Bài giảng Toán cao cấp cho các nhà kinh tế 1 - Bài 1: Đại cương về hệ phương trình tuyến tính và không gian vectơ n chiều

Bài giảng Toán cao cấp cho các nhà kinh tế 1 - Bài 1: Đại cương về hệ phương trình tuyến tính và không gian vectơ n chiều cung cấp kiến thức hệ phương trình tuyến tính; không gian vectơ n chiều. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng để nắm chi tiết hơn kiến thức.

PHẦN I: HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH VÀ KHÔNG GIAN VECTƠ

BÀI 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH

VÀ KHÔNG GIAN VECTƠ N CHIỀU

Hướng dẫn học

Để học tốt bài này,sinh viên cần tham khảo các phương pháp học sau:

 Học đúng lịch trình của môn học theo tuần, làm các bài luyện tập đầy đủ và tham gia thảo luận trên diễn đàn

 Đọc tài liệu:

1 Giáo trình Toán cao cấp cho các nhà kinh tế, phần I: Đại số tuyến tính, NXB Đại

học KTQD, 2012

2 Bộ môn toán cơ bản, 2009, Bài tập toán cao cấp cho các nhà kinh tế, NXB Thống kê.

3 Nguyễn Đình Trí, Tạ Văn Đĩnh, Nguyễn Hồ Quỳnh, 2008, Toán cao cấp 1, NXB

Giáo dục

4 Alpha C.Chiang, 1995, Fundamental Methods of Mathematical Economics, Third edition, Mc Graw-Hill, Inc

5 Michael Hoy, John Livernois, Chris Mc Kenna, Ray Rees, Thanasis Stengo S,

2001, Mathematics for Economics, The MIT Press Cambrige, Massachusetts, London, England

 Sinh viên làm việc theo nhóm và trao đổi với giảng viên trực tiếp tại lớp học hoặc qua email

 Tham khảo các thông tin từ trang Web môn học

Nội dung

 Hệ phương trình tuyến tính;

 Không gian vectơ n chiều

Mục tiêu

 Sinh viên nắm được các khái niệm về hệ phương trình tuyến tính, nắm được phương pháp giải và các kết quả định tính đối với hệ phương trình tuyến tính;

 Nắm được khái niệm vectơ n chiều, không gian vectơ n chiều và các khái niệm liên quan;

 Tính toán thành thạo các phép toán tuyến tính đối với vectơ

T ình huống dẫn nhập

Tính công lao động của nhân viên

Bảng chấm công nhân viên tháng 1 năm 2014 của bộ phận lễ tân trong một khách sạn được cho như sau:

Làm thêm giờ

Họ và tên Ngày công

đi làm thực Công ngày thường Công ngày nghỉ Công ngày lễ

Tính tổng số lượng ngày công đi làm thực tế, tổng số ngày công làm thêm giờ vào ngày thường, ngày nghỉ và ngày lễ trong tháng 1 của bộ phận lễ tân đó

1.1 Hệ phương trình tuyến tính

1.1.1.1 Hệ phương trình tuyến tính tổng quát

Hệ phương trình tuyến tính của n ẩn số x1, x2,…, xn có dạng tổng quát như sau:

a x a x a x b

a x a x a x b

a x a x a x b













(1.1)

Trong đó aij và bi là các hằng số cho trước: số aij là hệ số của ẩn xj ở phương trình thứ i

và bi được gọi là số hạng tự do của phương trình thứ i (i = 1, … , m; j = 1, 2, … , n)

Hệ phương trình (1.1) cho tương ứng hai bảng số sau:

a a a a a a b

a a a a a a b

a a a a a a b

Định nghĩa: Bảng số A được gọi là ma trận hệ số và bảng số A được gọi là ma trận

mở rộng của hệ phương trình tuyến tính (1.1)

Các khái niêm cơ bản về ma trận sẽ được trình bày ở phần 2 Từ “ma trận” được dùng

ở đây để chỉ một bảng số xếp theo hàng và theo cột Ma trận hệ số A có m dòng và n

cột Ma trận mở rộng có m dòng và n + 1 cột (ma trận A có thêm cột thứ n + 1 là số

hạng tự do, n cột còn lại chính là các cột của ma trận A) Một hệ phương trình tuyến

tính được xác định nếu biết ma trận mở rộng của nó

Ví dụ 1:

Cho hệ phương trình:

1 2 3 4

1 2 3

2 3 4

x + 2x + 3x + 4x = 7 2x 3x 4x = 0 2x 2x + 5x = 3











(1.2)

Ma trận hệ số và ma trận mở rộng của hệ phương trình tuyến tính đã cho là:

A = 2 3 4 0 ,







Ví dụ 2: Hệ phương trình tuyến tính có ma trận mở rộng:

A =





là hệ phương trình: 1 2 3 4

1 2 3 4

3x 4x + 5x + 2x = 1 2x + x + 3x 2x = 0











1.1.1.3 Nghiệm của hệ phương trình tuyến tính

Định nghĩa: Nghiệm của hệ phương trình tuyến tính (1.1) là một bộ n số thực có thứ

tự (α1, α2, … , αn) mà khi gán x1 = α1, x2 = α2,…, xn = αn vào tất cả các phương trình của

hệ thì ta được các đẳng thức đúng

Nghiệm của hệ phương trình (1.1) có thể viết dưới một trong ba dạng sau:

1 1 1

2 2 2

1 2 n

n n n

, , , ;

α x = α

α x = α

;

α x = α

  

  

 

 

  

  



Chẳng hạn, bộ 4 số thực có thứ tự (1, −2, 2, 1) là một nghiệm của hệ phương trình (1.2): khi gán x1 = 1, x2 = −2, x3 = 2, và x4 = 1 thì vế trái của phương trình thứ nhất đúng bằng 7, vế trái của phương trình thứ hai đúng bằng 0 và vế trái của phương trình thứ

ba đúng bằng −3

Giải một hệ phương trình tuyến tính có nghĩa là tìm tập hợp tất cả các nghiệm của hệ phương trình đó

1.1.1.4 Hệ tương đương và phép biển đổi tương đương

Định nghĩa: Hai hệ phương trình tuyến tính với các ẩn số như nhau được gọi là tương

đương nếu chúng có cùng tập hợp nghiệm, tức là mỗi nghiệm của hệ này đồng thời là một nghiệm của hệ kia và ngược lại (hoặc cả hai hệ đều vô nghiệm)

Khi giải một hệ phương trình tuyến tính bằng phương pháp sơ cấp ta thường phải biến đổi hệ phương trình đó thành một hệ tương đương đơn giản hơn

Định nghĩa: Một phép biến đổi biến một hệ phương trình tuyến tính thành một hệ

tương đương được gọi là phép biến đổi tương đương

Định nghĩa: Các phép biển đổi sau đây đối với một của hệ phương trình tuyến tính

được gọi là phép biển đổi sơ cấp

1) Đổi chỗ cho hai phương trình của hệ

2) Nhân hai vế của một phương trình với một số α ≠ 0

3) Biến đổi một phương trình của hệ bằng cách lấy hai vế của một phương trình nhân với một số k bất kỳ rồi cộng vào hai vế tương ứng của phương trình khác

Định lý: Các phép biến đổi sơ cấp là các phép biển đổi tương đương

1.1.2 Hệ tam giác và hệ hình thang

Ý tưởng chung của phương pháp sơ cấp để tìm nghiệm của một hệ phương trình là khử dần các ẩn số để quy về việc giải các phương trình một ẩn số Việc khử dần các

ẩn số của một hệ phương trình tuyến tính sẽ dẫn đến một trong hai dạng cơ bản dưới đây (nếu hệ có nghiệm) Theo dạng của vế trái ta gọi các hệ phương trình đó là hệ tam giác và hệ hình thang

1.1.2.1 Hệ phương trình tuyến tính dạng tam giác

Hệ phương trình dạng tam giác là hệ có dạng như sau:

11 1 12 2 ln n 1

nn n n

a x a x a x b

a x a x b

a x b











(1.3)

trong đó tất cả các hệ số a11, a22,…, ann đều khác 0 Đây là một hệ phương trình có số phương trình bằng số ẩn và theo thứ tự từ trên xuống, các ẩn số mất dần (aij = 0 khi

i > j) Phương trình cuối cùng của hệ chỉ còn lại một ẩn số Từ phương trình cuối cùng của hệ phương trình (1.3) ta xác định được:

n

nn

b

a

tiếp theo, thay xn = αn vào phương trình phía trên ta lại có một phương trình một ẩn số

xn – 1 , từ đó xác định được xn – 1 = αn – 1 , lặp lại quá trình này theo trình tự từ dưới lên

ta được

xn – 2 = αn – 2, … , x1 = α1

Hệ phương trình (1.3) có một nghiệm duy nhất: (α1, α2, …, αn)

Ví dụ: Giải hệ phương trình 3 ẩn số

3

2x + x x = 5

x 3x = 1 7x = 7









x3 = −1 Thay x3 = −1 vào phương trình thứ hai ta có:

−x2 + 3 = 1  x2 = 2 Tiếp theo, thay x3 = −1 và x2 = 2 vào phương trình thứ nhất ta được:

2x1 + 2 + 1 = 5  x1 = 1

Hệ đã cho có nghiệm duy nhất: (1, 2, −1)

1.1.2.2 Hệ phương trình tuyến tính dạng hình thang

Hệ phương trình dạng hình thang cũng có đặc điểm giống như hệ tam giác là các phương trình của hệ khuyết dần các ẩn số theo thứ tự từ trên xuống, nhưng hệ hình thang có số phương trình nhỏ hơn số ẩn, do vậy phương trình cuối cùng có nhiều hơn một ẩn:

a x a x a x a x b

a x a x a x b

a x a x b











(1.4)

(m < n; aii ≠ 0 i = 1, 2, … , m)

Ở dạng (1.4) ta gọi m ẩn số đầu x1, x2, … , xm là các ẩn chính và các ẩn còn lại là ẩn tự

do Gán cho các ẩn tự do các giá trị tùy ý xm + 1 = αm + 1, … , xn = αnvà chuyển các số hạng chứa chúng sang vế phải ta được một hệ tam giác đối với ẩn chính:

a x a x a b a a

a x a x b a a

 

 

a x b a   a













Theo phương pháp giải hệ tam giác ta xác định được x1,…, xm theo αm + 1,…, αn Nghiệm của hệ (1.4) có dạng:

x c c d

x c c d

x

x



 















 



Hệ hình thang (1.4) có vô số nghiệm Nghiệm viết dưới dạng (1.5), với (αm+1,… , α n)

là một bộ n – m số bất kỳ được gọi là nghiệm tổng quát Mỗi bộ số thực (αm+1,… , αn) gán cho các ẩn tự do cho tương ứng một nghiệm của hệ (1.4), gọi là nghiệm riêng của nó

Ví dụ: Giải hệ phương trình

x + 2x + 4x + 6x x = 3

x 2x + x + 4x = 0 2x + 2x 3x = 4







Chuyển các số hạng chứa các ẩn tự do sang vế phải và gán x4 = α, x5 = β, ta được

hệ sau:

3

x + 2x + 4x = 6α + β 3

x 2x = α 4β 2x = 2α + 3β + 4







Theo quy tắc giải hệ tam giác ta tìm được:

x3 = −α + 3

2β + 2, x2 = −3α – β + 4, x1 = 4 α − 3β – 19

Nghiệm tổng quát của hệ phương trình là:

(4α − 3β –19, −3α – β + 4, − α + 3

2 β + 2, α, β) Mỗi bộ hai số (α, β) cho tương ứng một nghiệm riêng Chẳng hạn, với α = 0, β = 0 ta

có nghiệm riêng: (− 19, 4, 2, 0, 0)

1.1.3 Phương pháp khử ẩn liên tiếp

Phương pháp giải một hệ phương trình tuyến tính bất kỳ bằng cách khử dần các ẩn số

để đưa về dạng tam giác hoặc dạng hình thang được gọi là phương pháp khử ẩn liên tiếp,

hay phương pháp Gauss Dưới đây chúng tôi trình bày tổng quát phương pháp này

Xét hệ phương trình tuyến tính (1.1) Không làm mất tính tổng quát ta giả sử a11 ≠ 0

(nếu không ta có thể đổi chỗ các phương trình hoặc sắp lại thứ tự các ẩn số để có được

điều đó) Trước hết ta khử ẩn x1 trong các phương trình từ phương trình thứ hai trở

xuống bằng cách cộng vào hai vế của phương trình thứ i ( i = 2, … , m) tích các vế

tương ứng của phương trình thứ nhất với số i1

11

a a

 Chú ý rằng các phép biển đổi sơ cấp là các phép biển đổi tương đương, do đó sau m – 1 phép biển đổi như vậy ta được

hệ tương đương:

a x a x a x b

a ' x a x b

a x a x b











(1.6)

Trong đó:

'

a ' a a , b b b (i 2, ., m; j 2, ., n)

Trong hệ (1.6) có khả năng xuất hiện các phương trình với vế trái đồng nhất bằng 0

(nếu trong hệ (1.1) có phương trình nào đó có vế trái tỷ lệ với vế trái của phương trình

thứ nhất):

Nếu b = 0 thì phương trình (1.7) là một đẳng thức đúng với mọi bộ số gán cho x1,

x2,…, xn, do đó ta có thể loại bỏ phương trình đó khỏi hệ Nếu b≠0 thì phương trình

(1.7) là một đẳng thức sai với mọi bộ số gán cho x1, x2,… , xn do đó hệ vô nghiệm

Tiếp theo, bằng cách tương tự, ta lại khử ẩn x2, trong các phương trình từ phương trình

thứ ba trở xuống của hệ (1.6) (nếu có), sau đó lại khử ẩn x3, trong các phương trình từ

phương trình thứ tư trở xuống (nếu có)… Thủ tục khử ẩn theo cách nêu trên là thủ tục

lặp Sau một số hữu hạn bước biến đổi quá trình khử ẩn sẽ kết thúc ở một trong ba

trường hợp sau đây:

 Hệ nhận được có chứa phương trình dạng (1.7) với b ≠ 0

 Hệ nhận được có dạng tam giác

 Hệ nhận được có dạng hình thang

Trong trường hợp thứ nhất hệ phương trình vô nghiệm, còn hai trường hợp sau ta đã

biết cách giải để tìm nghiệm Như vậy, xét theo số nghiệm thì các hệ phương trình

tuyến tính được phân thành 3 loại, hệ vô nghiệm; hệ có một nghiệm duy nhất, hệ có vô

số nghiệm

Như đã nói ở trên, một hệ phương trình tuyến tính được hoàn toàn xác định khi biết

ma trận mở rộng của nó, do đó mỗi phép biến đổi hệ phương trình tuyến tính tương

ứng với một phép biến đổi ma trận mở rộng

Các phép biến đổi sơ cấp đối với hệ phương trình tuyến tính được thực hiện tương ứng trên ma trận mở rộng như sau:

Biến đổi hệ phương trình Biến đổi ma trận mở rộng

Đổi chỗ hai phương trình của hệ Đổi chỗ hai dòng tương ứng của ma trận Nhân hai vế của một phương trình với một số

α ≠ 0

Nhân dòng tương ứng của ma trận mở rộng với số α

Cộng vào mỗi vế của phương trình thứ i tích của

các vế tương ứng của phương trình thứ k với một

số α (để biến đổi phương trình thứ i)

Cộng vào dòng thứ i của ma trận mở rộng tích của dòng thứ k với số α (để biến đổi dòng thứ i)

Các phép biển đổi ma trận ở cột thứ hai của bảng trên có nghĩa như sau:

 Nhân một dòng ma trận với một số α có nghĩa là nhân mỗi số nằm trên dòng đó với số α

 Cộng một dòng nào đó vào dòng i có nghĩa là cộng mỗi số của dòng ấy vào số tương ứng của dòng i Trong quá trình biến đổi, nếu trên ma trận mở rộng có một dòng nào đó tất cả các số bằng 0 thì ta bỏ dòng đó đi (tương ứng với việc loại khỏi

hệ một phương trình có tất cả các hệ số ở vế trái bằng 0 và số hạng tự do ở vế phải cũng bằng 0)

Ví dụ 1: Giải hệ phương trình

x + 2y 3z = 5 2x + 3y + 5z = 13 3x 4y + z = 15







 





Cộng vào dòng thứ hai tích của dòng thứ nhất với (−2) và cộng vào dòng thứ ba tích của dòng thứ nhất với (−3) ta được ma trận:

0 10 10 30





Tiếp theo, cộng vào dòng thứ ba tích của dòng thứ hai với (−10) ta được ma trận:



Ma trận cuối cùng này là ma trận mở rộng của hệ phương trình dạng tam giác:

x + 2y 3z = 5

y + 11z = 23 100z = 200













Giải hệ này ta tìm được một nghiệm duy nhất (3, −1, 2)

Ví dụ 2: Giải hệ phương trình

x + 2x 5x + x = 1 2x 3x + 7x + 3x = 4 3x + 8x 11x 3x = 2

x + 5x + 4x +2x = 10





 





 



(1)

1 2 5 1 1 1 2 5 1 1

2 3 7 3 4 0 1 3 5 6 A

3 8 11 3 2 0 2 4 6 5

1 5 4 2 10 0 7 1 3 11

( 2 ) ( 3 )

0 0 10 16 17 0 0 10 16 17

0 0 20 32 31 0 0 0 0 3

Các phép biến đổi đã thực hiện là:

(1) Cộng lần lượt vào dòng thứ hai, dòng thứ ba và dòng thứ tư, theo thứ tự, tích của dòng thứ nhất với số 2, số −3 và số 1;

(2) Cộng lần lượt vào dòng thứ ba và dòng thứ tư, theo thứ tự, tích của dòng thứ hai với số −2 và số −7;

(3) Cộng vào dòng thứ tư tích của dòng thứ ba với −2

Sau các phép biến đổi trên ta nhận được một hệ có chứa một phương trình với tất cả các hệ số ở vế trái bằng 0 và số hạng tự do ở vế phải bằng 3, do đó hệ phương trình đã cho vô nghiệm

Ví dụ 3: Giải hệ phương trình

3x 2x +2x 5x + x = 0 2x + 3x x + 4x 4x = 1

x x +2x + 3x + 4x = 2 4x 7x +5x 14x + 6x = 1









A=

Để tiện biến đổi, trước hết ta đổi chỗ dòng nhất và dòng thứ 3 để chuyển số 1 ở đầu dòng thứ 3 lên góc trên bên trái:



Cộng lần lượt vào dòng thứ hai, dòng thứ ba và dòng thứ tư, theo thứ tự, tích của dòng thứ nhất với số −2, số −3 và số −4 ta được:



Đổi chỗ dòng thứ hai và dòng thứ ba, sau đó cộng lần lượt vào dòng thứ ba và dòng thứ tư, theo thứ tự, tích của dòng thứ hai với số −5 và số 3 ta được:



Cuối cùng, lấy dòng thứ ba cộng vào dòng thứ tư ta được:





Xóa đi dòng cuối cùng ta được hệ phương trình kết thúc ở dạng hình thang:

x x + 2x + 3x + 4x = 2

x 4x 14x 11x = 6 15x + 68x + 43x = 25





 Theo cách giải hệ hình thang ta được nghiệm tổng quát:

Trong đó α và β là các hằng số bất kỳ

Ví dụ 4: Giải hệ phương trình

2x y 5z 1 5x 2y 3z 0 3x 4y 2z 7











A= 5 2 3 0



Quá trình khử ẩn được thực hiện như sau:



0 0 106 42





Chú ý rằng, để tránh tính phân số trong quá trình biến đổi, bước đầu tiên ta nhân dòng thứ hai và dòng thứ ba với 2 Quá trình biến đổi kết thúc ở dạng tam giác Bạn hãy tự viết hệ phương trình đó và giải theo cách đã được hướng dẫn Nghiệm duy nhất của hệ phương trình này là:

x = , y = , z =

1.1.4 Hệ phương trình tuyến tính thuần nhất

Hệ phương trình tuyến tính thuần nhất là hệ phương trình tuyến tính có tất cả các số hạng tự do bằng 0:

11 1 12 1n n

a x a a x 0

a x a a x 0

a x a a x 0











Khi giải hệ phương trình tuyến tính thuần nhất bằng phương pháp khử ẩn liên tiếp ta chú ý mấy đặc điểm sau đây:

(1) Hệ phương trình tuyến tính (1.8) có ít nhất một nghiệm (x1 = 0, x2 = 0, … , xn = 0), gọi là nghiệm không, hay nghiệm tầm thường Do đó, đối với hệ phương trình tuyến tính thuần nhất chỉ có hai khả năng xảy ra:

 Hệ có một nghiệm duy nhất là nghiệm tầm thường (quá trình khử ẩn kết thúc ở dạng tam giác);

 Hệ có vô số nghiệm (quá trỉnh khử ẩn kết thúc ở dạng hình thang)

(2) Mọi hệ phương trình tuyến tính thuần nhất với số phương trình nhỏ hơn số ẩn đều

có vô số nghiệm (quá trình khử ẩn chắc chắn kết thúc ở dạng hình thang)

(3) Một hệ phương trình tuyến tính thuần nhất được xác định khi biết ma trận hệ số của nó và mọi phép biến đổi sơ cấp đều biến một hệ thuần nhất thành hệ thuần nhất tương đương Do đó, khi giải một hệ thuần nhất bằng phương pháp khử ẩn liên tiếp ta chỉ cần biến đổi trên ma trận hệ số

Ví dụ: Giải hệ phương trình

2x 3x + 4x + 5x = 0 4x 4x + 2x 3x = 0 2x 5x + 9x + 16x = 0









do đó hệ này có vô số nghiệm Thuật toán khử ẩn liên tiếp được thực hiện trên ma trận

hệ số như sau

          

Các phép biến đổi đã thực hiện là: