CC BY
265
УДК 517.9:51-7 Ф. М. Федоров
О РАНГАХ И ДЕКРЕМЕНТАХ МИНОРОВ, ОПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ И МАТРИЦ БЕСКОНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Рассматриваются бесконечные системы в гауссовой форме. В этом случае матрица данной системы не содержит нулевых диагональных элементов, а все элементы матрицы ниже диагонали равны нулю. Гауссовы бесконечные системы удобно решать методом простой редукции, который дает решение в виде формулы Крамера для гауссовой системы. Это решение называется строго частным решением. Показано равенство соответствующих определителей общей системы с определителями гауссовой системы. Отсюда следует, что решение общей бесконечной системы также выражается формулой Крамера. Доказано, что тривиальное решение однородной бесконечной системы является ее строго частным решением. На основе понятия декремента бесконечных матриц и определителей изучена совместность бесконечных систем линейных алгебраических уравнений. Указаны некоторые критерии несовместности бесконечных систем. Теоремы о существовании решений относятся к теоремам типа Кроне-кера-Капелли для общих бесконечных систем. Доказана для конечных систем теорема Кронекера-Капелли в расширенном варианте в терминах понятия декремента матрицы. Показано, что бесконечная система имеет некоторый смысл, когда существуют бесконечные определители |A| и | A |, порождаемые соответственно основной матрицей A системы и расширенной матрицей | A ; существуют бесконечные миноры [] и [A j ] соответственно бесконечных определителей Al, | A ; над матрицами A и | A | осуществляются только допустимые действия.
Ключевые слова: математическое моделирование, бесконечные системы, линейные алгебраические уравнения, решение системы, совместность системы, преобразования Гаусса, гауссовы системы, метод простой редукции, декремент матрицы и миноров, строго частное решение, формула Крамера.
F. M. Fedorov
Ranks and Decrements of Minors, Determinants and Matrices of Infinite System
The paper examines infinite systems in the Gaussian form. In this case the matrix of this system does not contain zero diagonal elements, and all the elements of the matrix below the diagonal are zero. The Gaussian infinite systems are convenient to solve by the method of simple reduction, which gives the solution in the form of Kramer formulas for Gaussian systems. This solution is called strictly particular solution. It is shown that the corresponding determinants of the general system and the determinants of the Gaussian system are equal. It follows that the solution of the general infinite system is expressed by the Kramer formula. It is proved that the trivial solution of the homogeneous infinite system is its strictly particular solution. Compatibility of infinite systems of linear algebraic equations is studied using the concept of the decrement of an infinite matrix and determinants. Some inconsistency criteria for infinite systems are found. Existence theorems are of Kronecker-Kapelli type for general infinite systems. The Kronecker-Kapelli theorem for finite systems is proved in an extended version in terms of matrix decrement. It is shown that the infinite system makes sense, when the following conditions are met: infinite determinants A| and | A | generated by the main matrix A and the extended matrix | A | of the system, respectively, exist; the infinite minors [] and [Aj'1j'2,'..l,jl ] of respectively infinite determinants |A|, | A | exist; only the permissible operators are applied to the matrices |A|, | A |.
Keywords: mathematical modeling, infinite systems, linear algebraic equations, system solution, system compatibility, transformation of Gauss, Gaussian systems, method of simple reduction, decrement of matrix and minor, strictly particular solution, the Kramer formula.
ФЕДОРОВ Фома Михайлович - д. ф.-м. н., г. н. с. НИИ математики СВФУ им. М. К. Аммосова.
E-mail: [email protected]
FYODOROV Foma Mikhailovich - Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Chief Research Associate of the Scientific Research Institute of Mathematics, North-Eastern Federal University after M.K. Ammosov.
E-mail: [email protected]
Введение
Бесконечные системы линейных алгебраических уравнений (БСЛАУ) возникают при решении многих задач естествознания, техники методами математического моделирования [1-4]. Например, различные задачи волноводов, анализ вынужденных процессов колебательных систем, некоторые задачи электростатики и в теории кибернетических систем, в теории массового обслужи-
вания, в теории квантовой химии, в статической теории упругости сводятся к решению бесконечных систем линейных алгебраических уравнений [5-11].
Известно, что теорема Кронекера-Капелли для конечной системы линейных алгебраических уравнений сформулирована в терминах ранга матрицы. Однако бесконечная матрица в основном не имеет конечного ранга. Следовательно, в терминах ранга матрицы нельзя обобщить теорему Кронекера-Капелли на бесконечные системы. В теории конечных систем было введено понятие декремента матриц, хотя оно и не получило широкого распространения. Размерность подпространства нетривиальных решений однородных конечных систем, равная п-г, где п - число неизвестных, г - ранг матрицы, называется декрементом матрицы системы. Хотя в настоящее время изучен десяток частных классов бесконечных систем: нормальных, регулярных и вполне регулярных, мультипликативных, периодических, систем с разностными индексами и других [1-2], только для нормальных систем создана теория, подобная теории конечных систем [12]. При этом теоремы типа теоремы Кронекера-Капелли получены на основе понятия декремента матрицы, определителя и миноров [12]. Основной нашей задачей является доказательство существования решения бесконечных систем с ненулевым декрементом системы, т. е. с бесконечным определителем, равным нулю.
Целью настоящей статьи является изучение бесконечной системы с точки зрения существования решений при нулевом декременте, т. е. когда бесконечный определитель отличен от нуля.
О теоремах Кронекера-Капелли
Напомним, что бесконечной системой линейных алгебраических уравнений с бесконечным множеством неизвестных называется система уравнений [1-2]:
(1)
Под бесконечной матрицей A понимаем таблицу коэффициентов бесконечной системы (1):
ап,1 Х1 + ап,2 Х2
а = ] ) =
(2)
которая называется (основной) матрицей системы (1). Кроме того, рассматривается так называемая расширенная матрица А :
А =
(3)
где ап - известные коэффициенты, Ъ. - свободные члены и хк - неизвестные из поля Е
Совокупность численных значений величинх1, х2, ... называется решением системы (1), если после подстановки этих значений в левую часть равенств (1) мы получим сходящиеся ряды и все эти равенства будут удовлетворены, в противном случае система не имеет решений.
В случае разрешимости бесконечная система называется совместной, в противном случае -несовместной.
Выделив элементы, содержащиеся в первых п столбцах и первых п строках матрицы А, образуем из них определитель п-го порядка |Ап|.
Значение этого определителя, очевидно, зависит от числа п, т. е. от порядка составленного таким образом определителя. Его называют главным определителем п-го порядка, порождаемого матрицей А [12].
Если при неограниченном возрастании порядка п главного определителя | Ап | матрицы А его значение стремится к определенному пределу | А |, то существует бесконечный определитель, образуемый матрицей А, и что | А | есть значение этого определителя [12]. Ниже рассматриваются бесконечные системы с ненулевым бесконечным определителем.
Известно, что теория общих конечных систем линейных алгебраических уравнений завершилась основной теоремой - теоремой Кронекера-Капелли, причем данная теорема сформулирована на основе понятия ранга матрицы.
Пусть вместо бесконечной системы (1) задана общая конечная система т линейных алгебраических уравнений с п неизвестными, тогда, очевидно, основная матрица А будет размера п на т, а расширенная прямоугольная матрица | А | с размерами п+1 на т.
Сперва приведем теорему Кронекера-Капелли для конечных систем в расширенном варианте [13-14] в терминах ранга матрицы.
Теорема 1 (Кронекера-Капелли). Для того чтобы конечная система уравнений имела решение, необходимо и достаточно, чтобы ранг расширенной матрицы был равен рангу основной матрицы этой системы. Если ранги основной и расширенной матриц совпадают с числом неизвестных, то система имеет единственное
а
1-я
а
2,я
а
2
решение. Если ранг г основной и расширенной матриц меньше числа п неизвестных, то конечная система имеет более одного решения. Размерность подпространства решений однородной конечной системы линейных уравнений с п неизвестными равна d=n - г где г - ранг матрицы, d=n - г - декремент основной матрицы системы.
Доказательство теоремы Кронекера-Капелли можно найти во всех руководствах по линейной алгебре, в частности, в [13-14]. Теперь теорему Кронекера-Капелли переформулируем в терминах понятия декремента матрицы.
Теорема 1' (Кронекера-Капелли). Для того чтобы конечная система уравнений имела решение, необходимо и достаточно, чтобы декремент расширенной матрицы был равен декременту основной матрицы этой системы. Если декременты основной и расширенной матриц равны нулю, то система имеет единственное решение. Если декременты основной и расширенной матриц равны и их значение больше нуля, то система имеет более одного решения. Размерность подпространства решений однородной конечной системы линейных уравнений с п неизвестными равна декременту d=n - г основной матрицы системы.
Доказательство. В случае равенства декрементов расширенной и основной матриц из понятия декремента матрицы следует равенство соответствующих рангов. В силу первого утверждения теоремы 1 конечная система имеет решение. Пусть конечная система имеет решение, тогда из теоремы 1 следует, что ранги расширенной и основной матриц равны. Следовательно, соответствующие декременты равны, что и требовалось доказать. Пусть декременты основной и расширенной матриц равны нулю. Следовательно, ранги соответствующих матриц совпадают с числом неизвестных, то на основании второго утверждения теоремы 1, конечная система имеет единственное решение, что и требовалось доказать. Пусть декременты основной и расширенной матриц совпадают и не равны нулю. Отсюда следует, что ранги соответствующих матриц равны и они меньше числа неизвестных. На основании третьего утверждения теоремы 1 приходим к доказательству соответствующего утверждения теоремы 1'. Четвертое утверждение теоремы 1' не изменяется, т. о. теорема доказана.
Очевидно, если декремент ё основной матрицы конечной системы равен нулю, то данная система на основании теоремы 1' имеет единственное решение. Как будет видно ниже, для бесконечных систем равенство нулю декремента основной и расширенной матриц еще не гарантирует единственности решения, более того, равенство декрементов не гарантирует даже совместности системы. Однородная бесконечная система всегда является совместной, так как имеет тривиальное решение. Здесь подчеркнем, что понятие декремента ё для бесконечных матриц несколько по-другому определяется, чем
для конечных матриц, но от этого суть дела не меняется.
О ранге бесконечной матрицы и определителя
Можно ли обобщить теорему Кронекера-Капелли для бесконечных систем (1)? Прежде чем дать ответ, необходимо ответить на естественный вопрос: какой ранг может иметь бесконечная матрица A? На этот вопрос вполне исчерпывающий ответ дают теоремы из работы [12].
Но прежде чем сформулировать эти теоремы отметим следующее. Из бесконечной матрицы A выделим k строк и k столбцов соотвественно с номерами ir i2,..., ik иj, j2, . . ., jk. Из элементов, стоящих на пересечении этих строк и столбцов, не меняя их порядка, составим определитель. Это определитель k-го порядка, порождаемый исходной матрицей, т. е. является минором k-го порядка бесконечного определителя |A| в случае его существования. Такого рода минор будем обозначать символом f . Элементы a, j = a'j мы можем, конечно, рассматривать как миноры первого порядка бесконечного определителя A|.
Бесконечная матрица A вида (2) может иметь определенный ранг. Именно если из определителей k-го порядка, порождаемых матрицей, хотя бы один отличен от нуля, а определители k+1-го порядка все равны нулю, то эта матрица имеет k-ый ранг. Если эта матрица порождает бесконечный определитель A|, то тот же ранг присваивается и определителю A|. Таким образом, можно сказать, что бесконечный определитель имеет k-ый ранг, если среди его миноров k-го порядка есть хотя бы один, отличный от нуля, а его миноры k+1-го порядка все равны нулю.
Совершенно ясно, что в определителе k-го ранга всякий минор, порядок которого выше k-го, равен нулю; это доказывается совершенно так же, как аналогичное предложение для конечной матрицы.
Теорема 2. Если бесконечная матрица A вида (2) имеет k-ый ранг, то существует порожденный ею бесконечный определитель, и значение его равно нулю.
Доказательство. При n>k все главные определители A | равны нулю, а потому и lim | Ап |= 0.
Очевидно, теорему 2 можно переписать следующим образом:
Теорема 2'. Всякий бесконечный определитель конечного ранга равен нулю.
Отсюда следует, что бесконечный определитель, имеющий значение, отличное от нуля, не имеет конечного ранга. Этому выводу, который легко получить непосредственно, можно дать следующую формулировку.
Теорема 3. Если бесконечный определитель имеет значение, отличное от нуля, то среди его миноров k-го порядка есть хотя бы один, отличный от нуля, каково бы ни было целое число k.
Таким образом, бесконечная матрица в основном не имеет конечного ранга, она может иметь конечный ранг только тогда, когда ее определитель равен нулю, и то не
всегда. Например, нормальная матрица всегда не имеет конечного ранга даже тогда, когда ее определитель равен нулю. Следовательно, использование понятия ранга матрицы для получения результатов, подобных теореме Кронекера-Капелли для бесконечных систем, теряет смысл. Поэтому как и в теореме 1' необходимо ввести другое понятие - понятие декремента бесконечной матрицы. Этот термин был введен для конечных систем [12], однако он не получил в теории конечных систем широкого распространения. Ясно, что механическое перенесение этого понятия на бесконечный случай невозможно.
О декременте бесконечной матрицы (определителя) и минора бесконечного определителя
Прежде всего отметим, что понятие декремента минора бесконечного определителя А\ и понятие декремента самого определителя А\ (или самой матрицы А) - это несколько разные понятия, хотя суть дела не меняется.
Что такое декремент ё квадратной матрицы? Если в квадратной матрице с декрементом ё исключим соответствующие ё строк и ё столбцов, то получим квадратную матрицу порядка п - ё и ранга п - ё.
Чтобы сохранить основной смысл понятия декремента конечных матриц, поступаем следующим образом [12]. В матрице бесконечного определителя А| опустим столбцы с номерами i1, i2, . . ., ik и строки с номерами ]1, . . ., jk. Остающаяся бесконечная матрица может дать бесконечный определитель, может его и не дать. Так, например, из двух бесконечных матриц:
[ 411 ] = С-1)4 +"+4+71+72+"+Л [ 411 ]
(4)
0 0 0 0 0
0 10 0 0
0 12 0 0
0 12 3 0
0 12 3 4
1 0 0 0 0
1 2 0 0 0
1 2 3 0 0
1 2 3 4 0
1 2 3 4 5
первая порождает бесконечный определитель, равный нулю, ибо главный ее определитель \А \=0 при всяком п; вторая определителя не дает, ибо здесь главный определитель А' \=п! неограниченно возрастает вместе с п. Между тем вторая матрица получится из первой путем устранения первой строки и первого столбца.
Если матрица, которая получается из матрицы бесконечного определителя \А\ путем устранения столбцов i1, ^ . . ., ik и строк ]1, +2, . . ., jt, порождает бесконечный определитель, то последний называется бесконечным минором определителя \А\, а число к называется декрементом этого минора. Этот минор
[3]. Произведение этого
где a=il+i2+■■■+ik, 1 ++2 + "'++ к
называется алгебраическим дополнением минора к-го
обозначается через [АУ2-""''к-минора на (-1)+
порядка ау2г',,1и и обозначается через А'}''2'""'1^ , так что
Это понятие декремента бесконечной матрицы установлено в полном соответствии со значением этого термина для конечных матриц. Однако бесконечная матрица может иметь бесконечный определитель, равный нулю, и все ее миноры первого декремента тоже могут быть равны нулю. В связи с этим устанавливается несколько другое понятие декремента самого бесконечного определителя \А\.
Если бесконечный определитель \А\ отличен от нуля, то декремент (и его матрицы) равен нулю. Если бесконечный определитель \ А\ равен нулю, то обратимся к бесконечным минорам А\ с декрементом, равным 1. Если хотя бы один из этих миноров отличен от нуля, то сам определитель \А\ и его матрица имеют декремент, равный 1. Если все миноры А\ первого декремента окажутся равны нулю, то обратимся к минорам АА с декрементом, равным 2: если между ними найдется хотя бы один, отличный от нуля, то сам определитель \А \ и его матрица имеют декремент, равный 2. Если в бесконечном определителе \А \ среди бесконечных миноров, декремент которых равен к, имеется хотя бы один, отличный от нуля, а все бесконечные миноры с низшим декрементом равны нулю, то определитель \А\ и его матрица имеют декремент, равный к.
Это понятие декремента бесконечной матрицы сыграло существенную роль при разработке теории нормальных бесконечных систем. А именно, теория нормальных систем завершилась теоремой типа Кронекера-Капелли на языке декремента, поскольку нормальная матрица имеет определенный декремент [12], а определенного ранга не имеет.
Предполагаем, что основная матрица А и расширенная матрица \ А \ системы (1) порождают соответствующие бесконечные определители \А\ и \ А \. Такое предположение оправдано, поскольку, как будет видно ниже, данное условие необходимо для совместности бесконечной системы (1).
Кроме того, еще раз подчеркнем, что существование минора [ ] зависит от того, будет существовать
определитель, порождаемый преобразованной таким образом матрицей, или нет.
О минорах бесконечного определителя
Пусть Дп есть главный определитель п-го порядка бесконечного определителя Д. Если составим минор к-го порядка определителя Дп, взяв для этого i1, i2, . . ., ik столбцов и ]1, +2, . . ., +к строк, то он совпадет с минором ®л'а 1 определителя Дп. Но их алгебраические дополнения будут различны: в определителе Д это алгебраическое дополнение представляет собой определитель п-к-го порядка, в определителе Д это алгебраическое дополнение может и вовсе не существовать, а если оно существует, то представляет собой бесконечный определитель. Алгебраическое
и
дополнение минора ачА' в определителе Дп обозначим через („ . ' ' ' *
Без доказательства приведем некоторые важные теоремы о бесконечных минорах определителя Д, отсылая заинтересованного читателя к работе [12].
Теорема 4. Если в бесконечном определителе Д существует алгебраическое дополнение минора а'''' '1Л, то оно представляет собой предел, к которому стремится алгебраическое дополнение того же минора в определителе Дп когда п неограниченно возрастает, т. е , = Нт(Д„1 .
В частности из теоремы 4 следует Д'' . = Нт(Д„ .
Теорема 5. Если в бесконечном определителе Д все элементы столбцов I, 12, . . ., I равны нулю, кроме тех, которые принадлежат минору к-го порядка а^г''11^ (или если равны нулю все элементы строк j, j2, . . ., jk, кроме тех, которые принадлежат тому же минору), а сам минор а'1],2г''1к^ отличен от нуля, то существует дополнительный минор ГДм--'". ] и Д = а'}-'2"~Л. Д'1:'2г-'к. .
Г 1 71,72.-. 1к 1 71.72..... 1к 71.12,...,1к
В частности из теоремы 5 следует, что если равны нулю все элементы ьго столбца, кроме элемента , который отличен от нуля (или все элементы ]-й строки равны нулю, кроме элемента а']), то существует минор
[ А) ] и А = а<А.
Если диагональные элементы минора а^'2',"''к]1 равны 1, а остальные равны нулю, т. е., если а= а| =... = а1^ = 1
и а'км = 0 при hфq, И, д=1, 2, ..., к, то а^= 1;если, существует минор [], то в этом случае Д = А^г'''^. Это приводит к следующей теореме.
Теорема 6. Если в бесконечном определителе Д существует алгебраическое дополнение А^'2^"''1^ минора к-го порядка а^'У^'У то оно равно значению, которое примет определитель Д, если в нем в столбцах 11, 12, . . ., 1к (или в строках j, j2, . . ., jk заменить нулями все элементы, кроме тех, которые занимают диагональные места в миноре а4''2''"''1- а диагональные элементы
1 71' 72' ■ ■ ■ '—
этого минора заменить единицами).
Минор элемента а'] в бесконечном определителе Д есть значение, которое примет определитель, если в нем заменить нулями все элементы /-го столбца (или ]-й строки), кроме элемента а'], который нужно заменить единицей.
Строго частное решение гауссовой системы
Пусть матрица А системы (1) имеет декремент, равный нулю, т. е. матрица (2) порождает бесконечный определитель, отличный от нуля. Следовательно, на основании теорем 2 и 2' матрица (2) имеет бесконечный ранг. Тогда справедливо преобразование Гаусса: А=ВС, где В - треугольная, С - гауссова матрицы [15]. Таким образом, вместо общей системы (1) мы можем рассмотреть бесконечную гауссову систему:
Е
С X
р=0 1,1+Р 1+Р
= Ь7,7 = 1,2,
(5)
матрицы С, bj - вектор-столбец матрицы В-1Ъ, Ъ - вектор-столбец свободных членов системы (1), В-1 - обратная матрица треугольной матрицы В. Частное решение системы (5), которое можно получить методом редукции в узком смысле [1-2] (методом простой редукции), названо строго частным решением системы (5) [16-18]. Оказалось, что строго частное решение играет огромную роль в теории бесконечных систем линейных алгебраических уравнений, в частности, получена основная теорема [17-18]:
Теорема 7. Неоднородная гауссова система (5) совместна тогда и только тогда, когда существует ее строго частное решение.
В работах [17-18] фактически приведена следующая теорема.
Теорема 8. Пусть бесконечная неоднородная система (1) является совместной, кроме того, декремент основной матрицы А равен нулю. Тогда неоднородная система (1) имеет строго частное решение, которое имеет вид:
х=е;.м)'^=^-='-2..... («)
}+р, 1+р | ° |
где Срф - определители порядка р, рекуррентно определяемые соотношением:
ср (1)= Е р:„(-1
1 ' " р-1-к С1+к, 1+р
С (1), с„( 1) = 1. (7)
С1+к, 1+к
Здесь \С0)\ - определитель гауссовой матрицы С, в которой j-й столбец заменен столбцом свободных членов Ьк системы (5).
Теорема 9. Пусть выполняются условия теоремы 8. Тогда справедливы соотношения:
\А\=\С\, АФ\=\С0)\, (8)
где \А0)\ - определитель матрицы А общей системы (1), в которой j-й столбец заменен столбцом свободных членов Ьк системы (1), \С0)\ - определитель гауссовой матрицы С, в которой j-й столбец заменен столбцом свободных членов Ьк системы (5), т. е. столбцом матрицы В'1Ь, Ь - вектор-столбец свободных членов системы (1).
Доказательство. Действительно, осуществляя преобразование Гаусса, что возможно по условию теоремы, имеем А=ВС, где В - треугольная матрица с диагональными элементами, равными единице, а С - гауссова матрица, тогда справедливо \А\=\В\-\С\=1-\С\ = \С\. С другой стороны, метод простой редукции (в узком смысле) можем применить к системе (1) двояко: предварительно преобразовав урезанную систему в гауссову систему, применить правило Крамера или прямо к урезанной системе применить правило Крамера. Тогда, очевидно, имеет место:
|с(Л| и<Л|
(9)
где с.+р - коэффициенты соответствующей гауссовой
|с„| К
где |Cn®| - определитель |CJ, в котором j-ый столбец заменен столбцом свободных членов, т. е. столбцом матрицы B-1b первых n уравнений, урезанной преобразованной системы (5) с верхней треугольной основной матрицей, |A ®| - определитель |A |, в котором j-ый столбец заменен столбцом свободных членов первых n уравнений, урезанной системы (1). По определению бесконечных определителей, в случае их существования, верны соотношения
lim | Cn |=| C |, lim Cj' =| C(j'
n—^^ и^то
lim | An |=| A |, lim | Aj> |==| A(f> |.
Тогда с учетом И|=|С| и теоремы 8, переходя к пределу в выражении (9), имеем
\C(Л| C(Л| lim | A(nj
limn
A
(j)
C
A lim \ An \
\ A \
Последнее выражение показывает то, что требуется доказать И®| = |С®|.
Следствие. Пусть выполняются условия теоремы 8. Тогда бесконечный определитель \А0)\ вычисляется по формуле
|A(j)l=|C| £;=„(-!)p j = 1,2,...,
Cp (j)bj+p l C
(j)
j+p,j+p
|C|
(10)
где Срф рекуррентно определяется выражением (7).
Доказательство следствия непосредственно вытекает из теорем 8 и 9.
Теорема 10. Пусть выполняются условия теоремы 8. Тогда неоднородная система (1) имеет единственное частное решение, которое определяется формулой Крамера - это строго частное решение системы (1):
| А
(j)
С -1) pCj+p_
C
(j)
|C|
(11)
1+р, 1+р 1 = 1,2,...,
где \А0)\ - определитель \А\, в котором]-й столбец заменен столбцом свободных членов системы (1).
Доказательство. По теореме 8 общая система (1) имеет решение (6), тогда по теореме 9 получим формулу (8), что и требовалось доказать.
Изменение элементов определителя и всякое изменение его матрицы называется допустимым, если существует бесконечный определитель, порождаемый измененной матрицей [12].
Интересно отметить, что даже изменение конечного числа элементов, иногда даже одного элемента, может оказаться недопустимым. Возьмем, например, бесконечную матрицу, в которой все элементы, стоящие вне главной диагонали, равны нулю, в главной же диагонали первый элемент равен а, а все остальные равны Ь, модуль
Ь больше единицы. Тогда бесконечный определитель, порождаемый этой матрицей, существует только в том случае, если а=0 (тогда и определитель равен нулю). Всякое изменение элемента а, таким образом, является уже недопустимым изменением матрицы. Естественно, все вышеизложенное выдвигает целый ряд новых вопросов относительно общих бесконечных матриц. Например, при каких условиях существует бесконечный определитель, порождаемый данной матрицей? При каких условиях существуют бесконечные миноры элементов такого определителя? А также при каких условиях существуют бесконечные миноры более высокого декремента и т. д. Установить критерии, необходимые и достаточные, во всех этих случаях для общей бесконечной матрицы чрезвычайно сложно. Но бесконечная матрица А интересует нас только с точки зрения существования решения бесконечной системы (1), поэтому мы можем считать, что ответы на поставленные вопросы являются необходимыми условиями существования решения бесконечной системы (1).
Сформулируем естественные условия, которые должны налагаться на бесконечные матрицы А и А, чтобы бесконечная система (1) имела какой-то смысл.
Лемма. Необходимым условием существования решения неоднородной бесконечной системы (1) является выполнение для матриц А и А системы (1) следующих условий: _
1) существуют бесконечные определители \А\ и А, порождаемые соответственно матрицей А и расширенной матрицей А;
2) существуют бесконечные миноры [ААг^К^ ] и
[А^ '^ ] соответственно определителей \А\, А;
3) над матрицами А и А осуществляются только допустимые действия.
Доказательство. Не нарушая общности, мы можем рассматривать только совместные гауссовы системы
(5), поэтому на основании теоремы 8 существует строго частное решение системы (5). Но по теореме 10 это строго частное решение выражается формулами Крамера. Последнее предполагает необходимость существования бесконечных определителей \А\ и \А()\, где А®| получен из определителя А| заменой '-го столбца столбцом свободных членов системы (1). Отсюда следует необходимость выполнения условий 1) и 2) леммы. А выполнение условий 1) и 2) подразумевает необходимость выполнения условия 3). В дальнейшем всегда предполагаем выполнение условий леммы.
Теорема 11. Тривиальное решение однородной гауссовой системы (5) является ее строго частным решением.
Доказательство. Пусть гауссова система (5) является однородной, тогда, очевидно, она будет совместной, так как она имеет тривиальное решение. Покажем, что это решение является строго частным решением. Действительно, по теореме 7 мы можем построить по формуле
(6) строго частное решение. Отсюда легко убеждаемся, что построенное таким образом строго частное решение
Xj =
будет тривиальным, что и требовалось доказать.
О несовместности бесконечной системы с матрицей нулевого декремента
Пусть дана бесконечная последовательность чисел
Ь1 ь, ьз . . . ь„ . . ., (12)
которую можем представить как столбец, и задан бесконечный определитель Д с декрементом k Ф 0.
Если, заменяя у'-й столбец определителя Д членами последовательности (12), получим бесконечный определитель, то его обозначим через Д®. Так как определитель Д имеет £-й декремент, то его миноры £-1-го декремента все равны нулю. Но определитель Д' может иметь миноры £-1-го декремента, отличные от нуля: таковыми могут оказаться миноры, в состав которых входит новый '-й столбец. Может случиться, что и в определителе Д' все миноры £-1-го декремента равны нулю. В первом случае декремент определителя Д' ниже декремента k определителя Д, во втором случае он не ниже k. Если ни один из определителей Д ' не имеет низшего декремента, нежели определитель Д, то декремент определителя Д не понижается с присоединением к его матрице столбца (12). Если хотя бы один из определителей Д' имеет низший декремент, то декремент определителя Д с присоединением к его матрице столбца (12) понижается. Повыситься от присоединения столбца (12) декремент определителя Д не может. Когда декремент равен нулю (£=0), то возникает ситуация, противоположная выше приведенной. Если все определители Д' имеют декремент выше, чем декремент определителя Д, то декремент определителя Д повышается с присоединением к его матрице столбца (12). Если хотя бы один из определителей Д' не имеет высший декремент, то будем говорить, что декремент определителя Д с присоединением к его матрице столбца (12) не повышается. Понизиться от присоединения столбца (12) декремент определителя Д не может.
Теорема 12. Пусть декремент матрицы А равен нулю и если этот декремент повышается с присоединением столбца свободных членов неоднородной системы (1), то бесконечная система (1) несовместна.
Доказательство проведем от противного, т. е. предположим, что система (1) совместна. Тогда ее строго частное решение выражается формулой (11). Поскольку декремент матрицы А повышается с присоединением столбца свободных членов системы (1), т. е. все миноры бесконечной матрицы А с присоединением столбца свободных членов системы (1) равны нулю, т. е. А®|=0, тогда и х =0 для всехтак как А \ Ф 0. Но система (1) является неоднородной, то хотя бы для одного _/'=/0 свободный член Ь] отличен от нуля. Беря уравнение под номером у системы (5) и подставляя в него значение х =0 для всех получим 0 = Ьд. Полученное противоречие и доказывает теорему.
Теперь укажем еще один признак противоречивости общей системы (1) с матрицей нулевого декремента.
Теорема 13. Пусть декремент матрицы А системы (1) равен нулю. Если в выражении (6) ряд не сходится
при некотором)=)а тогда система (5) несовместна.
Доказательство. Так как А \ Ф 0, то возможно преобразование Гаусса и вместо системы (1) можем рассмотреть гауссову систему (5). Докажем теорему от противного. Пусть система (5) совместна, тогда по теоремам 7 и 8 выражение (6) является решением бесконечной системы (5), более того, существует бесконечный определитель |С®|. Однако по условию теоремы и по определению бесконечных определителей такого бесконечного определителя существовать не может. Полученное противоречие и доказывает теорему.
Заключение
Указаны первичные требования при которых бесконечные системы представляют собой какой-то смысл. Таковыми являются: существование бесконечных определителей и их миноров основной и расширенной матриц бесконечной системы, кроме того, все преобразования соответствующих матриц допустимы.
На основе понятия декремента бесконечного определителя получены некоторые критерии несовместности бесконечной системы, т. е. неразрешимости этих систем.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания (проект №3047).
Л и т е р а т у р а
1. Федоров Ф. М. Периодические бесконечные системы линейных алгебраических уравнений. - Новосибирск: Наука, 2009.
2. Федоров Ф. М. Бесконечные системы линейных алгебраических уравнений и их приложения. - Новосибирск: Наука, 2011.
3. Федоров Ф. М. Граничный метод решения прикладных задач математической физики. - Новосибирск: Наука, 2000.
4. Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Масалов С. А. Матричные уравнения типа свертки в теории дифракции. - Киев: Наука думка, 1984.
5. Масалов С. А. Метод полуобращения и бесконечные системы уравнений в некоторых задачах дифракции волн // ЖВМ и МФ. - 1981. - Т. 21, № 1. - С. 80-88.
6. Грибовский А. В., Литвиненко Л. Н., Просвирнин С. Л. Метод моментов в плоских задачах электростатики для бесконечно тонких незамкнутых проводников // ЖТФ. - 1988. - Т. 58, вып. 2. - С. 277-283.
7. Белоглазов В. В., Бирюк Н. Д., Юргелас В. В. Проблема сходимости бесконечной системы алгебраических уравнений, описывающих вынужденные колебания параметрического контура // Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. - 2010. - № 2.
- С. 175-180.
8. Папернов Е. Л. О решении бесконечных систем линейных алгебраических уравнений // ЖВМ и МФ. - 1978. - Т. 18, № 5.
- С. 1300-1302.
9. Гомилко А. М. Об одном классе бесконечных систем линейных алгебраических уравнений // ЖВМ и МФ. - 1993.
- Т. 33, № 7. - С. 980-995.
10. Гринченко В. Т., Улитко А. Ф. Пространственные задачи теории упругости и пластичности. - Киев: Наук. думка, 1985.
- Т. 3: Равновесие упругих тел канонической формы.
11. Папков С. О. Бесконечные системы линейных алгебраических уравнений в случае первой основной граничной задачи для прямоугольной призмы // Динамические системы. - 2010. - Вып. 28. - С. 89-98.
12. Каган В. Ф. Основания теории определителей. - Киев: Гос. изд-во Украины, 1922.
13. Мальцев А. И. Основы линейной алгебры. - М.: Наука, 1970.
14. Мальцев И. А. Линейная алгебра. - Новосибирск: Изд. ИМ, 2001.
15. Федоров Ф. М. Об алгоритме Гаусса для бесконечных систем линейных алгебраических уравнений (БСЛАУ) // Мат. заметки ЯГУ - 2012. - Т. 19, вып. 1. - С. 133-140.
16. Федоров Ф. М., Павлов Н. Н., Иванова О. Ф. Алгоритмы реализации решений бесконечных систем линейных алгебраических уравнений // Мат. заметки ЯГУ. 2013. - Т. 20, вып. 1. - С. 215-223.
17. Федоров Ф. М., Иванова О. Ф., Павлов Н. Н. Строго частное решение и совместность бесконечных систем // 7-я Международная конференция по математическому моделированию (Якутск, 30 июня - 4 июля, 2014 г.): тезисы. - Якутск, 2014.
- С. 110-111.
18. Федоров Ф. М., Иванова О. Ф. Павлов Н. Н. Сходимость метода редукции и совместность бесконечных систем // Вестник СВФУ им. М. К. Аммосова, - 2014. - Т. 11, № 2. - C. 14-21.
R e f e r e n c e s
1. Fedorov F. M. Periodicheskie beskonechnye sistemy lineinykh algebraicheskikh uravnenii. - Novosibirsk: Nauka, 2009.
2. Fedorov F. M. Beskonechnye sistemy lineinykh algebraicheskikh uravnenii i ikh prilozheniia. - Novosibirsk: Nauka, 2011.
3. Fedorov F. M. Granichnyi metod resheniia prikladnykh zadach matematicheskoi fiziki. - Novosibirsk: Nauka, 2000.
4. Shestopalov V. P., Kirilenko A. A., Masalov S. A. Ma-trichnye uravneniia tipa svertki v teorii difraktsii. - Kiev: Nauka dumka, 1984.
5. Masalov S. A. Metod poluobrashcheniia i beskonechnye
sistemy uravnenii v nekotorykh zadachakh difraktsii voln // ZhVM i MF. - 1981. - T. 21, № 1. - S. 80-88.
6. Gribovskii A. V., Litvinenko L. N., Prosvirnin S. L. Metod momentov v ploskikh zadachakh elektrostatiki dlia beskonechno tonkikh nezamknutykh provodnikov // ZhTF. - 1988. - T. 58, vyp. 2. - S. 277-283.
7. Beloglazov V. V., Biriuk N. D., Iurgelas V. V. Problema skhodimosti beskonechnoi sistemy algebraicheskikh uravnenii, opisyvaiushchikh vynuzhdennye kolebaniia parametricheskogo kontura // Vestnik VGU. Seriia: Fizika. Matematika. - 2010. - № 2. - S. 175-180.
8. Papernov E. L. O reshenii beskonechnykh sistem lineinykh algebraicheskikh uravnenii // ZhVM i MF. - 1978. - T. 18, № 5. - S. 1300-1302.
9. Gomilko A. M. Ob odnom klasse beskonechnykh sistem lineinykh algebraicheskikh uravnenii // ZhVM i MF. - 1993. - T. 33, № 7. - S. 980-995.
10. Grinchenko V. T., Ulitko A. F. Prostranstvennye zadachi teorii uprugosti i plastichnosti. - Kiev: Nauk. dumka, 1985. - T. 3: Ravnovesie uprugikh tel kanonicheskoi formy.
11. Papkov S. O. Beskonechnye sistemy lineinykh algebraicheskikh uravnenii v sluchae pervoi osnovnoi granichnoi zadachi dlia priamougol'noi prizmy // Dinamicheskie sistemy. - 2010. - Vyp. 28. - S. 89-98.
12. Kagan V. F. Osnovaniia teorii opredelitelei. - Kiev: Gos. izd-vo Ukrainy, 1922.
13. Mal'tsev A. I. Osnovy lineinoi algebry. - M.: Nauka, 1970.
14. Mal'tsev I. A. Lineinaia algebra. - Novosibirsk: Izd. IM, 2001.
15. Fedorov F. M. Ob algoritme Gaussa dlia beskonechnykh sistem lineinykh algebraicheskikh uravnenii (BSLAU) // Mat. zametki IaGU. - 2012. - T. 19, vyp. 1. - S. 133-140.
16. Fedorov F. M., Pavlov N. N., Ivanova O. F. Algoritmy re-alizatsii reshenii beskonechnykh sistem lineinykh algebraicheskikh uravnenii // Mat. zametki IaGU. 2013. - T. 20, vyp. 1. - S. 215-223.
17. Fedorov F. M., Ivanova O. F., Pavlov N. N. Strogo chastnoe reshenie i sovmestnost' beskonechnykh sistem // 7-ia Mezhdunarod-naia konferentsiia po matematicheskomu modelirovaniiu (Iakutsk, 30 iiunia - 4 iiulia, 2014 g.): tezisy. - Iakutsk, 2014. - S. 110-111.
18. Fedorov F. M., Ivanova O. F. Pavlov N. N. Skhodimost' metoda reduktsii i sovmestnost' beskonechnykh sistem // Vestnik SVFU im. M. K. Ammosova, - 2014. - T. 11, № 2. - C. 14-21.
