Математика на cleverstudents.ru

Системы, решение систем уравнений и неравенств

Системы уравнений – начальные сведения

Материал этой статьи предназначен для первого знакомства с системами уравнений. Здесь мы введем определение системы уравнений и ее решений, а также рассмотрим наиболее часто встречающиеся виды систем уравнений. По обыкновению будем приводить поясняющие примеры.

Что такое система уравнений?

К определению системы уравнений будем подбираться постепенно. Сначала лишь скажем, что его удобно дать, указав два момента: во-первых, вид записи, и, во-вторых, вложенный в эту запись смысл. Остановимся на них по очереди, а затем обобщим рассуждения в определение систем уравнений.

Пусть перед нами несколько каких-нибудь уравнений. Для примера возьмем два уравнения 2·x+y=−3 и x=5. Запишем их одно под другим и объединим слева фигурной скобкой:

Записи подобного вида, представляющие собой несколько расположенных в столбик уравнений и объединенных слева фигурной скобкой, являются записями систем уравнений.

Что же означают такие записи? Они задают множество всех таких решений уравнений системы, которые являются решением каждого уравнения.

Не помешает описать это другими словами. Допустим, какие-то решения первого уравнения являются решениями и всех остальных уравнений системы. Так вот запись системы как раз их и обозначает.

Теперь мы готовы достойно воспринять определение системы уравнений.

Аналогичное определение приведено в учебнике [4, с. 61], однако там оно дано не для общего случая, а для двух рациональных уравнений с двумя переменными.

Основные виды

Понятно, что разнообразных уравнений бесконечно много. Естественно, и составленных с их использованием систем уравнений также бесконечно много. Поэтому, для удобства изучения и работы с системами уравнений есть смысл их разделить на группы по схожим характеристикам, а дальше перейти к рассмотрению систем уравнений отдельных видов.

Первое подразделение напрашивается по числу уравнений, входящих в систему. Если уравнений два, то можно сказать, что перед нами система двух уравнений, если три – то система трех уравнений, и т.д. Понятно, что не имеет смысла говорить о системе одного уравнения, так как в этом случае по сути мы имеем дело с самим уравнением, а не с системой.

Следующее деление базируется на числе переменных, участвующих в записи уравнений системы. Если переменная одна, то мы имеем дело с системой уравнений с одной переменной (еще говорят с одной неизвестной), если две – то с системой уравнений с двумя переменными (с двумя неизвестными), и т.д. Например, - это система уравнений с двумя переменными x и y.

При этом имеется в виду число всех различных переменных, участвующих в записи. Они не обязательно должны все сразу входить в запись каждого уравнения, достаточно их наличия хотя бы в одном уравнении. К примеру, - это система уравнений с тремя переменными x, y и z. В первом уравнение переменная x присутствует явно, а y и z – неявно (можно считать, что эти переменные имеют числовой коэффициент нуль), а во втором уравнении есть x и z, а переменная y явно не представлена. Другими словами, первое уравнение можно рассматривать как , а второе – как x+0·y−3·z=0.

Третий момент, в котором различаются системы уравнений, это вид самих уравнений.

В школе изучение систем уравнений начинается с систем двух линейных уравнений с двумя переменными [1, с. 194; 3, с. 40, 59]. То есть, такие системы составляют два линейных уравнения. Вот пара примеров: и . На них и познаются азы работы с системами уравнений.

При решении более сложных задач можно столкнуться и с системами трех линейных уравнений с тремя неизвестными.

Дальше в 9 классе [2, 4] в системы двух уравнений с двумя переменными добавляются нелинейные уравнения, по большей части целые уравнения второй степени, реже – более высоких степеней. Эти системы называют системами нелинейных уравнений, при необходимости уточняют число уравнений и неизвестных. Покажем примеры таких систем нелинейных уравнений: и .

А дальше в системах встречаются и дробно рациональные уравнения, к примеру, . Их обычно называют просто системами уравнений, не уточняя, каких именно уравнений. Здесь стоит заметить, что наиболее часто про систему уравнений говорят просто «система уравнений», а уточнения добавляют лишь при необходимости.

В старших классах по мере изучения материала в системы проникают иррациональные, тригонометрические, логарифмические и показательные уравнения [5, 6]: , , .

Если заглянуть еще дальше в программу первых курсов ВУЗов, то основной упор сделан на исследование и решение систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), то есть, уравнений, в левых частях которых многочлены первой степени, а в правых – некоторые числа. Но там, в отличие от школы, уже берутся не два линейных уравнения с двумя переменными, а произвольное число уравнений с произвольным числом переменных, зачастую не совпадающим с числом уравнений [7, 8].

Что называется решением системы уравнений?

К системам уравнений непосредственно относится термин «решение системы уравнений». В школе дается определение решения системы уравнений с двумя переменными [1, с. 195; 3, с. 61; 4, с. 61]:

Например, пара значений переменных x=5, y=2 (ее можно записать как (5, 2)) является решением системы уравнений по определению, так как уравнения системы при подстановке в них x=5, y=2 обращаются в верные числовые равенства 5+2=7 и 5−2=3 соответственно. А вот пара значений x=3, y=0 не является решением этой системы, так как при подстановке этих значений в уравнения, первое из них обратится в неверное равенство 3+0=7.

Аналогичные определения можно сформулировать и для систем с одной переменной, а также для систем с тремя, четырьмя и т.д. переменными.

Приведем пример. Рассмотрим систему уравнений с одной переменной t вида . Число −2 является ее решением, так как и (−2)²=4, и 5·(−2+2)=0 – верные числовые равенства. А t=1 – не является решением системы, так как подстановка этого значения даст два неверных равенства 1²=4 и 5·(1+2)=0.

Так по определению тройка значений переменных x=1, y=2, z=0 – решение системы , так как 2·1=2, 5·2=10 и 1+2+0=3 - верные числовые равенства. А (1, 0, 5) не является решением этой системы, так как при подстановке этих значений переменных в уравнения системы второе из них обращается в неверное равенство 5·0=10, да и третье тоже 1+0+5=3.

Заметим, что системы уравнений могут не иметь решений, могут иметь конечное число решений, например, одно, два, …, а могут иметь бесконечно много решений. В этом Вы убедитесь по мере углубления в тему.

Учитывая определения системы уравнений и их решений можно заключить, что решение системы уравнений представляет собой пересечение множеств решений всех ее уравнений.

В заключение приведем несколько связанных определений:

Эти термины вводятся, например, в учебнике [3, с. 64], однако в школе применяются довольно редко, чаще их можно услышать в высших учебных заведениях.

Дальше не помешает познакомиться с равносильными системами уравнений, а уже потом можно будет переходить к процессу нахождения решений систем уравнений.

Некогда разбираться?

Закажите решение