요약
이 수업에서는 방정식과 미지수의 개수가 임의인 연립일차방정식을 다룬다. 각 연립방정식을 하나의 행렬방정식 로 쓰고 그 첨가행렬로 나타낸다. 세 가지 기본행연산이 연립방정식을 해가 같은 다른 연립방정식으로 바꾼다는 것, 그리고 모든 행렬을 이 연산들로 기약행사다리꼴로 바꿀 수 있으며 거기서 해를 곧바로 읽을 수 있다는 것을 증명한다. 이것이 가우스-조르당 소거법이다. 이어서 이 꼴이 사용한 연산과 관계없이 유일함을 증명하고, 이를 이용해 행렬의 랭크를 정의한다. 끝으로 연립방정식에 해가 있는지, 그 해가 몇 개의 자유 매개변수를 갖는지를 판정하는 루셰-프로베니우스 정리를 증명하고 이를 동차연립방정식에 적용한다. 이로써 수의 집합에 관한 단원에서 시작된 연립방정식의 연구가 완결된다.
학습 목표
- 연립일차방정식을 행렬 꼴로 쓰고, 그 첨가행렬을 만들고, 기본행연산이 해를 보존하는 이유를 설명한다.
- 가우스-조르당 소거법으로 행렬을 기약행사다리꼴로 바꾸고, 그 꼴이 유일함을 증명하며, 거기서 연립방정식의 해를 읽어 낸다.
- 행렬의 랭크를 계산하고 루셰-프로베니우스 정리로 연립방정식을 분류한다. 계수가 매개변수에 따라 달라지는 경우도 포함한다.
- 보간, 화학 평형, 흐름의 연결망, 마방진 문제를 연립일차방정식으로 세우고 그 해를 자유 매개변수로 기술한다.
연립방정식의 행렬 표현
강좌 대수학과 기하학 I의 일차방정식, 일차부등식과 연립일차방정식에 관한 수업에서는 방정식이 두 개와 세 개인 연립방정식을 대입법, 가감법, 등치법으로 풀었고, 방정식 두 개와 미지수 두 개의 연립방정식을 그 행렬식으로 분류했다. 거기서 일반적인 경우는 해결되지 않은 채 남았고 그 분류는 증명 없이 받아들였다. 이 수업에서는 행렬과 행렬의 연산에 관한 수업의 도구로 그것을 해결한다.
방정식 개와 미지수 개의 연립일차방정식 은 동시에 성립해야 하는, 아래 꼴의 방정식 개의 모임이다. 수 는 미지수 의 계수(번째 방정식에서의)이고, 는 그 방정식의 상수항이다.
연립방정식의 해는 개의 수로 이루어진 순서쌍 으로서, 미지수에 대입했을 때 개의 방정식을 모두 만족하는 것이다. 를 계수행렬이라 하자. 이것은 행 열이고 행 열의 성분이 이다. 를 미지수의 열, 를 상수항의 열이라 하자. 그 수업에서 이미 보았듯이 행렬의 곱의 정의에 따라 번째 성분(열 의)은 정확히 번째 방정식의 좌변이다. 따라서 연립방정식 전체는 열행렬 사이의 하나의 등식 로 쓸 수 있다. 예를 들어 뒤에서 풀 연립방정식은 이렇게 쓴다.
연립방정식을 풀려면 수 와 만 알면 된다. 미지수의 이름은 계산에 관여하지 않는다. 연립방정식의 첨가행렬은 행렬 이며, 행 열로 이루어지고, 에 열 를 마지막 열로 덧붙여 얻는다. 이것을 로 쓴다. 의 각 행은 하나의 방정식을 요약한다. 처음 개의 성분은 계수이고 마지막 성분은 상수항이다. 예에서는 이러하다.
연립방정식은 해를 적어도 하나 가지면 해가 있는 연립방정식, 해를 하나도 갖지 않으면 해가 없는 연립방정식이라 한다. 해가 있는 연립방정식은 해가 정확히 하나이면 해가 하나뿐인 연립방정식, 둘 이상이면 해가 무수히 많은 연립방정식이라 한다. 같은 미지수를 갖는 두 연립방정식은 해의 집합이 같을 때 동치라고 한다. 강좌 I의 수업에서 방정식 두 개와 미지수 두 개의 연립방정식은 해가 없거나, 하나이거나, 무수히 많다는 것을 보았다. 이 수업의 끝에서는 같은 사실이 모든 연립일차방정식에 대해 성립함을 알게 되고, 어느 경우인지 판정하는 기준을 얻는다.
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