Система, матрица которой является треугольной с диагональными элементами , называется треугольной. Система, матрица которой является трапециевидной, называется трапециевидной.

Решением системы называется всякий упорядоченный набор чисел , обращающий каждое уравнение системы в равенство. Совокупность всех решений называется множеством решений системы.

Система называется совместной, если она имеет, по крайней мере, одно решение; определённой, если она имеет только одно решение; неопределённой, если она имеет бесконечно много решений; несовместной, если она не имеет решений.

Однородная система уравнений всегда совместна, так как всегда имеет, по крайней мере, нулевое решение . Треугольная система является определённой, трапециевидная система – неопределённой.

Две системы называются эквивалентными, если множества их решений совпадают.

Элементарными преобразованиями систем уравнений называются:

1) перестановка уравнений;

2) перестановка местами слагаемых в каждом из уравнений системы;

3) умножение уравнения на число, отличное от нуля;

4)прибавление к уравнению другого, умноженного на любое число;

5) вычёркивание уравнения вида: .

Основными точными методами решения систем линейных уравнений являются методы: Крамера, обратной матрицы и Гаусса.

Если число уравнений в системе совпадает с числом неизвестных и определитель матрицы системы , то система имеет единственное решение, которое можно найти:

а) методом Крамера по формулам: , , где - определитель, получаемый из определителя матрицы системы заменой -ого столбца на столбец свободных членов;

б) методом обратной матрицы по формуле .

Методом Гаусса находят решение произвольной системы линейных уравнений. Метод состоит в приведении системы уравнений, с помощью элементарных преобразований, к системе специального вида, эквивалентной исходной, решение которой очевидно. Преобразования по методу Гаусса выполняют в два этапа. Первый этап называют прямым ходом, второй - обратным.

В результате прямого хода выясняют: совместна или нет система и если совместна то, сколько имеет решений - одно или бесконечно много, а также, в случае бесконечного множества решений, указывают базисные и свободные неизвестные для записи общего решения системы. Преобразования прямого хода выполняют, как правило, над расширенной матрицей системы , которую получают, приписывая справа к матрице системы столбец свободных членов . В результате элементарных преобразований строк и перестановкой столбцов, матрица системы должна быть приведена к матрице треугольного или трапециевидного вида с элементами . При этом, система уравнений, матрица которой , является треугольной с диагональными элементами , будет иметь единственное решение; система уравнений, матрица которой , является трапециевидной с элементами , будет иметь бесконечно много решений. Если, при выполнении преобразований расширенной матрицы , в преобразованной матрице появится строка , где , то это говорит о несовместности исходной системы уравнений. Базисные неизвестные указывают, выписывая базисный минор преобразованной матрицы системы . Базисными являются неизвестные преобразованной системы, столбцы коэффициентов при которых образуют базисный минор (определитель максимального порядка, отличный от нуля). Свободными являются неизвестные, не являющиеся базисными.

В результатеобратного хода находят решение системы, записывая его в виде общего решения, если их бесконечно много. Преобразования обратного хода часто выполняют, над уравнениями системы, соответствующей последней расширенной матрице прямого хода. В случае единственного решения, его получают, находя последовательно значения всех неизвестных из уравнений системы, начиная с последнего. В случае, когда решений бесконечно много, их записывают в виде общего решения. Для этого свободным неизвестным придают разные произвольные постоянные значения: , ,…, , и последовательно из уравнений системы, начиная с последнего, находят значения всех базисных неизвестных. Полученное решение называют общим. Придавая произвольным постоянным, конкретные значения, находят частные решения системы уравнений.

Тема 4. Векторная алгебра.

Вектором (геометрическим) называется направленный отрезок, задаваемый упорядоченной парой точек (началом и концом вектора). Обозначают вектор или . Расстояние между началом и концом вектора называется его длиной и обозначается или . Углом между векторами и называется угол , , на который следует повернуть один из векторов, чтобы его направление совпало с направлением другого вектора, при условии, что их начала совпадают. Проекцией вектора на вектор называется число .

Векторы называются коллинеарными, если они расположены на одной прямой или на параллельных прямых. Векторы называются компланарными, если они расположены в одной плоскости или в параллельных плоскостях.

Векторы и называются равными и пишут , если они коллинеарны, одинаково направлены и имеют равные длины. Векторы и называются противоположными и пишут , если они коллинеарны, направлены в разные стороны и имеют равные длины.

Суммой векторов и называется вектор , соединяющий начало вектора и конец вектора , при условии, что конец вектора совпадает с началом вектора (правило треугольника). Произведением вектора на действительное число называется вектор :

1) коллинеарный вектору ; 2) имеющий длину ; 3) направленный одинаково с вектором , если , и противоположно, если .

Ортом вектора , называется вектор , имеющий единичную длину и направление вектора : .

Базисом в пространстве называется упорядоченная тройка некомпланарных векторов, базисом на плоскости – упорядоченная пара неколлинеарных векторов, базисом на прямой – любой ненулевой вектор на этой прямой. Базис, в котором все векторы попарно перпендикулярны и имеют единичную длину, называется ортонормированным. Векторы ортонормированного базиса обозначаются: и , и называются базисными ортами. Различают правый и левый ортонормированные базисы. Базис -называется правым, если кратчайший поворот от к совершается против хода часовой стрелки, в противном случае он – левый. Базис -называется правым, если из конца вектора кратчайший поворот от вектора к виден совершающимся против хода часовой стрелки, в противном случае он – левый.

Условием коллинеарности векторов и является равенство: , где - некоторое число. Условием компланарности векторов , и является равенство: , где - некоторые числа.

Всякий геометрический вектор может быть разложен единственным образом по векторам базиса, коэффициенты разложения называются при этом координатами вектора в данном базисе. Например, если - базис и , то всегда существует единственное разложение: , где числа - координаты вектора в базисе , при этом пишут . Если в зафиксирован ортонормированный базис и , то равносильны записи: и (в записи вектора в координатной форме ортонормированный базис не указывают).

Представление геометрических векторов в координатной форме, позволяет выполнять действия над ними, как над арифметическими векторами:

;

.

Декартовой прямоугольной системой координатв пространстве называется совокупность точки (начало координат) и правого ортонормированного базиса и обозначается . Прямые , , , проходящие через начало координат в направлении базисных векторов, называются координатными осями: первая – осью абсцисс, вторая – осью ординат, третья – осью аппликат. Плоскости, проходящие через оси координат, называются координатными плоскостями. Аналогично вводится система координат на плоскости: .

Пусть - произвольная точка пространства, в котором введена система координат = . Радиус-вектором точки называется вектор , который всегда единственным образом можно представить в виде: . Числа , являющиеся координатами радиус-вектора, совпадают с проекциями вектора на базисные орты и (на координатные оси и ). Координатами точки в системе координат называются координаты её радиус-вектора и пишут . В свою очередь, координаты точки полностью определяют её радиус-вектор . Всякий геометрический вектор в системе координат , всегда можно представить как радиус-вектор некоторой точки и записать в виде: .

Длина вектора , заданного координатами , определяется формулой: . Направляющими косинусами вектора называются числа: , , , при этом .

Координаты вектора , заданного точками и определяются по формуле: . Расстояние между точками и определяется как длина вектора и находится по формуле:

.

Координаты точки делящей отрезок пополам находятся по формулам: , , .

Скалярным произведениемвекторов и называется число . Скалярное произведение обладает свойствами:

1) ; 2) где - число;

3) ; 4)

5) ; 6) , , , , , . Для векторов и , заданных своими координатами , скалярное произведение вычисляется по формуле: .

Скалярное произведение применяют: 1) для вычисления угла между векторами и по формуле: ; 2) для вычисления проекции вектора на вектор по формуле: ; 3) для вычисления длины вектора по формуле: ; 4) в качестве условия перпендикулярности векторов и : .

Векторным произведением векторов и называется вектор , определяемый условиями: 1) ;

2) и ; 3) - правая тройка векторов.

Упорядоченная тройка некомпланарных векторов называется правой тройкой, если из конца третьего вектора , кратчайший поворот от первого вектора ко второму , виден совершающимся против хода часовой стрелки. В противном случае, тройка называется левой.

Векторное произведение обладает свойствами:

1) ; 2) ,где - число;

3) ; 4) 5) ;

6) , , , , , .

Для векторов и , заданных своими координатами , векторное произведение вычисляется по формуле: .

Векторное произведение применяют: 1) для вычисления площадей треугольника и параллелограмма, построенных на векторах и , как на сторонах, по формуле: ; 2) в качестве условия параллельности векторов и : .

Смешанным произведением упорядоченной тройки векторов , и называется число .

Смешанное произведение обладает свойствами:

1) ; 2) ;

3) ; 4) и -компланарны ;