Метод Гаусса – прямой и обратный ход
Рассмотрим метод Гаусса. Например, пусть дана расширенная матрица некоторой системы m линейных уравнений c n неизвестными: Будем считать, что a11 ≠ 0 (если это не так, то достаточно переставить первую и некоторую другую строку расширенной матрицы местами). Проведем следующие элементарные преобразования: C2-(a21/a11)*C1, ... Cm-(am1/a11)*C1, т.е. Ci-(ai1/a11)*C1, i = 2, 3, ..., m. Т. е. от каждой строки расширенной матрицы (кроме первой) отнимаем первую строку, умноженную на частное от деления первого элемента этой строки на диагональный элемент а11. В результате получим матрицу: Т. е. первая строка осталась без изменений, а в столбце под а11 на всех местах оказались нули. Обратим внимание, что преобразования коснулись всех элементов строк, начиная со второй, всей расширенной матрицы системы. Теперь наша задача состоит в том, чтобы получить нули подо всеми диагональными элементами матрицы А – aij, где I = j. Повторим наши элементарные преобразования, но уже для элемента α22. C1-(a12/α22)*C2, ... Cm-(αm2/α22)*C2, т.е. Ci-(αi2/α22)*C2, i = 3, ..., m. Т. е. от каждой строки расширенной матрицы (теперь кроме первой и второй) отнимаем вторую строку, умноженную на частное от деления первого элемента этой (текущей) строки на диагональный элемент α22. Такие преобразования продолжаются до тех пор, пока матрица не приведется к верхнее - треугольному виду. Т. е. под главной диагональю не окажутся все нули: Вспомнив, что каждая строка представляет собой одно из уравнений линейной системы уравнений, легко заметить, что последнее m-ое уравнение принимает вид: γmn*xn = δm. Отсюда легко можно найти значение первого корня – xn = δm/γmn. Подставив это значение в предыдущее m-1-е уравнение, легко получим значение xn-1-ого корня. Таким образом, поднимаясь до самого верха обратным ходом метода Гаусса, мы последовательно найдем все корни системы уравнений [5]. Пример 1 Рассмотрим систему уравнений: Главный определитель данной системы:
Δ = [1*(-4)*(-2)+2*2*1+(-1)*(-1)*(-1)]-[1*(-4)*(-1)+2*(-1)*(-2)+2*(-1)*1] = [8+4-1]-[4+4-2] = 11-6 =5, т. е. Δ ≠ 0. Т. е. система определена и разрешима. Решим ее по методу Гаусса. Проведем прямой ход метода Гаусса, выписав предварительно расширенную матрицу системы: Получим нули под главной диагональю в первом столбце расширенной матрицы. Для получения нуля в элементе a21 (т. е. под диагональю во второй строке матрицы) вторую строку матрицы преобразуем по формуле C2-(a21/a11)*C1 = C2-(2/1)*C1 = C2-2*C1: Аналогично поступаем и с элементом а31 (т. е. под диагональю в третьей строке матрицы). Третью строку матрицы преобразуем по формуле C3-(a31/a11)*C1 = C3-(-1/1)*C1 = C3+C1: Таким образом, мы получили нули под главной диагональю в первом столбце расширенной матрицы. Осталось получить нуль под главной диагональю во втором столбце матрицы, т. е. на месте элемента а32. Для этого третью строку матрицы преобразуем по формуле C3-(a32/a22)*C2 = C3-(1/-2)*C2 = C3+1/2C2:
Таким образом, проведя прямой ход метода Гаусса, мы получили расширенную матрицу системы, приведенную к верхне-треугольному виду: Эта матрица эквивалентна системе: Обратным ходом метода Гаусса найдем корни системы. Из последнего уравнения найдем корень х3: -5/2x3 = 3/2, x3 = (3/2):(-5/2) = 3/2*(-2/5) = -3/5. Корень x3 = -3/5 найден. Подставим его в верхнее (второе) уравнение системы (-2x2-3x3 = 1): -2x2-3(-3/5) = 1, -2x2+9/5 = 1, -2x2 = 1-9/5, -2x2 = -4/5, x2 = (-4/5):(-2) = (-4/5)*(-1/2) = 2/5. Корень x2 = 2/5 найден. Подставим его и корень х3 в верхнее (первое) уравнение системы (x1-x2+x3 = 0): x1-2/5+(-3/5) = 0, x1-5/5 = 0, x1 = 5/5 = 1. Проверка:
т. е. т. е. и т. д [9]. Вывод: Итак, метод Гаусса (или, иначе, метод последовательного исключения неизвестных) состоит в следующем: 1. Путем элементарных преобразований систему уравнений приводят к эквивалентной ей системе с верхнее - треугольной матрицей. Эти действия называют прямым ходом. 2. Из полученной треугольной системы переменные находят с помощью последовательных подстановок (обратный ход). 3. При этом все преобразования проводятся над так называемой расширенной матрицей системы, которую и приводят к верхнее - треугольному виду в прямом ходе метода.
Популярное: Почему человек чувствует себя несчастным?: Для начала определим, что такое несчастье. Несчастьем мы будем считать психологическое состояние... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... Как распознать напряжение: Говоря о мышечном напряжении, мы в первую очередь имеем в виду мускулы, прикрепленные к костям ... Почему люди поддаются рекламе?: Только не надо искать ответы в качестве или количестве рекламы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (164)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |