Высшая математика для менеджеров (стр. 10 из 22)

Решение.

Данной системе соответствует матрица`А=

. Имеем `А ~ ~ , следовательно, исходная система равносильна такой:

x₁ + 2x₂ - x₃ + 4x₄ = 2,

5x₂ - 3x₃ + 7x₄ = a-2,

0 = a-5.

Отсюда видно, что система совместна только при a=5. Общее решение в этом случае имеет вид:

x₂ = 3/5 + 3/5x₃ - 7/5x₄, x₁ = 4/5 - 1/5x₃ - 6/5x_4.

Пример 2.18. Выяснить, будет ли линейно зависимой система векторов:

a₁ = (1, 1, 4, 2),

a₂ = (1, -1, -2, 4),

a₃ = (0, 2, 6, -2),

a₄ = (-3, -1, 3, 4),

a₅ = (-1, 0, - 4, -7).

Решение. Система векторов является линейно зависимой, если найдутся такие числа x₁, x₂, x₃, x₄, x₅, из которых хотя бы одно отлично от нуля (см. п. 1. разд. I), что выполняется векторное равенство:

x₁ a₁ + x₂ a₂ + x₃ a₃ + x₄ a₄ + x₅ a₅ = 0.

В координатной записи оно равносильно системе уравнений:

x₁ + x₂ - 3x₄ - x₅ = 0,

x₁ - x₂ + 2x₃ - x₄ = 0,

4x₁ - 2x₂ + 6x₃ +3x₄ - 4x₅ = 0,

2x₁ + 4x₂ - 2x₃ + 4x₄ - 7x₅ = 0.

Итак, получили систему линейных однородных уравнений. Решаем ее методом исключения неизвестных:

~ ~ ~

~

~ ~ .

Система приведена к ступенчатому виду, ранг матрицы равен 3, значит, однородная система уравнений имеет решения, отличные от нулевого (r < n). Определитель при неизвестных x₁, x₂, x₄ отличен от нуля, поэтому их можно выбрать в качестве главных и переписать систему в виде:

x₁ + x₂ - 3x₄ = x₅,

-2x₂ + 2x₄ = -2x₃ - x₅,

- 3x₄ = - x₅.

Имеем: x₄ = 1/3 x₅, x₂ = 5/6x₅+x₃, x₁ = 7/6 x₅ -x₃.

Система имеет бесчисленное множество решений; если свободные неизвестные x₃ и x₅ не равны нулю одновременно, то и главные неизвестные отличны от нуля. Следовательно, векторное уравнение

x₁ a₁ + x₂ a₂ + x₃ a₃ + x₄ a₄ + x₅ a₅ = 0

имеет коэффициенты, не равные нулю одновременно; пусть например, x₅ = 6, x₃ = 1. Тогда x₄=2, x₂ = 6, x₁=6 и мы получим соотношение

6a₁ + 6a₂ + a₃ + 2a₄ + 6a₅ = 0,

т.е. данная система векторов линейно независима.

Пример 2.19. Найти собственные значения и собственные векторы матрицы

A =

.

Решение. Вычислим определитель матрицы A - lE:

= det = det

.

Итак,

= (l - 2)² × (l+2)². Корни характеристического уравнения =0 - это числа l₁ = 2 и l₂ = -2. Другими словами, мы нашли собственные значения матрицы A. Для нахождения собственных векторов матрицы A подставим найденные значения l в систему (5.6): при l = 2 имеем систему линейных однородных уравнений

x₁ - x₂ = 0, x₁ - x₂ = 0,

x₁ - x₂ = 0, Þ 3x₂ -7x₃ - 3x₄ = 0,

3x₁ - 7x₃ - 3x₄ = 0, 5x₃ + x₄ = 0.

4x₁ - x₂ + 3x₃ - x₄ = 0,

Следовательно, собственному значению l = 2 отвечают собственные векторы вида a (8, 8, -3, 15), где a - любое отличное от нуля действительное число. При l = -2 имеем:

A - lE = A +2E =

~ ,

и поэтому координаты собственных векторов должны удовлетворять системе уравнений

x₁+3x₂ = 0,

x₂ = 0,

x₃+x₄= 0.

Поэтому собственному значению l = -2 отвечают собственные векторы вида b (0, 0,-1, 1), где b - любое отличное от нуля действительное число.

5.6 Использование систем линейных уравнений при решении экономических задач

Пример 2.20. Из некоторого листового материала необходимо выкроить 360 заготовок типа А, 300 заготовок типа Б и 675 заготовок типа В. При этом можно применять три способа раскроя. Количество заготовок, получаемых из каждого листа при каждом способе раскроя, указано в таблице:

Тип	Способ раскроя
заготовки	1	2	3
А	3	2	1
Б	1	6	2
В	4	1	5

Записать в математической форме условия выполнения задания.

Решение. Обозначим через x, y, z количество листов материала, раскраиваемых соответственно первым, вторым и третьим способами. Тогда при первом способе раскроя x листов будет получено 3x заготовок типа А, при втором - 2y, при третьем - z.

Для полного выполнения задания по заготовкам типа А сумма 3x +2y +z должна равняться 360, т.е.

3x +2y + z =360.

Аналогично получаем уравнения

x + 6y +2z = 300

4x + y + 5z = 675,

которым должны удовлетворять неизвестные x, y, z для того, чтобы выполнить задание по заготовкам Б и В. Полученная система линейных уравнений и выражает в математической форме условия выполнения всего задания по заготовкам А, Б и В. Решим систему методом исключения неизвестных. Запишем расширенную матрицу системы и приведем ее с помощью элементарных преобразований к треугольному виду.

~ ~ ~ ~ ~ ~ .

Следовательно, исходная система равносильна следующей:

x + 6y +2z = 300,

2y +9z = 570,

-67z = - 4020.

Из последнего уравнения находим z = 60; подставляя найденное значение z во второе уравнение, получим y = 15 и, наконец, из первого имеем x = 90. Итак, вектор C (90, 15, 60) есть решение системы.

Пример 2.21. Три судна доставили в порт 6000 т чугуна, 4000 т железной руды и 3000 т апатитов. Разгрузку можно производить как непосредственно в железнодорожные вагоны для последующей доставки потребителям, так и на портовые склады. В вагоны можно разгрузить 8000 т, а остаток груза придется направить на склады. Необходимо учесть, что поданные в порт вагоны не приспособлены для перевозки апатитов. Стоимость выгрузки 1 т в вагоны составляет соответственно 4,30, 5,25 и 2,20 ден. ед.

Записать в математической форме условия полной разгрузки судов, если затраты на нее должны составить 58850 ден. ед.

Решение. По условию задачи, доставленные в порт чугун, железную руду и апатиты можно разгрузить двумя способами: либо в железнодорожные вагоны, либо в портовые склады. Обозначим через x _{i j}количество груза (в тоннах) i-го вида (i= 1,2,3), которое предполагается разгрузить j-м способом (j = 1, 2). Таким образом, задача содержит шесть неизвестных. Условие полной разгрузки чугуна можно записать в виде

x ₁₁ + x ₁₂ = 6000, (5.7)

где x ₁₁, x ₁₂ - части чугуна, разгружаемого соответственно в вагоны и на склады. Аналогичное условие должно выполняться и для железной руды:

x_{2 1} + x₂₂ = 4000. (5.8)

Что же касается апатитов, то их можно разгружать только на склады, а поэтому неизвестное x ₃₁ = 0, и условие полной разгрузки апатитов принимает вид

x ₃₂ =3000. (5.9)

Условие полной загрузки всех поданных в порт вагонов запишется так:

x ₁₁ + x ₂₁ = 8000. (5.10)

Затраты на разгрузку, по условию, определены в 58850 ден. ед., что можно выразить записью:

4,3x ₁₁ + 7,8 x ₁₂ + 5,25 x ₂₁ + 6,4x ₂₂ + 3,25x ₃₂ = 58850. (5.11)

Итак, с учетом сложившейся в порту ситуации условия полной разгрузки судов выражаются в математической форме системой линейных уравнений (5.7) - (5.11). С учетом (5.9) уравнение (5.11) перепишется в виде:

4,3x ₁₁ + 7,8x ₁₂ +5,25x ₂₁ +6,4x ₂₂ = 49100,

и теперь мы имеем систему из четырех уравнений с четырьмя неизвестными x _11, x ₁₂, x ₂₁, x ₂₂, расширенная матрица которой имеет вид:

`A =

.

Преобразуем ее к треугольному виду: