Doğrusal denklem sistemlerinin Gauss yöntemi kullanılarak çözülmesi. Gauss yönteminin tersi

Burada sistemi ücretsiz olarak çözebilirsiniz doğrusal denklemler Gauss yöntemi çevrimiçi büyük boyutlarçok ayrıntılı bir çözümle karmaşık sayılarda. Hesap makinemiz, sonsuz sayıda çözümü olan Gauss yöntemini kullanarak hem olağan belirli hem de belirsiz doğrusal denklem sistemlerini çevrimiçi olarak çözebilir. Bu durumda, cevapta bazı değişkenlerin diğer serbest değişkenlere bağımlılığını alacaksınız. Gauss çözümünü kullanarak denklem sisteminin tutarlılığını çevrimiçi olarak da kontrol edebilirsiniz.

Matris büyüklüğü: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 4 4 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 X 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 4 3 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101

Yöntem hakkında

Bir doğrusal denklem sistemini çözerken çevrimiçi yöntem Gauss'ta aşağıdaki adımlar gerçekleştirilir.

1. Genişletilmiş matrisi yazıyoruz.
2. Aslında çözüm Gauss yönteminin ileri ve geri adımlarına bölünmüştür. Gauss yönteminin doğrudan yaklaşımı, bir matrisin adım adım forma indirgenmesidir. Gauss yönteminin tersi, bir matrisin özel bir adım adım forma indirgenmesidir. Ancak pratikte, söz konusu öğenin hem üstünde hem de altında bulunanları hemen sıfırlamak daha uygundur. Hesap makinemiz tam olarak bu yaklaşımı kullanıyor.
3. Gauss yöntemini kullanarak çözerken, matriste sıfır DEĞİL en az bir sıfır satırın varlığının dikkate alınması önemlidir. Sağ Taraf(ücretsiz üyeler sütunu) sistemin uyumsuzluğunu gösterir. Çözüm doğrusal sistem bu durumda mevcut değildir.

Gauss algoritmasının çevrimiçi olarak nasıl çalıştığını en iyi şekilde anlamak için herhangi bir örnek girin, “çok ayrıntılı çözüm”ü seçin ve çözümünü çevrimiçi olarak görüntüleyin.

Gauss yöntemi, aynı zamanda yöntem olarak da adlandırılır sıralı eleme bilinmeyenler şu şekilde. Temel dönüşümler kullanılarak, bir doğrusal denklem sistemi, katsayılar matrisinin şu şekilde olacağı bir forma getirilir: trapezoidal (üçgen veya kademeli ile aynı) veya yamuğa yakın (bundan sonra Gauss yönteminin doğrudan vuruşu - sadece düz vuruş). Böyle bir sistemin bir örneği ve çözümü yukarıdaki şekildedir.

Böyle bir sistemde son denklem yalnızca bir değişken içerir ve değeri kesin olarak bulunabilir. Bu değişkenin değeri daha sonra önceki denklemde değiştirilir ( Gauss yönteminin tersi , sonra tam tersi), önceki değişkenin bulunduğu yerden vb.

Yamuk (üçgen) bir sistemde gördüğümüz gibi üçüncü denklem artık değişken içermiyor sen Ve X ve ikinci denklem değişkendir X .

Sistemin matrisi yamuk şeklini aldıktan sonra sistemin uyumluluk konusunu anlamak, çözüm sayısını belirlemek ve çözümleri bizzat bulmak artık zor değil.

Yöntemin avantajları:

1. Üçten fazla denklem ve bilinmeyen içeren doğrusal denklem sistemlerini çözerken, Gauss yöntemi Cramer yöntemi kadar hantal değildir, çünkü Gauss yöntemiyle çözmek daha az hesaplama gerektirir;
2. Gauss yöntemini kullanarak belirsiz doğrusal denklem sistemlerini çözebilirsiniz; ortak karar(ve bu derste bunlara bakacağız), ancak Cramer'in yöntemini kullanarak yalnızca sistemin belirsiz olduğunu söyleyebiliriz;
3. bilinmeyenlerin sayısının denklem sayısına eşit olmadığı doğrusal denklem sistemlerini çözebilirsiniz (bu derste bunları da analiz edeceğiz);
4. Yöntem, ilgili makalede değindiğimiz, bilinmeyenleri değiştirme yöntemi ve denklem ekleme yöntemi olan ilkokul (okul) yöntemlerine dayanmaktadır.

Yamuk (üçgen, adım) doğrusal denklem sistemlerinin çözülmesinin basitliğini herkesin anlaması için, böyle bir sisteme ters hareket kullanarak bir çözüm sunuyoruz. Hızlı karar Bu sistem dersin başındaki resimde gösterilmiştir.

Örnek 1. Tersini kullanarak bir doğrusal denklem sistemini çözün:

Çözüm. Bu trapez sistemde değişken züçüncü denklemden benzersiz bir şekilde bulunabilir. Değerini ikinci denklemde yerine koyarız ve değişkenin değerini alırız sen:

Artık iki değişkenin değerini biliyoruz - z Ve sen. Bunları ilk denklemde yerine koyarız ve değişkenin değerini alırız X:

Önceki adımlardan denklem sisteminin çözümünü yazıyoruz:

Çok basit bir şekilde çözdüğümüz böyle bir yamuk doğrusal denklem sistemi elde etmek için, doğrusal denklem sisteminin temel dönüşümleriyle ilişkili ileri vuruşun kullanılması gerekir. Ayrıca çok da zor değil.

Bir doğrusal denklem sisteminin temel dönüşümleri

Bir sistemin denklemlerini cebirsel olarak toplamaya yönelik okul yöntemini tekrarlayarak, sistemin denklemlerinden birine sistemin başka bir denklemini ekleyebileceğimizi ve denklemlerin her birinin bazı sayılarla çarpılabileceğini öğrendik. Sonuç olarak buna eşdeğer bir doğrusal denklem sistemi elde ederiz. İçinde, bir denklem zaten yalnızca bir değişken içeriyordu ve değerini diğer denklemlerle değiştirerek bir çözüme ulaştık. Böyle bir ekleme, sistemin temel dönüşüm türlerinden biridir. Gauss yöntemini kullanırken çeşitli dönüşüm türlerini kullanabiliriz.

Yukarıdaki animasyon, denklem sisteminin nasıl yavaş yavaş yamuğa dönüştüğünü gösteriyor. Yani, ilk animasyonda gördüğünüz ve tüm bilinmeyenlerin değerlerini ondan bulmanın kolay olduğuna kendinizi ikna ettiğiniz şey. Böyle bir dönüşümün nasıl gerçekleştirileceği ve elbette örnekler daha ayrıntılı olarak tartışılacaktır.

Denklem sisteminde ve sistemin genişletilmiş matrisinde herhangi bir sayıda denklem ve bilinmeyen içeren doğrusal denklem sistemlerini çözerken Olabilmek:

1. satırları yeniden düzenleyin (bu, bu makalenin en başında belirtilmiştir);
2. diğer dönüşümler eşit veya orantılı satırlarla sonuçlanırsa, biri hariç bunlar silinebilir;
3. tüm katsayıların sıfıra eşit olduğu "sıfır" satırları kaldırın;
4. herhangi bir dizeyi belirli bir sayıyla çarpmak veya bölmek;
5. herhangi bir satıra belirli bir sayıyla çarpılarak başka bir satır eklenir.

Dönüşümler sonucunda buna eşdeğer bir doğrusal denklem sistemi elde ederiz.

Algoritma ve Gauss yöntemini kullanarak sistemin kare matrisli bir doğrusal denklem sistemini çözme örnekleri

Öncelikle bilinmeyenlerin sayısının denklem sayısına eşit olduğu doğrusal denklem sistemlerini çözmeyi ele alalım. Böyle bir sistemin matrisi karedir, yani içindeki satır sayısı sütun sayısına eşittir.

Örnek 2. Gauss yöntemini kullanarak bir doğrusal denklem sistemini çözme

Doğrusal denklem sistemlerini okul yöntemlerini kullanarak çözerken, denklemlerden birini terim terim belirli bir sayıyla çarptık, böylece iki denklemdeki ilk değişkenin katsayıları zıt sayılar oldu. Denklemler eklenirken bu değişken ortadan kaldırılır. Gauss yöntemi de benzer şekilde çalışır.

Basitleştirmek dış görünüşçözümler sistemin genişletilmiş bir matrisini oluşturalım:

Bu matriste bilinmeyenlerin katsayıları dikey çizgiden önce solda, serbest terimler ise dikey çizgiden sonra sağda yer almaktadır.

Değişkenler için katsayıları bölmenin kolaylığı için (birliğe göre bölme elde etmek için) Sistem matrisinin birinci ve ikinci satırlarını değiştirelim. Buna eşdeğer bir sistem elde ederiz, çünkü doğrusal denklem sisteminde denklemler birbirinin yerine geçebilir:

Yeni birinci denklemin kullanılması değişkeni ortadan kaldırmak X ikinci ve sonraki tüm denklemlerden. Bunu yapmak için, matrisin ikinci satırına, (bizim durumumuzda) ile çarptığımız ilk satırı, üçüncü satıra (bizim durumumuzda, ile) çarptığımız ilk satırı ekleriz.

Bu mümkün çünkü

Denklem sistemimiz olsaydı üçten fazla, o zaman sonraki tüm denklemlere, eksi işaretiyle alınan karşılık gelen katsayıların oranıyla çarpılan ilk satırı eklemek gerekecektir.

Sonuç olarak, ikinciden başlayarak tüm denklemlerin yer aldığı yeni bir denklem sisteminin bu sistemine eşdeğer bir matris elde ederiz. değişken içermez X :

Ortaya çıkan sistemin ikinci satırını basitleştirmek için, onu çarpın ve bu sisteme eşdeğer bir denklem sisteminin matrisini tekrar elde edin:

Şimdi, ortaya çıkan sistemin ilk denklemini değiştirmeden, ikinci denklemi kullanarak değişkeni ortadan kaldırırız sen sonraki tüm denklemlerden. Bunu yapmak için, sistem matrisinin üçüncü satırına ikinci satırı (bizim durumumuzda ile) çarparak ekleriz.

Sistemimizde üçten fazla denklem olsaydı, sonraki tüm denklemlere eksi işaretiyle alınan karşılık gelen katsayıların oranıyla çarpılarak ikinci bir satır eklememiz gerekirdi.

Sonuç olarak, yine bu doğrusal denklem sistemine eşdeğer bir sistemin matrisini elde ederiz:

Eşdeğer bir yamuk doğrusal denklem sistemi elde ettik:

Denklem ve değişken sayısı örneğimizdekinden fazla ise değişkenleri sırayla eleme işlemi, demo örneğimizde olduğu gibi sistem matrisi yamuk hale gelinceye kadar devam eder.

Çözümü "sondan" bulacağız - ters hareket. Bunun için Belirlediğimiz son denklemden z:
.
Bu değeri önceki denklemde yerine koyarsak, bulacağız sen:

İlk denklemden bulacağız X:

Cevap: Bu denklem sisteminin çözümü .

: Bu durumda sistemin tek bir çözümü varsa aynı cevap verilecektir. Eğer sistemin sonsuz sayıda çözümü varsa o zaman cevap bu olacaktır ve bu da bu dersin beşinci bölümünün konusudur.

Gauss yöntemini kullanarak bir doğrusal denklem sistemini kendiniz çözün ve ardından çözüme bakın

Burada yine denklem sayısının bilinmeyenlerin sayısına eşit olduğu tutarlı ve belirli bir doğrusal denklem sistemi örneğiyle karşı karşıyayız. Demo örneğimizin algoritmadan farkı zaten dört denklemin ve dört bilinmeyenin olmasıdır.

Örnek 4. Gauss yöntemini kullanarak bir doğrusal denklem sistemini çözün:

Şimdi değişkeni sonraki denklemlerden çıkarmak için ikinci denklemi kullanmanız gerekiyor. Hadi gerçekleştirelim hazırlık çalışmaları. Katsayıların oranını daha uygun hale getirmek için ikinci satırın ikinci sütununda bir tane almanız gerekir. Bunu yapmak için üçüncüyü ikinci satırdan çıkarın ve elde edilen ikinci satırı -1 ile çarpın.

Şimdi üçüncü ve dördüncü denklemlerden değişkenin fiili eliminasyonunu gerçekleştirelim. Bunu yapmak için, ikinci satırı üçüncü satıra, ile çarpılan ikinci satırı dördüncü satıra ekleyin.

Şimdi üçüncü denklemi kullanarak dördüncü denklemdeki değişkeni ortadan kaldırıyoruz. Bunu yapmak için üçüncü satırı dördüncü satıra ile çarparak ekleyin. Genişletilmiş bir yamuk matris elde ediyoruz.

Şuna eşdeğer bir denklem sistemi elde ettik: bu sistem:

Dolayısıyla ortaya çıkan ve verilen sistemler uyumlu ve kesindir. Son karar“sondan” buluyoruz. Dördüncü denklemden “x-four” değişkeninin değerini doğrudan ifade edebiliriz:

Bu değeri sistemin üçüncü denkleminde yerine koyarız ve şunu elde ederiz:

,

,

Son olarak değer ikamesi

İlk denklem şunu verir

,

“önce x”i nerede bulacağız:

Cevap: Bu denklem sisteminin benzersiz bir çözümü var .

Sistemin çözümünü Cramer yöntemini kullanarak bir hesap makinesinde de kontrol edebilirsiniz: bu durumda sistemin benzersiz bir çözümü varsa aynı cevap verilecektir.

Alaşımlarla ilgili bir problem örneğini kullanarak Gauss yöntemini kullanarak uygulamalı problemleri çözme

Doğrusal denklem sistemleri fiziksel dünyadaki gerçek nesneleri modellemek için kullanılır. Bu sorunlardan birini çözelim: alaşımlar. Benzer problemler – karışımlar, maliyet veya spesifik yer çekimi bireysel mallar bir ürün grubunda ve benzerlerinde.

Örnek 5.Üç parça alaşımın toplam kütlesi 150 kg'dır. İlk alaşım %60 bakır, ikincisi %30, üçüncüsü %10 bakır içerir. Ayrıca ikinci ve üçüncü alaşımlarda birinci alaşıma göre 28,4 kg, üçüncü alaşımda ise ikinciye göre 6,2 kg daha az bakır bulunmaktadır. Alaşımın her bir parçasının kütlesini bulun.

Çözüm. Bir doğrusal denklem sistemi oluşturuyoruz:

İkinci ve üçüncü denklemleri 10 ile çarparız, eşdeğer bir doğrusal denklem sistemi elde ederiz:

Sistemin genişletilmiş bir matrisini oluşturuyoruz:

Dikkat, dümdüz ileri. Bir satırı bir sayıyla çarparak (bizim durumumuzda çıkararak) (bunu iki kez uyguluyoruz), sistemin genişletilmiş matrisinde aşağıdaki dönüşümler meydana gelir:

Doğrudan geçiş bitti. Genişletilmiş bir yamuk matris elde ettik.

Ters hareketi uyguluyoruz. Çözümü sondan buluyoruz. Bunu görüyoruz.

Bulduğumuz ikinci denklemden

Üçüncü denklemden -

Sistemin çözümünü Cramer yöntemini kullanarak bir hesap makinesinde de kontrol edebilirsiniz: bu durumda sistemin benzersiz bir çözümü varsa aynı cevap verilecektir.

Gauss'un yönteminin basitliği, Alman matematikçi Carl Friedrich Gauss'un onu icat etmesinin yalnızca 15 dakika sürmesiyle kanıtlanıyor. Kendi adını taşıyan yöntemin yanı sıra, “Bize inanılmaz ve doğal olmayan görüneni kesinlikle imkansız olanla karıştırmamalıyız” sözü Gauss'un eserlerinden bilinmektedir - bir nevi kısa talimatlar keşifler yapmak.

Uygulamalı problemlerin çoğunda üçüncü bir kısıtlama, yani üçüncü bir denklem olmayabilir, o zaman üç bilinmeyenli iki denklemden oluşan bir sistemi Gauss yöntemini kullanarak çözmeniz gerekir veya tam tersi, denklemlerden daha az bilinmeyen vardır. Şimdi bu tür denklem sistemlerini çözmeye başlayacağız.

Gauss yöntemini kullanarak herhangi bir sistemin uyumlu olup olmadığını belirleyebilirsiniz. N ile doğrusal denklemler N değişkenler.

Gauss yöntemi ve sonsuz sayıda çözümü olan doğrusal denklem sistemleri

Bir sonraki örnek, sonsuz sayıda çözüme sahip olan, tutarlı fakat belirsiz bir doğrusal denklem sistemidir.

Sistemin genişletilmiş matrisinde dönüşümler gerçekleştirdikten sonra (satırları yeniden düzenlemek, satırları belirli bir sayıyla çarpmak ve bölmek, bir satıra başka bir satır eklemek), formun satırları görünebilir

Forma sahip tüm denklemlerde ise

Serbest terimler sıfıra eşittir, bu da sistemin belirsiz olduğu, yani sonsuz sayıda çözüme sahip olduğu ve bu tür denklemlerin “gereksiz” olduğu ve bunları sistemin dışında bıraktığımız anlamına gelir.

Örnek 6.

Çözüm. Sistemin genişletilmiş bir matrisini oluşturalım. Daha sonra ilk denklemi kullanarak değişkeni sonraki denklemlerden çıkarırız. Bunu yapmak için ikinci, üçüncü ve dördüncü satırlara birinciyi şununla çarparak ekleyin:

Şimdi ikinci satırı üçüncü ve dördüncü satıra ekleyelim.

Sonuç olarak sisteme ulaşıyoruz.

Son iki denklem formun denklemlerine dönüştü. Bu denklemler bilinmeyenlerin herhangi bir değeri için sağlanır ve atılabilir.

İkinci denklemi sağlamak için ve için isteğe bağlı değerler seçebiliriz, ardından değer benzersiz olarak belirlenecektir: . İlk denklemden değeri de benzersiz bir şekilde bulunur: .

Hem verilen hem de son sistemler tutarlıdır ancak belirsizdir ve formüller

keyfi için ve bize belirli bir sistemin tüm çözümlerini verin.

Gauss yöntemi ve çözümü olmayan doğrusal denklem sistemleri

Bir sonraki örnek tutarsız, yani çözümü olmayan bir doğrusal denklem sistemidir. Bu tür sorunların cevabı şu şekilde formüle edilmiştir: Sistemin çözümü yoktur.

İlk örnekle bağlantılı olarak daha önce de belirtildiği gibi, dönüşümler gerçekleştirildikten sonra formun satırları sistemin genişletilmiş matrisinde görünebilir

formun bir denklemine karşılık gelen

Aralarında sıfırdan farklı serbest terimli en az bir denklem varsa (örn.), bu denklem sistemi tutarsızdır, yani çözümü yoktur ve çözümü tamdır.

Örnek 7. Doğrusal denklem sistemini Gauss yöntemini kullanarak çözün:

Çözüm. Sistemin genişletilmiş bir matrisini oluşturuyoruz. İlk denklemi kullanarak değişkeni sonraki denklemlerden hariç tutuyoruz. Bunun için ilk satırın çarpımını ikinci satıra, ilk satırın üçüncü satırla çarpımını ve ilk satırın çarpımını dördüncü satıra ekleyin.

Şimdi değişkeni sonraki denklemlerden çıkarmak için ikinci denklemi kullanmanız gerekiyor. Katsayıların tamsayı oranlarını elde etmek için sistemin genişletilmiş matrisinin ikinci ve üçüncü satırlarını değiştiririz.

Üçüncü ve dördüncü denklemleri hariç tutmak için, ikincisini , ile çarparak üçüncü satıra ve ikinciyi , ile çarparak dördüncü satıra ekleyin.

Şimdi üçüncü denklemi kullanarak dördüncü denklemdeki değişkeni ortadan kaldırıyoruz. Bunu yapmak için üçüncü satırı dördüncü satıra ile çarparak ekleyin.

Dolayısıyla verilen sistem aşağıdakine eşdeğerdir:

Ortaya çıkan sistem tutarsızdır çünkü son denklemi bilinmeyenlerin herhangi bir değeri tarafından karşılanamaz. Dolayısıyla bu sistemin çözümü yoktur.

Gauss yöntemi Doğrusal cebirsel denklem sistemlerini (SLAE'ler) çözmek için mükemmeldir. Diğer yöntemlere göre bir takım avantajları vardır:

• öncelikle tutarlılık açısından denklem sistemini incelemeye gerek yoktur;
• ikinci olarak, Gauss yöntemi yalnızca denklem sayısının bilinmeyen değişkenlerin sayısıyla çakıştığı ve sistemin ana matrisinin tekil olmadığı SLAE'leri değil, aynı zamanda denklem sayısının bilinmeyen değişkenlerle çakışmadığı denklem sistemlerini de çözebilir. bilinmeyen değişkenlerin sayısı veya ana matrisin determinantı sıfıra eşittir;
• üçüncüsü, Gauss yöntemi nispeten az sayıda hesaplama işlemiyle sonuçlara yol açar.

Makaleye kısa genel bakış.

Öncelikle gerekli tanımları verip notasyonları tanıtıyoruz.

Daha sonra, en basit durum için Gauss yönteminin algoritmasını açıklayacağız, yani doğrusal cebirsel denklem sistemleri için, bilinmeyen değişkenlerin sayısıyla çakışan denklemlerin sayısı ve sistemin ana matrisinin determinantı şöyledir: sıfıra eşit değil. Bu tür denklem sistemlerini çözerken, Gauss yönteminin özü en açık şekilde görülebilir; bu, bilinmeyen değişkenlerin sıralı olarak ortadan kaldırılmasıdır. Bu nedenle Gauss yöntemine bilinmeyenlerin sıralı olarak yok edilmesi yöntemi de denir. Birkaç örneğin ayrıntılı çözümlerini göstereceğiz.

Sonuç olarak, ana matrisi dikdörtgen veya tekil olan lineer cebirsel denklem sistemlerinin Gauss yöntemiyle çözümünü ele alacağız. Bu tür sistemlerin çözümü, örneklerle detaylı olarak inceleyeceğimiz bazı özelliklere sahiptir.

Sayfada gezinme.

Temel tanımlar ve gösterimler.

N bilinmeyenli (p, n'ye eşit olabilir) p doğrusal denklemden oluşan bir sistemi düşünün:

Bilinmeyen değişkenler, sayılar (gerçek veya karmaşık) ve serbest terimlerdir.

Eğer , o zaman doğrusal cebirsel denklemler sistemi denir homojen, aksi takdirde - heterojen.

Sistemin tüm denklemlerinin özdeşlik haline geldiği bilinmeyen değişkenlerin değerleri kümesine denir SLAU'nun kararı.

Bir doğrusal cebirsel denklem sisteminin en az bir çözümü varsa buna denir. eklem yeri, aksi takdirde - uyumsuz.

Bir SLAE'nin benzersiz bir çözümü varsa buna denir. kesin. Birden fazla çözüm varsa sistem çağrılır. belirsiz.

Sistemin yazılı olduğunu söylüyorlar koordinat formu, eğer formu varsa
.

Bu sistem de matris formu kayıtlar şu şekildedir: - SLAE'nin ana matrisi, - bilinmeyen değişkenler sütununun matrisi, - serbest terimler matrisi.

A matrisine (n+1)'inci sütun olarak serbest terimlerden oluşan bir matris sütunu eklersek, sözde elde ederiz. genişletilmiş matris Doğrusal denklem sistemleri. Tipik olarak, genişletilmiş bir matris T harfiyle gösterilir ve serbest terimler sütunu, kalan sütunlardan dikey bir çizgi ile ayrılır;

A kare matrisi denir dejenere determinantı sıfır ise. Eğer ise A matrisi denir dejenere olmayan.

Aşağıdaki noktaya dikkat edilmelidir.

Doğrusal cebirsel denklemler sistemiyle işlem yaparsak aşağıdaki eylemler

• iki denklemin yerini değiştir,
• herhangi bir denklemin her iki tarafını keyfi ve sıfır olmayan bir gerçek (veya karmaşık) sayı k ile çarpın,
• herhangi bir denklemin her iki tarafına başka bir denklemin karşılık gelen kısımlarını rastgele bir k sayısıyla çarparak ekleyin,

o zaman aynı çözümlere sahip (veya tıpkı orijinal sistem gibi hiçbir çözümü olmayan) eşdeğer bir sistem elde edersiniz.

Bir doğrusal cebirsel denklem sisteminin genişletilmiş matrisi için bu eylemler, satırlarla temel dönüşümlerin gerçekleştirilmesi anlamına gelecektir:

• iki satırı değiştirerek,
• T matrisinin herhangi bir satırının tüm elemanlarını sıfırdan farklı bir k sayısıyla çarpmak,
• Bir matrisin herhangi bir satırının elemanlarına, başka bir satırın karşılık gelen elemanlarının rastgele bir k sayısıyla çarpılmasıyla eklenmesi.

Artık Gauss yönteminin açıklamasına geçebiliriz.

Denklem sayısının bilinmeyenlerin sayısına eşit olduğu ve sistemin ana matrisinin tekil olmadığı doğrusal cebirsel denklem sistemlerini Gauss yöntemini kullanarak çözme.

Bir denklem sistemine çözüm bulma görevi bize verilseydi okulda ne yapardık? .

Bazıları bunu yapardı.

İkinci denklemin sol tarafına ekleme yapıldığına dikkat edin Sol Taraf ilk olarak ve sağ tarafta - sağ tarafta, bilinmeyen x 2 ve x 3 değişkenlerinden kurtulabilir ve hemen x 1'i bulabilirsiniz:

Bulunan x 1 =1 değerini sistemin birinci ve üçüncü denklemlerinde yerine koyarız:

Sistemin üçüncü denkleminin her iki tarafını -1 ile çarpıp birinci denklemin karşılık gelen kısımlarına eklersek bilinmeyen x 3 değişkeninden kurtuluruz ve x 2'yi bulabiliriz:

Ortaya çıkan x 2 = 2 değerini üçüncü denklemde yerine koyarız ve kalan bilinmeyen değişken x 3'ü buluruz:

Diğerleri farklı yapardı.

Sistemin ilk denklemini bilinmeyen x 1 değişkenine göre çözelim ve elde edilen ifadeyi sistemin ikinci ve üçüncü denklemlerinde bu değişkeni hariç tutmak için yerine koyalım:

Şimdi sistemin ikinci denklemini x 2 için çözelim ve elde edilen sonucu üçüncü denklemde yerine koyarak bilinmeyen x 2 değişkenini ortadan kaldıralım:

Sistemin üçüncü denkleminden x 3 =3 olduğu açıktır. Bulduğumuz ikinci denklemden ve elde ettiğimiz ilk denklemden.

Tanıdık çözümler, değil mi?

Buradaki en ilginç şey, ikinci çözüm yönteminin esasen bilinmeyenlerin sıralı olarak yok edilmesi yöntemi yani Gauss yöntemi olmasıdır. Bilinmeyen değişkenleri (ilk x 1, sonraki aşamada x 2) ifade edip sistemin geri kalan denklemlerine yerleştirdiğimizde onları dışarıda bırakmış oluyoruz. Son denklemde tek bir bilinmeyen değişken kalana kadar yok etme işlemi yaptık. Bilinmeyenlerin sırayla ortadan kaldırılması işlemine ne ad verilir? doğrudan Gauss yöntemi. Bitirdikten sonra ileri vuruş artık son denklemdeki bilinmeyen değişkeni hesaplama olanağına sahibiz. Onun yardımıyla sondan bir önceki denklemden bir sonraki bilinmeyen değişkeni buluruz vb. Son denklemden birinciye geçerken bilinmeyen değişkenleri sırayla bulma işlemine denir Gauss yönteminin tersi.

İlk denklemde x 1'i x 2 ve x 3 cinsinden ifade ettiğimizde ve elde edilen ifadeyi ikinci ve üçüncü denklemlerde değiştirdiğimizde, aşağıdaki eylemlerin aynı sonuca yol açacağına dikkat edilmelidir:

Aslında böyle bir prosedür, bilinmeyen x 1 değişkeninin sistemin ikinci ve üçüncü denklemlerinden çıkarılmasını da mümkün kılar:

Sistem denklemleri bazı değişkenler içermediğinde, Gauss yöntemini kullanarak bilinmeyen değişkenlerin ortadan kaldırılmasıyla ilgili nüanslar ortaya çıkar.

Örneğin, SLAU'da birinci denklemde bilinmeyen x 1 değişkeni yoktur (yani önündeki katsayı sıfırdır). Dolayısıyla bu bilinmeyen değişkeni kalan denklemlerden çıkarmak için sistemin ilk denklemini x 1 için çözemeyiz. Bu durumdan çıkmanın yolu sistemin denklemlerini değiştirmektir. Ana matrislerin determinantları sıfırdan farklı olan lineer denklem sistemlerini ele aldığımız için her zaman ihtiyacımız olan değişkenin bulunduğu bir denklem vardır ve bu denklemi ihtiyacımız olan konuma yeniden düzenleyebiliriz. Örneğimiz için sistemin birinci ve ikinci denklemlerinin yer değiştirmesi yeterlidir. , daha sonra x 1 için ilk denklemi çözebilir ve onu sistemin geri kalan denklemlerinden hariç tutabilirsiniz (her ne kadar x 1 artık ikinci denklemde mevcut olmasa da).

Ana fikri anladığınızı umuyoruz.

Hadi tarif edelim Gauss yöntemi algoritması.

n bilinmeyenli n doğrusal cebirsel denklemden oluşan bir sistemi çözmemiz gerektiğini varsayalım. formun değişkenleri ve ana matrisinin determinantının sıfırdan farklı olmasına izin verin.

Bunu her zaman sistemin denklemlerini yeniden düzenleyerek başarabileceğimiz için bunu varsayacağız. Bilinmeyen değişken x 1'i ikinciden başlayarak sistemin tüm denklemlerinden çıkaralım. Bunu yapmak için sistemin ikinci denklemine birincisini çarptığımız denklemi, üçüncü denklemine birincisini ekliyoruz ve bu şekilde devam ederek n'inci denkleme birincisini çarpıyoruz. Bu tür dönüşümlerden sonra denklem sistemi şu şekli alacaktır:

Nerede ve .

Sistemin ilk denkleminde x 1'i diğer bilinmeyen değişkenler cinsinden ifade edip, elde edilen ifadeyi diğer tüm denklemlerde yerine koysaydık aynı sonuca ulaşırdık. Böylece x 1 değişkeni ikinciden başlayarak tüm denklemlerin dışında bırakılır.

Daha sonra benzer şekilde ilerliyoruz, ancak yalnızca sonuçtaki sistemin şekilde işaretlenmiş kısmıyla

Bunu yapmak için sistemin üçüncü denklemine ikinciyi çarpıyoruz, dördüncü denkleme ikinciyi ekliyoruz ve bu şekilde devam ederek n'inci denkleme ikinciyi çarpıyoruz. Bu tür dönüşümlerden sonra denklem sistemi şu şekli alacaktır:

Nerede ve . Böylece x2 değişkeni üçüncüden başlayarak tüm denklemlerin dışında bırakılır.

Daha sonra sistemin şekilde işaretlenen kısmı ile benzer şekilde hareket ederek bilinmeyen x 3'ü ortadan kaldırmaya devam ediyoruz.

Sistem aşağıdaki formu alana kadar Gauss yönteminin doğrudan ilerlemesine devam ediyoruz.

Bu andan itibaren Gauss yönteminin tersini başlatırız: son denklemden x n'yi şu şekilde hesaplarız, elde edilen x n değerini kullanarak sondan bir önceki denklemden x n-1'i buluruz ve bu şekilde devam ederek ilk denklemden x 1'i buluruz .

Bir örnek kullanarak algoritmaya bakalım.

Örnek.

Gauss yöntemi.

Çözüm.

a 11 katsayısı sıfır değildir, bu nedenle Gauss yönteminin doğrudan ilerlemesine, yani bilinmeyen x 1 değişkeninin birincisi hariç sistemin tüm denklemlerinden hariç tutulmasına geçelim. Bunu yapmak için, ikinci, üçüncü ve dördüncü denklemlerin sol ve sağ taraflarına, birinci denklemin sol ve sağ taraflarını sırasıyla ile çarparak ekleyin. Ve :

Bilinmeyen x 1 değişkeni elendi, şimdi x 2'yi yok etmeye geçelim. Sistemin üçüncü ve dördüncü denklemlerinin sol ve sağ taraflarına, ikinci denklemin sol ve sağ taraflarını sırasıyla çarparak ekleriz. Ve :

Gauss yönteminin ileri ilerlemesini tamamlamak için sistemin son denkleminden bilinmeyen x3 değişkenini çıkarmamız gerekir. Dördüncü denklemin sol ve sağ taraflarına sırasıyla üçüncü denklemin sol ve sağ taraflarını çarparak ekleyelim. :

Gauss yönteminin tersinden başlayabilirsiniz.

Elimizdeki son denklemden ,
elde ettiğimiz üçüncü denklemden,
ikinciden itibaren,
ilkinden.

Kontrol etmek için bilinmeyen değişkenlerin elde edilen değerlerini orijinal denklem sistemine değiştirebilirsiniz. Tüm denklemlerin özdeşliğe dönüşmesi Gauss yöntemini kullanan çözümün doğru bulunduğunu gösterir.

Cevap:

Şimdi aynı örneğe matris gösteriminde Gauss yöntemini kullanarak bir çözüm verelim.

Örnek.

Denklem sisteminin çözümünü bulun Gauss yöntemi.

Çözüm.

Sistemin genişletilmiş matrisi şu şekildedir: . Her sütunun üstünde matrisin elemanlarına karşılık gelen bilinmeyen değişkenler bulunur.

Buradaki Gauss yönteminin doğrudan yaklaşımı, sistemin genişletilmiş matrisinin temel dönüşümler kullanılarak yamuk forma indirilmesini içerir. Bu işlem, sistemle koordinat formunda yaptığımız bilinmeyen değişkenlerin ortadan kaldırılmasına benzer. Şimdi bunu göreceksiniz.

Matrisi, ikinci sütundan başlayarak ilk sütundaki tüm öğeler sıfır olacak şekilde dönüştürelim. Bunu yapmak için, ikinci, üçüncü ve dördüncü satırların elemanlarına, birinci satırın karşılık gelen elemanlarını ile çarparak ekleriz, ve buna göre:

Daha sonra, ortaya çıkan matrisi, ikinci sütunda üçüncüden başlayarak tüm öğelerin sıfır olacağı şekilde dönüştürüyoruz. Bu, bilinmeyen x 2 değişkeninin ortadan kaldırılmasına karşılık gelecektir. Bunu yapmak için, üçüncü ve dördüncü satırların elemanlarına, matrisin ilk satırının karşılık gelen elemanlarını sırasıyla çarparak ekleriz. Ve :

Geriye bilinmeyen x3 değişkenini sistemin son denkleminden hariç tutmak kalıyor. Bunu yapmak için, elde edilen matrisin son satırının elemanlarına, sondan bir önceki satırın karşılık gelen elemanlarını şununla çarparak ekleriz: :

Bu matrisin bir doğrusal denklem sistemine karşılık geldiğine dikkat edilmelidir.

ileri bir hamleden sonra daha erken elde edildi.

Geri dönmenin zamanı geldi. Matris gösteriminde, Gauss yönteminin tersi, elde edilen matrisin şekilde işaretlenen matrisi elde edecek şekilde dönüştürülmesini içerir.

köşegen oldu, yani şeklini aldı

bazı sayılar nerede?

Bu dönüşümler Gauss yönteminin ileri dönüşümlerine benzer ancak ilk satırdan sonuncuya değil, sondan birinciye doğru gerçekleştirilir.

Üçüncü, ikinci ve birinci satırların elemanlarına son satırın karşılık gelen elemanlarını şununla çarparak ekleyin: , durmadan sırasıyla:

Şimdi ikinci ve birinci satırların elemanlarına üçüncü satırın karşılık gelen elemanlarını sırasıyla ve ile çarparak ekleyin:

Ters Gauss yönteminin son adımında, ilk satırın elemanlarına ikinci satırın karşılık gelen elemanlarını şununla çarparak ekleriz:

Ortaya çıkan matris denklem sistemine karşılık gelir bilinmeyen değişkenleri bulduğumuz yerden.

Cevap:

NOT.

Doğrusal cebirsel denklem sistemlerini çözmek için Gauss yöntemini kullanırken, tamamen yanlış sonuçlara yol açabileceğinden yaklaşık hesaplamalardan kaçınılmalıdır. Ondalık sayıları yuvarlamamanızı öneririz. Daha iyi ondalık sayılar gitmek sıradan kesirler.

Örnek.

Gauss yöntemini kullanarak üç denklemden oluşan bir sistemi çözme .

Çözüm.

Bu örnekte bilinmeyen değişkenlerin farklı bir atamaya sahip olduğuna dikkat edin (x 1, x 2, x 3 değil, x, y, z). Sıradan kesirlere geçelim:

Bilinmeyen x'i sistemin ikinci ve üçüncü denklemlerinden çıkaralım:

Ortaya çıkan sistemde, bilinmeyen değişken y ikinci denklemde yok, ancak üçüncü denklemde y mevcut, bu nedenle ikinci ve üçüncü denklemleri yer değiştirelim:

Bu, Gauss yönteminin doğrudan ilerleyişini tamamlar (bu bilinmeyen değişken artık mevcut olmadığından y'yi üçüncü denklemden çıkarmaya gerek yoktur).

Ters harekete başlayalım.

Bulduğumuz son denklemden ,
sondan bir öncekinden


elimizdeki ilk denklemden

Cevap:

X = 10, y = 5, z = -20.

Denklem sayısının bilinmeyenlerin sayısıyla örtüşmediği veya sistemin ana matrisinin tekil olduğu doğrusal cebirsel denklem sistemlerinin Gauss yöntemini kullanarak çözülmesi.

Ana matrisi dikdörtgen veya kare tekil olan denklem sistemlerinin çözümü olmayabilir, tek çözümü olabilir veya sonsuz sayıda çözümü olabilir.

Şimdi Gauss yönteminin bir doğrusal denklem sisteminin uyumluluğunu veya uyumsuzluğunu belirlememize ve uyumlu olması durumunda tüm çözümleri (veya tek bir çözümü) belirlememize nasıl izin verdiğini anlayacağız.

Prensip olarak, bu tür SLAE'ler durumunda bilinmeyen değişkenleri ortadan kaldırma süreci aynı kalır. Ancak ortaya çıkabilecek bazı durumlar hakkında detaya inmekte fayda var.

Gelelim en önemli aşamaya.

Dolayısıyla, Gauss yönteminin ileri ilerlemesini tamamladıktan sonra doğrusal cebirsel denklemler sisteminin şu şekli aldığını varsayalım: ve tek bir denklem bile indirgenmedi (bu durumda sistemin uyumsuz olduğu sonucuna varırdık). Mantıklı bir soru ortaya çıkıyor: "Bundan sonra ne yapmalı?"

Ortaya çıkan sistemin tüm denklemlerinde ilk sırada yer alan bilinmeyen değişkenleri yazalım:

Örneğimizde bunlar x 1, x 4 ve x 5'tir. Sistemin denklemlerinin sol taraflarında yalnızca yazılı bilinmeyen değişkenler x 1, x 4 ve x 5'i içeren terimleri bırakıyoruz, geri kalan terimler ters işaretle denklemlerin sağ tarafına aktarılıyor:

Denklemlerin sağ tarafında yer alan bilinmeyen değişkenlere keyfi değerler verelim; - keyfi sayılar:

Bundan sonra SLAE'mizin tüm denklemlerinin sağ tarafları sayılar içerir ve Gauss yönteminin tersine ilerleyebiliriz.

Sistemin sahip olduğumuz son denkleminden, bulduğumuz sondan bir önceki denklemden, elde ettiğimiz ilk denklemden

Bir denklem sisteminin çözümü, bilinmeyen değişkenlerin değerlerinin bir kümesidir

Numara Vermek Farklı değerler alarak denklem sistemine farklı çözümler elde edeceğiz. Yani denklem sistemimizin sonsuz sayıda çözümü vardır.

Cevap:

Nerede - keyfi sayılar.

Malzemeyi pekiştirmek için birkaç örneğin daha çözümlerini ayrıntılı olarak analiz edeceğiz.

Örnek.

Karar vermek homojen sistem doğrusal cebirsel denklemler Gauss yöntemi.

Çözüm.

Bilinmeyen x değişkenini sistemin ikinci ve üçüncü denklemlerinden hariç tutalım. Bunu yapmak için ikinci denklemin sol ve sağ taraflarına sırasıyla birinci denklemin sol ve sağ taraflarını ile çarparak, üçüncü denklemin sol ve sağ taraflarına ise sol ve sağ taraflarını ekliyoruz. ilk denklemin sağ tarafları şununla çarpılır:

Şimdi ortaya çıkan denklem sisteminin üçüncü denkleminden y'yi hariç tutalım:

Ortaya çıkan SLAE, sisteme eşdeğerdir .

Sistem denklemlerinin sol tarafında yalnızca bilinmeyen x ve y değişkenlerini içeren terimleri bırakıp, bilinmeyen z değişkenini içeren terimleri sağ tarafa taşıyoruz:

Tüm çözümlerinin kümesi çakışıyorsa, iki doğrusal denklem sistemine eşdeğer denir.

Bir denklem sisteminin temel dönüşümleri:

1. Önemsiz denklemlerin sistemden silinmesi, ör. tüm katsayıların sıfıra eşit olduğu durumlar;
2. Herhangi bir denklemin sıfırdan farklı bir sayıyla çarpılması;
3. Herhangi bir i'inci denkleme herhangi bir j'inci denklemin herhangi bir sayıyla çarpılması.

Bir x i değişkenine, eğer bu değişkene izin verilmiyorsa ancak denklem sisteminin tamamına izin veriliyorsa serbest denir.

Teorem. Temel dönüşümler bir denklem sistemini eşdeğer bir sisteme dönüştürür.

Gauss yönteminin anlamı, orijinal denklem sistemini dönüştürerek eşdeğer çözümlü veya eşdeğer tutarsız bir sistem elde etmektir.

Yani Gauss yöntemi aşağıdaki adımlardan oluşur:

1. İlk denkleme bakalım. Sıfır olmayan ilk katsayıyı seçelim ve denklemin tamamını ona bölelim. Bazı x i değişkenlerinin 1 katsayısıyla girdiği bir denklem elde ediyoruz;
2. Bu denklemi diğerlerinden çıkaralım, öyle sayılarla çarpalım ki, geri kalan denklemlerdeki x i değişkeninin katsayıları sıfırlansın. Xi değişkenine göre çözümlenmiş ve orijinaline eşdeğer bir sistem elde ediyoruz;
3. Önemsiz denklemler ortaya çıkarsa (nadiren ama olur; örneğin 0 = 0), onları sistemden çıkarırız. Sonuç olarak, bir tane daha az denklem var;
4. Önceki adımları en fazla n kez tekrarlıyoruz; burada n, sistemdeki denklemlerin sayısıdır. Her seferinde “işleme” için yeni bir değişken seçiyoruz. Tutarsız denklemler ortaya çıkarsa (örneğin, 0 = 8), sistem tutarsızdır.

Sonuç olarak, birkaç adımdan sonra ya çözümlenmiş bir sistem (muhtemelen serbest değişkenlerle) ya da tutarsız bir sistem elde edeceğiz. İzin verilen sistemler iki duruma ayrılır:

1. Değişken sayısı denklem sayısına eşittir. Bu, sistemin tanımlandığı anlamına gelir;
2. Değişken sayısı daha fazla sayı denklemler. Tüm serbest değişkenleri sağ tarafta topluyoruz - izin verilen değişkenler için formüller alıyoruz. Bu formüller cevapta yazılmıştır.

Bu kadar! Doğrusal denklem sistemi çözüldü! Bu oldukça basit bir algoritmadır ve bu konuda uzmanlaşmak için daha yüksek bir matematik öğretmeniyle iletişime geçmenize gerek yoktur. Bir örneğe bakalım:

Görev. Denklem sistemini çözün:

Adımların açıklaması:

1. İlk denklemi ikinci ve üçüncüden çıkarın - izin verilen x 1 değişkenini elde ederiz;
2. İkinci denklemi (−1) ile çarparız ve üçüncü denklemi (−3)'e böleriz - x 2 değişkeninin 1 katsayısıyla girdiği iki denklem elde ederiz;
3. İkinci denklemi birinciye ekleriz ve üçüncüden çıkarırız. İzin verilen x 2 değişkenini elde ederiz;
4. Son olarak üçüncü denklemi birinciden çıkarırız - izin verilen x 3 değişkenini elde ederiz;
5. Onaylı bir sistem aldık, yanıtı yazın.

Eşzamanlı doğrusal denklem sisteminin genel çözümü: yeni sistem, izin verilen tüm değişkenlerin serbest değişkenler cinsinden ifade edildiği orijinaline eşdeğerdir.

Genel bir çözüme ne zaman ihtiyaç duyulabilir? Eğer k'den daha az adım atmanız gerekiyorsa (k, kaç tane denklemin olduğudur). Ancak sürecin herhangi bir adımda bitmesinin nedenleri< k , может быть две:

1. I. adımdan sonra (l+1) numaralı denklem içermeyen bir sistem elde ettik. Aslında bu iyi bir şey çünkü... Yetkili sistem, birkaç adım önceden bile olsa hâlâ elde ediliyor.
2. I. adımdan sonra değişkenlerin tüm katsayılarının sıfıra eşit olduğu, serbest katsayının ise sıfırdan farklı olduğu bir denklem elde ettik. Bu çelişkili bir denklemdir ve dolayısıyla sistem tutarsızdır.

Gauss yöntemi kullanılarak tutarsız bir denklemin ortaya çıkmasının tutarsızlık için yeterli bir temel olduğunun anlaşılması önemlidir. Aynı zamanda, 1. adımın sonucunda hiçbir önemsiz denklemin kalamayacağını, süreç içinde hepsinin üzerinin çizildiğini not ediyoruz.

Adımların açıklaması:

1. İlk denklemi 4 ile çarparak ikinciden çıkarın. Ayrıca ilk denklemi üçüncüye ekliyoruz - izin verilen x 1 değişkenini elde ediyoruz;
2. 2 ile çarpılan üçüncü denklemi ikinciden çıkarın - çelişkili denklem 0 = −5'i elde ederiz.

Yani sistem tutarsızdır çünkü tutarsız bir denklem keşfedilmiştir.

Görev. Uyumluluğu keşfedin ve sisteme genel bir çözüm bulun:

Adımların açıklaması:

1. İlk denklemi ikinciden (iki ile çarptıktan sonra) ve üçüncüsünden çıkarırız - izin verilen x 1 değişkenini elde ederiz;
2. İkinci denklemi üçüncüden çıkarın. Bu denklemlerdeki katsayıların tümü aynı olduğundan üçüncü denklem önemsiz hale gelecektir. Aynı zamanda ikinci denklemi (−1) ile çarpın;
3. İkinciyi ilk denklemden çıkarın - izin verilen x 2 değişkenini elde ederiz. Artık tüm denklem sistemi de çözülmüştür;
4. x 3 ve x 4 değişkenleri serbest olduğundan izin verilen değişkenleri ifade etmek için onları sağa kaydırıyoruz. Cevap bu.

Dolayısıyla, izin verilen iki değişken (x 1 ve x 2) ve iki serbest değişken (x 3 ve x 4) olduğundan sistem tutarlı ve belirsizdir.