ثلاثة خيارات لإكمال السكتة الدماغية الأمامية للطريقة الغوسية. طريقة غاوسية على الانترنت

الطريقة الغوسية سهلة!لماذا؟ حصل عالم الرياضيات الألماني الشهير يوهان كارل فريدريش غاوس خلال حياته على الاعتراف بأنه أعظم عالم رياضيات في كل العصور، وعبقري، وحتى لقب "ملك الرياضيات". وكل شيء عبقري، كما تعلمون، بسيط!بالمناسبة، لا يحصل المال على المغفلين فحسب، بل على العباقرة أيضًا - كانت صورة غاوس على الأوراق النقدية بقيمة 10 ماركات ألمانية (قبل إدخال اليورو)، ولا يزال غاوس يبتسم بشكل غامض للألمان من طوابع البريد العادية.

طريقة غاوس بسيطة حيث أن معرفة طالب الصف الخامس كافية لإتقانها. يجب أن تعرف كيفية الجمع والضرب!ليس من قبيل الصدفة أن يفكر المعلمون غالبًا في طريقة الاستبعاد المتسلسل للمجهول في مقررات الرياضيات المدرسية الاختيارية. إنها مفارقة، لكن الطلاب يجدون الطريقة الغوسية هي الأكثر صعوبة. لا شيء مفاجئ - الأمر كله يتعلق بالمنهجية، وسأحاول التحدث عن خوارزمية الطريقة بشكل يسهل الوصول إليه.

أولاً، دعونا ننظم القليل من المعرفة حول أنظمة المعادلات الخطية. يمكن لنظام المعادلات الخطية أن:

1) احصل على حل فريد.
2) لديك عدد لا نهائي من الحلول.
3) ليس لديهم حلول (يكون غير مشترك).

طريقة غاوس هي الأداة الأقوى والأكثر عالمية لإيجاد الحل أيأنظمة المعادلات الخطية. كما نتذكر، قاعدة كريمر وطريقة المصفوفةغير مناسبة في الحالات التي يكون فيها النظام لديه عدد لا نهائي من الحلول أو يكون غير متناسق. وطريقة الحذف المتسلسل للمجهول على أي حالسوف يقودنا إلى الجواب! في هذا الدرس سنتناول مرة أخرى طريقة غاوس للحالة رقم 1 (الحل الوحيد للنظام)، المقال مخصص لمواقف النقاط رقم 2-3. ألاحظ أن خوارزمية الطريقة نفسها تعمل بنفس الطريقة في الحالات الثلاث.

دعنا نعود إلى أبسط نظام من الدرس كيفية حل نظام المعادلات الخطية؟
وحلها باستخدام طريقة غاوس.

الخطوة الأولى هي الكتابة مصفوفة النظام الموسعة:
. أعتقد أن الجميع يمكنهم أن يروا بأي مبدأ تتم كتابة المعاملات. ليس للخط العمودي داخل المصفوفة أي معنى رياضي - فهو ببساطة يتوسطه خط لسهولة التصميم.

مرجع :أنصحك أن تتذكر شروطالجبر الخطي. مصفوفة النظامهي مصفوفة مكونة فقط من معاملات للمجاهول، في هذا المثال مصفوفة النظام: . مصفوفة النظام الموسعة- هذه هي نفس مصفوفة النظام بالإضافة إلى عمود من المصطلحات الحرة، في هذه الحالة: . للإيجاز، أي من المصفوفات يمكن أن تسمى ببساطة مصفوفة.

بعد كتابة مصفوفة النظام الموسعة، من الضروري تنفيذ بعض الإجراءات معها، والتي تسمى أيضًا التحولات الأولية.

توجد التحولات الأولية التالية:

1) سلاسلالمصفوفات يستطيع إعادة ترتيبفي بعض الأماكن. على سبيل المثال، في المصفوفة قيد النظر، يمكنك إعادة ترتيب الصفين الأول والثاني دون ألم:

2) إذا كانت هناك (أو ظهرت) صفوف متناسبة (كحالة خاصة - متطابقة) في المصفوفة، فيجب عليك يمسحمن المصفوفة كل هذه الصفوف باستثناء واحد. لنأخذ على سبيل المثال المصفوفة . في هذه المصفوفة تكون الصفوف الثلاثة الأخيرة متناسبة، لذا يكفي ترك واحد منها فقط: .

3) إذا ظهر صف صفر في المصفوفة أثناء التحويلات، فيجب أن يكون كذلك يمسح. لن أرسم، بالطبع، خط الصفر هو الخط الذي فيه جميع الأصفار.

4) يمكن أن يكون صف المصفوفة ضرب (قسمة)إلى أي رقم غير صفرية. خذ على سبيل المثال المصفوفة . يُنصح هنا بتقسيم السطر الأول على -3، وضرب السطر الثاني في 2: . هذا الإجراء مفيد جدًا لأنه يبسط المزيد من تحويلات المصفوفة.

5) يسبب هذا التحول معظم الصعوبات، ولكن في الواقع لا يوجد شيء معقد أيضًا. إلى صف من المصفوفة يمكنك أضف سلسلة أخرى مضروبة في رقم، يختلف عن الصفر. دعونا نلقي نظرة على المصفوفة الخاصة بنا من مثال عملي: . أولاً سأصف التحول بتفصيل كبير. اضرب السطر الأول في -2: ، و إلى السطر الثاني نضيف السطر الأول مضروبًا في -2: . الآن يمكن تقسيم السطر الأول "للخلف" على -2: . كما ترون، السطر الذي تمت إضافته لي – لم يتغير. دائماًيتغير السطر الذي تتم إضافته يوتا.

من الناحية العملية، بالطبع، لا يكتبونها بمثل هذه التفاصيل، لكنهم يكتبونها بإيجاز:

مرة أخرى: إلى السطر الثاني تمت إضافة السطر الأول مضروبًا في -2. عادةً ما يتم ضرب السطر شفهيًا أو في مسودة، حيث تتم عملية الحساب الذهني على النحو التالي:

"أعيد كتابة المصفوفة وأعيد كتابة السطر الأول: »

"العمود الأول. في الأسفل أحتاج إلى الحصول على الصفر. لذلك، أضرب الواحد الموجود في الأعلى بـ –2:، وأضيف الأول إلى السطر الثاني: 2 + (–2) = 0. وأكتب النتيجة في السطر الثاني: »

"الآن العمود الثاني. في الأعلى، أضرب -1 في -2: . أقوم بإضافة الأول إلى السطر الثاني: 1 + 2 = 3. وأكتب النتيجة في السطر الثاني: »

«والطابور الثالث. في الأعلى أضرب -5 في -2: . أقوم بإضافة الأول إلى السطر الثاني: –7 + 10 = 3. أكتب النتيجة في السطر الثاني: »

يرجى فهم هذا المثال بعناية وفهم خوارزمية الحساب التسلسلي، إذا فهمت ذلك، فإن الطريقة الغوسية تكون في جيبك عمليًا. لكن، بالطبع، سنواصل العمل على هذا التحول.

التحولات الأولية لا تغير حل نظام المعادلات

! انتباه: يعتبر التلاعب لا يمكن استخدام، إذا عُرضت عليك مهمة حيث يتم إعطاء المصفوفات "بنفسها". على سبيل المثال، مع "الكلاسيكية" العمليات مع المصفوفاتلا يجوز لك تحت أي ظرف من الظروف إعادة ترتيب أي شيء داخل المصفوفات!

دعونا نعود إلى نظامنا. يتم تقطيعه عمليا إلى قطع.

دعونا نكتب المصفوفة الموسعة للنظام، وباستخدام التحويلات الأولية، نختصرها إلى عرض متدرج:

(1) أضيف السطر الأول إلى السطر الثاني مضروبا في -2. ومرة أخرى: لماذا نضرب السطر الأول في -2؟ لكي نحصل على صفر في الأسفل، فهذا يعني التخلص من متغير واحد في السطر الثاني.

(2) قسمة السطر الثاني على 3.

الغرض من التحولات الأولية – تقليل المصفوفة إلى شكل تدريجي: . في تصميم المهمة، يقومون فقط بوضع علامة على "الدرج" بقلم رصاص بسيط، وكذلك وضع دائرة حول الأرقام الموجودة على "الخطوات". إن مصطلح "النظرة المتدرجة" في حد ذاته ليس نظريًا تمامًا، بل يُطلق عليه غالبًا في الأدبيات العلمية والتعليمية عرض شبه منحرفأو عرض الثلاثي.

ونتيجة للتحولات الأولية، حصلنا على مقابلنظام المعادلات الأصلي:

الآن يحتاج النظام إلى "الاسترخاء" في الاتجاه المعاكس - من الأسفل إلى الأعلى، تسمى هذه العملية عكس الطريقة الغوسية.

في المعادلة السفلى لدينا بالفعل نتيجة جاهزة: .

لنفكر في المعادلة الأولى للنظام ونستبدل فيها القيمة المعروفة بالفعل لـ "y":

لنفكر في الموقف الأكثر شيوعًا عندما تتطلب الطريقة الغوسية حل نظام من ثلاث معادلات خطية بثلاثة مجاهيل.

مثال 1

حل نظام المعادلات باستخدام طريقة غاوس:

لنكتب المصفوفة الموسعة للنظام:

الآن سأرسم على الفور النتيجة التي سنصل إليها أثناء الحل:

وأكرر، هدفنا هو تحويل المصفوفة إلى صورة تدريجية باستخدام التحويلات الأولية. من أين أبدا؟

أولاً، انظر إلى الرقم الموجود أعلى اليسار:

ينبغي أن يكون دائما تقريبا هنا وحدة. بشكل عام، -1 (وأحيانًا أرقام أخرى) ستفي بالغرض، ولكن بطريقة ما حدث تقليديًا أن يتم وضع الرقم هناك عادةً. كيفية تنظيم الوحدة؟ نحن ننظر إلى العمود الأول - لدينا وحدة جاهزة! التحويل الأول: تبديل السطرين الأول والثالث:

الآن سيبقى السطر الأول دون تغيير حتى نهاية الحل. الآن بخير.

تم تنظيم الوحدة الموجودة في الزاوية اليسرى العليا. أنت الآن بحاجة إلى الحصول على الأصفار في هذه الأماكن:

نحصل على الأصفار باستخدام التحويل "الصعب". أولا نتعامل مع السطر الثاني (2، –1، 3، 13). ما الذي يجب فعله للحصول على الصفر في المركز الأول؟ بحاجة ل إلى السطر الثاني أضف السطر الأول مضروبًا في -2. ذهنيًا أو على المسودة، اضرب السطر الأول بـ -2: (-2، -4، 2، -18). ونقوم باستمرار بتنفيذ الإضافة (مرة أخرى عقليًا أو على مسودة)، إلى السطر الثاني نضيف السطر الأول، مضروبًا بالفعل في -2:

نكتب النتيجة في السطر الثاني:

ونتعامل مع السطر الثالث بنفس الطريقة (3، 2، –5، –1). للحصول على صفر في المركز الأول، تحتاج إلى السطر الثالث أضف السطر الأول مضروبًا في -3. ذهنيًا أو على المسودة، اضرب السطر الأول بـ -3: (-3، -6، 3، -27). و إلى السطر الثالث نضيف السطر الأول مضروبًا في -3:

نكتب النتيجة في السطر الثالث:

من الناحية العملية، عادةً ما يتم تنفيذ هذه الإجراءات شفهيًا وتدوينها في خطوة واحدة:

لا حاجة لحساب كل شيء دفعة واحدة وفي نفس الوقت. ترتيب العمليات الحسابية و"كتابة" النتائج ثابتوعادةً ما يكون الأمر على هذا النحو: أولاً نعيد كتابة السطر الأول، وننفخ في أنفسنا ببطء - باستمرار و بانتباه:


وقد ناقشت بالفعل العملية العقلية للحسابات نفسها أعلاه.

في هذا المثال، من السهل القيام بذلك؛ نقسم السطر الثاني على -5 (نظرًا لأن جميع الأرقام هناك قابلة للقسمة على 5 بدون باقي). وفي الوقت نفسه، نقسم السطر الثالث على -2، لأنه كلما كانت الأرقام أصغر، كان الحل أبسط:

في المرحلة النهائية من التحولات الأولية، تحتاج إلى الحصول على صفر آخر هنا:

لهذا إلى السطر الثالث نضيف السطر الثاني مضروبا في -2:


حاول معرفة هذا الإجراء بنفسك - اضرب السطر الثاني عقليًا في -2 وقم بإجراء عملية الإضافة.

الإجراء الأخير الذي يتم تنفيذه هو تصفيفة الشعر الناتجة، وتقسيم السطر الثالث على 3.

ونتيجة للتحولات الأولية، تم الحصول على نظام مكافئ من المعادلات الخطية:

رائع.

والآن يأتي دور عكس الطريقة الغوسية. المعادلات "تسترخي" من الأسفل إلى الأعلى.

في المعادلة الثالثة لدينا بالفعل نتيجة جاهزة:

لننظر إلى المعادلة الثانية : . ومعنى "زيت" معروف بالفعل، وبالتالي:

وأخيرًا المعادلة الأولى: . "Igrek" و"zet" معروفان، إنها مجرد مسألة أشياء صغيرة:

إجابة:

كما سبق أن أشرنا عدة مرات، بالنسبة لأي نظام من المعادلات، من الممكن والضروري التحقق من الحل الذي تم العثور عليه، ولحسن الحظ، فإن هذا سهل وسريع.

مثال 2

هذا مثال لحل مستقل وعينة من التصميم النهائي والإجابة في نهاية الدرس.

تجدر الإشارة إلى أن الخاص بك التقدم في القرارقد لا يتزامن مع عملية اتخاذ القرار، وهذه إحدى سمات طريقة غاوس. ولكن الإجابات يجب أن تكون هي نفسها!

مثال 3

حل نظام من المعادلات الخطية باستخدام طريقة غاوس

دعونا نكتب المصفوفة الموسعة للنظام ونحولها إلى شكل تدريجي باستخدام التحويلات الأولية:

نحن ننظر إلى "الخطوة" العلوية اليسرى. ينبغي أن يكون لدينا واحد هناك. المشكلة هي أنه لا توجد وحدات في العمود الأول على الإطلاق، وبالتالي فإن إعادة ترتيب الصفوف لن تحل أي شيء. في مثل هذه الحالات، يجب تنظيم الوحدة باستخدام تحويل أولي. يمكن القيام بذلك عادةً بعدة طرق. انا فعلت هذا:
(1) نضيف إلى السطر الأول السطر الثاني مضروبًا في -1. أي أننا ضربنا السطر الثاني عقليًا في -1 وأضفنا السطرين الأول والثاني، بينما لم يتغير السطر الثاني.

الآن في أعلى اليسار يوجد "ناقص واحد"، وهو ما يناسبنا تمامًا. يمكن لأي شخص يريد الحصول على +1 إجراء حركة إضافية: اضرب السطر الأول بـ -1 (قم بتغيير علامته).

(2) أضيف السطر الأول مضروبا في 5 إلى السطر الثاني، وأضيف السطر الأول مضروبا في 3 إلى السطر الثالث.

(3) تم ضرب السطر الأول في -1، من حيث المبدأ، وهذا من أجل الجمال. تم أيضًا تغيير علامة السطر الثالث وتم نقلها إلى المركز الثاني، بحيث تكون لدينا في "الخطوة" الثانية الوحدة المطلوبة.

(4) أضيف السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في 2.

(5) السطر الثالث مقسوم على 3.

العلامة السيئة التي تشير إلى خطأ في الحسابات (في حالات نادرة، خطأ مطبعي) هي النتيجة النهائية "السيئة". وهذا يعني أنه إذا حصلنا على شيء مثل أدناه، وبالتالي، إذن بدرجة عالية من الاحتمال يمكننا القول أنه حدث خطأ أثناء التحويلات الأولية.

نحن نشحن بالعكس، ففي تصميم الأمثلة غالبًا لا يعيدون كتابة النظام نفسه، ولكن المعادلات "مأخوذة مباشرة من المصفوفة المعطاة". أذكرك أن الضربة العكسية تعمل من الأسفل إلى الأعلى. نعم هذه هدية:

إجابة: .

مثال 4

حل نظام من المعادلات الخطية باستخدام طريقة غاوس

هذا مثال يمكنك حله بنفسك، فهو أكثر تعقيدًا إلى حد ما. لا بأس إذا كان شخص ما يشعر بالارتباك. الحل الكامل وتصميم العينة في نهاية الدرس. قد يكون الحل الخاص بك مختلفًا عن الحل الخاص بي.

في الجزء الأخير سنلقي نظرة على بعض ميزات الخوارزمية الغوسية.
الميزة الأولى هي أنه في بعض الأحيان تكون بعض المتغيرات مفقودة من معادلات النظام، على سبيل المثال:

كيفية كتابة مصفوفة النظام الموسعة بشكل صحيح؟ لقد تحدثت بالفعل عن هذه النقطة في الفصل. حكم كريمر. طريقة المصفوفة. في المصفوفة الموسعة للنظام، نضع أصفارًا بدلاً من المتغيرات المفقودة:

بالمناسبة، هذا مثال سهل إلى حد ما، حيث أن العمود الأول يحتوي بالفعل على صفر واحد، وهناك عدد أقل من التحويلات الأولية التي يجب تنفيذها.

الميزة الثانية هي هذه. في جميع الأمثلة التي تم النظر فيها، وضعنا إما -1 أو +1 على "الخطوات". هل يمكن أن يكون هناك أرقام أخرى هناك؟ في بعض الحالات يمكنهم ذلك. النظر في النظام: .

هنا في "الخطوة" العلوية اليسرى لدينا اثنان. ولكننا نلاحظ أن جميع الأرقام الموجودة في العمود الأول قابلة للقسمة على 2 بدون باقي - والآخر اثنان وستة. والاثنان في أعلى اليسار سوف يناسبنا! في الخطوة الأولى، تحتاج إلى إجراء التحويلات التالية: إضافة السطر الأول مضروبًا في -1 إلى السطر الثاني؛ إلى السطر الثالث أضف السطر الأول مضروبًا في -3. بهذه الطريقة سنحصل على الأصفار المطلوبة في العمود الأول.

أو مثال تقليدي آخر: . هنا يناسبنا أيضًا الثلاثة في "الخطوة" الثانية، نظرًا لأن 12 (المكان الذي نحتاج فيه للحصول على الصفر) قابل للقسمة على 3 بدون باقي. من الضروري إجراء التحويل التالي: إضافة السطر الثاني إلى السطر الثالث، مضروبًا في -4، ونتيجة لذلك سيتم الحصول على الصفر الذي نحتاجه.

طريقة غاوس عالمية، ولكن هناك خصوصية واحدة. يمكنك أن تتعلم بثقة كيفية حل الأنظمة باستخدام طرق أخرى (طريقة كرامر، طريقة المصفوفة) حرفيًا في المرة الأولى - فهي تحتوي على خوارزمية صارمة للغاية. ولكن لكي تشعر بالثقة في الطريقة الغوسية، عليك أن تتقنها وتحل ما لا يقل عن 5-10 أنظمة. لذلك، في البداية قد يكون هناك ارتباك وأخطاء في الحسابات، ولا يوجد شيء غير عادي أو مأساوي في هذا الأمر.

طقس خريفي ممطر خارج النافذة.... لذلك لكل من يريد مثالًا أكثر تعقيدًا ليحله بنفسه:

مثال 5

حل نظام من أربع معادلات خطية ذات أربعة مجاهيل باستخدام طريقة غاوس.

مثل هذه المهمة ليست نادرة جدًا في الممارسة العملية. أعتقد أنه حتى إبريق الشاي الذي درس هذه الصفحة بدقة سوف يفهم خوارزمية حل مثل هذا النظام بشكل حدسي. في الأساس، كل شيء هو نفسه - هناك المزيد من الإجراءات.

تتم مناقشة الحالات التي لا يوجد فيها حلول للنظام (غير متناسق) أو لديه عدد لا نهائي من الحلول في الدرس الأنظمة والأنظمة غير المتوافقة مع الحل العام. هناك يمكنك إصلاح الخوارزمية المدروسة للطريقة الغوسية.

أتمنى لك النجاح!

الحلول والأجوبة:

مثال 2: حل : دعونا نكتب المصفوفة الموسعة للنظام ونحولها إلى شكل تدريجي باستخدام التحويلات الأولية.


التحولات الأولية التي تم إجراؤها:
(1) أضيف السطر الأول إلى السطر الثاني مضروبا في -2. تمت إضافة السطر الأول إلى السطر الثالث مضروبًا في -1. انتباه!هنا قد تنجذب إلى طرح الأول من السطر الثالث، وأنا أوصي بشدة بعدم طرحه - فخطر الخطأ يزيد بشكل كبير. فقط قم بطيها!
(2) تم تغيير إشارة السطر الثاني ( مضروبة في -1 ). تم تبديل السطر الثاني والثالث. ملحوظة، أنه في "الخطوات" نحن راضون ليس فقط عن واحدة، ولكن أيضًا عن -1، وهو أكثر ملاءمة.
(3) أضيف السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في 5.
(4) تم تغيير إشارة السطر الثاني ( مضروبة في -1 ). تم تقسيم السطر الثالث على 14.

يعكس:

إجابة: .

مثال 4: حل : دعونا نكتب المصفوفة الموسعة للنظام ونحولها إلى شكل تدريجي باستخدام التحويلات الأولية:

التحويلات التي تم تنفيذها:
(١) أضيف سطر ثاني إلى السطر الأول. وهكذا يتم تنظيم الوحدة المطلوبة في "الخطوة" العلوية اليسرى.
(2) أضيف السطر الأول مضروبا في 7 إلى السطر الثاني، وأضيف السطر الأول مضروبا في 6 إلى السطر الثالث.

مع "الخطوة" الثانية، يصبح كل شيء أسوأ ، "المرشحون" لذلك هم الرقمان 17 و 23، ونحتاج إما إلى واحد أو -1. تهدف التحويلات (3) و (4) إلى الحصول على الوحدة المطلوبة

(3) تم إضافة السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في -1.
(4) تم إضافة السطر الثالث إلى السطر الثاني مضروبا في -3.
(3) أضيف السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في 4. وأضيف السطر الثاني إلى السطر الرابع مضروبا في -1.
(٤) غيرت علامة السطر الثاني. تم تقسيم السطر الرابع على 3 ووضعه مكان السطر الثالث.
(5) أضيف السطر الثالث إلى السطر الرابع مضروبا في -5.

يعكس:

في هذه المقالة، تعتبر الطريقة بمثابة طريقة لحل أنظمة المعادلات الخطية (SLAEs). الطريقة تحليلية، أي أنها تسمح لك بكتابة خوارزمية الحل بشكل عام، ثم استبدال القيم من أمثلة محددة هناك. على عكس طريقة المصفوفة أو صيغ كرامر، عند حل نظام من المعادلات الخطية باستخدام طريقة غاوس، يمكنك أيضًا العمل مع تلك التي لديها عدد لا حصر له من الحلول. أو أنهم لا يملكونها على الإطلاق.

ماذا يعني الحل باستخدام الطريقة الغوسية؟

أولًا، علينا كتابة نظام المعادلات بالشكل التالي. خذ النظام:

تُكتب المعاملات على شكل جدول، وتُكتب الحدود الحرة في عمود منفصل على اليمين. يتم فصل العمود الذي يحتوي على مصطلحات مجانية لتسهيل الأمر، وتسمى المصفوفة التي تتضمن هذا العمود ممتدة.

بعد ذلك، يجب تقليل المصفوفة الرئيسية ذات المعاملات إلى شكل مثلث علوي. هذه هي النقطة الرئيسية لحل النظام باستخدام الطريقة الغوسية. ببساطة، بعد بعض التلاعب، يجب أن تبدو المصفوفة بحيث يحتوي الجزء السفلي الأيسر منها على أصفار فقط:

بعد ذلك، إذا قمت بكتابة المصفوفة الجديدة مرة أخرى كنظام من المعادلات، ستلاحظ أن الصف الأخير يحتوي بالفعل على قيمة أحد الجذور، والذي يتم بعد ذلك استبداله في المعادلة أعلاه، ويتم العثور على جذر آخر، وهكذا.

هذا وصف للحل بالطريقة الغوسية بالمصطلحات الأكثر عمومية. ماذا يحدث إذا لم يكن لدى النظام حل فجأة؟ أم أن هناك عددًا لا نهائيًا منهم؟ للإجابة على هذه الأسئلة والعديد من الأسئلة الأخرى، من الضروري النظر بشكل منفصل في جميع العناصر المستخدمة في حل الطريقة الغوسية.

المصفوفات، خصائصها

لا يوجد معنى خفي في المصفوفة. هذه ببساطة طريقة ملائمة لتسجيل البيانات للعمليات اللاحقة بها. حتى تلاميذ المدارس لا يحتاجون إلى الخوف منهم.

المصفوفة دائمًا مستطيلة لأنها أكثر ملاءمة. حتى في طريقة غاوس، حيث يتلخص كل شيء في بناء مصفوفة ذات شكل مثلث، يظهر مستطيل في الإدخال، فقط مع وجود أصفار في المكان الذي لا توجد فيه أرقام. قد لا تكون الأصفار مكتوبة، لكنها ضمنية.

المصفوفة لها حجم. "العرض" هو عدد الصفوف (م)، "الطول" هو عدد الأعمدة (ن). ثم سيتم الإشارة إلى حجم المصفوفة A (عادة ما تستخدم الحروف اللاتينية الكبيرة للدلالة عليها) على أنها A m×n. إذا كانت m=n، فهذه المصفوفة مربعة، وm=n هو ترتيبها. وفقًا لذلك، يمكن الإشارة إلى أي عنصر في المصفوفة A بأرقام الصفوف والأعمدة الخاصة به: a xy ; x - رقم الصف، التغييرات، y - رقم العمود، التغييرات.

B ليست النقطة الرئيسية في القرار. من حيث المبدأ، يمكن تنفيذ جميع العمليات مباشرة باستخدام المعادلات نفسها، ولكن التدوين سيكون أكثر تعقيدًا، وسيكون الخلط فيه أسهل بكثير.

محدد

المصفوفة لديها أيضا محدد. هذه خاصية مهمة جدا. ليست هناك حاجة لمعرفة معناها الآن، يمكنك ببساطة إظهار كيفية حسابها، ثم معرفة خصائص المصفوفة التي تحددها. أسهل طريقة للعثور على المحدد هي من خلال الأقطار. يتم رسم الأقطار الوهمية في المصفوفة؛ يتم مضاعفة العناصر الموجودة على كل منها، ثم تضاف المنتجات الناتجة: الأقطار مع منحدر إلى اليمين - مع علامة زائد، مع منحدر إلى اليسار - مع علامة ناقص.

من المهم للغاية ملاحظة أنه لا يمكن حساب المحدد إلا لمصفوفة مربعة. بالنسبة للمصفوفة المستطيلة، يمكنك القيام بما يلي: اختر الأصغر من بين عدد الصفوف وعدد الأعمدة (فليكن k)، ثم قم بوضع علامة بشكل عشوائي على أعمدة k وصفوف k في المصفوفة. ستشكل العناصر الموجودة عند تقاطع الأعمدة والصفوف المحددة مصفوفة مربعة جديدة. إذا كان محدد مثل هذه المصفوفة رقما غير الصفر، فإنه يسمى الأساس الأصغر للمصفوفة المستطيلة الأصلية.

قبل البدء في حل نظام المعادلات باستخدام طريقة غاوس، لن يضر حساب المحدد. إذا تبين أنها صفر، فيمكننا القول على الفور أن المصفوفة إما تحتوي على عدد لا نهائي من الحلول أو لا تحتوي على أي شيء على الإطلاق. في مثل هذه الحالة الحزينة، عليك أن تذهب أبعد من ذلك وتتعرف على رتبة المصفوفة.

تصنيف النظام

هناك شيء مثل رتبة المصفوفة. هذا هو الترتيب الأقصى لمحددها غير الصفر (إذا تذكرنا الأساس الصغير، يمكننا القول أن رتبة المصفوفة هي ترتيب الأساس الثانوي).

بناءً على الوضع مع الرتبة، يمكن تقسيم SLAE إلى:

• مشترك. شفي الأنظمة المشتركة، تتطابق رتبة المصفوفة الرئيسية (التي تتكون من المعاملات فقط) مع رتبة المصفوفة الموسعة (مع عمود من المصطلحات الحرة). مثل هذه الأنظمة لها حل، ولكن ليس بالضرورة حلًا واحدًا، لذلك تنقسم الأنظمة المشتركة أيضًا إلى:
• - تأكيد- وجود حل واحد. في بعض الأنظمة، تكون رتبة المصفوفة وعدد المجهولين (أو عدد الأعمدة، وهو نفس الشيء) متساويين؛
• - غير معرف -مع عدد لا نهائي من الحلول . رتبة المصفوفات في مثل هذه الأنظمة أقل من عدد المجهولين.
• غير متوافق. شفي مثل هذه الأنظمة، لا تتطابق صفوف المصفوفات الرئيسية والممتدة. الأنظمة غير المتوافقة ليس لها حل.

تعتبر طريقة غاوس جيدة لأنها تسمح أثناء الحل بالحصول على دليل لا لبس فيه على عدم تناسق النظام (دون حساب محددات المصفوفات الكبيرة)، أو حل بشكل عام لنظام يحتوي على عدد لا حصر له من الحلول.

التحولات الأولية

قبل الشروع مباشرة في حل النظام، يمكنك جعله أقل تعقيدًا وأكثر ملاءمة لإجراء العمليات الحسابية. يتم تحقيق ذلك من خلال التحولات الأولية - بحيث لا يغير تنفيذها الإجابة النهائية بأي شكل من الأشكال. تجدر الإشارة إلى أن بعض التحويلات الأولية المعطاة صالحة فقط للمصفوفات التي كان مصدرها SLAE. وفيما يلي قائمة بهذه التحولات:

1. إعادة ترتيب الخطوط. من الواضح أنه إذا قمت بتغيير ترتيب المعادلات في سجل النظام، فلن يؤثر ذلك على الحل بأي شكل من الأشكال. وبالتالي، يمكن أيضًا تبديل الصفوف الموجودة في مصفوفة هذا النظام، دون أن ننسى بالطبع عمود المصطلحات المجانية.
2. ضرب جميع عناصر السلسلة بمعامل معين. مفيد جدا! يمكن استخدامه لتقليل الأعداد الكبيرة في المصفوفة أو إزالة الأصفار. العديد من القرارات، كالعادة، لن تتغير، لكن العمليات الإضافية ستصبح أكثر ملاءمة. الشيء الرئيسي هو أن المعامل لا يساوي الصفر.
3. إزالة الصفوف مع العوامل التناسبية. هذا يتبع جزئيا من الفقرة السابقة. إذا كان لصفين أو أكثر في مصفوفة معاملات متناسبة، فعند ضرب/قسمة أحد الصفوف على معامل التناسب، يتم الحصول على صفين (أو مرة أخرى أكثر) متطابقين تمامًا، ويمكن إزالة الصفوف الإضافية، مما يترك واحد فقط.
4. إزالة سطر فارغ. إذا تم الحصول على صف أثناء التحويل في مكان ما تكون فيه جميع العناصر، بما في ذلك الحد الحر، صفرًا، فيمكن تسمية هذا الصف بالصفر وإلقائه خارج المصفوفة.
5. إضافة عناصر صف واحد إلى عناصر صف آخر (في الأعمدة المقابلة) مضروبة في معامل معين. التحول الأكثر غموضا والأكثر أهمية على الإطلاق. يجدر الخوض فيه بمزيد من التفصيل.

إضافة سلسلة مضروبة في عامل

لسهولة الفهم، يجدر تقسيم هذه العملية خطوة بخطوة. يتم أخذ صفين من المصفوفة:

أ 11 أ 12 ... أ 1 ن | ب1

أ 21 أ 22 ... أ 2 ن | ب 2

لنفترض أنك بحاجة إلى إضافة الأول إلى الثاني مضروبًا في المعامل "-2".

أ" 21 = أ 21 + -2 × أ 11

أ" 22 = أ 22 + -2 × أ 12

أ" 2ن = أ 2ن + -2×أ 1ن

ثم يتم استبدال الصف الثاني في المصفوفة بآخر جديد، ويبقى الأول دون تغيير.

أ 11 أ 12 ... أ 1 ن | ب1

أ" 21 أ" 22 ... أ" 2 ن | ب 2

وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن اختيار معامل الضرب بحيث يكون أحد عناصر الصف الجديد، نتيجة إضافة صفين، يساوي الصفر. لذلك، من الممكن الحصول على معادلة في نظام حيث سيكون هناك معادلة أقل مجهولة. وإذا حصلت على معادلتين من هذا القبيل، فيمكن إجراء العملية مرة أخرى والحصول على معادلة تحتوي على عدد أقل من المجهولين. وإذا قمت في كل مرة بتحويل معامل واحد لجميع الصفوف التي هي أقل من الواحد الأصلي إلى صفر، فيمكنك، مثل الدرج، النزول إلى أسفل المصفوفة والحصول على معادلة بمجهول واحد. وهذا ما يسمى حل النظام باستخدام طريقة غاوس.

على العموم

فليكن هناك نظام. لديها معادلات m وجذور n غير معروفة. يمكنك كتابتها على النحو التالي:

يتم تجميع المصفوفة الرئيسية من معاملات النظام. تتم إضافة عمود من المصطلحات المجانية إلى المصفوفة الموسعة، ويتم فصلها بخط من أجل الراحة.

• يتم ضرب الصف الأول من المصفوفة بالمعامل k = (-a 21 /a 11);
• تتم إضافة الصف المعدل الأول والصف الثاني من المصفوفة؛
• بدلا من الصف الثاني، يتم إدراج نتيجة الإضافة من الفقرة السابقة في المصفوفة؛
• الآن المعامل الأول في الصف الثاني الجديد هو 11 × (-a 21 /a 11) + a 21 = -a 21 + a 21 = 0.

الآن يتم تنفيذ نفس سلسلة التحولات، ويشارك فقط الصفين الأول والثالث. وفقًا لذلك، في كل خطوة من الخوارزمية، يتم استبدال العنصر 21 بالعنصر 31. ثم يتكرر كل شيء لـ 41، ... m1. والنتيجة هي مصفوفة حيث العنصر الأول في الصفوف هو صفر. أنت الآن بحاجة إلى نسيان السطر الأول وتنفيذ نفس الخوارزمية بدءًا من السطر الثاني:

• معامل ك = (-أ 32 /أ 22)؛
• ويضاف السطر الثاني المعدل إلى السطر "الحالي"؛
• يتم استبدال نتيجة الإضافة في السطر الثالث والرابع وما إلى ذلك، بينما يظل الأول والثاني دون تغيير؛
• في صفوف المصفوفة، العنصران الأولان يساويان الصفر بالفعل.

يجب تكرار الخوارزمية حتى يظهر المعامل k = (-a m,m-1 /a mm). وهذا يعني أن آخر مرة تم فيها تنفيذ الخوارزمية كانت للمعادلة الأدنى فقط. تبدو المصفوفة الآن مثل المثلث، أو لها شكل متدرج. في الخلاصة هناك المساواة a mn × x n = b m. المعامل والحد الحر معروفان، ويعبر عنهما الجذر: x n = b m /a mn. يتم استبدال الجذر الناتج في السطر العلوي لإيجاد x n-1 = (b m-1 - a m-1,n ×(b m /a mn))÷a m-1,n-1. وهكذا عن طريق القياس: في كل سطر تالٍ يوجد جذر جديد، وبعد أن وصلت إلى "قمة" النظام، يمكنك العثور على العديد من الحلول. وسوف يكون الوحيد.

عندما لا يكون هناك حلول

إذا كانت جميع العناصر في أحد صفوف المصفوفات، باستثناء الحد الحر، تساوي صفرًا، فستبدو المعادلة المقابلة لهذا الصف مثل 0 = b. ليس لها حل. وبما أن هذه المعادلة مدرجة في النظام، فإن مجموعة حلول النظام بأكمله فارغة، أي أنها تتدهور.

عندما يكون هناك عدد لا نهائي من الحلول

قد يحدث أنه في المصفوفة المثلثية المعطاة لا توجد صفوف تحتوي على عنصر معامل واحد في المعادلة وحد حر واحد. لا يوجد سوى سطور تبدو، عند إعادة كتابتها، كمعادلة ذات متغيرين أو أكثر. وهذا يعني أن النظام لديه عدد لا حصر له من الحلول. في هذه الحالة، يمكن إعطاء الإجابة في شكل حل عام. كيف افعلها؟

تنقسم جميع المتغيرات في المصفوفة إلى أساسية ومجانية. الأساسية هي تلك التي تقف "على حافة" الصفوف في مصفوفة الخطوات. الباقي مجاني. في الحل العام يتم كتابة المتغيرات الأساسية من خلال المتغيرات الحرة.

للراحة، يتم أولا إعادة كتابة المصفوفة مرة أخرى إلى نظام المعادلات. ثم في الأخير، حيث لم يتبق سوى متغير أساسي واحد بالضبط، فإنه يبقى على جانب واحد، ويتم نقل كل شيء آخر إلى الجانب الآخر. يتم ذلك لكل معادلة ذات متغير أساسي واحد. ثم، في المعادلات المتبقية، حيثما أمكن، يتم استبدال التعبير الذي تم الحصول عليه بدلاً من المتغير الأساسي. إذا كانت النتيجة مرة أخرى عبارة عن تعبير يحتوي على متغير أساسي واحد فقط، فسيتم التعبير عنه مرة أخرى من هناك، وهكذا، حتى تتم كتابة كل متغير أساسي كتعبير بمتغيرات حرة. هذا هو الحل العام لـ SLAE.

يمكنك أيضًا العثور على الحل الأساسي للنظام - إعطاء المتغيرات الحرة أي قيم، ثم في هذه الحالة المحددة قم بحساب قيم المتغيرات الأساسية. هناك عدد لا حصر له من الحلول المحددة التي يمكن تقديمها.

الحل مع أمثلة محددة

هنا نظام المعادلات.

للراحة، من الأفضل إنشاء مصفوفة على الفور

ومن المعروف أنه عند حلها بالطريقة الغوسية فإن المعادلة المقابلة للصف الأول ستبقى كما هي عند نهاية التحويلات. ولذلك، سيكون أكثر ربحية إذا كان العنصر العلوي الأيسر من المصفوفة هو الأصغر - ثم العناصر الأولى من الصفوف المتبقية بعد العمليات سوف تتحول إلى الصفر. هذا يعني أنه في المصفوفة المترجمة سيكون من المفيد وضع الصف الثاني بدلاً من الصف الأول.

السطر الثاني: ك = (-أ 21 /أ 11) = (-3/1) = -3

أ" 21 = أ 21 + ك×أ 11 = 3 + (-3)×1 = 0

أ" 22 = أ 22 + ك×أ 12 = -1 + (-3)×2 = -7

أ" 23 = أ 23 + ك×أ 13 = 1 + (-3)×4 = -11

ب" 2 = ب 2 + ك×ب 1 = 12 + (-3)×12 = -24

السطر الثالث: ك = (-أ 3 1 /أ 11) = (-5/1) = -5

أ" 3 1 = أ 3 1 + ك×أ 11 = 5 + (-5)×1 = 0

أ" 3 2 = أ 3 2 + ك×أ 12 = 1 + (-5)×2 = -9

أ" 3 3 = أ 33 + ك×أ 13 = 2 + (-5)×4 = -18

ب" 3 = ب 3 + ك×ب 1 = 3 + (-5)×12 = -57

الآن، لكي لا تشعر بالارتباك، تحتاج إلى كتابة مصفوفة مع النتائج المتوسطة للتحولات.

من الواضح أن مثل هذه المصفوفة يمكن جعلها أكثر ملاءمة للإدراك باستخدام عمليات معينة. على سبيل المثال، يمكنك إزالة جميع "السلبيات" من السطر الثاني عن طريق ضرب كل عنصر في "-1".

ومن الجدير بالذكر أيضًا أن جميع العناصر في السطر الثالث هي مضاعفات العدد ثلاثة. ثم يمكنك تقصير السلسلة بهذا الرقم، وضرب كل عنصر بـ "-1/3" (ناقص - في نفس الوقت، لإزالة القيم السالبة).

تبدو أجمل بكثير. الآن نحن بحاجة إلى ترك السطر الأول وحده والعمل مع الثاني والثالث. وتتمثل المهمة في إضافة السطر الثاني إلى السطر الثالث، مضروبًا في المعامل الذي يجعل العنصر 32 يساوي الصفر.

k = (-a 32 /a 22) = (-3/7) = -3/7 (إذا لم يتبين أن الإجابة خلال بعض التحويلات عدد صحيح، فمن المستحسن الحفاظ على دقة الحسابات للمغادرة "كما هي"، في شكل كسور عادية، وعندها فقط، عند تلقي الإجابات، تقرر ما إذا كان سيتم التقريب والتحويل إلى شكل آخر من أشكال التسجيل)

أ" 32 = أ 32 + ك×أ 22 = 3 + (-3/7)×7 = 3 + (-3) = 0

أ" 33 = أ 33 + ك×أ 23 = 6 + (-3/7)×11 = -9/7

ب" 3 = ب 3 + ك×ب 2 = 19 + (-3/7)×24 = -61/7

تتم كتابة المصفوفة مرة أخرى بقيم جديدة.

كما ترون، المصفوفة الناتجة لديها بالفعل شكل متدرج. ولذلك، ليست هناك حاجة إلى مزيد من التحولات للنظام باستخدام طريقة غاوس. ما يمكنك فعله هنا هو إزالة المعامل الإجمالي "-1/7" من السطر الثالث.

الآن كل شيء جميل. كل ما علينا فعله هو كتابة المصفوفة مرة أخرى في صورة نظام معادلات وحساب الجذور

س + 2ص + 4ض = 12 (1)

7ص + 11ض = 24 (2)

تسمى الخوارزمية التي سيتم من خلالها العثور على الجذور الآن بالحركة العكسية في الطريقة الغوسية. تحتوي المعادلة (3) على القيمة z:

ص = (24 - 11×(61/9))/7 = -65/9

والمعادلة الأولى تسمح لنا بإيجاد x:

س = (12 - 4ض - 2ص)/1 = 12 - 4×(61/9) - 2×(-65/9) = -6/9 = -2/3

لدينا الحق في أن نطلق على مثل هذا النظام اسم مشترك، بل ومحدد، أي أن له حلًا فريدًا. الجواب مكتوب على الشكل التالي :

س 1 = -2/3، ص = -65/9، ض = 61/9.

مثال على نظام غير مؤكد

تم تحليل متغير حل نظام معين باستخدام طريقة غاوس، والآن من الضروري النظر في الحالة إذا كان النظام غير مؤكد، أي أنه يمكن العثور على العديد من الحلول له بشكل لا نهائي.

س 1 + س 2 + س 3 + س 4 + س 5 = 7 (1)

3x 1 + 2x 2 + x 3 + x 4 - 3x 5 = -2 (2)

× 2 + 2x 3 + 2x 4 + 6x 5 = 23 (3)

5x 1 + 4x 2 + 3x 3 + 3x 4 - س 5 = 12 (4)

إن مظهر النظام ذاته مثير للقلق بالفعل، لأن عدد المجهولين هو n = 5، ورتبة مصفوفة النظام أقل بالضبط من هذا الرقم، لأن عدد الصفوف هو m = 4، أي، أكبر ترتيب لمربع المحدد هو 4. وهذا يعني أن هناك عددًا لا حصر له من الحلول، وعليك البحث عن مظهره العام. تتيح لك طريقة غاوس للمعادلات الخطية القيام بذلك.

أولا، كالعادة، يتم تجميع مصفوفة موسعة.

السطر الثاني: المعامل ك = (-أ 21 /أ 11) = -3. في السطر الثالث، العنصر الأول هو قبل التحولات، لذلك لا تحتاج إلى لمس أي شيء، تحتاج إلى تركه كما هو. السطر الرابع: ك = (-أ 4 1 /أ 11) = -5

وبضرب عناصر الصف الأول في كل من معاملاتها على التوالي وإضافتها إلى الصفوف المطلوبة نحصل على مصفوفة بالشكل التالي:

كما ترون، تتكون الصفوف الثاني والثالث والرابع من عناصر متناسبة مع بعضها البعض. الثاني والرابع متطابقان بشكل عام، لذلك يمكن إزالة أحدهما على الفور، ويمكن ضرب الباقي بالمعامل "-1" والحصول على السطر رقم 3. ومرة ​​أخرى، من بين سطرين متطابقين، اترك واحدًا.

والنتيجة هي مصفوفة مثل هذا. في حين أن النظام لم يتم تدوينه بعد، فمن الضروري تحديد المتغيرات الأساسية هنا - تلك التي تقف عند المعاملات a 11 = 1 و 22 = 1، والمتغيرات الحرة - كل الباقي.

في المعادلة الثانية يوجد متغير أساسي واحد فقط - x 2. هذا يعني أنه يمكن التعبير عنه من هناك عن طريق كتابته من خلال المتغيرات x 3 , x 4 , x 5 , وهي مجانية.

نعوض بالتعبير الناتج في المعادلة الأولى.

والنتيجة هي معادلة حيث المتغير الأساسي الوحيد هو x 1 . لنفعل نفس الشيء كما هو الحال مع x 2.

جميع المتغيرات الأساسية، والتي يوجد منها متغيران، يتم التعبير عنها بثلاثة متغيرات حرة، والآن يمكننا كتابة الإجابة في الصورة العامة.

يمكنك أيضًا تحديد أحد الحلول الخاصة بالنظام. في مثل هذه الحالات، عادة ما يتم اختيار الأصفار كقيم للمتغيرات الحرة. عندها يكون الجواب:

16, 23, 0, 0, 0.

مثال على النظام غير التعاوني

يعد حل أنظمة المعادلات غير المتوافقة باستخدام طريقة غاوس هو الأسرع. وينتهي فورًا بمجرد الحصول في إحدى المراحل على معادلة ليس لها حل. أي أنه تم التخلص من مرحلة حساب الجذور، وهي مرحلة طويلة جدًا ومملة. ويراعى النظام التالي :

س + ص - ض = 0 (1)

2س - ص - ض = -2 (2)

4س + ص - 3ض = 5 (3)

كالعادة، يتم تجميع المصفوفة:

ويتم اختصاره إلى شكل تدريجي:

ك 1 = -2 ك 2 = -4

بعد التحويل الأول، يحتوي السطر الثالث على معادلة النموذج

بدون حل. وبالتالي فإن النظام غير متناسق، والإجابة ستكون المجموعة الفارغة.

مزايا وعيوب الطريقة

إذا اخترت طريقة حل SLAEs على الورق باستخدام قلم، فإن الطريقة التي تمت مناقشتها في هذه المقالة تبدو الأكثر جاذبية. إن الخلط بين التحويلات الأولية أصعب بكثير مما لو كان عليك البحث يدويًا عن محدد أو مصفوفة معكوسة صعبة. ومع ذلك، إذا كنت تستخدم برامج للعمل مع بيانات من هذا النوع، على سبيل المثال، جداول البيانات، فقد اتضح أن هذه البرامج تحتوي بالفعل على خوارزميات لحساب المعلمات الرئيسية للمصفوفات - المحدد، والقصر، والعكس، وما إلى ذلك. وإذا كنت متأكدًا من أن الآلة ستحسب هذه القيم بنفسها ولن تخطئ، فمن الأفضل استخدام طريقة المصفوفات أو صيغ كرامر، لأن تطبيقها يبدأ وينتهي بحساب المحددات والمصفوفات العكسية .

طلب

نظرًا لأن الحل Gaussian عبارة عن خوارزمية، والمصفوفة هي في الواقع مصفوفة ثنائية الأبعاد، فيمكن استخدامها في البرمجة. ولكن بما أن المقالة تضع نفسها كدليل "للدمى"، فيجب القول أن أسهل مكان لوضع الطريقة فيه هو جداول البيانات، على سبيل المثال، Excel. مرة أخرى، سيتم اعتبار أي SLAE يتم إدخاله في جدول على شكل مصفوفة بواسطة Excel بمثابة مصفوفة ثنائية الأبعاد. وبالنسبة للعمليات، هناك العديد من الأوامر اللطيفة: الجمع (يمكنك فقط إضافة مصفوفات من نفس الحجم!) ، حساب المحدد. إذا تم استبدال هذه المهمة التي تستغرق وقتًا طويلاً بأمر واحد، فمن الممكن تحديد رتبة المصفوفة بسرعة أكبر، وبالتالي تحديد توافقها أو عدم توافقها.

نواصل النظر في أنظمة المعادلات الخطية. وهذا الدرس هو الثالث في هذا الموضوع. إذا كانت لديك فكرة غامضة عن ماهية نظام المعادلات الخطية بشكل عام، وإذا كنت تشعر بالرغبة في إبريق الشاي، فإنني أوصي بالبدء بالأساسيات في الصفحة التالية، فمن المفيد دراسة الدرس.

الطريقة الغوسية سهلة!لماذا؟ حصل عالم الرياضيات الألماني الشهير يوهان كارل فريدريش غاوس خلال حياته على الاعتراف بأنه أعظم عالم رياضيات في كل العصور، وعبقري، وحتى لقب "ملك الرياضيات". وكل شيء عبقري، كما تعلمون، بسيط!بالمناسبة، لا يحصل المال على المغفلين فحسب، بل على العباقرة أيضًا - كانت صورة غاوس على الأوراق النقدية بقيمة 10 ماركات ألمانية (قبل إدخال اليورو)، ولا يزال غاوس يبتسم بشكل غامض للألمان من طوابع البريد العادية.

طريقة غاوس بسيطة حيث أن معرفة طالب الصف الخامس كافية لإتقانها. يجب أن تعرف كيفية الجمع والضرب!ليس من قبيل الصدفة أن يفكر المعلمون غالبًا في طريقة الاستبعاد المتسلسل للمجهول في مقررات الرياضيات المدرسية الاختيارية. إنها مفارقة، لكن الطلاب يجدون الطريقة الغوسية هي الأكثر صعوبة. لا شيء مفاجئ - الأمر كله يتعلق بالمنهجية، وسأحاول التحدث عن خوارزمية الطريقة بشكل يسهل الوصول إليه.

أولاً، دعونا ننظم القليل من المعرفة حول أنظمة المعادلات الخطية. يمكن لنظام المعادلات الخطية أن:

1) احصل على حل فريد. 2) لديك عدد لا نهائي من الحلول. 3) ليس لديهم حلول (يكون غير مشترك).

طريقة غاوس هي الأداة الأقوى والأكثر عالمية لإيجاد الحل أيأنظمة المعادلات الخطية. كما نتذكر، قاعدة كريمر وطريقة المصفوفةغير مناسبة في الحالات التي يكون فيها النظام لديه عدد لا نهائي من الحلول أو يكون غير متناسق. وطريقة الحذف المتسلسل للمجهول على أي حالسوف يقودنا إلى الجواب! في هذا الدرس سنتناول مرة أخرى طريقة غاوس للحالة رقم 1 (الحل الوحيد للنظام)، وخصص مقال لمواقف النقاط رقم 2-3. ألاحظ أن خوارزمية الطريقة نفسها تعمل بنفس الطريقة في الحالات الثلاث.

دعنا نعود إلى أبسط نظام من الدرس كيفية حل نظام المعادلات الخطية؟وحلها باستخدام طريقة غاوس.

الخطوة الأولى هي الكتابة مصفوفة النظام الموسعة: . أعتقد أن الجميع يمكنهم أن يروا بأي مبدأ تتم كتابة المعاملات. ليس للخط العمودي داخل المصفوفة أي معنى رياضي - فهو ببساطة يتوسطه خط لسهولة التصميم.

مرجع : أنصحك أن تتذكر شروط الجبر الخطي. مصفوفة النظام هي مصفوفة مكونة فقط من معاملات للمجاهول، في هذا المثال مصفوفة النظام: . مصفوفة النظام الموسعة – هذه هي نفس مصفوفة النظام بالإضافة إلى عمود من المصطلحات الحرة، في هذه الحالة: . للإيجاز، أي من المصفوفات يمكن أن تسمى ببساطة مصفوفة.

بعد كتابة مصفوفة النظام الموسعة، من الضروري تنفيذ بعض الإجراءات معها، والتي تسمى أيضًا التحولات الأولية.

توجد التحولات الأولية التالية:

1) سلاسلالمصفوفات يستطيع إعادة ترتيبفي بعض الأماكن. على سبيل المثال، في المصفوفة قيد النظر، يمكنك إعادة ترتيب الصفين الأول والثاني دون ألم:

2) إذا كانت هناك (أو ظهرت) صفوف متناسبة (كحالة خاصة - متطابقة) في المصفوفة، فيجب عليك يمسحمن المصفوفة كل هذه الصفوف باستثناء واحد. لنأخذ على سبيل المثال المصفوفة . في هذه المصفوفة تكون الصفوف الثلاثة الأخيرة متناسبة، لذا يكفي ترك واحد منها فقط: .

3) إذا ظهر صف صفر في المصفوفة أثناء التحويلات، فيجب أن يكون كذلك يمسح. لن أرسم، بالطبع، خط الصفر هو الخط الذي فيه جميع الأصفار.

4) يمكن أن يكون صف المصفوفة ضرب (قسمة)إلى أي رقم غير صفرية. خذ على سبيل المثال المصفوفة . يُنصح هنا بتقسيم السطر الأول على -3، وضرب السطر الثاني في 2: . هذا الإجراء مفيد جدًا لأنه يبسط المزيد من تحويلات المصفوفة.

5) يسبب هذا التحول معظم الصعوبات، ولكن في الواقع لا يوجد شيء معقد أيضًا. إلى صف من المصفوفة يمكنك أضف سلسلة أخرى مضروبة في رقم، يختلف عن الصفر. دعونا نلقي نظرة على المصفوفة الخاصة بنا من مثال عملي: . أولاً سأصف التحول بتفصيل كبير. اضرب السطر الأول في -2: ، و إلى السطر الثاني نضيف السطر الأول مضروبًا في -2: . الآن يمكن تقسيم السطر الأول "للخلف" على -2: . كما ترون، السطر الذي تمت إضافته لي – لم يتغير. دائماًيتغير السطر الذي تتم إضافته يوتا.

من الناحية العملية، بالطبع، لا يكتبونها بمثل هذه التفاصيل، لكنهم يكتبونها بإيجاز: مرة أخرى: إلى السطر الثاني تمت إضافة السطر الأول مضروبًا في -2. عادةً ما يتم ضرب السطر شفهيًا أو في مسودة، حيث تتم عملية الحساب الذهني على النحو التالي:

"أعيد كتابة المصفوفة وأعيد كتابة السطر الأول: »

"العمود الأول. في الأسفل أحتاج إلى الحصول على الصفر. لذلك، أضرب الواحد الموجود في الأعلى بـ –2:، وأضيف الأول إلى السطر الثاني: 2 + (–2) = 0. وأكتب النتيجة في السطر الثاني: »

"الآن العمود الثاني. في الأعلى، أضرب -1 في -2: . أقوم بإضافة الأول إلى السطر الثاني: 1 + 2 = 3. وأكتب النتيجة في السطر الثاني: »

«والطابور الثالث. في الأعلى أضرب -5 في -2: . أقوم بإضافة الأول إلى السطر الثاني: –7 + 10 = 3. أكتب النتيجة في السطر الثاني: »

يرجى فهم هذا المثال بعناية وفهم خوارزمية الحساب التسلسلي، إذا فهمت ذلك، فإن الطريقة الغوسية تكون في جيبك عمليًا. لكن، بالطبع، سنواصل العمل على هذا التحول.

التحولات الأولية لا تغير حل نظام المعادلات

! انتباه: يعتبر التلاعب لا يمكن استخدام، إذا عُرضت عليك مهمة حيث يتم إعطاء المصفوفات "بنفسها". على سبيل المثال، مع "الكلاسيكية" العمليات مع المصفوفاتلا يجوز لك تحت أي ظرف من الظروف إعادة ترتيب أي شيء داخل المصفوفات! دعونا نعود إلى نظامنا. يتم تقطيعه عمليا إلى قطع.

دعونا نكتب المصفوفة الموسعة للنظام، وباستخدام التحويلات الأولية، نختصرها إلى عرض متدرج:

(1) أضيف السطر الأول إلى السطر الثاني مضروبا في -2. ومرة أخرى: لماذا نضرب السطر الأول في -2؟ لكي نحصل على صفر في الأسفل، فهذا يعني التخلص من متغير واحد في السطر الثاني.

(2) قسمة السطر الثاني على 3.

الغرض من التحولات الأولية – تقليل المصفوفة إلى شكل تدريجي: . في تصميم المهمة، يقومون فقط بوضع علامة على "الدرج" بقلم رصاص بسيط، وكذلك وضع دائرة حول الأرقام الموجودة على "الخطوات". إن مصطلح "النظرة المتدرجة" في حد ذاته ليس نظريًا تمامًا، بل يُطلق عليه غالبًا في الأدبيات العلمية والتعليمية عرض شبه منحرفأو عرض الثلاثي.

ونتيجة للتحولات الأولية، حصلنا على مقابلنظام المعادلات الأصلي:

الآن يحتاج النظام إلى "الاسترخاء" في الاتجاه المعاكس - من الأسفل إلى الأعلى، تسمى هذه العملية عكس الطريقة الغوسية.

في المعادلة السفلى لدينا بالفعل نتيجة جاهزة: .

لنفكر في المعادلة الأولى للنظام ونستبدل فيها القيمة المعروفة بالفعل لـ "y":

لنفكر في الموقف الأكثر شيوعًا عندما تتطلب الطريقة الغوسية حل نظام من ثلاث معادلات خطية بثلاثة مجاهيل.

مثال 1

حل نظام المعادلات باستخدام طريقة غاوس:

لنكتب المصفوفة الموسعة للنظام:

الآن سأرسم على الفور النتيجة التي سنصل إليها أثناء الحل: وأكرر، هدفنا هو تحويل المصفوفة إلى صورة تدريجية باستخدام التحويلات الأولية. من أين أبدا؟

أولاً، انظر إلى الرقم الموجود أعلى اليسار: ينبغي أن يكون دائما تقريبا هنا وحدة. بشكل عام، -1 (وأحيانًا أرقام أخرى) ستفي بالغرض، ولكن بطريقة ما حدث تقليديًا أن يتم وضع الرقم هناك عادةً. كيفية تنظيم الوحدة؟ نحن ننظر إلى العمود الأول - لدينا وحدة جاهزة! التحويل الأول: تبديل السطرين الأول والثالث:

الآن سيبقى السطر الأول دون تغيير حتى نهاية الحل. الآن بخير.

تم تنظيم الوحدة الموجودة في الزاوية اليسرى العليا. أنت الآن بحاجة إلى الحصول على الأصفار في هذه الأماكن:

نحصل على الأصفار باستخدام التحويل "الصعب". أولا نتعامل مع السطر الثاني (2، –1، 3، 13). ما الذي يجب فعله للحصول على الصفر في المركز الأول؟ بحاجة ل إلى السطر الثاني أضف السطر الأول مضروبًا في -2. ذهنيًا أو على المسودة، اضرب السطر الأول بـ -2: (-2، -4، 2، -18). ونقوم باستمرار بتنفيذ الإضافة (مرة أخرى عقليًا أو على مسودة)، إلى السطر الثاني نضيف السطر الأول، مضروبًا بالفعل في -2:

نكتب النتيجة في السطر الثاني:

ونتعامل مع السطر الثالث بنفس الطريقة (3، 2، –5، –1). للحصول على صفر في المركز الأول، تحتاج إلى السطر الثالث أضف السطر الأول مضروبًا في -3. ذهنيًا أو على المسودة، اضرب السطر الأول بـ -3: (-3، -6، 3، -27). و إلى السطر الثالث نضيف السطر الأول مضروبًا في -3:

نكتب النتيجة في السطر الثالث:

من الناحية العملية، عادةً ما يتم تنفيذ هذه الإجراءات شفهيًا وتدوينها في خطوة واحدة:

لا حاجة لحساب كل شيء دفعة واحدة وفي نفس الوقت. ترتيب العمليات الحسابية و"كتابة" النتائج ثابتوعادةً ما يكون الأمر على هذا النحو: أولاً نعيد كتابة السطر الأول، وننفخ في أنفسنا ببطء - باستمرار و بانتباه:
وقد ناقشت بالفعل العملية العقلية للحسابات نفسها أعلاه.

في هذا المثال، من السهل القيام بذلك؛ نقسم السطر الثاني على -5 (نظرًا لأن جميع الأرقام هناك قابلة للقسمة على 5 بدون باقي). وفي الوقت نفسه، نقسم السطر الثالث على -2، لأنه كلما كانت الأرقام أصغر، كان الحل أبسط:

في المرحلة النهائية من التحولات الأولية، تحتاج إلى الحصول على صفر آخر هنا:

لهذا إلى السطر الثالث نضيف السطر الثاني مضروبا في -2:
حاول معرفة هذا الإجراء بنفسك - اضرب السطر الثاني عقليًا في -2 وقم بإجراء عملية الإضافة.

الإجراء الأخير الذي يتم تنفيذه هو تصفيفة الشعر الناتجة، وتقسيم السطر الثالث على 3.

ونتيجة للتحولات الأولية، تم الحصول على نظام مكافئ من المعادلات الخطية: رائع.

والآن يأتي دور عكس الطريقة الغوسية. المعادلات "تسترخي" من الأسفل إلى الأعلى.

في المعادلة الثالثة لدينا بالفعل نتيجة جاهزة:

لننظر إلى المعادلة الثانية : . ومعنى "زيت" معروف بالفعل، وبالتالي:

وأخيرًا المعادلة الأولى: . "Igrek" و"zet" معروفان، إنها مجرد مسألة أشياء صغيرة:

إجابة:

كما سبق أن أشرنا عدة مرات، بالنسبة لأي نظام من المعادلات، من الممكن والضروري التحقق من الحل الذي تم العثور عليه، ولحسن الحظ، فإن هذا سهل وسريع.

مثال 2

هذا مثال لحل مستقل وعينة من التصميم النهائي والإجابة في نهاية الدرس.

تجدر الإشارة إلى أن الخاص بك التقدم في القرارقد لا يتزامن مع عملية اتخاذ القرار، وهذه إحدى سمات طريقة غاوس. ولكن الإجابات يجب أن تكون هي نفسها!

مثال 3

حل نظام من المعادلات الخطية باستخدام طريقة غاوس

نحن ننظر إلى "الخطوة" العلوية اليسرى. ينبغي أن يكون لدينا واحد هناك. المشكلة هي أنه لا توجد وحدات في العمود الأول على الإطلاق، وبالتالي فإن إعادة ترتيب الصفوف لن تحل أي شيء. في مثل هذه الحالات، يجب تنظيم الوحدة باستخدام تحويل أولي. يمكن القيام بذلك عادةً بعدة طرق. فعلت هذا: (1) نضيف إلى السطر الأول السطر الثاني مضروبًا في -1. أي أننا ضربنا السطر الثاني عقليًا في -1 وأضفنا السطرين الأول والثاني، بينما لم يتغير السطر الثاني.

الآن في أعلى اليسار يوجد "ناقص واحد"، وهو ما يناسبنا تمامًا. يمكن لأي شخص يريد الحصول على +1 إجراء حركة إضافية: اضرب السطر الأول بـ -1 (قم بتغيير علامته).

(2) أضيف السطر الأول مضروبا في 5 إلى السطر الثاني، وأضيف السطر الأول مضروبا في 3 إلى السطر الثالث.

(3) تم ضرب السطر الأول في -1، من حيث المبدأ، وهذا من أجل الجمال. تم أيضًا تغيير علامة السطر الثالث وتم نقلها إلى المركز الثاني، بحيث تكون لدينا في "الخطوة" الثانية الوحدة المطلوبة.

(4) أضيف السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في 2.

(5) السطر الثالث مقسوم على 3.

العلامة السيئة التي تشير إلى خطأ في الحسابات (في حالات نادرة، خطأ مطبعي) هي النتيجة النهائية "السيئة". وهذا يعني أنه إذا حصلنا على شيء مثل أدناه، وبالتالي، إذن بدرجة عالية من الاحتمال يمكننا القول أنه حدث خطأ أثناء التحويلات الأولية.

نحن نشحن بالعكس، ففي تصميم الأمثلة غالبًا لا يعيدون كتابة النظام نفسه، ولكن المعادلات "مأخوذة مباشرة من المصفوفة المعطاة". أذكرك أن الضربة العكسية تعمل من الأسفل إلى الأعلى. نعم هذه هدية:

إجابة: .

مثال 4

حل نظام من المعادلات الخطية باستخدام طريقة غاوس

هذا مثال يمكنك حله بنفسك، فهو أكثر تعقيدًا إلى حد ما. لا بأس إذا كان شخص ما يشعر بالارتباك. الحل الكامل وتصميم العينة في نهاية الدرس. قد يكون الحل الخاص بك مختلفًا عن الحل الخاص بي.

في الجزء الأخير سنلقي نظرة على بعض ميزات الخوارزمية الغوسية. الميزة الأولى هي أنه في بعض الأحيان تكون بعض المتغيرات مفقودة من معادلات النظام، على سبيل المثال: كيفية كتابة مصفوفة النظام الموسعة بشكل صحيح؟ لقد تحدثت بالفعل عن هذه النقطة في الفصل. حكم كريمر. طريقة المصفوفة. في المصفوفة الموسعة للنظام، نضع أصفارًا بدلاً من المتغيرات المفقودة: بالمناسبة، هذا مثال سهل إلى حد ما، حيث أن العمود الأول يحتوي بالفعل على صفر واحد، وهناك عدد أقل من التحويلات الأولية التي يجب تنفيذها.

الميزة الثانية هي هذه. في جميع الأمثلة التي تم النظر فيها، وضعنا إما -1 أو +1 على "الخطوات". هل يمكن أن يكون هناك أرقام أخرى هناك؟ في بعض الحالات يمكنهم ذلك. النظر في النظام: .

هنا في "الخطوة" العلوية اليسرى لدينا اثنان. ولكننا نلاحظ أن جميع الأرقام الموجودة في العمود الأول قابلة للقسمة على 2 بدون باقي - والآخر اثنان وستة. والاثنان في أعلى اليسار سوف يناسبنا! في الخطوة الأولى، تحتاج إلى إجراء التحويلات التالية: إضافة السطر الأول مضروبًا في -1 إلى السطر الثاني؛ إلى السطر الثالث أضف السطر الأول مضروبًا في -3. بهذه الطريقة سنحصل على الأصفار المطلوبة في العمود الأول.

أو مثال تقليدي آخر: . هنا يناسبنا أيضًا الثلاثة في "الخطوة" الثانية، نظرًا لأن 12 (المكان الذي نحتاج فيه للحصول على الصفر) قابل للقسمة على 3 بدون باقي. من الضروري إجراء التحويل التالي: إضافة السطر الثاني إلى السطر الثالث، مضروبًا في -4، ونتيجة لذلك سيتم الحصول على الصفر الذي نحتاجه.

طريقة غاوس عالمية، ولكن هناك خصوصية واحدة. يمكنك أن تتعلم بثقة كيفية حل الأنظمة باستخدام طرق أخرى (طريقة كرامر، طريقة المصفوفة) حرفيًا في المرة الأولى - فهي تحتوي على خوارزمية صارمة للغاية. ولكن لكي تشعر بالثقة في الطريقة الغوسية، يجب عليك "الدخول في أسنانك" وحل ما لا يقل عن 5-10 أنظمة. لذلك، في البداية قد يكون هناك ارتباك وأخطاء في الحسابات، ولا يوجد شيء غير عادي أو مأساوي في هذا الأمر.

طقس خريفي ممطر خارج النافذة.... لذلك لكل من يريد مثالًا أكثر تعقيدًا ليحله بنفسه:

مثال 5

حل نظام من أربع معادلات خطية ذات أربعة مجاهيل باستخدام طريقة غاوس.

مثل هذه المهمة ليست نادرة جدًا في الممارسة العملية. أعتقد أنه حتى إبريق الشاي الذي درس هذه الصفحة بدقة سوف يفهم خوارزمية حل مثل هذا النظام بشكل حدسي. في الأساس، كل شيء هو نفسه - هناك المزيد من الإجراءات.

تتم مناقشة الحالات التي لا يوجد فيها حلول للنظام (غير متناسق) أو لديه عدد لا نهائي من الحلول في الدرس الأنظمة والأنظمة غير المتوافقة مع الحل المشترك. هناك يمكنك إصلاح الخوارزمية المدروسة للطريقة الغوسية.

أتمنى لك النجاح!

الحلول والأجوبة:

مثال 2: حل : دعونا نكتب المصفوفة الموسعة للنظام ونحولها إلى شكل تدريجي باستخدام التحويلات الأولية.
التحولات الأولية التي تم إجراؤها: (1) أضيف السطر الأول إلى السطر الثاني مضروبا في -2. تمت إضافة السطر الأول إلى السطر الثالث مضروبًا في -1. انتباه! هنا قد تنجذب إلى طرح الأول من السطر الثالث، وأنا أوصي بشدة بعدم طرحه - فخطر الخطأ يزيد بشكل كبير. فقط قم بطيها! (2) تم تغيير إشارة السطر الثاني ( مضروبة في -1 ). تم تبديل السطر الثاني والثالث. ملحوظة ، أنه في "الخطوات" نحن راضون ليس فقط عن واحدة، ولكن أيضًا عن -1، وهو أكثر ملاءمة. (3) أضيف السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في 5. (4) تم تغيير إشارة السطر الثاني ( مضروبة في -1 ). تم تقسيم السطر الثالث على 14.

يعكس:

إجابة : .

مثال 4: حل : دعونا نكتب المصفوفة الموسعة للنظام ونحولها إلى شكل تدريجي باستخدام التحويلات الأولية:

التحويلات التي تم تنفيذها: (١) أضيف سطر ثاني إلى السطر الأول. وهكذا يتم تنظيم الوحدة المطلوبة في "الخطوة" العلوية اليسرى. (2) أضيف السطر الأول مضروبا في 7 إلى السطر الثاني، وأضيف السطر الأول مضروبا في 6 إلى السطر الثالث.

مع "الخطوة" الثانية، يصبح كل شيء أسوأ ، "المرشحون" لذلك هم الرقمان 17 و 23، ونحتاج إما إلى واحد أو -1. تهدف التحويلات (3) و (4) إلى الحصول على الوحدة المطلوبة (3) تم إضافة السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في -1. (4) تم إضافة السطر الثالث إلى السطر الثاني مضروبا في -3. تم استلام العنصر المطلوب في الخطوة الثانية. . (5) أضيف السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في 6. (6) تم ضرب السطر الثاني في -1، وتم تقسيم السطر الثالث على -83.

يعكس:

إجابة :

مثال 5: حل : دعونا نكتب مصفوفة النظام، وباستخدام التحويلات الأولية، ننقلها إلى شكل تدريجي:

التحويلات التي تم تنفيذها: (١) تم تبديل السطرين الأول والثاني. (2) أضيف السطر الأول إلى السطر الثاني مضروبا في -2. تمت إضافة السطر الأول إلى السطر الثالث مضروبًا في -2. تمت إضافة السطر الأول إلى السطر الرابع مضروبًا في -3. (3) أضيف السطر الثاني إلى السطر الثالث مضروبا في 4. وأضيف السطر الثاني إلى السطر الرابع مضروبا في -1. (٤) غيرت علامة السطر الثاني. تم تقسيم السطر الرابع على 3 ووضعه مكان السطر الثالث. (5) أضيف السطر الثالث إلى السطر الرابع مضروبا في -5.

يعكس:

إجابة :

دع نظام المعادلات الجبرية الخطية يحتاج إلى حل (ابحث عن قيم المجهولة xi التي تحول كل معادلة في النظام إلى مساواة).

نحن نعلم أن نظام المعادلات الجبرية الخطية يمكنه:

1) ليس لديهم حلول (يكون غير مشترك).
2) لديك عدد لا نهائي من الحلول.
3) لديك حل واحد.

كما نتذكر، فإن قاعدة كرامر وطريقة المصفوفة غير مناسبتين في الحالات التي يكون فيها النظام يحتوي على عدد لا نهائي من الحلول أو يكون غير متناسق. طريقة غاوس – الأداة الأقوى والأكثر تنوعًا لإيجاد حلول لأي نظام من المعادلات الخطية، أيّ في كل حالةسوف يقودنا إلى الجواب! تعمل خوارزمية الطريقة نفسها بنفس الطريقة في الحالات الثلاث. إذا كانت طريقتا كرامر والمصفوفة تتطلبان معرفة بالمحددات، فإن تطبيق طريقة غاوس لا يتطلب سوى معرفة العمليات الحسابية، مما يجعلها في متناول طلاب المدارس الابتدائية.

تحويلات المصفوفة المعززة ( هذه هي مصفوفة النظام - مصفوفة تتكون فقط من معاملات المجهول، بالإضافة إلى عمود من المصطلحات الحرة)أنظمة المعادلات الجبرية الخطية بطريقة غاوس:

1) مع تروكيالمصفوفات يستطيع إعادة ترتيبفي بعض الأماكن.

2) في حالة ظهور (أو وجود) صفوف متناسبة (كحالة خاصة – متطابقة) في المصفوفة، فيجب عليك يمسحمن المصفوفة كل هذه الصفوف باستثناء واحد.

3) إذا ظهر صف صفر في المصفوفة أثناء التحويلات، فيجب أن يكون كذلك يمسح.

4) يمكن أن يكون هناك صف من المصفوفة ضرب (قسمة)إلى أي رقم غير الصفر.

5) إلى صف من المصفوفة يمكنك أضف سلسلة أخرى مضروبة في رقم، يختلف عن الصفر.

في طريقة غاوس، لا تغير التحويلات الأولية حل نظام المعادلات.

تتكون طريقة غاوس من مرحلتين:

1. "الحركة المباشرة" - باستخدام التحويلات الأولية، قم بإحضار المصفوفة الموسعة لنظام المعادلات الجبرية الخطية إلى شكل خطوة "مثلث": عناصر المصفوفة الموسعة الموجودة أسفل القطر الرئيسي تساوي الصفر (الحركة من أعلى إلى أسفل). على سبيل المثال لهذا النوع:

للقيام بذلك، قم بالخطوات التالية:

1) دعونا نفكر في المعادلة الأولى لنظام المعادلات الجبرية الخطية ومعامل x 1 يساوي K. والثاني والثالث وما إلى ذلك. نقوم بتحويل المعادلات على النحو التالي: نقسم كل معادلة (معاملات المجهولين بما في ذلك الحدود الحرة) على معامل المجهول × 1 في كل معادلة، ونضرب في K. وبعد ذلك نطرح الأول من المعادلة الثانية ( معاملات المجهولة والمصطلحات الحرة). بالنسبة لـ x 1 في المعادلة الثانية نحصل على المعامل 0. ومن المعادلة المحولة الثالثة نطرح المعادلة الأولى حتى يكون لجميع المعادلات باستثناء الأولى، للمجهول x 1، معامل 0.

2) دعنا ننتقل إلى المعادلة التالية. لتكن هذه هي المعادلة الثانية ومعامل x 2 يساوي M. نواصل جميع المعادلات "الأدنى" كما هو موضح أعلاه. وبالتالي، "تحت" المجهول × 2 سيكون هناك أصفار في جميع المعادلات.

3) انتقل إلى المعادلة التالية وهكذا حتى يبقى آخر مجهول ويبقى الحد الحر المحول.

1. "الحركة العكسية" لطريقة غاوس هي الحصول على حل لنظام المعادلات الجبرية الخطية (الحركة "من الأسفل إلى الأعلى"). من المعادلة "الأدنى" الأخيرة نحصل على الحل الأول - المجهول x n. للقيام بذلك، نحل المعادلة الأولية A * x n = B. في المثال المذكور أعلاه، x 3 = 4. نعوض بالقيمة التي تم العثور عليها في المعادلة "العلوية" التالية ونحلها بالنسبة للمجهول التالي. على سبيل المثال، س 2 - 4 = 1، أي. × 2 = 5. وهكذا حتى نجد جميع المجهولات.

مثال.

دعونا نحل نظام المعادلات الخطية باستخدام طريقة غاوس كما ينصح بعض المؤلفين:

دعونا نكتب المصفوفة الموسعة للنظام ونحولها إلى شكل تدريجي باستخدام التحويلات الأولية:

نحن ننظر إلى "الخطوة" العلوية اليسرى. ينبغي أن يكون لدينا واحد هناك. المشكلة هي أنه لا توجد وحدات في العمود الأول على الإطلاق، وبالتالي فإن إعادة ترتيب الصفوف لن تحل أي شيء. في مثل هذه الحالات، يجب تنظيم الوحدة باستخدام تحويل أولي. يمكن القيام بذلك عادةً بعدة طرق. هيا بنا نقوم بذلك:
خطوة واحدة . نضيف إلى السطر الأول السطر الثاني مضروبًا في -1. أي أننا ضربنا السطر الثاني عقليًا في -1 وأضفنا السطرين الأول والثاني، بينما لم يتغير السطر الثاني.

الآن في أعلى اليسار يوجد "ناقص واحد"، وهو ما يناسبنا تمامًا. يمكن لأي شخص يريد الحصول على +1 تنفيذ إجراء إضافي: ضرب السطر الأول بـ –1 (تغيير علامته).

الخطوة 2 . وأضيف السطر الأول مضروبا في 5 إلى السطر الثاني، وأضيف السطر الأول مضروبا في 3 إلى السطر الثالث.

الخطوه 3 . تم ضرب السطر الأول بـ -1، من حيث المبدأ، هذا من أجل الجمال. تم أيضًا تغيير علامة السطر الثالث وتم نقلها إلى المركز الثاني، بحيث تكون لدينا في "الخطوة" الثانية الوحدة المطلوبة.

الخطوة 4 . تم إضافة السطر الثالث إلى السطر الثاني مضروبا في 2.

الخطوة 5 . تم تقسيم السطر الثالث على 3.

العلامة التي تشير إلى خطأ في الحسابات (في حالات نادرة، خطأ مطبعي) هي نتيجة "سيئة". أي أنه إذا حصلنا على شيء مثل (0 0 11 |23) أدناه، وبالتالي 11x 3 = 23، x 3 = 23/11، فبدرجة عالية من الاحتمال يمكننا القول أنه حدث خطأ أثناء المرحلة الابتدائية التحولات.

دعونا نفعل العكس؛ في تصميم الأمثلة، غالبًا لا تتم إعادة كتابة النظام نفسه، ولكن المعادلات "مأخوذة مباشرة من المصفوفة المعطاة". وأذكرك أن الحركة العكسية تعمل من الأسفل إلى الأعلى. وفي هذا المثال كانت النتيجة هدية:

× 3 = 1
× 2 = 3
× 1 + × 2 – × 3 = 1، وبالتالي × 1 + 3 – 1 = 1، × 1 = –1

إجابة:س 1 = -1، × 2 = 3، × 3 = 1.

دعونا نحل نفس النظام باستخدام الخوارزمية المقترحة. نحن نحصل

4 2 –1 1
5 3 –2 2
3 2 –3 0

نقسم المعادلة الثانية على 5، والثالثة على 3. نحصل على:

4 2 –1 1
1 0.6 –0.4 0.4
1 0.66 –1 0

بضرب المعادلتين الثانية والثالثة في 4 نحصل على:

4 2 –1 1
4 2,4 –1.6 1.6
4 2.64 –4 0

بطرح المعادلة الأولى من المعادلتين الثانية والثالثة نحصل على:

4 2 –1 1
0 0.4 –0.6 0.6
0 0.64 –3 –1

قسمة المعادلة الثالثة على 0.64:

4 2 –1 1
0 0.4 –0.6 0.6
0 1 –4.6875 –1.5625

اضرب المعادلة الثالثة في 0.4

4 2 –1 1
0 0.4 –0.6 0.6
0 0.4 –1.875 –0.625

وبطرح الثانية من المعادلة الثالثة، نحصل على مصفوفة موسعة "متدرجة":

4 2 –1 1
0 0.4 –0.6 0.6
0 0 –1.275 –1.225

وبالتالي، بما أن الخطأ المتراكم أثناء العمليات الحسابية، نحصل على x 3 = 0.96 أو 1 تقريبًا.

× 2 = 3 و × 1 = -1.

من خلال الحل بهذه الطريقة، لن تتشوش أبدًا في الحسابات، وعلى الرغم من الأخطاء الحسابية، سوف تحصل على النتيجة.

هذه الطريقة لحل نظام المعادلات الجبرية الخطية قابلة للبرمجة بسهولة ولا تأخذ في الاعتبار السمات المحددة لمعاملات المجهول، لأنه في الممارسة العملية (في الحسابات الاقتصادية والتقنية) يتعين على المرء التعامل مع معاملات غير صحيحة.

أتمنى لك النجاح! اراك في الفصل! مدرس خاص.

blog.site، عند نسخ المادة كليًا أو جزئيًا، يلزم وجود رابط للمصدر الأصلي.

في هذه المقالة، تعتبر الطريقة بمثابة طريقة لحل أنظمة المعادلات الخطية (SLAEs). الطريقة تحليلية، أي أنها تسمح لك بكتابة خوارزمية الحل بشكل عام، ثم استبدال القيم من أمثلة محددة هناك. على عكس طريقة المصفوفة أو صيغ كرامر، عند حل نظام من المعادلات الخطية باستخدام طريقة غاوس، يمكنك أيضًا العمل مع تلك التي لديها عدد لا حصر له من الحلول. أو أنهم لا يملكونها على الإطلاق.

ماذا يعني الحل باستخدام الطريقة الغوسية؟

أولًا، علينا كتابة نظام المعادلات بالشكل التالي. خذ النظام:

تُكتب المعاملات على شكل جدول، وتُكتب الحدود الحرة في عمود منفصل على اليمين. يتم فصل العمود الذي يحتوي على مصطلحات مجانية لتسهيل الأمر، وتسمى المصفوفة التي تتضمن هذا العمود ممتدة.

بعد ذلك، يجب تقليل المصفوفة الرئيسية ذات المعاملات إلى شكل مثلث علوي. هذه هي النقطة الرئيسية لحل النظام باستخدام الطريقة الغوسية. ببساطة، بعد بعض التلاعب، يجب أن تبدو المصفوفة بحيث يحتوي الجزء السفلي الأيسر منها على أصفار فقط:

بعد ذلك، إذا قمت بكتابة المصفوفة الجديدة مرة أخرى كنظام من المعادلات، ستلاحظ أن الصف الأخير يحتوي بالفعل على قيمة أحد الجذور، والذي يتم بعد ذلك استبداله في المعادلة أعلاه، ويتم العثور على جذر آخر، وهكذا.

هذا وصف للحل بالطريقة الغوسية بالمصطلحات الأكثر عمومية. ماذا يحدث إذا لم يكن لدى النظام حل فجأة؟ أم أن هناك عددًا لا نهائيًا منهم؟ للإجابة على هذه الأسئلة والعديد من الأسئلة الأخرى، من الضروري النظر بشكل منفصل في جميع العناصر المستخدمة في حل الطريقة الغوسية.

المصفوفات، خصائصها

لا يوجد معنى خفي في المصفوفة. هذه ببساطة طريقة ملائمة لتسجيل البيانات للعمليات اللاحقة بها. حتى تلاميذ المدارس لا يحتاجون إلى الخوف منهم.

المصفوفة دائمًا مستطيلة لأنها أكثر ملاءمة. حتى في طريقة غاوس، حيث يتلخص كل شيء في بناء مصفوفة ذات شكل مثلث، يظهر مستطيل في الإدخال، فقط مع وجود أصفار في المكان الذي لا توجد فيه أرقام. قد لا تكون الأصفار مكتوبة، لكنها ضمنية.

المصفوفة لها حجم. "العرض" هو عدد الصفوف (م)، "الطول" هو عدد الأعمدة (ن). ثم سيتم الإشارة إلى حجم المصفوفة A (عادة ما تستخدم الحروف اللاتينية الكبيرة للدلالة عليها) على أنها A m×n. إذا كانت m=n، فهذه المصفوفة مربعة، وm=n هو ترتيبها. وفقًا لذلك، يمكن الإشارة إلى أي عنصر في المصفوفة A بأرقام الصفوف والأعمدة الخاصة به: a xy ; x - رقم الصف، التغييرات، y - رقم العمود، التغييرات.

B ليست النقطة الرئيسية في القرار. من حيث المبدأ، يمكن تنفيذ جميع العمليات مباشرة باستخدام المعادلات نفسها، ولكن التدوين سيكون أكثر تعقيدًا، وسيكون الخلط فيه أسهل بكثير.

محدد

المصفوفة لديها أيضا محدد. هذه خاصية مهمة جدا. ليست هناك حاجة لمعرفة معناها الآن، يمكنك ببساطة إظهار كيفية حسابها، ثم معرفة خصائص المصفوفة التي تحددها. أسهل طريقة للعثور على المحدد هي من خلال الأقطار. يتم رسم الأقطار الوهمية في المصفوفة؛ يتم مضاعفة العناصر الموجودة على كل منها، ثم تضاف المنتجات الناتجة: الأقطار مع منحدر إلى اليمين - مع علامة زائد، مع منحدر إلى اليسار - مع علامة ناقص.

من المهم للغاية ملاحظة أنه لا يمكن حساب المحدد إلا لمصفوفة مربعة. بالنسبة للمصفوفة المستطيلة، يمكنك القيام بما يلي: اختر الأصغر من بين عدد الصفوف وعدد الأعمدة (فليكن k)، ثم قم بوضع علامة بشكل عشوائي على أعمدة k وصفوف k في المصفوفة. ستشكل العناصر الموجودة عند تقاطع الأعمدة والصفوف المحددة مصفوفة مربعة جديدة. إذا كان محدد مثل هذه المصفوفة رقما غير الصفر، فإنه يسمى الأساس الأصغر للمصفوفة المستطيلة الأصلية.

قبل البدء في حل نظام المعادلات باستخدام طريقة غاوس، لن يضر حساب المحدد. إذا تبين أنها صفر، فيمكننا القول على الفور أن المصفوفة إما تحتوي على عدد لا نهائي من الحلول أو لا تحتوي على أي شيء على الإطلاق. في مثل هذه الحالة الحزينة، عليك أن تذهب أبعد من ذلك وتتعرف على رتبة المصفوفة.

تصنيف النظام

هناك شيء مثل رتبة المصفوفة. هذا هو الترتيب الأقصى لمحددها غير الصفر (إذا تذكرنا الأساس الصغير، يمكننا القول أن رتبة المصفوفة هي ترتيب الأساس الثانوي).

بناءً على الوضع مع الرتبة، يمكن تقسيم SLAE إلى:

• مشترك. شفي الأنظمة المشتركة، تتطابق رتبة المصفوفة الرئيسية (التي تتكون من المعاملات فقط) مع رتبة المصفوفة الموسعة (مع عمود من المصطلحات الحرة). مثل هذه الأنظمة لها حل، ولكن ليس بالضرورة حلًا واحدًا، لذلك تنقسم الأنظمة المشتركة أيضًا إلى:
• - تأكيد- وجود حل واحد. في بعض الأنظمة، تكون رتبة المصفوفة وعدد المجهولين (أو عدد الأعمدة، وهو نفس الشيء) متساويين؛
• - غير معرف -مع عدد لا نهائي من الحلول . رتبة المصفوفات في مثل هذه الأنظمة أقل من عدد المجهولين.
• غير متوافق. شفي مثل هذه الأنظمة، لا تتطابق صفوف المصفوفات الرئيسية والممتدة. الأنظمة غير المتوافقة ليس لها حل.

تعتبر طريقة غاوس جيدة لأنها تسمح أثناء الحل بالحصول على دليل لا لبس فيه على عدم تناسق النظام (دون حساب محددات المصفوفات الكبيرة)، أو حل بشكل عام لنظام يحتوي على عدد لا حصر له من الحلول.

التحولات الأولية

قبل الشروع مباشرة في حل النظام، يمكنك جعله أقل تعقيدًا وأكثر ملاءمة لإجراء العمليات الحسابية. يتم تحقيق ذلك من خلال التحولات الأولية - بحيث لا يغير تنفيذها الإجابة النهائية بأي شكل من الأشكال. تجدر الإشارة إلى أن بعض التحويلات الأولية المعطاة صالحة فقط للمصفوفات التي كان مصدرها SLAE. وفيما يلي قائمة بهذه التحولات:

1. إعادة ترتيب الخطوط. من الواضح أنه إذا قمت بتغيير ترتيب المعادلات في سجل النظام، فلن يؤثر ذلك على الحل بأي شكل من الأشكال. وبالتالي، يمكن أيضًا تبديل الصفوف الموجودة في مصفوفة هذا النظام، دون أن ننسى بالطبع عمود المصطلحات المجانية.
2. ضرب جميع عناصر السلسلة بمعامل معين. مفيد جدا! يمكن استخدامه لتقليل الأعداد الكبيرة في المصفوفة أو إزالة الأصفار. العديد من القرارات، كالعادة، لن تتغير، لكن العمليات الإضافية ستصبح أكثر ملاءمة. الشيء الرئيسي هو أن المعامل لا يساوي الصفر.
3. إزالة الصفوف مع العوامل التناسبية. هذا يتبع جزئيا من الفقرة السابقة. إذا كان لصفين أو أكثر في مصفوفة معاملات متناسبة، فعند ضرب/قسمة أحد الصفوف على معامل التناسب، يتم الحصول على صفين (أو مرة أخرى أكثر) متطابقين تمامًا، ويمكن إزالة الصفوف الإضافية، مما يترك واحد فقط.
4. إزالة سطر فارغ. إذا تم الحصول على صف أثناء التحويل في مكان ما تكون فيه جميع العناصر، بما في ذلك الحد الحر، صفرًا، فيمكن تسمية هذا الصف بالصفر وإلقائه خارج المصفوفة.
5. إضافة عناصر صف واحد إلى عناصر صف آخر (في الأعمدة المقابلة) مضروبة في معامل معين. التحول الأكثر غموضا والأكثر أهمية على الإطلاق. يجدر الخوض فيه بمزيد من التفصيل.

إضافة سلسلة مضروبة في عامل

لسهولة الفهم، يجدر تقسيم هذه العملية خطوة بخطوة. يتم أخذ صفين من المصفوفة:

أ 11 أ 12 ... أ 1 ن | ب1

أ 21 أ 22 ... أ 2 ن | ب 2

لنفترض أنك بحاجة إلى إضافة الأول إلى الثاني مضروبًا في المعامل "-2".

أ" 21 = أ 21 + -2 × أ 11

أ" 22 = أ 22 + -2 × أ 12

أ" 2ن = أ 2ن + -2×أ 1ن

ثم يتم استبدال الصف الثاني في المصفوفة بآخر جديد، ويبقى الأول دون تغيير.

أ 11 أ 12 ... أ 1 ن | ب1

أ" 21 أ" 22 ... أ" 2 ن | ب 2

وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن اختيار معامل الضرب بحيث يكون أحد عناصر الصف الجديد، نتيجة إضافة صفين، يساوي الصفر. لذلك، من الممكن الحصول على معادلة في نظام حيث سيكون هناك معادلة أقل مجهولة. وإذا حصلت على معادلتين من هذا القبيل، فيمكن إجراء العملية مرة أخرى والحصول على معادلة تحتوي على عدد أقل من المجهولين. وإذا قمت في كل مرة بتحويل معامل واحد لجميع الصفوف التي هي أقل من الواحد الأصلي إلى صفر، فيمكنك، مثل الدرج، النزول إلى أسفل المصفوفة والحصول على معادلة بمجهول واحد. وهذا ما يسمى حل النظام باستخدام طريقة غاوس.

على العموم

فليكن هناك نظام. لديها معادلات m وجذور n غير معروفة. يمكنك كتابتها على النحو التالي:

يتم تجميع المصفوفة الرئيسية من معاملات النظام. تتم إضافة عمود من المصطلحات المجانية إلى المصفوفة الموسعة، ويتم فصلها بخط من أجل الراحة.

• يتم ضرب الصف الأول من المصفوفة بالمعامل k = (-a 21 /a 11);
• تتم إضافة الصف المعدل الأول والصف الثاني من المصفوفة؛
• بدلا من الصف الثاني، يتم إدراج نتيجة الإضافة من الفقرة السابقة في المصفوفة؛
• الآن المعامل الأول في الصف الثاني الجديد هو 11 × (-a 21 /a 11) + a 21 = -a 21 + a 21 = 0.

الآن يتم تنفيذ نفس سلسلة التحولات، ويشارك فقط الصفين الأول والثالث. وفقًا لذلك، في كل خطوة من الخوارزمية، يتم استبدال العنصر 21 بالعنصر 31. ثم يتكرر كل شيء لـ 41، ... m1. والنتيجة هي مصفوفة حيث العنصر الأول في الصفوف هو صفر. أنت الآن بحاجة إلى نسيان السطر الأول وتنفيذ نفس الخوارزمية بدءًا من السطر الثاني:

• معامل ك = (-أ 32 /أ 22)؛
• ويضاف السطر الثاني المعدل إلى السطر "الحالي"؛
• يتم استبدال نتيجة الإضافة في السطر الثالث والرابع وما إلى ذلك، بينما يظل الأول والثاني دون تغيير؛
• في صفوف المصفوفة، العنصران الأولان يساويان الصفر بالفعل.

يجب تكرار الخوارزمية حتى يظهر المعامل k = (-a m,m-1 /a mm). وهذا يعني أن آخر مرة تم فيها تنفيذ الخوارزمية كانت للمعادلة الأدنى فقط. تبدو المصفوفة الآن مثل المثلث، أو لها شكل متدرج. في الخلاصة هناك المساواة a mn × x n = b m. المعامل والحد الحر معروفان، ويعبر عنهما الجذر: x n = b m /a mn. يتم استبدال الجذر الناتج في السطر العلوي لإيجاد x n-1 = (b m-1 - a m-1,n ×(b m /a mn))÷a m-1,n-1. وهكذا عن طريق القياس: في كل سطر تالٍ يوجد جذر جديد، وبعد أن وصلت إلى "قمة" النظام، يمكنك العثور على العديد من الحلول. وسوف يكون الوحيد.

عندما لا يكون هناك حلول

إذا كانت جميع العناصر في أحد صفوف المصفوفات، باستثناء الحد الحر، تساوي صفرًا، فستبدو المعادلة المقابلة لهذا الصف مثل 0 = b. ليس لها حل. وبما أن هذه المعادلة مدرجة في النظام، فإن مجموعة حلول النظام بأكمله فارغة، أي أنها تتدهور.

عندما يكون هناك عدد لا نهائي من الحلول

قد يحدث أنه في المصفوفة المثلثية المعطاة لا توجد صفوف تحتوي على عنصر معامل واحد في المعادلة وحد حر واحد. لا يوجد سوى سطور تبدو، عند إعادة كتابتها، كمعادلة ذات متغيرين أو أكثر. وهذا يعني أن النظام لديه عدد لا حصر له من الحلول. في هذه الحالة، يمكن إعطاء الإجابة في شكل حل عام. كيف افعلها؟

تنقسم جميع المتغيرات في المصفوفة إلى أساسية ومجانية. الأساسية هي تلك التي تقف "على حافة" الصفوف في مصفوفة الخطوات. الباقي مجاني. في الحل العام يتم كتابة المتغيرات الأساسية من خلال المتغيرات الحرة.

للراحة، يتم أولا إعادة كتابة المصفوفة مرة أخرى إلى نظام المعادلات. ثم في الأخير، حيث لم يتبق سوى متغير أساسي واحد بالضبط، فإنه يبقى على جانب واحد، ويتم نقل كل شيء آخر إلى الجانب الآخر. يتم ذلك لكل معادلة ذات متغير أساسي واحد. ثم، في المعادلات المتبقية، حيثما أمكن، يتم استبدال التعبير الذي تم الحصول عليه بدلاً من المتغير الأساسي. إذا كانت النتيجة مرة أخرى عبارة عن تعبير يحتوي على متغير أساسي واحد فقط، فسيتم التعبير عنه مرة أخرى من هناك، وهكذا، حتى تتم كتابة كل متغير أساسي كتعبير بمتغيرات حرة. هذا هو الحل العام لـ SLAE.

يمكنك أيضًا العثور على الحل الأساسي للنظام - إعطاء المتغيرات الحرة أي قيم، ثم في هذه الحالة المحددة قم بحساب قيم المتغيرات الأساسية. هناك عدد لا حصر له من الحلول المحددة التي يمكن تقديمها.

الحل مع أمثلة محددة

هنا نظام المعادلات.

للراحة، من الأفضل إنشاء مصفوفة على الفور

ومن المعروف أنه عند حلها بالطريقة الغوسية فإن المعادلة المقابلة للصف الأول ستبقى كما هي عند نهاية التحويلات. ولذلك، سيكون أكثر ربحية إذا كان العنصر العلوي الأيسر من المصفوفة هو الأصغر - ثم العناصر الأولى من الصفوف المتبقية بعد العمليات سوف تتحول إلى الصفر. هذا يعني أنه في المصفوفة المترجمة سيكون من المفيد وضع الصف الثاني بدلاً من الصف الأول.

السطر الثاني: ك = (-أ 21 /أ 11) = (-3/1) = -3

أ" 21 = أ 21 + ك×أ 11 = 3 + (-3)×1 = 0

أ" 22 = أ 22 + ك×أ 12 = -1 + (-3)×2 = -7

أ" 23 = أ 23 + ك×أ 13 = 1 + (-3)×4 = -11

ب" 2 = ب 2 + ك×ب 1 = 12 + (-3)×12 = -24

السطر الثالث: ك = (-أ 3 1 /أ 11) = (-5/1) = -5

أ" 3 1 = أ 3 1 + ك×أ 11 = 5 + (-5)×1 = 0

أ" 3 2 = أ 3 2 + ك×أ 12 = 1 + (-5)×2 = -9

أ" 3 3 = أ 33 + ك×أ 13 = 2 + (-5)×4 = -18

ب" 3 = ب 3 + ك×ب 1 = 3 + (-5)×12 = -57

الآن، لكي لا تشعر بالارتباك، تحتاج إلى كتابة مصفوفة مع النتائج المتوسطة للتحولات.

من الواضح أن مثل هذه المصفوفة يمكن جعلها أكثر ملاءمة للإدراك باستخدام عمليات معينة. على سبيل المثال، يمكنك إزالة جميع "السلبيات" من السطر الثاني عن طريق ضرب كل عنصر في "-1".

ومن الجدير بالذكر أيضًا أن جميع العناصر في السطر الثالث هي مضاعفات العدد ثلاثة. ثم يمكنك تقصير السلسلة بهذا الرقم، وضرب كل عنصر بـ "-1/3" (ناقص - في نفس الوقت، لإزالة القيم السالبة).

تبدو أجمل بكثير. الآن نحن بحاجة إلى ترك السطر الأول وحده والعمل مع الثاني والثالث. وتتمثل المهمة في إضافة السطر الثاني إلى السطر الثالث، مضروبًا في المعامل الذي يجعل العنصر 32 يساوي الصفر.

k = (-a 32 /a 22) = (-3/7) = -3/7 (إذا لم يتبين أن الإجابة خلال بعض التحويلات عدد صحيح، فمن المستحسن الحفاظ على دقة الحسابات للمغادرة "كما هي"، في شكل كسور عادية، وعندها فقط، عند تلقي الإجابات، تقرر ما إذا كان سيتم التقريب والتحويل إلى شكل آخر من أشكال التسجيل)

أ" 32 = أ 32 + ك×أ 22 = 3 + (-3/7)×7 = 3 + (-3) = 0

أ" 33 = أ 33 + ك×أ 23 = 6 + (-3/7)×11 = -9/7

ب" 3 = ب 3 + ك×ب 2 = 19 + (-3/7)×24 = -61/7

تتم كتابة المصفوفة مرة أخرى بقيم جديدة.

كما ترون، المصفوفة الناتجة لديها بالفعل شكل متدرج. ولذلك، ليست هناك حاجة إلى مزيد من التحولات للنظام باستخدام طريقة غاوس. ما يمكنك فعله هنا هو إزالة المعامل الإجمالي "-1/7" من السطر الثالث.

الآن كل شيء جميل. كل ما علينا فعله هو كتابة المصفوفة مرة أخرى في صورة نظام معادلات وحساب الجذور

س + 2ص + 4ض = 12 (1)

7ص + 11ض = 24 (2)

تسمى الخوارزمية التي سيتم من خلالها العثور على الجذور الآن بالحركة العكسية في الطريقة الغوسية. تحتوي المعادلة (3) على القيمة z:

ص = (24 - 11×(61/9))/7 = -65/9

والمعادلة الأولى تسمح لنا بإيجاد x:

س = (12 - 4ض - 2ص)/1 = 12 - 4×(61/9) - 2×(-65/9) = -6/9 = -2/3

لدينا الحق في أن نطلق على مثل هذا النظام اسم مشترك، بل ومحدد، أي أن له حلًا فريدًا. الجواب مكتوب على الشكل التالي :

س 1 = -2/3، ص = -65/9، ض = 61/9.

مثال على نظام غير مؤكد

تم تحليل متغير حل نظام معين باستخدام طريقة غاوس، والآن من الضروري النظر في الحالة إذا كان النظام غير مؤكد، أي أنه يمكن العثور على العديد من الحلول له بشكل لا نهائي.

س 1 + س 2 + س 3 + س 4 + س 5 = 7 (1)

3x 1 + 2x 2 + x 3 + x 4 - 3x 5 = -2 (2)

× 2 + 2x 3 + 2x 4 + 6x 5 = 23 (3)

5x 1 + 4x 2 + 3x 3 + 3x 4 - س 5 = 12 (4)

إن مظهر النظام ذاته مثير للقلق بالفعل، لأن عدد المجهولين هو n = 5، ورتبة مصفوفة النظام أقل بالضبط من هذا الرقم، لأن عدد الصفوف هو m = 4، أي، أكبر ترتيب لمربع المحدد هو 4. وهذا يعني أن هناك عددًا لا حصر له من الحلول، وعليك البحث عن مظهره العام. تتيح لك طريقة غاوس للمعادلات الخطية القيام بذلك.

أولا، كالعادة، يتم تجميع مصفوفة موسعة.

السطر الثاني: المعامل ك = (-أ 21 /أ 11) = -3. في السطر الثالث، العنصر الأول هو قبل التحولات، لذلك لا تحتاج إلى لمس أي شيء، تحتاج إلى تركه كما هو. السطر الرابع: ك = (-أ 4 1 /أ 11) = -5

وبضرب عناصر الصف الأول في كل من معاملاتها على التوالي وإضافتها إلى الصفوف المطلوبة نحصل على مصفوفة بالشكل التالي:

كما ترون، تتكون الصفوف الثاني والثالث والرابع من عناصر متناسبة مع بعضها البعض. الثاني والرابع متطابقان بشكل عام، لذلك يمكن إزالة أحدهما على الفور، ويمكن ضرب الباقي بالمعامل "-1" والحصول على السطر رقم 3. ومرة ​​أخرى، من بين سطرين متطابقين، اترك واحدًا.

والنتيجة هي مصفوفة مثل هذا. في حين أن النظام لم يتم تدوينه بعد، فمن الضروري تحديد المتغيرات الأساسية هنا - تلك التي تقف عند المعاملات a 11 = 1 و 22 = 1، والمتغيرات الحرة - كل الباقي.

في المعادلة الثانية يوجد متغير أساسي واحد فقط - x 2. هذا يعني أنه يمكن التعبير عنه من هناك عن طريق كتابته من خلال المتغيرات x 3 , x 4 , x 5 , وهي مجانية.

نعوض بالتعبير الناتج في المعادلة الأولى.

والنتيجة هي معادلة حيث المتغير الأساسي الوحيد هو x 1 . لنفعل نفس الشيء كما هو الحال مع x 2.

جميع المتغيرات الأساسية، والتي يوجد منها متغيران، يتم التعبير عنها بثلاثة متغيرات حرة، والآن يمكننا كتابة الإجابة في الصورة العامة.

يمكنك أيضًا تحديد أحد الحلول الخاصة بالنظام. في مثل هذه الحالات، عادة ما يتم اختيار الأصفار كقيم للمتغيرات الحرة. عندها يكون الجواب:

16, 23, 0, 0, 0.

مثال على النظام غير التعاوني

يعد حل أنظمة المعادلات غير المتوافقة باستخدام طريقة غاوس هو الأسرع. وينتهي فورًا بمجرد الحصول في إحدى المراحل على معادلة ليس لها حل. أي أنه تم التخلص من مرحلة حساب الجذور، وهي مرحلة طويلة جدًا ومملة. ويراعى النظام التالي :

س + ص - ض = 0 (1)

2س - ص - ض = -2 (2)

4س + ص - 3ض = 5 (3)

كالعادة، يتم تجميع المصفوفة:

ويتم اختصاره إلى شكل تدريجي:

ك 1 = -2 ك 2 = -4

بعد التحويل الأول، يحتوي السطر الثالث على معادلة النموذج

بدون حل. وبالتالي فإن النظام غير متناسق، والإجابة ستكون المجموعة الفارغة.

مزايا وعيوب الطريقة

إذا اخترت طريقة حل SLAEs على الورق باستخدام قلم، فإن الطريقة التي تمت مناقشتها في هذه المقالة تبدو الأكثر جاذبية. إن الخلط بين التحويلات الأولية أصعب بكثير مما لو كان عليك البحث يدويًا عن محدد أو مصفوفة معكوسة صعبة. ومع ذلك، إذا كنت تستخدم برامج للعمل مع بيانات من هذا النوع، على سبيل المثال، جداول البيانات، فقد اتضح أن هذه البرامج تحتوي بالفعل على خوارزميات لحساب المعلمات الرئيسية للمصفوفات - المحدد، والقصر، والعكس، وما إلى ذلك. وإذا كنت متأكدًا من أن الآلة ستحسب هذه القيم بنفسها ولن تخطئ، فمن الأفضل استخدام طريقة المصفوفات أو صيغ كرامر، لأن تطبيقها يبدأ وينتهي بحساب المحددات والمصفوفات العكسية .

طلب

نظرًا لأن الحل Gaussian عبارة عن خوارزمية، والمصفوفة هي في الواقع مصفوفة ثنائية الأبعاد، فيمكن استخدامها في البرمجة. ولكن بما أن المقالة تضع نفسها كدليل "للدمى"، فيجب القول أن أسهل مكان لوضع الطريقة فيه هو جداول البيانات، على سبيل المثال، Excel. مرة أخرى، سيتم اعتبار أي SLAE يتم إدخاله في جدول على شكل مصفوفة بواسطة Excel بمثابة مصفوفة ثنائية الأبعاد. وبالنسبة للعمليات، هناك العديد من الأوامر اللطيفة: الجمع (يمكنك فقط إضافة مصفوفات من نفس الحجم!) ، حساب المحدد. إذا تم استبدال هذه المهمة التي تستغرق وقتًا طويلاً بأمر واحد، فمن الممكن تحديد رتبة المصفوفة بسرعة أكبر، وبالتالي تحديد توافقها أو عدم توافقها.