Theorem: Lösbarkeit von LGS

Seien , ein LGS und die erweiterte Koeffizientenmatrix dieses LGS.

Dann gilt:

  • hat Lösung
  • hat Lösungen
  • hat Lösung

Beweis

Für genau eine Lösung

Sei die Lösungsmenge von .

Sei , dann gilt aufgrund der Proposition 5.2.1, dass . Die Anzahl der Lösungen ist also abhängig von der Anzahl Lösungen des homogenen LGS.

Das homogene LGS hat mindestens eine Lösung: .

Sei nun die einzige Lösung, also , dann ist dies äquivalent dazu, dass auch nur eine Lösung hat: .

Wir wissen, dass Die Lösungsmenge homogener linearer Gleichungssysteme wie folgt aussieht:

üü

Wenn jedoch alle Spalten von eine Pivot-Position haben, so gibt es gar keine mit .

Das heißt: die Summe ist leer und damit . Und auch die Menge ist leer.

für alle mit

Für Lösungen

Da eine Äquivalenz zu zeigen ist, teilen wir den Beweis in zwei Schritte auf:

Hat mindestens eine Lösung, dann gilt

Sei eine Lösung für . Sei die TNF von . Sei das Produkt von Elementarmatrizen, sodass .

Dann haben und dieselbe Lösungsmenge und es gilt und

Sei

Sei mit .

Es gibt nun zwei mögliche Fälle:

Da , unterscheidet sich nur in einer Spalte von und zwar in der letzten.

Für den Eintrag an der Stelle muss also gelten:

Da gilt aber für alle Einträge der -ten Spalte von , dass sie Null sind.

Daher kann es kein geben, sodass und es folgt die Behauptung.

Gilt dann hat mindestens eine Lösung

Es gelte . Sei die TNF von . Sei das Produkt von Elementarmatrizen, sodass .

Wir nennen die erweiterte Koeffizientenmatrix der TNF von , also

Aufgrund der Invarianz bzgl. zeilenäquivalenter koeff. Matrizen haben und dieselbe Lösungsmenge .

Das heißt, es ist zu zeigen, dass es eine Lösung gibt mit

Da und denselben Rang haben, gilt auch, dass und denselben Rang haben.

Sei , dann hat Nullzeilen, die alle unter der letzten Pivot-Zeile liegen. Für gilt dasselbe.

Wir betrachten also alle Zeilen, die oberhalb von liegen. Für jeden dieser Einträge von gilt entweder Wir können nun explizit eine Lösung bestimmen.

Sei .

Dann definieren wir wie folgt:

So gilt

Das heißt, ist eine Lösung für und somit auch für .

Für Lösung

Wo ist der Beweis?