 - 15 + 5 = 10.  right

Delta_y = begin{vmatrix} 3&5&0\ -2&0&1\ 2&15&4 end{vmatrix}= 3 * 0 * 4 + 5 * 1 * 2 + (-1) * 15 * 0 - 0 * 0 * 2 - 1 * \ * 15 * 3 - 5 * (-2) * 4 = 15 - 45 + 40 = 5.  right

Delta_z = begin{vmatrix} 3&-1&5\ -2&1&0\ 2&-1&15 end{vmatrix}= 3 * 1 * 15 + (-1) * 0 * 2 + (-2) * (-1) * 5 - 5 * 1 * 2 - 0 * (-1) * 3 - (-1) * *(-2) * 15 = 45 + 10 - 10 - 30 = 15.  right

При помощи формул Крамера находим корни уравнения:

x = {Delta_{x}over{Delta}} = {10over{5}} = 2y =  {Delta_{y}over{Delta}} = {5over{5}} = 1, z =  {Delta_{z}over{Delta}} = {15over{5}} = 3.

Чтобы убедиться в правильности решения, необходимо сделать проверку:

left{ begin{aligned} 3 * 2 - 1 = 5\ - 2 * 2 + 1 + 3 = 0\ 2 * 2 - 1 + 4* 3 = 15 end{aligned} right

Как видим, подставив в уравнение решённые корни, у нас ответ получился тот же, что и в начале задачи, что говорит о правильном решении уравнений.

Ответ

Система уравнений имеет единственное решение: x = 2, y = 1, z = 3.

Есть примеры, когда уравнение решений не имеет. Это может быть в том случае, когда определитель системы равен нулю, а определители при неизвестных неравны нулю. В таком случае говорят, что система несовместна, то есть не имеет решений. Посмотрим на следующем примере, как такое может быть.

Задача

Решить систему линейных уравнений методом Крамера:

 left{ begin{aligned} 2x - y + 3z = 9\ 3x - 5y + z = -4\ 4x - 7y + z = 5 end{aligned}  right

Решение

Как и в предыдущих примерах находим главный определитель системы:

Delta = begin{vmatrix}  2&-1&3\  3&-5&1\  4&-7&1  end{vmatrix}= -10 - 4 - 63 + 60 + 14 + 3 = 0.  right

В этой системе определитель равняется нулю, соответственно, система несовместна и определенна или же несовместна и не имеет решений. Чтобы уточнить, надо найти определители при неизвестных так, как мы делали ранее:

Delta_x = begin{vmatrix}  9&-1&3\  -4&-5&1\  5&-7&1  end{vmatrix}= -45 - 5 + 84 + 75 - 4 63 = 168.  right

Delta_y = begin{vmatrix}  2&9&3\  3&-4&1\  4&5&1  end{vmatrix}= -8 + 36 + 45 + 48 - 27 - 10 = 84.  right

Delta_z = begin{vmatrix}  2&-1&9\  3&-5&-4\  4&-7&5  end{vmatrix}= -50 + 16 - 189 + 180 - 56 + 15 = - 84.  right

Мы нашли определители при неизвестных и увидели, что все они не равны нулю. Поэтому система несовместна и не имеет решений.

Ответ

Система не имеет решений.

Часто в задачах на системы линейных уравнений встречаются такие уравнения, где есть не одинаковые буквы, то есть, кроме букв, которые обозначают переменные, есть ещё и другие буквы и они обозначают некоторое действительное число. На практике к таким уравнениям и системам уравнений приводят задачи на поиск общих свойств каких-либо явлений и предметов. То есть, изобрели вы какой-либо новый материал или устройство, а для описания его свойств, общих независимо от величины или количества экземпляра, нужно решить систему линейных уравнений, где вместо некоторых коэффициентов при переменных – буквы. Давайте и рассмотрим такой пример.

Задача

Решить систему линейных уравнений методом Крамера:

 left{ begin{aligned} ax - 3y = 1\ 2x + ay = 2 end{aligned} right

Решение

В этом примере a – некоторое вещественное число. Находим главный определитель:

Delta = begin{vmatrix}  a&-3\  2&a  end{vmatrix}= a^2 + 6.  right

Находим определители при неизвестных:

Delta_x = begin{vmatrix}  1&-3\  2&a  end{vmatrix}= a + 6.  right

Delta_y = begin{vmatrix}  a&1\  2&2  end{vmatrix} = 2a - 2 = 2(a - 2).  right

Используя формулы Крамера, находим:

{x} = {a + 6over{a^2 + 6}}, {y} = {2(a - 1)over{a^2 + 6}}.

Ответ

{x} = {a + 6over{a^2 + 6}},

{y} = {2(a - 1)over{a^2 + 6}}.

И наконец, мы перешли к самой сложной системе уравнений с четырьмя неизвестными. Принцип решения такой же, как и в предыдущих примерах, но в связи с большой системой можно запутаться. Поэтому рассмотрим такое уравнение на примере.

Задача

Найти систему линейных уравнений методом Крамера:

 left{ begin{aligned} 2x_{1} + 2x_{2} - x_{3} + x_{4} = 4\ 4x_{1} + 3x_{2} - x_{3} + 2x_{4} = 6\ 8x_{1} + 5x_{2} - 3x_{3} + 4x_{4} = 12\ 3x_{1} + 3x_{2} - 2x_{3} + 2x_{4} = 6 end{aligned} right

Здесь действуют система определителей матрицы высших порядков, поэтому вычисления и формулы рассмотрены в этой теме, а мы сейчас просто посчитаем систему уравнений с четырьмя неизвестными.

Решение

Delta = begin{vmatrix}  2&2&-1&1\  4&3&-1&2\  8&5&-3&4\  3&3&-2&2  end{vmatrix} = begin{vmatrix}  2&2&-1&1\  1&0&1&0\  2&-1&1&0\  -1&-1&0&0  end{vmatrix} = 1* begin{vmatrix}  1&0&1\  2&-1&1\  -1&-1&0  end{vmatrix} = \  = 0 + 0 - 2 - 1 - 0 + 1 = - 2  right

В изначальном определители из элементов второй строки мы отнимали элементы четвёртой строки, а из элементов третьей строки отнимались элементы четвёртой строки, которые умножались на 2. Также отнимали из элементов четвёртой строки элементы первой строки, умноженной на два. Преобразования первоначальных определителей при трёх первых неизвестных произведены по такой же схеме. Теперь можно находить определители при неизвестных:

Delta {x}_{1} = begin{vmatrix}  4&2&-1&1\  6&3&-1&2\  12&5&-3&4\  6&3&-2&2  end{vmatrix} = begin{vmatrix}  4&2&-1&1\  0&0&1&0\  0&-1&1&0\  -2&-1&0&0  end{vmatrix} = 1 * begin{vmatrix}  0&0&1\  0&-1&1\  -2&-1&0  end{vmatrix} = 1 * 1 * \ * begin{vmatrix}  0&-1\  -2&-1  end{vmatrix} = 0 - 2 = -2  right

Delta {x}_{2} = begin{vmatrix}  2&4&-1&1\  4&6&-1&2\  8&12&-3&4\  3&6&-2&2  end{vmatrix} = begin{vmatrix}  2&4&-1&1\  1&0&1&0\  2&0&1&0\  -1&-2&0&0  end{vmatrix} = 1 * \ * begin{vmatrix}  1&0&1\  2&0&1\  -1&-2&0  end{vmatrix} = 1 * begin{vmatrix}  1&0&1\  1&0&0\  -1&-2&0  end{vmatrix} = 1 * 1 * begin{vmatrix}  1&0\  -1&-2  end{vmatrix} = -2  right

Delta {x}_{3} = begin{vmatrix}  2&2&4&1\  4&3&6&2\  8&5&12&4\  3&3&6&2  end{vmatrix} = begin{vmatrix}  2&2&4&1\  1&0&0&0\  2&-1&0&0\  -1&-1&-2&0  end{vmatrix} = 1 * begin{vmatrix}  2&2&4\  2&0&1\  -1&-2&0  end{vmatrix} = 1 * \ * begin{vmatrix}  1&0&0\  2&-1&0\  -1&-1&-2  end{vmatrix} = 1 * 1 * begin{vmatrix}  -1&0\  -1&-2  end{vmatrix} = 2  right

Delta {x}_{4} = begin{vmatrix}  2&2&-1&4\  4&3&-1&6\  8&5&-3&12\  3&3&-2&6  end{vmatrix} = begin{vmatrix}  2&2&-1&4\  1&0&1&0\  8&5&-3&12\  3&3&-2&6  end{vmatrix} = 1 * begin{vmatrix}  2&-1&4\  5&-3&12\  3&-2&6  end{vmatrix} + 1 * begin{vmatrix}  2&2&4\  8&5&12\  3&3&6  end{vmatrix} = \ = 1 * (-36 - 36 - 40 + 36 + 30 + 48) + 1 * (60 + 72 + 96 - 60 - 96 - 72) = 78 - 76 = 2.  right

Для преобразований определителя при четвёртом неизвестном из элементов первой строки мы вычитали элементы четвёртой строки.

Теперь по формулам Крамера нужно найти:

x_{1} = {-2over{-2}} = {1},

x_{2} = {-2over{-2}} = {1},

x_{3} = {2over{-2}} = {- 1},

x_{4} = {2over{-2}} = {- 1}.

Ответ

Итак, мы нашли корни системы линейного уравнения:

x_{1} = {-2over{-2}} = {1},

x_{2} = {-2over{-2}} = {1},

x_{3} = {2over{-2}} = {- 1},

x_{4} = {2over{-2}} = {- 1}.

Подведём итоги

При помощи метода Крамера можно решать системы линейных алгебраических уравнений в том случае, если определитель не равен нулю. Такой метод позволяет находить определители матриц такого порядка, как n на n благодаря формулам Крамера, когда нужно найти неизвестные переменные. Если все свободные члены нулевые, тогда их определители равны нулю, так как в них содержится столбец с нулевыми элементами. И конечно же, если определители равняются нулю, лучше решать систему методом Гаусса, а не Крамера, только тогда ответ будет верный.

Рекомендуем почитать для общего развития

pdf Анкилов А. В. Высшая математика, ч. 1: учеб. Пособие/П. А. Вельмисов, Ю. А. Решетников – Ульяновск – 2011 – 252 с.

pdf Письменный Д. – Конспект лекций по высшей математике: учеб. для вузов/Письменный Д. – М. 2006 – 602 с.

Решение методом Крамера в Excel

pdf Метод Крамера в Excel 2003 (XLS)

pdf Метод Крамера в Excel от 2007 (XLSX)

В данной статье мы разберем, как найти неизвестные переменные по методу Крамера и опишем решение систем линейных уравнений.

Определение 1

Метод Крамера предназначен для того, чтобы решать системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), в которых число неизвестных переменных равняется числу уравнений, а определитель основной матрицы не равен нулю.

Метод Крамера — вывод формул

Пример 1

Найти решение системы линейных уравнений вида:

a11x1+a12x2+…+a1nxn=b1a21x1+a22x2+…+a2nxn=b2⋮an1x1+an2x2+…+annxn=bn

В этой системе x1, x2, …, xn – неизвестные переменные,

aij, i=1, 2, …, n; j= 1, 2, …, n – числовые коэффициенты,

b1, b2, …, bn – свободные члены. 

Решение такой системы линейных алгебраических уравнений — набор значений x1, x2, …, xn, при которых все уравнения системы становятся тождественными.

Матричный вид записи такой системы линейных уравнений:

AX=B, где A=a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮an1an2⋯ann— основная матрица системы, в которой ее элементы — это коэффициенты при неизвестных переменных;

B=b1b2⋮bn — матрица-столбец свободных членов;

X=x1x2⋮xn— матрица-столбец неизвестных переменных.

После того как мы найдем неизвестные переменные x1, x2, …, xn, матрица X=x1x2⋮xn становится решением системы уравнений, а равенство AX=B обращается в тождество.

Метод Крамера основан на 2-х свойствах определителя матрицы:

  • Определитель квадратной матрицы A=aij, i=1, 2, …, n; j=1, 2, …, n равняется сумме произведений элементов какой-либо строки (столбца) на их алгебраические дополнения:

a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮an1an2⋯ann=ap1×Ap1+ ap2×Ap2+…+apn×Apn=a1q×A1q+ a2q×A2q+…+anq×Anq

  • Сумма произведений какой-либо строки (столбца) квадратной матрицы на алгебраические дополнения соответствующие элементы другой матрицы равняется нулю:

ap1×Ap1+ ap2×Ap2+…+apn×Apn=0a1q×A1q+ a2q×A2q+…+anq×Anq=0

p=1, 2, …, n, q=1, 2, …, n p не равно q

Приступаем к нахождению неизвестной переменной x1:

  • Умножаем обе части первого уравнения системы на А11, обе части второго уравнения на А21и т.д. Таким образом, мы умножаем уравнения системы на соответствующие алгебраические дополнения 1-го столбца матрицы А:

A11a11x1+A11a12x2+…+A11a1nxn=A11b1A21a21x1+A21a22x2+…+A21x2nxn=A21b2⋯An1an1x1+An1an2x2+…+An1annxn=An1bn

  • Складываем все левые части уравнения системы, сгруппировав слагаемые при неизвестных переменных  , и приравниваем получившуюся сумму к сумме всех правых частей уравнения:

x1(A11a11+A21a21+…+An1an1)++x2(A11a12+A21a22+…+An1an2)++…++xn(A11a1n+A21a2n+…+An1ann)==A11b1+A21b2+…+An1bn

Если воспользоваться свойствами определителя, то получится:

А11а11+А21а21+…+Аn1an1=АА11а12+А21а22+…+Аn1аn2=0⋮A11a1n+A21a2n+…+An1ann=0

A11b1+A21b2+…+An1bn=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann

Предыдущее равенство будет иметь следующий вид:

x1A=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann.

Откуда

x1=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯annA

Таким же образом находим все оставшиеся неизвестные переменные.

Если обозначить

∆=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann, ∆x1=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann,

∆x2=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann, … ∆xn=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann.

то получаются формулы для нахождения неизвестных переменных по методу Крамера:

x1=∆x1∆, x2=∆x2∆, …, xn=∆xn∆.

Алгоритм решения СЛАУ методом Крамера

  • Необходимо вычислить определитель матрицы системы и убедиться, что он не равен нулю.
  • Найти определители

∆x1=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann

∆x2=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann

∆xn=b1a12⋯a1nb2a22⋯a2n⋮⋮⋮⋮bnan2⋯ann

Эти определители являются определителями матриц, которые получены из матрицы А путем замены k-столбца на столбец свободных членов.

  • Вычислить неизвестные переменные при помощи формул:

x1=∆x1∆, x2=∆x2∆, …, xn=∆xn∆.

  • Выполнить проверку результатов: если все определители являются тождествами, то решение найдено верно.

Примеры решения СЛАУ методом Крамера

Пример 2

Найти решение неоднородной системы линейных уравнений методом Крамера:

3×1-2×2=562×1+3×2=2

Как решать?

Основная матрица представлена в виде 3-223.

Мы можем вычислить ее определитель по формуле: 

a11a12a21a22=a11×a22-a12×a21: ∆=3-223=3×3-(-2)×2=9+4=13

Записываем определители ∆x1 и ∆x2. Заменяем 1-ый столбец основной матрицы на столбец свободных членов и получаем определитель ∆x1=56-223

По аналогии заменяем второй столбец основной матрицы на столбец свободных членов и получаем определитель:

∆x2=35622

Находим эти определители:

∆x1=56-223=56×3-2(-2)=52+4=132

∆x2=35622=3×2-56×2=6-53=133

Находим неизвестные переменные по следующим формулам 

x1=∆x1∆, x2=∆x2∆

x1=∆x1∆=13213=12

x2=∆x2∆=313=13

Выполняем проверку — подставляем полученные значения переменных в в исходную систему уравнений:

312-213=56212+313=2⇔56=562=2

Оба уравнения превращаются в тождества, поэтому решение верное.

Ответ: x1=12, x2=13

Поскольку некоторые элементы системы линейных уравнений могут равняться нулю, то в системе не будет соответствующих неизвестных переменных.

Пример 3

Найти решение 3-х нелинейных уравнений методом Крамера с 3-мя неизвестными:

2y+x+z=-1-z-y+3x=-1-2x+3z+2y=5

За основную матрицу нельзя брать 211-1-1-3-232.

Необходимо привести к общему порядку все неизвестные переменные во всех уравнениях системы:

x+2y+z=-13x-y-z=-1-2x+2y+3z=5

С этого момента основную матрицу хорошо видно:

1213-1-1-223

Вычисляем ее определитель:

∆=1213-1-1-223=1×(-1)×3+2×(-1)(-2)+1×2×3-1(-1)(-2)-2×3×3–1(-1)×2=-11

Записываем определители и вычисляем их:

∆x=-121-1-1-1523=(-1)(-1)×3+2(-1)×5+1(-1)×2-1(-1)×5-2(-1)×3–1(-1)×2=0

∆y=1-113-1-1-253=1(-1)×3+(-1)(-1)(-2)+1×3×5-1(-1)(-2)-(-1)–1(-1)×2=22

∆z=12-13-1-1-225=1(-1)×5+2(-1)(-2)+(-1)×3×2-(-1)(-1)(-2)-2×3×5–1(-1)×2=-33

Находим неизвестные переменные по формулам:

x=∆x∆, y=∆y∆, z=∆z∆.

x=∆x∆=0-11=0

y=∆y∆=22-11=-2

z=∆z∆=-33-11=3

Выполняем проверку — умножаем основную матрицу на полученное решение 0-23:

1213-1-1-223×0-23=1×0+2(-2)+1×33×0+(-1)(-2)+(-1)×3(-2)×0+2(-2)+3×3=-1-15

Результатом являются столбцы свободных членов исходной системы уравнений, следовательно, решение верное.

Ответ: x=0, y=-2, z=3

Ирина Мальцевская

Преподаватель математики и информатики. Кафедра бизнес-информатики Российского университета транспорта

Метод Крамера

Пусть
дана система трех линейных уравнений:

(1)

Для
решения системы линейных уравнений
методом Крамера из коэффициентов при
неизвестных составляется главный
определитель
системы .
Для системы (1) главный определитель
имеет вид
.

Далее
составляются определители по переменным
,,.
Для этого в главном определителе вместо
столбца коэффициентов при соответствующей
переменной записывается столбец
свободных членов, то есть

,
,.

Тогда решение
системы находится по формулам Крамера

,

,

Следует
отметить, что система имеет единственное
решение
,
если главный определитель.Если же

и
=
0,=
0,=
0, то система имеет бесчисленное множество
решений, найти которые по формулам
Крамера нельзя. Если же

и
0,
или0,или0,
то система уравнений несовместна, то
есть решений не имеет.

Пример

Решить
систему уравнений методом Крамера:

Решение:

1)
Составим и вычислим главный определитель
системы, состоящий из коэффициентов
при неизвестных.

.

Следовательно,
система имеет единственное решение.

2)
Составим и вычислим вспомогательные
определители, заменяя соответствующий
столбец в 
столбцом из свободных членов.

По формулам Крамера
находим неизвестные:

,
,.

Сделаем проверку,
чтобы убедиться в правильности решения

,
т.е.
.

,
т.е.

,
т.е.

Ответ:
.

Пример

Решить
систему уравнений методом Крамера:

Решение:

1)
Составим и вычислим главный определитель
системы из коэффициентов при неизвестных:

.

Следовательно,
система не имеет единственного решения.

2)
Составим и вычислим вспомогательные
определители, заменяя соответствующий
столбец в 
столбцом из свободных членов:

.

,
,
следовательно, система несовместна.

Ответ:
система
несовместна
.

Метод Гаусса

Метод
Гаусса состоит из двух этапов. Первый
этап заключается в последовательном
исключении переменных из уравнений
системы при помощи действий, не нарушающих
равносильности системы. Например,
рассмотрим два первых уравнения системы
(1).

(1)

Необходимо
путем сложения этих двух уравнений
получить уравнение, в котором отсутствует
переменная
.
Умножим первое уравнение на,
а второе на ()
и сложим полученные уравнения


+

Заменим
коэффициент перед y,
z
и свободный член на
,исоответственно,
получим новую пару уравнений

Заметим,
что во втором уравнении отсутствует
переменная x.

Проведя
аналогичные действия над первым и
третьим уравнениями системы (1), а затем
над полученными в результате сложения
вторым и третьим уравнениями, преобразуем
систему (1) к виду

(2)

Такой
результат возможен, если система имеет
единственное решение. В этом случае
решение находится при помощи обратного
хода метода Гаусса (второй этап). Из
последнего уравнения системы (2) находим
неизвестную переменную z,
затем из второго уравнения находим y,
а x
соответственно из первого, подставляя
в них уже найденные неизвестные.

Иногда в результате
сложения двух уравнений суммарное
уравнение может принять один из видов:

А)
,
где.
Это означает, что решаемая система
несовместна.

Б)
,
то есть.
Такое уравнение исключается из системы,
в результате число уравнений в системе
становится меньше, чем число переменных,
и система имеет бесчисленное множество
решений, нахождение которых будет
показано на примере.

Пример

Решить
систему методом Гаусса:

Решение:

Рассмотрим
следующий способ осуществления первого
этапа решения методом Гаусса. Запишем
три строки коэффициентов при неизвестных
и свободных членов, соответствующих
трем уравнениям системы. Свободные
члены отделим от коэффициентов
вертикальной линией, а под третьей
строкой проведем горизонтальную прямую.

Первую
строку, которая соответствует первому
уравнению системы, обведем – коэффициенты
в этом уравнении останутся неизменными.
Вместо второй строки (уравнения) надо
получить строку (уравнение), где
коэффициент при
равен нулю. Для этого все числа первой
строки умножим на (–2) и сложим с
соответствующими числами второй строки.
Полученные суммы запишем под горизонтальной
чертой (четвертая строка). Для того чтобы
вместо третьей строки (уравнения) также
получить строку (уравнение), в которой
коэффициент приравен нулю, умножим все числа первой
строки на (–5) и сложим с соответствующими
числами третьей строки. Полученные
суммы запишем пятой строкой и проведем
под ней новую горизонтальную черту.
Четвертую строку (или пятую – по выбору)
обведем. Выбирается строка с меньшими
коэффициентами. В этой строке коэффициенты
останутся неизменными. Вместо пятой
строки надо получить строку, где уже
два коэффициента равны нулю. Умножим
четвертую строку на 3 и сложим с пятой.
Сумму запишем под горизонтальной чертой
(шестая строка) и обведем ее.

Все
описанные действия изображены в таблице
1 при помощи арифметических знаков и
стрелок. Обведенные в таблице строки
запишем снова в виде уравнений (3) и,
применив обратный ход метода Гаусса,
найдем значения переменных x,
y
и z.

Таблица 1

1

1

-2

6

*(-2)

*(-5)

2

3

-7

16

5

2

1

16

0

1

-3

4

*( 3)

0

-3

11

-14

0

0

2

-2

Восстанавливаем
систему уравнений, полученную в результате
наших преобразований:

(3)

Обратный ход
метода Гаусса

Из
третьего уравнения
находим.

Во
второе уравнение системы
подставим найденное значение,
получимили.

Из
первого уравнения
,
подставляя уже найденные значения
переменных, получаем,
то есть.

Чтобы убедиться
в правильности решения, проверку
необходимо сделать во всех трех уравнениях
системы.

Проверка:

,
получим

,
получим

,
получим

значит, система
решена верно.

Ответ:
,,.

Пример

Решить
систему методом Гаусса:

Решение:

Порядок
действий в этом примере аналогичен
порядку в предыдущем примере, а конкретные
действия указаны в таблице 2.

Таблица2

2

2

1

1

*(-3)

*(-5)

3

5

-2

0

*2

5

3

6

-2

*2

0

4

-7

-3

0

-4

7

-9

0

0

0

-12

В
результате преобразований получим
уравнение вида
,
следовательно, заданная система
несовместна.

Ответ:
система
несовместна
.

Пример

Решить
систему методом Гаусса:

Решение:

Таблица
3

1

2

-1

0

*(-2)

*(-4)

2

-1

3

1

4

3

1

1

0

-5

5

1

*(-1)

0

-5

5

1

0

0

0

0

В
результате преобразований получим
уравнение вида
,
которое исключается из рассмотрения.
Таким образом, имеем систему уравнений,
в которой число неизвестных 3, а число
уравнений 2.

Система
имеет бесчисленное множество решений.
Чтобы отыскать эти решения, введем одну
свободную переменную. (Число свободных
переменных всегда равно разности между
числом неизвестных и числом уравнений,
оставшихся после преобразования системы.
В нашем случае 3 – 2 = 1).

Пусть
– свободная переменная.

Тогда
из второго уравнения найдем
,
откуда,
а затем найдемx
из первого уравнения
или.

Таким
образом,
;;.

Сделаем
проверку в уравнениях, которые не
участвовали в нахождении
и,
то есть во втором и в третьем уравнениях
первоначальной системы.

Проверка:

или
,
получаем.

или
,
получаем.

Система
решена верно. Давая произвольной
постоянной
различные значения, будем получать
различные значенияx,
y
и z.

Ответ:

;;.

21

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Добавить комментарий