9. AFINNÍ podprostory a
SOUSTAVY LINEÁRNÍCH
ROVNIC
Jan Paseka
Masarykova Univerzita Brno
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN
bstrakt přednášky
této kapitole se budeme opět věnovat
loustavám lineárních rovnic. Dokážeme, že
nnnožina řešení každé lineární (homogenní)
loustavy tvoří afinní (lineární) podprostor
/hodného sloupcového prostoru Kn a obráceně,
caždý takový afinní (lineární) podprostor lze
opsat jakožto množinu řešení vhodné lineární
homogenní) soustavy.
/ celé kapitole K označuje pevné těleso, m, n
sou přirozená čísla.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN
bsah přednášky
Afinní podprostory a SLR
9.1 Pod prosto r řešení .........
9.2 Frobeniova věta ..........
9.3 Parametrické a všeobecné rovnice
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN
odprostor řešení I
Afinní podprostory a soustavy
lineárních rovnic
i Podprostor řešení homogenní
soustavy a jeho báze
lechť A e Kmxn, b e Km. Uvažujme homogenní
oustavu lineárních rovnic s maticí A
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN
odprostor řešení II
ále uvažme nehomogenní soustavu s maticí A
pravou stranou b
nožiny jejich řešení označíme
sp.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN
odprostor řešení III
ředpisem y
obražení
• Km, přičemž 71(A) = Ker<^
'. toho okamžitě vyplývá
"vržení 9.1.1 Pro libovolnou matici A e Kmxn
nnožina 11(A) řešení homogenní soustavy
\. • x = 0 tvoří lineární podprostor vektorového
wostoru Kn.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN
odprostor řešení IV
každou bázi prostoru 71(A) nazýváme
undamentálním systémem řešení soustavy
'otom každé řešení příslušné homogenní
soustavy můžeme jednoznačně vyjádřit jako
ineární kombinaci vektorů z fundamentálního
ystému řešení, a naopak, každá lineární
;ombinace vektorů fundamentálního systému je
;ešením příslušné soustavy.
rundamentální systém řešení najdeme
"'" '■■jícím postupem:
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN
odprostor řešení V
Matici A upravíme pomocí ERO na redukovaný
rtupňovitý tvar B e Kmxn.
Množinu {1,..., n} rozdělíme na dvě
podmnožiny J a «/', podle toho, zda se v j-tém
sloupci matice B nachází nebo nenachází
vedoucí prvek nějakého jejího řádku.
)značme k počet prvků množiny J' a zapišme ji
'e tvaru J' = {ji e žádný vedoucí prvek nějakého řádku matice
B | c) nenachází v posledním, t. j. n + 1-ním
loupci.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
robeniova veta IV
ostupem popsaným v paragrafu 9.1.
lech J, J' a k mají dříve uvedený význam,
edno řešení z = (zi,..., zn)T nehomogenní
loustavy dostaneme volbou parametrů
^ = ... = Zjk = 0 pro ji e J'. Zbývající hodnoty
■j potom vypočítáme tak, aby z vyhovovalo
»odmínce B • z = c, t. j. Zj = Cj pre j e J.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN:
robeniova veta V
'říklad 9.2.2 Předpokládejme, že jsme matici
A | b) pomocí ERO už upravili na redukovaný
'tupňovitý tvar
10 0 3 1/4
0 10 4 2
0 0 0 0
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
robeniova veta VI
Jedoucí prvky řádků se nacházejí ve sloupcích
, 2 a 3.
edy neznámé x±, x5 a xQ si zvolíme za
»arametry a neznámé xi, x2a x% si vyjádříme
omočí nich.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
robeniova veta VII
otom vektory ví, v2, v3 tvoří bázi podprostoru
ešení 71(A) = 11(B) c IR6 příslušní homogenní
oustavy.
onečně volbou parametrů x4 = x5 = xQ = 0
ehomogenní soustavy.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
robeniova veta VIII
ýsledek můžeme zapsat do tabulky
11
iíj
arametrické a všeobecné rovnice I
.3 Parametrické a všeobecné rovnice
afinních podprostorů
aždý afinní podprostor M c Kn má tvar
f, . . . , U^j
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN:
arametrické a všeobecné rovnice I
b znamená, že pro libovolné xgF platí x g M
»rávě tehdy, když existuje t = (či,..., tk)T G Kk
ak, že
x = p + ex. • t,
;de jsme uspořádanou Mici a, jako obyčejně
totožnili s maticí (uíj) g Knxk se sloupci
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN:
arametrické a všeobecné rovnice II
ovnost x = p + a • t je maticovým zápisem
arametrických rovnic afinního podprostoru
\f C Kn.
lektor t g Kn nazýváme vektorem parametrů a
eho složky ti,... ,tk e K parametry.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
arametrické a všeobecné rovnice IV
o rozepsaní do složek
Ulkt k
U2ktk
ostaneme obvyklejší tvar, se kterým jsme sa v
imenzi n = 2 resp. n = 3 už potkali
středoškolské analytické geometrii.
11
iíj
arametrické a všeobecné rovnice V
sou-li navíc vektory m,..., uk lineárně
lezávislé, což můžeme vždy dosáhnout
ynecháním „nadbytečných vektorů", pak
»arametrické rovnice podprostoru M nám přímo
■káží jeho dimenzi: dimM = k.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
arametrické a všeobecné rovnice V
!ápis afinního podprostoru M c Kn ve tvaru
í = p + [a], kde p g M a a je nejaká
ispořádaná &-tice, která generuje jeho zaměření
)irM (můžeme si dovolit předpokládat, že cn je
lokonce báze v DirM), budeme nazývat jeho
parametrickým vyjádřením.
arametrické vviádření M = d + \o\ afinního
arametrické vyjádření M = p + [a] afinního
odprostoru můžeme přímo přepsat do jeho
arametrických rovnic x = p + a. ■ t, (t g Kk).
Jaopak, z jeho parametrických rovnic můžeme
"iV získat jeho parametrické vyjádření.
ttSIIIMť
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LINEA
arametrické a všeobecné rovnice VII
aždá soustava lineárních rovnic A • x =
; rozšířenou maticí (A | b) e i^mx(n+1) (pokud má
ešení), popisuje afinní podprostor
Z(A I b) C Kn.
yřešit soustavu lineárních rovnic A • x = 1
namená vlastne najít nějaké pěkné
arametrické rovnice afinního podprostoru
>ÍAIb).
11
iíj
arametrické a všeobecné rovnice VII
5chť tedy M = p + [a] je afinní podprostor v
n, daný bodom p e Kn a uspořádanou ft-ticí
= (ui,..., Ufc) vektorů z iT\ kterou ztotožníme
naticí a = (nu) G Knxk se sloupci u7.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN:
arametrické a všeobecné rovnice I
arametrické rovnice x = p + a • t podprostoru
f, kde x = (#!,..., xn)T g Kn je vektor
G Kfc je vektor
arametrů, můžeme přepsat do tvaru
terý lze reprezentovat pomocí blokové matice
In alp).
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN
arametrické a všeobecné rovnice
Jase metoda bude založená na eliminaci
tarametrů í1?... ,tk úpravou této matice pomocí
RO.
/latici (In | a | p) budeme upravovat na řádkově
ikvivalentní matici tak, aby prostřední blok vo
ýsledné matici byl ve stupňovitém tvaru. Mohou
ak nastat dvě možnosti
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
arametrické a všeobecné rovnice X
všechny řádky prostředního bloku výsledné
matice jsou nenulové. V tomto případě
M = V a všeobecné rovnice tohoto
podprostoru tvoří prázdná soustava (t.j.
soustava, která neobsahuje žádnou rovnici).
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
arametrické a všeobecné rovnice XII
2) h{a) < n. Pak můžeme prostřední blok
I výsledné matice rozdělit do dvou pod sebou
umístěných bloků [C), kde horní blok D je
stupňovitá matice typu h(a) x k, která má
všechny řádky nenulové, tedy dolní nulový
blok má rozměr (n - h(a)) x k.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
arametrické a všeobecné rovnice XII
ibto rozdělení prostředního bloku indukuje
rozdělení celé výsledné matice do bloků
A' lpi ľ^_
"X] röl Mb"
afinního podprostoru M, t.j. platí
M = p + [a] = 7£(A|b).
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LI]
arametrické a všeobecné rovnice Xľ\
Popsaný algoritmus můžeme stručně shrnout do
následujícího schématu
OL p
ERO
A'\ lpi L^-
XH röl \b~
kde D je matice v stupňovitém tvaru s
nenulovými řádky (jejichž počet je tedy nutně
h(D) = h(a)).
WKtSi
arametrické a všeobecné rovnice XV
A;-tice a můžeme vybrat bázi zaměření
irM = [a]: je tvořená vektory KÁ. n -i « . . . « KÁ. n
kde
natice D, ve kterých se nacházejí vedoucí prvky
I \r r li o
ejich radku.
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LIN!
arametrické a všeobecné rovnice XV
vržení 9.3.1 NechťB e Knxm, C e Knxk,
p e Kn. Pokud bloková matice (B | C | p) je
řádkově ekvivalentní s blokovou matici
A' D ľ^_
A\ röl Mb"
kde D je matice v stupňovitém tvaru s
nenulovými řádky, tak
9. AFINNÍ PODPROSTORY A SOUSTAVY LI]