Метода Гаусса: примеры решения СЛАУ

Метод Гаусса — это метод, который применяется при решении систем линейных алгебраических уравнений и имеет следующие преимущества:

отсутствует необходимость проверять систему уравнений на совместность;
есть возможность решать системы уравнений, где:
количество определителей совпадает с количеством неизвестных переменных;
количество определителей не совпадает с количеством неизвестных переменных;
определитель равен нулю.
результат выдается при сравнительно небольшом количестве вычислительных операций.

Основные определения и обозначения

Есть система из р линейных уравнений с n неизвестными ( p может быть равно n ):

a 11 x 1 + a 12 x 2 + . . . + a 1 n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + . . . + a 2 n x n = b 2 ⋯ a p 1 x 1 + a p 2 x 2 + . . . + a p n x n = b p ,

где x 1 , x 2 , . . . . , x n — неизвестные переменные, a i j , i = 1 , 2 . . . , p , j = 1 , 2 . . . , n — числа (действительные или комплексные), b 1 , b 2 , . . . , b n — свободные члены.

Если b 1 = b 2 = . . . = b n = 0 , то такую систему линейных уравнений называют однородной, если наоборот — неоднородной.

Решение СЛАУ — совокупность значения неизвестных переменных x 1 = a 1 , x 2 = a 2 , . . . , x n = a n , при которых все уравнения системы становятся тождественными друг другу.

Совместная СЛАУ — система, для которой существует хотя бы один вариант решения. В противном случае она называется несовместной.

Определенная СЛАУ — это такая система, которая имеет единственное решение. В случае, если решений больше одного, то такая система будет называться неопределенной.

Координатный вид записи:

a 11 x 1 + a 12 x 2 + . . . + a 1 n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + . . . + a 2 n x n = b 2 ⋯ a p 1 x 1 + a p 2 x 2 + . . . + a p n x n = b p

Матричный вид записи: A X = B , где

A = a 11 a 12 ⋯ a 1 n a 21 a 22 ⋯ a 2 n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a p 1 a p 2 ⋯ a p n - основная матрица СЛАУ;

X = x 1 x 2 ⋮ x n - матрица-столбец неизвестных переменных;

B = b 1 b 2 ⋮ b n - матрица свободных членов.

Расширенная матрица — матрица, которая получается при добавлении в качестве ( n + 1 ) столбца матрицу-столбец свободных членов и имеет обозначение Т .

T = a 11 a 12 ⋮ a 1 n b 1 a 21 a 22 ⋮ a 2 n b 2 ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ a p 1 a p 2 ⋮ a p n b n

Вырожденная квадратная матрица А — матрица, определитель которой равняется нулю. Если определитель не равен нулю, то такая матрица, а потом называется невырожденной.

Описание алгоритма использования метода Гаусса для решения СЛАУ с равным количеством уравнений и неизвестных (обратный и прямой ход метода Гаусса)

Для начала разберемся с определениями прямого и обратного ходов метода Гаусса.

Прямой ход Гаусса — процесс последовательного исключения неизвестных.

Обратный ход Гаусса — процесс последовательного нахождения неизвестных от последнего уравнения к первому.

Алгоритм метода Гаусса:

Решаем систему из n линейных уравнений с n неизвестными переменными:

a 11 x 1 + a 12 x 2 + a 13 x 3 + . . . + a 1 n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + a 23 x 3 + . . . + a 2 n x n = b 2 a 31 x 1 + a 32 x 2 + a 33 x 3 + . . . + a 3 n x n = b 3 ⋯ a n 1 x 1 + a n 2 x 2 + a n 3 x 3 + . . . + a n n x n = b n

Определитель матрицы не равен нулю.

a 11 не равен нулю - всегда можно добиться этого перестановкой уравнений системы;
исключаем переменную x 1 из всех уравнений систему, начиная со второго;
прибавим ко второму уравнению системы первое, которое умножено на - a 21 a 11 , прибавим к третьему уравнению первое умноженное на - a 21 a 11 и т.д.

После проведенных действий матрица примет вид:

a 11 x 1 + a 12 x 2 + a 13 x 3 + . . . + a 1 n x n = b 1 a ( 1 ) 22 x 2 + a ( 1 ) 23 x 3 + . . . + a ( 1 ) 2 n x n = b ( 1 ) 2 a ( 1 ) 32 x 2 + a ( 1 ) 33 x 3 + . . . + a ( 1 ) 3 n x n = b ( 1 ) 3 ⋯ a ( 1 ) n 2 x 2 + a ( 1 ) n 3 x 3 + . . . + a ( 1 ) n n x n = b ( 1 ) n ,

где a i j ( 1 ) = a i j + a 1 j ( - a i 1 a 11 ) , i = 2 , 3 , . . . , n , j = 2 , 3 , . . . , n , b i ( 1 ) = b i + b 1 ( - a i 1 a 11 ) , i = 2 , 3 , . . . , n .

Далее производим аналогичные действия с выделенной частью системы:

a 11 x 1 + a 12 x 2 + a 13 x 3 + . . . + a 1 n x n = b 1 a ( 1 ) 22 x 2 + a ( 1 ) 23 x 3 + . . . + a ( 1 ) 2 n x n = b ( 1 ) 2 a ( 1 ) 32 x 2 + a ( 1 ) 33 x 3 + . . . + a ( 1 ) 3 n x n = b ( 1 ) 3 ⋯ a ( 1 ) n 2 x 2 + a ( 1 ) n 3 x 3 + . . . + a ( 1 ) n n x n = b ( 1 ) n

Считается, что a 22 ( 1 ) не равна нулю. Таким образом, приступаем к исключению неизвестной переменной x 2 из всех уравнений, начиная с третьего:

к третьему уравнению систему прибавляем второе, которое умножено на - a ( 1 ) 42 a ( 1 ) 22 ;
к четвертому прибавляем второе, которое умножено на - a ( 1 ) 42 a ( 1 ) 22 и т.д.

После таких манипуляций СЛАУ имеет следующий вид:

a 11 x 1 + a 12 x 2 + a 13 x 3 + . . . + a 1 n x n = b 1 a ( 1 ) 22 x 2 + a ( 1 ) 23 x 3 + . . . + a ( 1 ) 2 n x n = b ( 1 ) 2 a ( 2 ) 33 x 3 + . . . + a ( 2 ) 3 n x n = b ( 2 ) 3 ⋯ a ( 2 ) n 3 x 3 + . . . + a ( 2 ) n n x n = b ( 2 ) n ,

где a i j ( 2 ) = a ( 1 ) i j + a 2 j ( - a ( 1 ) i 2 a ( 1 ) 22 ) , i = 3 , 4 , . . . , n , j = 3 , 4 , . . . , n , b i ( 2 ) = b ( 1 ) i + b ( 1 ) 2 ( - a ( 1 ) i 2 a ( 1 ) 22 ) , i = 3 , 4 , . . . , n . .

Таким образом, переменная x 2 исключена из всех уравнений, начиная с третьего.

Далее приступаем к исключению неизвестной x 3 , действуя по аналоги с предыдущим образцом:

a 11 x 1 + a 12 x 2 + a 13 x 3 + . . . + a 1 n x n = b 1 a ( 1 ) 22 x 2 + a ( 1 ) 23 x 3 + . . . + a ( 1 ) 2 n x n = b ( 1 ) 2 a ( 2 ) 33 x 3 + . . . + a ( 2 ) 3 n x n = b ( 2 ) 3 ⋯ a ( n - 1 ) n n x n = b ( n - 1 ) n

После того как система приняла такой вид, можно начать обратный ход метода Гаусса:

вычисляем x n из последнего уравнения как x n = b n ( n - 1 ) a n n ( n - 1 ) ;
с помощью полученного x n находим x n - 1 из предпоследнего уравнения и т.д., находим x 1 из первого уравнения.

Найти решение системы уравнений методом Гаусса:

3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 x 1 - x 2 + 4 x 3 - x 4 = - 1 - 2 x 1 - 2 x 2 - 3 x 3 + x 4 = 9 x 1 + 5 x 2 - x 3 + 2 x 4 = 4

Коэффициент a 11 отличен от нуля, поэтому приступаем к прямому ходу решения, т.е. к исключению переменной x 11 из всех уравнений системы, кроме первого. Для того, чтобы это сделать, прибавляем к левой и правой частям 2-го, 3-го и 4-го уравнений левую и правую часть первого, которая умножена на - a 21 a 11 :

- 1 3 , - а 31 а 11 = - - 2 3 = 2 3 и - а 41 а 11 = - 1 3 .

3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 x 1 - x 2 + 4 x 3 - x 4 = - 1 - 2 x 1 - 2 x 2 - 3 x 3 + x 4 = 9 x 1 + 5 x 2 - x 3 + 2 x 4 = 4 ⇔

⇔ 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 x 1 - x 2 + 4 x 3 - x 4 + ( - 1 3 ) ( 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 ) = - 1 + ( - 1 3 ) ( - 2 ) - 2 x 1 - 2 x 2 - 3 x 3 + x 4 + 2 3 ( 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 ) = 9 + 2 3 ( - 2 ) x 1 + 5 x 2 - x 3 + 2 x 4 + ( - 1 3 ) ( 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 ) = 4 + ( - 1 3 ) ( - 2 ) ⇔

⇔ 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 = - 1 3 - 2 3 x 2 - 7 3 x 3 + 5 3 x 4 = 23 3 13 3 x 2 - 4 3 x 3 + 5 3 x 4 = 14 3

Мы исключили неизвестную переменную x 1 , теперь приступаем к исключению переменной x 2 :

- a 32 ( 1 ) a 22 ( 1 ) = - - 2 3 - 5 3 = - 2 5 и а 42 ( 1 ) а 22 ( 1 ) = - 13 3 - 5 3 = 13 5 :

3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 = - 1 3 - 2 3 x 2 - 7 3 x 3 + 5 3 x 4 = 23 3 13 3 x 2 - 4 3 x 3 + 5 3 x 4 = 14 3 ⇔

⇔ 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 = - 1 3 - 2 3 x 2 - 7 3 x 3 + 5 3 x 4 + ( - 2 5 ) ( - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 ) = 23 3 + ( - 2 5 ) ( - 1 3 ) 13 3 x 2 - 4 3 x 3 + 5 3 x 4 + 13 5 ( - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 ) = 14 3 + 13 5 ( - 1 3 ) ⇔

⇔ 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 = - 1 3 - 19 5 x 3 + 11 5 x 4 = 39 5 41 5 x 3 - 9 5 x 4 = 19 5

Для того чтобы завершить прямой ход метода Гаусса, необходимо исключить x 3 из последнего уравнения системы - а 43 ( 2 ) а 33 ( 2 ) = - 41 5 - 19 5 = 41 19 :

3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 = - 1 3 - 19 5 x 3 + 11 5 x 4 = 39 5 41 5 x 3 - 9 5 x 4 = 19 5 ⇔

3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 = - 1 3 - 19 5 x 3 + 11 5 x 4 = 39 5 41 5 x 3 - 9 5 x 4 + 41 19 ( - 19 5 x 3 + 11 5 x 4 ) = 19 5 + 41 19 39 5 ⇔

⇔ 3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 - 5 3 x 2 + 11 3 x 3 - 4 3 x 4 = - 1 3 - 19 5 x 3 + 11 5 x 4 = 39 5 56 19 x 4 = 392 19

Обратный ход метода Гаусса:

из последнего уравнения имеем: x 4 = 392 19 56 19 = 7 ;
из 3-го уравнения получаем: x 3 = - 5 19 ( 39 5 - 11 5 x 4 ) = - 5 19 ( 39 5 - 11 5 × 7 ) = 38 19 = 2 ;
из 2-го: x 2 = - 3 5 ( - 1 3 - 11 3 x 4 + 4 3 x 4 ) = - 3 5 ( - 1 3 - 11 3 × 2 + 4 3 × 7 ) = - 1 ;
из 1-го: x 1 = 1 3 ( - 2 - 2 x 2 - x 3 - x 4 ) = - 2 - 2 × ( - 1 ) - 2 - 7 3 = - 9 3 = - 3 .

Ответ: x 1 = - 3 ; x 2 = - 1 ; x 3 = 2 ; x 4 = 7

Найти решение этого же примера методом Гаусса в матричной форме записи:

3 x 1 + 2 x 2 + x 3 + x 4 = - 2 x 1 - x 2 + 4 x 3 - x 4 = - 1 - 2 x 1 - 2 x 2 - 3 x 3 + x 4 = 9 x 1 + 5 x 2 - x 3 + 2 x 4 = 4

Расширенная матрица системы представлена в виде:

x 1 x 2 x 3 x 4 3 2 1 1 1 - 1 4 - 1 - 2 - 2 - 3 1 1 5 - 1 2 - 2 - 1 9 4

Прямой ход метода Гаусса в данном случае предполагает приведение расширенной матрицы к трапецеидальному виду при помощи элементарных преобразований. Этот процесс очень поход на процесс исключения неизвестных переменных в координатном виде.

Преобразование матрицы начинается с превращения всех элементов нулевые. Для этого к элементам 2-ой, 3-ей и 4-ой строк прибавляем соответствующие элементы 1-ой строки, которые умножены на - a 21 a 11 = - 1 3 , - a 31 a 11 = - - 2 3 = 2 3 и н а - а 41 а 11 = - 1 3 .

Дальнейшие преобразования происходит по такой схеме: все элементы во 2-ом столбце, начиная с 3-ей строки, становятся нулевыми. Такой процесс соответствует процессу исключения переменной . Для того, чтобы выполнить этой действие, необходимо к элементам 3-ей и 4-ой строк прибавить соответствующие элементы 1-ой строки матрицы, которая умножена на - а 32 ( 1 ) а 22 ( 1 ) = - 2 3 - 5 3 = - 2 5 и - а 42 ( 1 ) а 22 ( 1 ) = - 13 3 - 5 3 = 13 5 :

x 1 x 2 x 3 x 4 3 2 1 1 | - 2 0 - 5 3 11 3 - 4 3 | - 1 3 0 - 2 3 - 7 3 5 3 | 23 3 0 13 3 - 4 3 5 3 | 14 3

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 1 1 | - 2 0 - 5 3 11 3 - 4 3 | - 1 3 0 - 2 3 + ( - 2 5 ) ( - 5 3 ) - 7 3 + ( - 2 5 ) 11 3 5 3 + ( - 2 5 ) ( - 4 3 ) | 23 3 + ( - 2 5 ) ( - 1 3 ) 0 13 3 + 13 5 ( - 5 3 ) - 4 3 + 13 5 × 11 3 5 3 + 13 5 ( - 4 3 ) | 14 3 + 13 5 ( - 1 3 )

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 1 1 | - 2 0 - 5 3 11 3 - 4 3 | - 1 3 0 0 - 19 5 11 5 | 39 5 0 0 41 5 - 9 5 | 19 5

Теперь исключаем переменную x 3 из последнего уравнения — прибавляем к элементам последней строки матрицы соответствующие элементы последней строки, которая умножена на а 43 ( 2 ) а 33 ( 2 ) = - 41 5 - 19 5 = 41 19 .

x 1 x 2 x 3 x 4 3 2 1 1 | - 2 0 - 5 3 11 3 - 4 3 | - 1 3 0 0 - 19 5 11 5 | 39 5 0 0 41 5 - 9 5 | 19 5

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 1 1 | - 2 0 - 5 3 11 3 - 4 3 | - 1 3 0 0 - 19 5 11 5 | 39 5 0 0 41 5 + 41 19 ( - 19 5 ) - 9 5 + 41 19 × 11 5 | 19 5 + 41 19 × 39 5

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 1 1 | - 2 0 - 5 3 11 3 - 4 3 | - 1 3 0 0 - 19 5 11 5 | 39 5 0 0 0 56 19 | 392 19

Теперь применим обратных ход метода. В матричной форме записи такое преобразование матрицы, чтобы матрица, которая отмечена цветом на изображении:

x 1 x 2 x 3 x 4 3 2 1 1 | - 2 0 - 5 3 11 3 - 4 3 | - 1 3 0 0 - 19 5 11 5 | 39 5 0 0 0 56 19 | 392 19

стала диагональной, т.е. приняла следующий вид:

x 1 x 2 x 3 x 4 3 0 0 0 | а 1 0 - 5 3 0 0 | а 2 0 0 - 19 5 0 | а 3 0 0 0 56 19 | 392 19 , где а 1 , а 2 , а 3 - некоторые числа.

Такие преобразования выступают аналогом прямому ходу, только преобразования выполняются не от 1-ой строки уравнения, а от последней. Прибавляем к элементам 3-ей, 2-ой и 1-ой строк соответствующие элементы последней строки, которая умножена на

- 11 5 56 19 = - 209 280 , н а - - 4 3 56 19 = 19 42 и н а - 1 56 19 = 19 56 .

x 1 x 2 x 3 x 4 3 2 1 1 | - 2 0 - 5 3 11 3 - 4 3 | - 1 3 0 0 - 19 5 11 5 | 39 5 0 0 0 56 19 | 392 19

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 1 1 + ( - 19 56 ) 56 19 | - 2 + ( - 19 56 ) 392 19 0 - 5 3 11 3 - 4 3 + 19 42 × 56 19 | - 1 3 + 19 42 × 392 19 0 0 - 19 5 11 5 + ( - 209 280 ) 56 19 | 39 5 + ( - 209 280 ) 392 19 0 0 0 56 19 | 392 19

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 1 0 | - 9 0 - 5 3 11 3 0 | 9 0 0 - 19 5 0 | - 38 5 0 0 0 56 19 | 392 19

Далее прибавляем к элементам 2-ой и 1-ой строк соответствующие элементы 3-ей строки, которые умножены на

- 11 3 - 19 5 = 55 57 и н а - 1 - 19 5 = 5 19 .

x 1 x 2 x 3 x 4 3 2 1 0 | - 9 0 - 5 3 11 3 0 | 9 0 0 - 19 5 0 | - 38 5 0 0 0 56 19 | 392 19

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 1 + 5 19 ( - 19 5 ) 0 | - 9 + 5 19 ( - 38 5 ) 0 - 5 3 11 3 + 55 57 ( - 19 5 ) 0 | 9 + 55 57 ( - 38 5 ) 0 0 - 19 5 0 | - 38 5 0 0 0 56 19 | 392 19

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 1 0 | - 11 0 - 5 3 0 0 | 5 3 0 0 - 19 5 0 | - 38 5 0 0 0 56 19 | 392 19

На последнем этапе прибавляем элементы 2-ой строки к соответствующим элементам 1-ой строки, которые умножены на - 2 - 5 3 = 6 5 .

x 1 x 2 x 3 x 4 3 2 1 0 | - 11 0 - 5 3 0 0 | 5 3 0 0 - 19 5 0 | - 38 5 0 0 0 56 19 | 392 19

x 1 x 2 x 3 x 4

3 2 + 6 5 ( - 5 3 ) 0 0 | - 11 + 6 5 × 5 3 ) 0 - 5 3 0 0 | 5 3 0 0 - 19 5 0 | - 38 5 0 0 0 56 19 | 392 19

x 1 x 2 x 3 x 4

3 0 0 0 | - 9 0 - 5 3 0 0 | 5 3 0 0 - 19 5 0 | - 38 5 0 0 0 56 19 | 392 19

Полученная матрица соответствует системе уравнений

3 x 1 = - 9 - 5 3 x 2 = 5 3 - 19 5 x 3 = - 38 5 56 19 x 4 = 392 19 , откуда находим неизвестные переменные.

Ответ: x 1 = - 3 , x 2 = - 1 , x 3 = 2 , x 4 = 7 .

Описание алгоритма использования метода Гаусса для решения СЛАУ с несовпадающим количеством уравнений и неизвестных, или с вырожденной системой матрицы

Если основная матрица квадратная или прямоугольная, то системы уравнений могут иметь единственное решение, могут не иметь решений, а могут иметь бесконечное множество решений.

Из данного раздела мы узнаем, как с помощью метода Гаусса определить совместность или несовместность СЛАУ, а также, в случае совместности, определить количество решений для системы.

В принципе, метод исключения неизвестных при таких СЛАУ остается таким же, однако есть несколько моментов, на которых необходимо заострить внимание.

На некоторых этапах исключения неизвестных, некоторые уравнения обращаются в тождества 0=0. В таком случае, уравнения можно смело убрать из системы и продолжить прямой ход метода Гаусса.

Если мы исключаем из 2-го и 3-го уравнения x 1 , то ситуация оказывается следующей:

x 1 + 2 x 2 - x 3 + 3 x 4 = 7 2 x 1 + 4 x 2 - 2 x 3 + 6 x 4 = 14 x - x + 3 x + x = - 1 ⇔

x 1 + 2 x 2 - x 3 + 3 x 4 = 7 2 x 1 + 4 x 2 - 2 x 3 + 6 x 4 + ( - 2 ) ( x 1 + 2 x 2 - x 3 + 3 x 4 ) = 14 + ( - 2 ) × 7 x - x + 3 x + x + ( - 1 ) ( x 1 + 2 x 2 - x 3 + 3 x 4 ) = - 1 + ( - 1 ) × 7 ⇔

⇔ x 1 + 2 x 2 - x 3 + 3 x 4 = 7 0 = 0 - 3 x 2 + 4 x 3 - 2 x 4 = - 8

Из этого следует, что 2-ое уравнение можно смело удалять из системы и продолжать решение.

Если мы проводим прямой ход метода Гаусса, то одно или несколько уравнений может принять вид — некоторое число, которое отлично от нуля.

Это свидетельствует о том, что уравнение, обратившееся в равенство 0 = λ , не может обратиться в равенство ни при каких любых значениях переменных. Проще говоря, такая система несовместна (не имеет решения).

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎