Bevezetés az algebrába 1

Hasonló dokumentumok
Matematika A1a Analízis

A lineáris algebra forrásai: egyenletrendszerek, vektorok

Vektorok. Wettl Ferenc október 20. Wettl Ferenc Vektorok október / 36

Lineáris algebra mérnököknek

Alkalmazott algebra. Vektorterek, egyenletrendszerek :15-14:00 EIC. Wettl Ferenc ALGEBRA TANSZÉK

Testek. 16. Legyen z = 3 + 4i, w = 3 + i. Végezzük el az alábbi. a) (2 4), Z 5, b) (1, 0, 0, 1, 1) (1, 1, 1, 1, 0), Z 5 2.

Lineáris algebra mérnököknek

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Budapesti Műszaki Főiskola, Neumann János Informatikai Kar. Vektorok. Fodor János

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

17. előadás: Vektorok a térben

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Lineáris algebra mérnököknek

Lineáris egyenletrendszerek

Tartalomjegyzék. I. A lineáris algebra forrásai 5. 1 Vektorok 9. 2 Lineáris egyenletrendszerek és megoldásuk 53. Vektorok a 2- és 3-dimenziós térben 9

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

Analitikus térgeometria

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

3. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 3. előadás Lineáris egyenletrendszerek

Lineáris algebra. (közgazdászoknak)

Tartalomjegyzék. I. A lineáris algebra forrásai 7. 1 Vektorok Lineáris egyenletrendszerek és megoldásuk 51

Matematika (mesterképzés)

LINEÁRIS ALGEBRA. matematika alapszak. Euklideszi terek. SZTE Bolyai Intézet, őszi félév. Euklideszi terek LINEÁRIS ALGEBRA 1 / 40

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

λ 1 u 1 + λ 2 v 1 + λ 3 w 1 = 0 λ 1 u 2 + λ 2 v 2 + λ 3 w 2 = 0 λ 1 u 3 + λ 2 v 3 + λ 3 w 3 = 0

Vektorgeometria (1) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Gyakorló feladatok I.

Diszkrét matematika II., 8. előadás. Vektorterek

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

= Y y 0. = Z z 0. u 1. = Z z 1 z 2 z 1. = Y y 1 y 2 y 1

Lineáris egyenletrendszerek

Bevezetés az algebrába 1

Diszkrét matematika II., 5. előadás. Lineáris egyenletrendszerek

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

Trigonometria Megoldások. 1) Igazolja, hogy ha egy háromszög szögeire érvényes az alábbi összefüggés: sin : sin = cos + : cos +, ( ) ( )

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

Lineáris algebra I. Vektorok és szorzataik

Mátrixok 2017 Mátrixok

Lineáris Algebra gyakorlatok

9. Előadás. (9. előadás) Lineáris egyr.(3.), Sajátérték április / 35

Egyenes és sík. Wettl Ferenc szeptember 29. Wettl Ferenc () Egyenes és sík szeptember / 15

LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK október 12. Irodalom A fogalmakat, definíciókat illetően két forrásra támaszkodhatnak: ezek egyrészt elhangzanak

Lineáris algebra. Wettl Ferenc, BME , 0.2 változat. Tartalomjegyzék. Geometriai szemléltetés. (tömör bevezetés) Az egyenletek szemléltetése

2. gyakorlat. A polárkoordináta-rendszer

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Vektorok I.

Mat. A2 3. gyakorlat 2016/17, második félév

Lineáris leképezések, mátrixuk, bázistranszformáció. Képtér, magtér, dimenziótétel, rang, invertálhatóság

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, mátrixegyenlet

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Kvadratikus alakok és euklideszi terek (előadásvázlat, október 5.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Egyenes és sík. Wettl Ferenc Wettl Ferenc () Egyenes és sík / 16

6. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 6. előadás Bázis, dimenzió

Az egyenes és a sík analitikus geometriája

Bevezetés a számításelméletbe (MS1 BS)

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

O ( 0, 0, 0 ) A ( 4, 0, 0 ) B ( 4, 3, 0 ) C ( 0, 3, 0 ) D ( 4, 0, 5 ) E ( 4, 3, 5 ) F ( 0, 3, 5 ) G ( 0, 0, 5 )

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

1. Szabadvektorok és analitikus geometria

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Trigonometria

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Tartalomjegyzék. 1 Vektorok Vektorok a 2- és 3-dimenziós térben Távolság, szög, orientáció Vektorok koordinátás alakban 20

3. el adás: Determinánsok

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

Analitikus térgeometria

Lineáris algebra zárthelyi dolgozat javítókulcs, Informatika I márc.11. A csoport

Norma Determináns, inverz Kondíciószám Direkt és inverz hibák Lin. egyenletrendszerek A Gauss-módszer. Lineáris algebra numerikus módszerei

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Matematika III előadás

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

Tartalomjegyzék. II. Lineáris egyenletrendszerek Lineáris egyenletrendszerek megoldása Megoldhatóság és a megoldások tere 51

8. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, , oldal. 8. előadás Mátrix rangja, Homogén lineáris egyenletrendszer

Vektorterek. Több esetben találkozhattunk olyan struktúrával, ahol az. szabadvektorok esetében, vagy a függvények körében, vagy a. vektortér fogalma.

1. zárthelyi,

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Vektorok és koordinátageometria

1.1. Definíció. Azt mondjuk, hogy a oszója b-nek, vagy más szóval, b osztható a-val, ha létezik olyan x Z, hogy b = ax. Ennek jelölése a b.

5. előadás. Skaláris szorzás

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Ortogonalizáció. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Ortogonalizáció / 41

Mer legesség. Wettl Ferenc Wettl Ferenc Mer legesség / 40

Brósch Zoltán (Debreceni Egyetem Kossuth Lajos Gyakorló Gimnáziuma) Vektorok II.

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Paraméter

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, Leontyev-modell

Meghirdetés féléve 2 Kreditpont Összóraszám (elm+gyak) 2+0

Egyenletek, egyenletrendszerek, egyenlőtlenségek Megoldások

A gyakorlati jegy

Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

Lineáris algebra és a rang fogalma (el adásvázlat, szeptember 29.) Maróti Miklós

Diszkrét matematika I. gyakorlat

3. Lineáris differenciálegyenletek

VEKTORTEREK I. VEKTORTÉR, ALTÉR, GENERÁTORRENDSZER október 15. Irodalom. További ajánlott feladatok

LINEÁRIS ALGEBRA.

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy

Haladó lineáris algebra

Átírás:

B U D A P E S T I M Ű S Z A K I M A T E M A T I K A É S G A Z D A S Á G T U D O M Á N Y I I N T É Z E T E G Y E T E M Bevezetés az algebrába 1 BMETE92AX23 Egyenletrendszerek H406 2016-10-03 Wettl Ferenc ALGEBRA TANSZÉK

Vektorok (ismétlés)

Vektorok (ismétlés) A 2- és 3-dimenziós tér vektorai

Kötött vektor (a) (b) (a) elmozdulásvektor, (b) rugalmas testen alakváltozást okozó erő vektora 2

Szabad vektor nekünk ez kell - Ha az irányított szakasz a hal, a vektor a halraj - Ekvivalencia reláció: két irányított szakasz ekvivalens, ha egyik a másikba tolható A vektorok az ekvivalenciaosztályok 3

Origó - A közös kezdőpont P OP O - A sík pontjai és vektorai közti kölcsönösen egyértelmű megfeleltetés: egy P pontnak az OP vektor felel meg, az origónak a nullvektor 4

Vektorok szöge β γ α (a) (b) (c) Két vektor szöge (0 α, β, γ π) 5

Vektorok (ismétlés) Vektorműveletek

Lineáris kombináció D Lineáris kombináció Az a 1, a 2,, a k vektorok lineáris kombinációján egy c 1 a 1 + c 2 a 2 + + c k a k alakú vektort értünk, ahol c 1, c 2,, c k valós számok Azt mondjuk, hogy a v vektor előáll az a 1, a 2,, a k vektorok lineáris kombinációjaként, ha vannak olyan c 1, c 2,, c k valós számok, hogy v = c 1 a 1 + + c k a k 6

Egy, két és három vektor lineáris kombinációi a a v 2 a 2 a 2 v a 1 v 1 a 1 V v 3 a 3 V v v a 3 a 2 a 3 v 2 a 2 a 2 O C O C (a) a 1 (b) a 1 v 1 a 1 7

Vektorok lineáris függetlensége, lineáris összefüggősége D Vektorok függetlensége Azt mondjuk, hogy egy v vektor lineárisan független az a 1, a 2, a n (n 1) vektoroktól, ha v nem fejezhető ki e vektorok lineáris kombinációjaként Azt mondjuk, hogy az a 1, a 2, a n (n 2) vektorok lineárisan függetlenek ha e vektorok egyike sem fejezhető ki a többi lineáris kombinációjaként Ha legalább egyikük kifejezhető a többi lineáris kombinációjaként, azaz legalább egyikük lineárisan függ a többitől, akkor e vektorokat lineárisan összefüggőknek nevezzük Az egyetlen vektorból álló vektorrendszert lineárisan függetlennek tekintjük, ha a vektor nem a zérusvektor 8

v 9

Vektor előállítása lineáris kombinációként T T Síkbeli vektor felbontása Ha a 1 és a 2 egy sík két lineárisan független vektora, akkor a sík minden v vektora egyértelműen előáll e vektorok lineáris kombinációjaként, azaz egyértelműen léteznek olyan v 1 és v 2 valós számok, hogy v = v 1 a 1 + v 2 a 2 Térbeli vektor felbontása Ha a 1, a 2 és a 3 három lineárisan független térbeli vektor, akkor a tér minden v vektora egyértelműen előáll e vektorok lineáris kombinációjaként, azaz egyértelműen léteznek olyan v 1, v 2 és v 3 valós számok, hogy v = v 1 a 1 + v 2 a 2 + v 3 a 3 10

Vektorok (ismétlés) Távolság, szög, orientáció

Skaláris szorzás D Két vektor skaláris szorzata Két vektor skaláris szorzatán a vektorok abszolút értékének és az általuk bezárt szög koszinuszának szorzatát értjük Az a és b vektorok skaláris szorzatát a b jelöli, tehát a b = a b cos(a, b), ahol a két vektor által bezárt szög (a, b) T Mikor 0 a skaláris szorzat? Két vektor skaláris szorzata pontosan akkor 0, ha a két vektor merőleges egymásra 11

Merőlegesség és irányítás a síkban (orientáció) a a b + b Az a és b irányított szögét (a, b) jelöli Tehát míg (a, b) = (b, a), addig (a, b) = (b, a), és ha (a, b) = π/2, akkor (a, b) = π/2 12

Merőlegesség és orientáció a térben c c c a b a b a b c c c b a b a b a 13

Vektori szorzás D Vektori szorzás A 3-dimenziós tér két vektorának vektori szorzatán azt az a b-vel jelölt vektort értjük, melynek abszolút értéke a két vektor abszolút értékének és közbezárt szöge szinuszának szorzata, iránya merőleges mindkét vektor irányára és ha a szorzat nem a nullvektor, akkor a, b és a b ebben a sorrendben jobbrendszert alkot T Mikor 0 a vektori szorzat? Két térbeli vektor vektori szorzata pontosan akkor zérusvektor, ha a két vektor párhuzamos 14

Vektori szorzás a b b a 15

Vektorok koordinátás alakban

Vektorok koordinátás alakban Descartes-féle koordinátarendszer

Vektorok koordinátái ( 2, 0) e 2 e 2 (2, 1) (2, 2) e 1 e 1 ( 1, 1) 16

Pontok koordinátái e 2 ( 2, 0) e 2 (2, 1) ( 1, 1) O O e 1 e 1 (2, 2) 17

Pontok a koordinátatengelyen és koordinátasíkon (0, 1) (0, y) (0, 0) (1, 0) (x, 0) x y z (0, y 1, z 1 ) y (x 2, 0, y 2 ) (x 0, y 0, 0) x 18

Műveletek koordinátás alakban megadott vektorokkal Á Vektorműveletek koordinátás alakja Adva van a térben egy koordinátarendszer és abban két tetszőleges u = (u 1, u 2, u 3 ) és v = (v 1, v 2, v 3 ) vektor, és egy tetszőleges c R valós szám u + v = (u 1, u 2, u 3 ) + (v 1, v 2, v 3 ) = (u 1 + v 1, u 2 + v 2, u 3 + v 3 ), u v = (u 1, u 2, u 3 ) (v 1, v 2, v 3 ) = (u 1 v 1, u 2 v 2, u 3 v 3 ), cu = c(u 1, u 2, u 3 ) = (cu 1, cu 2, cu 3 ) Az oszlopvektor jelölést használva u 1 v u ± v = u 2 ± 1 u v 2 = 1 ± v 1 u 2 ± v 2, u 3 ± v 3 u 3 v 3 u cu = c 1 cu u 2 = 1 cu 2 u 3 cu 3 19

Skaláris szorzás koordinátarendszerben P Tekintsünk egy olyan síkbeli koordinátarendszert, ahol az első alapvektor hossza 1, a másodiké 2, és a kettőjük közti szög π/3 Számítsuk ki az a = (1, 1) és a b = ( 5/2, 1) vektorok skaláris szorzatát b = ( 5/2, 1) e 2 a = (1, 1) e 1 20

Skaláris szorzás koordinátarendszerben M Az alapvektorok hosszát és szögét ismerve ki tudjuk számítani az alapvektorok skaláris szorzatait: e 1 e 1 = 1, e 2 e 2 = 2 2 = 4, e 1 e 2 = 1 2 cos π 3 = 1 a b = (e 1 + e 2 ) ( 5 2 e 1 + e 2 ) = 5 2 e 1 e 1 + (1 5 2 )e 1 e 2 + e 2 e 2 = 5 2 3 2 + 4 = 0 E koordinátarendszerben a skaláris szorzás általános képlete: u v = (u 1 e 1 + u 2 e 2 ) (v 1 e 1 + v 2 e 2 ) = u 1 v 1 e 1 e 1 + (u 1 v 2 + u 2 v 1 )e 1 e 2 + u 2 v 2 e 2 e 2 = u 1 v 1 + u 1 v 2 + u 2 v 1 + 4u 2 v 2 21

A derékszögű koordinátarendszer - Ha az alapvektorok merőlegesek, más szóval ortogonálisak egymásra és egységnyi hosszúak, az alapvektorrendszert ortonormált bázisnak nevezzük - u v = (u 1 i + u 2 j) (v 1 i + v 2 j) = u 1 v 1 i i + (u 1 v 2 + u 2 v 1 )i j + u 2 v 2 j j = u 1 v 1 + u 2 v 2 Á Skaláris szorzat ortonormált koordinátarendszerben A síkbeli u = (u 1, u 2 ) és v = (v 1, v 2 ), illetve a térbeli u = (u 1, u 2, u 3 ) és v = (v 1, v 2, v 3 ) vektorok skaláris szorzata ortonormált koordinátarendszerben u v = u 1 v 1 + u 2 v 2, illetve u v = u 1 v 1 + u 2 v 2 + u 3 v 3 22

Paralelogramma területe, paralelepipedon térfogata - Mutassuk meg, hogy az (a, b) és a (c, d) vektorok által kifeszített parallelogramma területe ad bc Mi a jelentése az ad bc előjelének? - (a, b, 0) (c, d, 0) = (0, 0, ad bc) = ad bc - Mutassuk meg, hogy az a = (a 1, a 2, a 3 ), b = (b 1, b 2, b 3 ) és c = (c 1, c 2, c 3 ) vektorok által kifeszített paralelepipedon térfogata a 1 b 2 c 3 + a 2 b 3 c 1 + a 3 b 1 c 2 a 1 b 3 c 2 a 2 b 1 c 3 a 3 b 2 c 1 Mi a jelentése az a 1 b 2 c 3 + a 2 b 3 c 1 + a 3 b 1 c 2 a 1 b 3 c 2 a 2 b 1 c 3 a 3 b 2 c 1 előjelének? - (a b) c 23

Vektorok koordinátás alakban R n

A négydimenziós kocka ábrázolása a síkban 1D: 2D: 3D: 4D: 24

Vektorműveletek R n -ben D Műveletek R n -ben Legyen c R egy tetszőleges valós, u = (u 1, u 2,, u n ) és v = (v 1, v 2,, v n ) az R n tér két tetszőleges vektora E két vektor összegét, egyikük c-szeresét és akaláris szorzatukat a következő képletekkel definiáljuk: u + v = (u 1 + v 1, u 2 + v 2,, u n + v n ) cu = (cu 1, cu 2,, cu n ) u v = u 1 v 1 + u 2 v 2 + + u n v n m A definíciók természetes módon kiterjeszthetők F n -re, ahol F tetszőleges test 25

A vektorműveletek tulajdonságai T Legyen u, v, w R n tetszőleges, c, d R teszőleges a) u + v = v + u kommutatív b) u + (v + w) = (u + v) + w asszociatív c) u + 0 = u zérusvektor d) 0u = 0, 1u = u szorzás 0-val és 1-gyel e) c(du) = (cd)u a két szorzás kompatibilis f) c(u + v) = cu + cv disztributív g) (c + d)u = cu + du disztributív 1) u v = v u kommutatív 2) u (v + w) = u v + u w disztributív 3) (cu) v = c(u v) a két szorzás kompatibilis 4) u u 0 és u u = 0 pontosan akkor teljesül, ha u = 0 m 4)-et kivéve minden igaz tetszőleges F test fölötti F n -re is 26

Lineáris kombináció, lineáris függetlenség Á T Az F n -beli e 1 = (1, 0,, 0),, e n = (0, 0,, 1) vektorok lineárisan függetlenek, és F n minden vektora egyértelműen előáll ezek lineáris kombinációjaként! Lineáris függetlenség L! F test Tetszőleges V = { v 1, v 2,, v k } F n vektorrendszerre az alábbi két állítás ekvivalens: 1 V lineárisan független, (k > 1: egyik vektora sem fejezhető ki a többi lin komb-jaként, k = 1: v 1 0) 2 A zérusvektor csak egyféleképp a triviális módon áll elő V lineáris kombinációjaként (A c 1, c 2,,c k skalárokkal vett c 1 v 1 + c 2 v 2 + + c k v k lineáris kombináció csak akkor lehet a nullvektor, ha c 1 = c 2 = = c k = 0 27

Lineáris függetlenség B Ha a vektorrendszer csak egy vektorból áll, akkor valóban, pontosan akkor lineáris független, azaz pontosan akkor nem a nullvektor, ha a cv = 0 csak c = 0 esetén állhat fenn - ( =) Tfh valamelyik vektor például a v 1 kifejezhető a többi lineáris kombinációjaként, azaz v 1 = d 2 v 2 + + d k v k, vagyis átrendezés után ( 1)v 1 + d 2 v 2 + + d k v k = 0 Mivel v 1 együtthatója nem 0, így elő tudtuk állítani a nullvektort olyan lineáris kombinációként, melyben nem minden együttható 0 - (= ) Ha van olyan nem csupa 0 együtthatójú lineáris kombináció, mely a nullvektorral egyenlő, azaz c 1 v 1 + c 2 v 2 + + c k v k = 0, de valamelyik együttható például a c 1 nem 0, akkor v 1 kifejezhető a többi vektor lineáris kombinációjaként: v 1 = c 2 c 1 v 2 c k c 1 v k 28

Lineáris összefüggőség T A lineáris összefüggőség egy szükséges és elégséges feltétele L! V = { v 1, v 2,, v k }, k 2, v i 0 V pontosan akkor lineárisan összefüggő, ha van olyan t 2 index, hogy v t a v 1, v 2,, v t 1 vektorok lineáris kombinációja B Tfh a vektorrendszer összefüggő, és legyen t az a legkisebb egész, melyre a v 1, v 2,, v t vektorok már összefüggők - Mivel v 1 0, ezért az első vektor nem lehet összefüggő, ezért t 2 E vektorok összefüggősége miatt vannak olyan c i konstansok, melyekkel c 1 v 1 + c 2 v 2 + + c t v t = 0 - Biztos, hogy c t 0, különben már a v 1, v 2,, v t 1 vektorok is lineáris összefüggők lennének, és ez ellentmond t definíciójának Így v t = c 1 c t v 1 + c 2 c t v 2 + + c t 1 c t v t 1 - A másik irányú implikáció definíció szerint igaz 29

Lineáris egyenletrendszerek

Lineáris egyenletrendszerek Alakzatok egyenletei: egyenes, sík, hipersík

Alakzatok és egyenletek y ( 1, 2) y x (2, 1) (1, 0) (0, 1) ( 1, 2) (2, 1) x (0, 1) (1, 0) x x y 1 1 y 1 1 30

Alakzat implicit egyenletrendszere D Implicit egyenletrendszer Egy F n -beli alakzat (implicit) egyenletrendszerén olyan egyenletrendszert értünk, melynek egyszerre minden egyenletét kielégítik a térnek az alakzathoz tartozó pontjai, de más pontok nem Az egyenletet vektoregyenletnek nevezzük, ha nem a pontok koordinátáira, hanem a pontokba mutató vektorokra írjuk fel Általános alakjuk: F 1 (x 1, x 2,, x n ) = 0 F m (x 1, x 2,, x n ) = 0 illetve F 1 (r) = 0 F m (r) = 0 ahol r = (x 1, x 2,, x n ) F n 31

Alakzat explicit egyenletrendszere D Explicit egyenletrendszer Egy F n -beli alakzat (explicit) egyenletrendszerén olyan egyenletrendszert értünk, melyben az egyenletek bal oldalán a pontok koordinátáit megadó változók, jobb oldalán adott paraméterek függvényei szerepelnek Általános, illetve vektoregyenlet alakja x 1 = f 1 (t 1, t 2,, t k ) x n = f n (t 1, t 2,, t k ) ill r = f(t 1, t 2,, t k ), ahol t 1 I 1, t 2 I 2,, t k I k, és I 1,, I k F, ahol f egy F k F n függvény (Szokás paraméteres egyenletrendszernek is nevezni) 32

Explicit vektoregyenlet Implicit egyenlet(rendszer) Síkban egyenes r = r 0 + tv Ax + By = C pont r = r 0 A 1 x + B 1 y = C 1 A 2 x + B 2 y = C 2 sík r = r 0 + su + tv Ax + By + Cz = D Térben egyenes r = r 0 + tv A 1 x + B 1 y + C 1 z = D 1 A 2 x + B 2 y + C 2 z = D 2 pont r = r 0 A 1 x + B 1 y + C 1 z = D 1 A 2 x + B 2 y + C 2 z = D 2 A 3 x + B 3 y + C 3 z = D 3 hipersík??? a 1 x 1 + a 2 x 2 + + a n x n = b R n -ben sík r = r 0 + su + tv??? egyenes r = r 0 + tv??? pont r = r 0??? 33

Lineáris egyenletrendszerek Két geometriai modell

Lineáris egyenlet D Az a 1 x 1 + a 2 x 2 + + a n x n = b (1) P alakra hozható egyenletet az x 1, x 2 x n ismeretlenekben lineáris egyenletnek nevezzük, ahol a 1, a 2, és a n, valamint b konstansok Az a 1, a 2, és a n konstansokat az egyenlet együtthatóinak, b-t az egyenlet konstans tagjának nevezzük Lineárisak-e az x, y, illetve az x, y és z változókban? - xz y = 0, x + 2y = 3 z, - x sin z + y cos z + y = z 2, 0 = 2, - x = y, x = 3 y + 2z, x y + 0z = 0, x + y 2z = 3 x - z + y z + 2 = 0, x + y + 2z = 0? 34

Lineáris egyenletrendszer D Lineáris egyenletrendszeren ugyanazokban a változókban lineáris egyenletek egy véges halmazát értjük Általános alakja: a 11 x 1 + a 12 x 2 + + a 1n x n = b 1 a m1 x 1 + a m2 x 2 + + a mn x n = b m, ahol x 1, x 2, x n az ismeretlenek, a ij együttható, b i konstans tag Ha mindegyik egyenlet konstans tagja 0, a lineáris egyenletrendszer homogén, egyébként inhomogén - Lineáris az x és y változókban: ax + y = 2a x 1 a y = 0 3x y = 0 x + 2y = 0 0 = 0 x + y = 1 0 = 2 x + y = 1 (*) 35

Lineáris egyenletrendszer megoldása D Azt mondjuk, hogy a rendezett (u 1, u 2,, u n ) szám-n-es (vagy vektor) megoldása (megoldásvektora) a (*) ersz-nek, ha megoldása minden egyenletnek (minden egyenletet kielégít az x 1 = u 1, x 2 = u 2,, x n = u n helyettesítés) Az összes megoldás halmaza a megoldáshalmaz Egy ersz konzisztens (vagy megoldható), ha megoldáshalmaza nem üres Ellenkező esetben az ersz inkonzisztens (nem megoldható) m Túlhatározott, ha az egyenletek száma nagyobb az ismeretlenekénél, és alulhatározott, ha kisebb P Tekintsük az alábbi három egyenletrendszert: x + y = 3 x + 2y = 4 x + y = 3 y = 1 x = 2 y = 1 (2) Mindháromnak (x, y) = (2, 1) az egyetlen megoldása 36

Ekvivalens lineáris egyenletrendszerek D T Azonos ismeretlenekkel felírt két egyenletrendszert ekvivalensnek nevezünk, ha megoldásaik halmaza azonos Ekvivalens átalakítások Egyenletrendszert ekvivalens egyenletrendszerbe visznek át: 1 két egyenlet felcserélése; 2 egy egyenlet nem nulla számmal való szorzása; 3 egy egyenlet konstansszorosának egy másikhoz adása 4 egy 0 = 0 alakú egyenlet elhagyása (csökkenti az egyenletek számát!) 37

Mátrixok - Fejléc nélküli táblázat: mátrix (elemei azonos algebrai struktúrából valók) - Általános alakja: a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A =, A = [a ij ] m n, A = [a ij ] a m1 a m2 a mn - az első index jelöli a sor, a második az oszlop számát - Az A mátrix i-edik sorára az (A) i, j-edik oszlopára az a j vagy az (A) j, elemére az (A) ij jelölés is használatos 38

Egyenletrendszer együtthatómátrixa és (bővített) mátrixa D egyenletrendszer együtthatómátrixa az egyenletek együtthatóit, míg mátrixa (bővített mátrixa) az egyenletek együtthatóit és konstans tagjait tartalmazza a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n a m1 a m2 a mn a 11 a 12 a 1n b 1 a 21 a 22 a 2n b 2 a m1 a m2 a mn b m 39

Sormodell 2 ismeretlennel: egyenesek metszete P Egy egyenletrendszer és megoldása: x + y = 3 x + 2y = 4 x + y = 3 y = 1 x = 2 y = 1 40

Sormodell 2 ismeretlennel: egyenesek metszete P Két másik egyenlet: x + 2y = 3 2x + 4y = 7 x + 2y = 3 2x + 4y = 6 41

Sormodell 3 ismeretlennel: síkok metszete 42

Sormodell: hipersíkok metszete Á Sormodell: hipersíkok metszete Ha egy F fölötti n-ismeretlenes lineáris egyenletrendszer m olyan egyenletből áll, melyek egyikének bal oldalán sem 0 minden együttható, akkor az egyenletrendszer megoldása a nekik megfelelő m hipersík közös része F n -ben - Az i-edik egyenlet: a i1 x 1 + a i2 x 2 + + a in x n = b i - Skalárszorzat alakban: a i x = b i - Homogén esetben: a i x = 0, azaz a megoldásvektor merőleges az a i vektorok mindegyikére 43

Oszlopmodell, 2 egyenlet: síkvektorok lineáris kombinációja P Egy egyenletrendszer és megoldása: x + y = 3 x + 2y = 4 x + y = 3 y = 1 x = 2 y = 1 44

Oszlopmodell, 2 egyenlet: síkvektorok lineáris kombinációja P Két másik egyenlet: x + 2y = 3 2x + 4y = 7 x + 2y = 3 2x + 4y = 6 45

Oszlopmodell: vektorok lineáris kombinációja Á Oszlopmodell A (*) egyenletrendszer a következő vektoregyenlettel ekvivalens: a 11 a 12 a 1n b 1 a 21 a 22 a 2n b 2 x 1 + x 2 + + x n = a m1 a m2 a mn b m - E modell szerint egy egyenletrendszer pontosan akkor oldható meg, ha az együtthatómátrix oszlopvektorainak összes lineáris kombinációjából álló halmazban a konstans tagokból álló vektor is szerepel 46

Lineáris egyenletrendszerek Megoldás kiküszöböléssel

Elemi sorműveletek - Egy mátrix sorain végzett alábbi műveleteket elemi sorműveleteknek nevezzük: Sorcsere: két sor cseréje (S i S j : az i-edik és a j-edik sorok cseréje) Beszorzás: egy sor beszorzása egy nemnulla számmal (cs i : az i-edik sor beszorzása c-vel) Hozzáadás: egy sorhoz egy másik sor konstansszorosának hozzáadása (S i + cs j : a j-edik sor c-szeresének az i-edik sorhoz adása) - Hasonlóan definiálhatók az elemi oszlopműveletek (O i O j, co i, O i + co j ) 47

Lépcsős alak D Lépcsős alak Egy mátrix (sor)lépcsős alakú, ha kielégíti a következő két feltételt: a csupa 0-ból álló sorok (ha egyáltalán vannak) a mátrix utolsó sorai; bármely két egymás után következő nem-0 sorban az alsó sor elején (legalább eggyel) több 0 van, mint a fölötte lévő sor elején A nemnulla sorok első zérustól különböző elemét főelemnek, vezérelemnek vagy pivotelemnek hívjuk Egy főelem oszlopának főoszlop vagy bázisoszlop a neve 48

Gauss-módszer - A következő mátrixok lépcsős alakúak: [ ] 3 2, 0 4 [ ] 1 0, 0 1 1 2 3 4 0 0 5 6, 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 - A Gauss-módszer, -kiküszöbölés vagy -elimináció: lineáris egyenletrendszer megoldása lépcsős alakra hozással (oszloponként haladva) 49

Gauss-módszer egy megoldás - Oldjuk meg az alábbi egyenletrendszert Gauss-módszerrel: x + y + 2z = 0 1 1 2 0 S 2 2S 1 1 1 2 0 S 2x + 2y + 3z = 2 2 2 3 2 3 S 1 S 4 S 1 x + 3y + 3z = 4 1 3 3 4 0 0 1 2 0 2 1 4 x + 2y + z = 5 1 2 1 5 0 1 1 5 1 1 2 0 0 2 1 4 0 0 1 2 0 1 1 5 x + y + 2z = 0 z = 2 S 4 1 2 S 2 1 1 2 0 0 2 1 4 0 0 1 2 0 0 3 2 3 x = 1 2y + z = 4 y = 3 z = 2 S 4 3 2 S 3 (x, y, z) = (1, 3, 2) S 2 S 3 1 1 2 0 0 2 1 4 0 0 1 2 0 0 0 0 50

Gauss-módszer végtelen sok megoldás - Oldjuk meg az alábbi egyenletrendszert Gauss-módszerrel: 1 2 1 2 1 1 S 2 S 1 1 2 1 2 1 1 1 2 3 3 1 0 S 3 3S 1 0 0 2 1 0 1 S 3 2S 2 3 6 7 8 3 1 0 0 4 2 0 2 1 2 1 2 1 1 0 0 2 1 0 1 x 1 + 2x 2 + x 3 + 2x 4 + x 5 = 1 2x 0 0 0 0 0 0 3 + x 4 = 1 - Kötött változók: x 1 és x 3, szabad változók: x 2, x 4, x 5, értékük tetszőleges: pl x 2 = s, x 4 = t, x 5 = u - (x 1, x 2, x 3, x 4, x 5 ) = ( 3 2 2s 3 2 t u, s, 1 2 1 2t, t, u) 51

Gauss-módszer végtelen sok megoldás - Írjuk fel oszlopok lineáris kombinációjaként! x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 = 3 2 2s 3 2 t u s 1 2 1 2 t t u = 3 2 0 1 2 0 0 + s 2 1 0 0 0 + t 3 2 0 1 2 1 0 + u 1 0 0 0 1 F Oldjuk meg az alábbi egyenletrendszert! x + 2y + 3z + 4w = 1 2x + 4y + 5z + 6w = 3 x + 2y + z = 3 52

Gauss-módszer homogén lineáris egyenletrendszer - Oldjuk meg az előző ersz-hez tartozó homogén ersz-t x 1 + 2x 2 + x 3 + 2x 4 + x 5 = 0 x 1 + 2x 2 + 3x 3 + 3x 4 + x 5 = 0 3x 1 + 6x 2 + 7x 3 + 8x 4 + 3x 5 = 0 1 2 1 2 1 1 2 3 3 1 3 6 7 8 3 1 2 1 2 1 0 0 2 1 0 0 0 0 0 0 x 1 + 2x 2 + x 3 + 2x 4 + x 5 = 0 2x 3 + x 4 = 0 x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 = 2s 3 2 t u s 1 2 t t u = s 2 1 0 0 0 + t 3 2 0 1 2 1 0 + u 1 0 0 0 1 53

Lépcsős alakra hozás T Lépcsős alakra hozás Bármely valós (vagy bármely test feletti) mátrix elemi sorműveletekkel lépcsős alakra hozható B Az algoritmus: 1 nulloszlop letakarása 2 sorcsere után a 11 0 3 S i a i1 a 11 S 1 után a 11 alatt minden elem 0 4 takarjuk le az első oszlopot és az első sort, és ha nincs több sor, VÉGE, ha van, menjünk az 1 pontra 54

Redukált lépcsős alak (rref) D Egy mátrix redukált lépcsős, ha 1 lépcsős alakú; 2 minden főelem egyenlő 1-gyel; 3 minden főelem oszlopában a főelemen kívüli elemek 0-k; - Vezéregyes - A következő mátrixok redukált lépcsős alakúak: [ ] 1 0, 0 0 [ ] 0 1, 0 0 1 2 0 4 0 0 1 6, 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 - Algoritmus: oszloponként haladva először a vezérelemek alatt, majd utána az utolsó oszloptól kezdve fölöttük eliminálunk! 55

Redukált lépcsős alakra hozás 1 3 0 P Hozzuk redukált lépcsős alakra az 1 1 2 mátrixot! 2 2 4 1 3 0 S 2 S 1 1 3 0 S M1 3 2S 1 1 1 2 0 2 2 1 1 3 0 2 S S 3 +4S 2 1 0 3 2 S 1 3S 2 0 1 1 0 1 1 2 2 4 0 4 4 0 4 4 0 0 0 1 1 3 0 1 1 2 S 2 S 1 1 1 2 2 M2 1 1 2 S1 S2 S 3 2S 1 S 2 1 0 3 S 1 3 0 1 S 2 0 2 2 0 1 1 2 2 4 2 2 4 0 0 0 0 0 0 56

Gauss Jordan-módszer - 1 1 2 0 1 1 2 0 1 1 2 0 1/2S 2 2 2 3 2 1 3 3 4 0 2 1 4 S 3 1 S 2 1 2 0 0 1 2 0 1 2 2 S 3 S 1 2S 0 0 1 2 3 1 2 1 5 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 4 1 0 0 1 x = 1 0 1 0 3 S 1 S 2 0 0 1 2 0 1 0 3 0 0 1 2 y = 3 0 0 0 0 0 0 0 0 z = 2 - Tehát az egyenletrendszer egyetlen megoldása (x, y, z) = (1, 3, 2) 57

Gauss Jordan-módszer végtelen sok megoldás - 1 2 1 2 1 1 1 2 3 3 1 0 3 6 7 8 3 1 1 2 1 2 1 1 0 0 2 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1/2S 2 S 1 S 2 1 2 0 3/2 1 3/2 0 0 1 1/2 0 1/2 0 0 0 0 0 0 x 1 + 2x 2 + 3 2 x 4 + x 5 = 3 2 x 3 + 1 2 x 4 = 1 2 - (x 1, x 2, x 3, x 4, x 5 ) = ( 3 2 2s 3 2 t u, s, 1 2 1 2 t, t, u), - x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 = 3 2 2s 3 2 t u s 1 2 1 2 t t u = 3 2 0 1 2 0 0 +s 2 1 0 0 0 +t 3 2 0 1 2 1 0 +u 1 0 0 0 1 58

A redukált lépcsős alak egyértelműsége T A redukált lépcsős alak egyértelmű Egy test elemeiből képzett minden mátrix redukált lépcsős alakra hozható Ez az alak egyértelmű B Indirekt: R és S két redukált lépcsős alak Válasszuk ki az első oszlopot, melyben különböznek, és az összes megelőző bázisoszlopot: ˆR = 1 0 0 r 1 0 1 0 r 2 0 0 1 r k 0 0 0 0 0 0 0 0 vagy ˆR = 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 59

A redukált lépcsős alak egyértelműsége 2 1 0 0 0 1 0 0 s 1 0 1 0 0 0 1 0 s 2 Ŝ = 0 0 1 s k vagy Ŝ = 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 - Mivel oszlopok kihagyása nem változtat a sorekvivalencián, ezért az ˆR és Ŝ mátrixok ekvivalensek, azaz a hozzájuk tartozó két egyenletrendszernek ugyanaz a megoldása - vagy minden i = 1,, k indexre r i = s i, vagy egyik egyenletrendszer sem oldható meg, tehát ˆR = Ŝ, ellentmondás m rref(a) az a függvény, mely egy m n-es mátrixhoz a redukált lépcsős alakjából a zérussorok elhagyásával kapott mátrixot rendeli 60

Szimultán egyenletrendszerek - - x + y + z = 3 2x + 3y + 2z = 7 2x + 2y + 3z = 6 1 1 1 3 3 0 2 3 2 7 7 0 2 2 3 6 7 1 u + v + w = 3 2u + 3v + 2w = 7 2u + 2v + 3w = 7 S 2 2S 1 S 3 2S 1 1 1 1 3 3 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 r + s + t = 0 2r + 3s + 2t = 0 2r + 2s + 3t = 1 S 1 S 2 S 1 S 3 1 0 0 2 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 - Ebből leolvasható mindhárom egyenletrendszer megoldása: x 2 u 1 r 1 y = 1, v = 1, s = 0 z 0 w 1 t 1 61