EssayAI
Блог
Блог

Как решить систему методом Гаусса: пошаговое решение

Запрос

Дано: система трёх линейных уравнений с тремя неизвестными 2x+y−z=22x + y - z = 2, 3x−y+2z=93x - y + 2z = 9, x+2y+3z=3x + 2y + 3z = 3. Найти: xx, yy, zz.

Метод Гаусса работает в два хода: прямым ходом система приводится к ступенчатому (для квадратной невырожденной матрицы - к треугольному) виду, обратным ходом неизвестные находятся снизу вверх. Ответ: x=2x = 2, y=−1y = -1, z=1z = 1. Калькулятор сверху прокручивает прямой ход по шагам: на карте видно, как под главной диагональю один за другим появляются нули.

Решение по шагам

Дано. Коэффициенты системы:

Уравнениепри xxпри yyпри zzсвободный член
121-12
23-129
31233

Найти: значения xx, yy, zz.

Шаг 1. Выписываем расширенную матрицу. Сами буквы неизвестных в вычислениях не участвуют, поэтому от системы переходим к таблице чисел: слева коэффициенты, за чертой свободные члены.

(A∣b)=(21−123−1291233)(A \mid b) = \left(\begin{array}{ccc|c} 2 & 1 & -1 & 2 \\ 3 & -1 & 2 & 9 \\ 1 & 2 & 3 & 3 \end{array}\right)

Дальше работаем только со строками. Каждая строка - это уравнение, и любое действие над ней означает то же действие над уравнением целиком, вместе со свободным членом.

Шаг 2. Прямой ход, первый столбец. Ведущим элементом берём число на месте a11a_{11}, то есть двойку. Чтобы обнулить коэффициенты под ней, из второй и третьей строк вычитаем первую, умноженную на свои множители:

m21=a21a11=32=1,5,m31=a31a11=12=0,5.m_{21} = \frac{a_{21}}{a_{11}} = \frac{3}{2} = 1{,}5, \qquad m_{31} = \frac{a_{31}}{a_{11}} = \frac{1}{2} = 0{,}5.

Пересчитываем вторую строку: −1−1,5⋅1=−2,5-1 - 1{,}5 \cdot 1 = -2{,}5, затем 2−1,5⋅(−1)=3,52 - 1{,}5 \cdot (-1) = 3{,}5 и свободный член 9−1,5⋅2=69 - 1{,}5 \cdot 2 = 6. Третью строку считаем так же: 2−0,5⋅1=1,52 - 0{,}5 \cdot 1 = 1{,}5, 3−0,5⋅(−1)=3,53 - 0{,}5 \cdot (-1) = 3{,}5, 3−0,5⋅2=23 - 0{,}5 \cdot 2 = 2. Получаем:

(21−120−2,53,5601,53,52)\left(\begin{array}{ccc|c} 2 & 1 & -1 & 2 \\ 0 & -2{,}5 & 3{,}5 & 6 \\ 0 & 1{,}5 & 3{,}5 & 2 \end{array}\right)

Шаг 3. Прямой ход, второй столбец. Первую строку больше не трогаем: её работа закончена. Новый ведущий элемент - число −2,5-2{,}5 во второй строке, множитель для третьей строки получается отрицательным:

m32=1,5−2,5=−0,6.m_{32} = \frac{1{,}5}{-2{,}5} = -0{,}6.

Вычесть строку, умноженную на −0,6-0{,}6, - это то же самое, что прибавить её, умноженную на 0,60{,}6. Считаем: 3,5+0,6⋅3,5=5,63{,}5 + 0{,}6 \cdot 3{,}5 = 5{,}6 и 2+0,6⋅6=5,62 + 0{,}6 \cdot 6 = 5{,}6. Прямой ход закончен, матрица стала ступенчатой:

(21−120−2,53,56005,65,6)\left(\begin{array}{ccc|c} 2 & 1 & -1 & 2 \\ 0 & -2{,}5 & 3{,}5 & 6 \\ 0 & 0 & 5{,}6 & 5{,}6 \end{array}\right)

Шаг 4. Обратный ход. Возвращаемся от матрицы к уравнениям и идём снизу вверх. Последняя строка содержит одну неизвестную, поэтому она решается сразу, а найденное значение подставляется в строку выше:

5,6z=5,6⇒z=1,−2,5y+3,5⋅1=6⇒y=6−3,5−2,5=−1,2x+1⋅(−1)−1⋅1=2⇒x=2+1+12=2.\begin{aligned} 5{,}6z &= 5{,}6 &&\Rightarrow\quad z = 1, \\ -2{,}5y + 3{,}5 \cdot 1 &= 6 &&\Rightarrow\quad y = \frac{6 - 3{,}5}{-2{,}5} = -1, \\ 2x + 1 \cdot (-1) - 1 \cdot 1 &= 2 &&\Rightarrow\quad x = \frac{2 + 1 + 1}{2} = 2. \end{aligned}

Ответ: x=2x = 2, y=−1y = -1, z=1z = 1.

Шаг 5. Проверка. Подставляем тройку чисел в исходные уравнения, а не в преобразованные: ошибка прямого хода иначе не всплывёт. Получаем 2⋅2+(−1)−1=22 \cdot 2 + (-1) - 1 = 2, затем 3⋅2−(−1)+2⋅1=93 \cdot 2 - (-1) + 2 \cdot 1 = 9 и 2+2⋅(−1)+3⋅1=32 + 2 \cdot (-1) + 3 \cdot 1 = 3. Все три равенства выполняются, решение верное.

Почему метод работает: элементарные преобразования

В прямом ходе используются только три действия над строками: перестановка двух строк, умножение строки на число, отличное от нуля, и прибавление к строке другой строки, умноженной на число. Каждое из них обратимо, поэтому новая система имеет ровно то же множество решений, что и исходная. Именно это позволяет менять матрицу как угодно и в конце получить ответ, который годится для первоначальной системы.

Ступенчатый вид ценен тем, что в последней ненулевой строке остаётся одна неизвестная, в предпоследней - две, и так далее. Такую систему разворачивают подстановкой без всякого перебора. По ходу дела бесплатно считается ещё одна величина: произведение ведущих элементов даёт определитель. У нас det⁡A=2⋅(−2,5)⋅5,6=−28\det A = 2 \cdot (-2{,}5) \cdot 5{,}6 = -28, и знак минус здесь не от перестановок строк - их не было, - а от самих чисел. Если бы строки менялись местами, определитель менял бы знак при каждой перестановке.

Обратите внимание на служебную деталь: число ненулевых строк ступенчатого вида - это и есть ранг матрицы, а прямой ход метода Гаусса и есть стандартный способ его вычисления. Один и тот же алгоритм отвечает сразу на три вопроса: чему равен ранг, чему равен определитель и каково решение.

Несовместная и неопределённая система

Ступенчатый вид сам сообщает, к какому из трёх случаев относится система. Сравниваются ранг основной матрицы AA и ранг расширенной (A∣b)(A \mid b) - это теорема Кронекера-Капелли, и в калькуляторе сверху оба ранга выведены отдельными числами.

Первый случай: в ступенчатом виде появилась строка, где слева одни нули, а свободный член ненулевой. Переключите калькулятор на пример «Несовместная» - там из системы x+2y−z=3x + 2y - z = 3, 2x+4y−2z=12x + 4y - 2z = 1, 3x+y+z=53x + y + z = 5 после вычитания удвоенной первой строки получается равенство 0=−50 = -5. Ранг основной матрицы равен 2, расширенной - 3, решений нет.

Второй случай: ранги равны, но меньше числа неизвестных. Пример «Бесконечно много» даёт систему x+2y−z=3x + 2y - z = 3, 2x+3y+z=82x + 3y + z = 8, 3x+5y=113x + 5y = 11, где третье уравнение равно сумме первых двух и после прямого хода превращается в строку из нулей. Ранги равны 2, неизвестных три, значит одна неизвестная свободная. Принимаем z=tz = t и обратным ходом выражаем остальные: y=−2+3ty = -2 + 3t, x=7−5tx = 7 - 5t. Это общее решение, из него подстановкой любого числа tt получается частное.

Третий случай - наш: ранги равны и совпадают с числом неизвестных, решение единственное. Полезно помнить соответствие: единственное решение существует ровно тогда, когда det⁡A≠0\det A \neq 0, и в этом же случае работает правило Крамера, которое для системы третьего порядка требует вычислить четыре определителя.

Выбор главного элемента и цена вычислений

Школьный вариант метода берёт ведущим элементом то число, которое стоит на диагонали. Если там оказался ноль, строки просто меняют местами - на решение это не влияет. Но в вычислениях на компьютере важнее другое: делить на маленькое число опасно, потому что множитель получается большим и разрывает точность промежуточных данных. Поэтому в численных методах на каждом шаге поднимают наверх строку с наибольшим по модулю элементом столбца - это частичный выбор главного элемента, второй режим в калькуляторе. Попробуйте переключить его на нашей системе: числа шагов станут другими, ответ останется прежним.

Метод Гаусса дёшев: прямой ход стоит около 2n33\frac{2n^3}{3} арифметических операций, обратный - порядка n2n^2. Для системы из ста уравнений это сотни тысяч действий, тогда как правило Крамера потребовало бы вычислить 101 определитель. Если ту же матрицу нужно решать с несколькими правыми частями, прямой ход не повторяют, а сохраняют его множители - так получается LU-разложение. Для больших разреженных систем прямые методы уступают итерационным, например методу Гаусса-Зейделя, а чувствительность ответа к ошибкам входных данных оценивается через число обусловленности.

Частые ошибки

  • Пересчитывают коэффициенты, но забывают про свободный член: строка - это уравнение целиком, столбец за чертой преобразуется наравне с остальными.
  • Путают знак множителя. При отрицательном ведущем элементе множитель тоже отрицателен, и вычитание превращается в прибавление, как на шаге 3.
  • Меняют местами столбцы, не переобозначив неизвестные. Переставлять строки можно свободно, а перестановка столбцов меняет порядок переменных, и в ответе они разъедутся.
  • Увидев ноль на месте ведущего элемента, объявляют систему несовместной. Нулевой ведущий элемент - повод переставить строки, а не остановиться.
  • Отбрасывают нулевую строку как «лишнюю». Строка 0=00 = 0 означает, что уравнение было зависимым, и указывает на бесконечное множество решений.
  • Округляют промежуточные значения до одного-двух знаков. В нашем примере после округления −0,6-0{,}6 до −0,5-0{,}5 ответ поплывёт уже во второй цифре.

FAQ

Чем метод Гаусса отличается от метода Гаусса-Жордана? В методе Гаусса нули делают только под ведущими элементами, а неизвестные находят обратным ходом. Метод Гаусса-Жордана обнуляет столбец и выше ведущего элемента и доводит матрицу до единичной, так что обратный ход не нужен. Платой становится примерно в полтора раза больший объём вычислений.

Можно ли решать методом Гаусса систему, где уравнений больше, чем неизвестных? Да, расширенная матрица не обязана быть квадратной. Прямой ход проходит одинаково, а вывод делается по рангам: лишние уравнения либо превращаются в нулевые строки, либо дают противоречие и показывают, что система несовместна.

Что делать, если появились громоздкие дроби? В ручном счёте удобнее обыкновенные дроби, чем десятичные: они не накапливают ошибку округления. Строку разрешается умножить на общий знаменатель или сократить на общий множитель - это элементарное преобразование, решения оно не меняет.

Как проверить ответ в большой системе? Подставить решение в каждое исходное уравнение и посмотреть на невязку - разность между левой и правой частями. Калькулятор сверху считает максимальную невязку по всем уравнениям: у точного ответа она равна нулю, у приближённого показывает порядок накопленной ошибки.

Коротко

  1. Выписать расширенную матрицу: коэффициенты слева, свободные члены за чертой.
  2. Прямой ход: выбрать ведущий элемент, найти множители mik=aik/akkm_{ik} = a_{ik} / a_{kk} и обнулить столбец под ведущим элементом; повторять до ступенчатого вида.
  3. Сравнить ранги. Ранг AA меньше ранга (A∣b)(A \mid b) - решений нет; ранги равны и совпадают с числом неизвестных - решение единственное; равны, но меньше - решений бесконечно много, часть неизвестных объявляется свободными.
  4. Обратный ход: снизу вверх выразить неизвестные, подставляя уже найденные значения.
  5. Проверить подстановкой в исходные уравнения. Для системы 2x+y−z=22x + y - z = 2, 3x−y+2z=93x - y + 2z = 9, x+2y+3z=3x + 2y + 3z = 3 ответ x=2x = 2, y=−1y = -1, z=1z = 1, а определитель равен −28-28.
Задача в тетради или методичке? Сфотографируйте условие - сервис распознает его и решит по шагам с пояснениями.

Похожие задачи

Численные методы

Как найти норму матрицы: три нормы и пример расчёта

Разбираем, как найти норму матрицы: максимум суммы модулей по строкам, по столбцам и евклидова норма, проверка согласованности с нормой вектора и расчёт числа обусловленности.

Численные методы

Как найти разделенные разности: таблица и пример

Разбираем, как найти разделенные разности: рекуррентная формула, таблица разностей по неравноотстоящим узлам, многочлен Ньютона, вычисление значения и проверка ответа.

Численные методы

Как отделить корни уравнения: таблица знаков и пример

Отделение корней уравнения x^3 - 3x + 1 = 0: таблица знаков с шагом 0,5 на отрезке от -3 до 3, проверка единственности корня по производной, графический способ и выбор шага.

Численные методы

Как решить трансцендентное уравнение: пошаговое решение

Трансцендентное уравнение e^x = x + 2 с точностью 0,001: отделение корня на отрезке от 1 до 2, уточнение половинным делением за 10 шагов, метод Ньютона за 5 шагов и оценка погрешности.

Численные методы

Как вычислить конечные разности: таблица и пример

Разбираем, как вычислить конечные разности: таблица разностей по равноотстоящим узлам, первая и вторая интерполяционные формулы Ньютона, оценка степени многочлена и проверка расчёта.

Численные методы

Как найти абсолютную погрешность: формула и пример

Разбираем, как найти абсолютную погрешность приближённого числа: формула модуля разности, предельная погрешность, перевод в относительную, верные значащие цифры и погрешность вычислений.