7. gyakorlat. Lineáris algebrai egyenletrendszerek megoldhatósága

Hasonló dokumentumok
7. gyakorlat. Lineáris algebrai egyenletrendszerek megoldhatósága

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

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Lineáris algebra. (közgazdászoknak)

Lineáris egyenletrendszerek

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

1. Determinánsok. Oldjuk meg az alábbi kétismeretlenes, két egyenletet tartalmaz lineáris egyenletrendszert:

Bázistranszformáció és alkalmazásai 2.

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

rank(a) == rank([a b])

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

Mátrixok 2017 Mátrixok

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


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

Lineáris egyenletrendszerek

Rang, sajátérték. Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach/ február 15

1. zárthelyi,

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

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

Gauss-eliminációval, Cholesky felbontás, QR felbontás

Matematika III. harmadik előadás

Lineáris leképezések. 2. Lineáris-e az f : R 2 R 2 f(x, y) = (x + y, x 2 )

A lineáris algebra forrásai: egyenletrendszerek, vektorok

Diszkrét matematika II., 5. előadás. Lineáris egyenletrendszerek

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

Determinánsok. A determináns fogalma olyan algebrai segédeszköz, amellyel. szolgáltat az előbbi kérdésekre, bár ez nem mindig hatékony.

Lineáris algebra gyakorlat

12. előadás. Egyenletrendszerek, mátrixok. Dr. Szörényi Miklós, Dr. Kallós Gábor

5. Előadás. (5. előadás) Mátrixegyenlet, Mátrix inverze március 6. 1 / 39

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

1. Mátrixösszeadás és skalárral szorzás

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

3. el adás: Determinánsok

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Bázistranszformáció és alkalmazásai

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

összeadjuk 0-t kapunk. Képletben:

Lineáris algebra Gyakorló feladatok

1. A kétszer kettes determináns

Lineáris algebra gyakorlat

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

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

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

vektor, hiszen ez nem skalárszorosa

Bevezetés az algebrába 1

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

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Numerikus matematika vizsga

1. Határozzuk meg, hogy mikor egyenlő egymással a következő két mátrix: ; B = 8 7 2, 5 1. Számítsuk ki az A + B, A B, 3A, B mátrixokat!

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

5 = hiszen és az utóbbi mátrix determinánsa a középs½o oszlop szerint kifejtve: 3 7 ( 2) = (példa vége). 7 5 = 8. det 6.

Első zárthelyi dolgozat megoldásai biomatematikából * A verzió

1. Mit jelent az, hogy egy W R n részhalmaz altér?

Normák, kondíciószám

LINEÁRIS ALGEBRA (A, B, C) tematika (BSc) I. éves nappali programtervező informatikus hallgatóknak évi tanév I. félév

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

Numerikus módszerek I. zárthelyi dolgozat, 2009/10. I. félév, A. csoport, MEGOLDÁSOK

Intergrált Intenzív Matematika Érettségi

Gyakorló feladatok I.

9. gyakorlat Lineáris egyenletrendszerek megoldási módszerei folyt. Néhány kiegészítés a Gauss- és a Gauss Jordan-eliminációhoz

Komplex számok algebrai alakja

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

Gyakorló feladatok. Agbeko Kwami Nutefe és Nagy Noémi

Gauss elimináció, LU felbontás

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

Numerikus matematika. Irodalom: Stoyan Gisbert, Numerikus matematika mérnököknek és programozóknak, Typotex, Lebegőpontos számok

5. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 5. előadás Lineáris függetlenség

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Minden egész szám osztója önmagának, azaz a a minden egész a-ra.

11. DETERMINÁNSOK Mátrix fogalma, műveletek mátrixokkal

Diszkrét matematika I. gyakorlat

Diszkrét matematika II., 8. előadás. Vektorterek

Totális Unimodularitás és LP dualitás. Tapolcai János

Bevezetés az algebrába 2 Differencia- és differenciálegyenlet-rendszerek

FELVÉTELI VIZSGA, szeptember 12.

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

Numerikus módszerek I. zárthelyi dolgozat (2017/18. I., A. csoport) Megoldások

3. Lineáris differenciálegyenletek

12 48 b Oldjuk meg az Egyenlet munkalapon a következő egyenletrendszert az inverz mátrixos módszer segítségével! Lépések:

1. megold s: A keresett háromjegyű szám egyik számjegye a 3-as, a két ismeretlen számjegyet jelölje a és b. A feltétel szerint

Lin.Alg.Zh.1 feladatok

Sztojka Miroszláv LINEÁRIS ALGEBRA Egyetemi jegyzet Ungvár 2013

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Lineáris Algebra gyakorlatok

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.

Komplex számok. Wettl Ferenc előadása alapján Wettl Ferenc előadása alapján Komplex számok / 18

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

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

Hiányos másodfokú egyenletek. x 8x 0 4. A másodfokú egyenlet megoldóképlete

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

Problémás regressziók

Lineáris algebra numerikus módszerei

Bevezetés az algebrába 1

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

MATE-INFO UBB verseny, március 25. MATEMATIKA írásbeli vizsga

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

Bevezetés a számításelméletbe I. feladatgyűjtemény. Szeszlér Dávid, Wiener Gábor

Átírás:

7. gyakorlat Lineáris algebrai egyenletrendszerek megoldhatósága Egy lineáris algebrai egyenletrendszerrel kapcsolatban a következ kérdések merülnek fel: 1. Létezik-e megoldása? 2. Ha igen, hány megoldása van? 3. Hogyan határozható(k) meg a megoldás(ok)? El ször az els kérdéssel fogunk foglalkozni. Ehhez bevezetjük az egyenletrendszer kib vített mátrixának a fogalmát: az Ax = b egyenletrendszer kib vített mátrixának azt a mátrixot nevezzük, amelyet A-ból úgy kapunk, hogy jobbról kiegészítjük a b oszlopvektorral. Jelölése: A b. Pl. az 2x 1 + 2x 2 = 5 egyenletrendszer kib vített mátrixa: A b = 2 2 5 Kérdés: Hogyan viszonyulhat egymáshoz A és A b rangja? Nyilvánvalóan a kib vített mátrix rangja nem lehet kisebb, mint az A rangja, mivel az A márix aldeterminánsai az A b-nek is aldeterminánsai. Köv.: ρ(a b) ρ(a). Az egyenletrendszer megoldhatóságának feltételét a KroneckerCapelli-tétel fogalmazza meg: Az Ax = b lineáris algebrai egyenletrendszernek pontosan akkor létezik megoldása, ha ρ(a) = ρ(a b), azaz az együtthatómátrixnak és a kib vített mátrixnak ugyanannyi a rangja. Ennek illusztrálására tekintsük a következ példákat! 1. 2x 1 + 2x 2 = 5 1

Jól látszik, hogy ennek az egyenletrendszernek nincs megoldása, mert a második egyenlet bal oldala az els egyenlet bal oldalának éppen kétszerese, azonban a jobb oldala az els egyenlet jobb oldalának nem a kétszerese, hanem csak 5/3-szorosa. Ez ellentmondás. Alkalmazzuk a KroneckerCapelli-tételt! Az együtthatómátrix és a kib vített mátrix: 1 1 2 2 és A b = 2 2 5 Az A mátrixban két azonos oszlop van, így ρ(a) = 1. A (3, 5) T oszlopvektor azonban már független az (1, 2) T oszlopvektortól, így a kib vítéssel megnöveltük a mátrix rangját: ρ(a b) = 2 1 nem létezik megoldás. 2. 2x 1 + 2x 2 = 6 Itt a bal oldalakat nem változtattuk meg, a második egyenletben viszont már 6 van a jobb oldalon, ami kétszerese a 3-nak. Az A mátrix ugyanaz, mint el bb, így ρ(a) = 1. A (3, 6) T oszlop azonban már összefügg az (1, 2) T -vel, így ρ(a b) = 1 = ρ(a) létezik megoldás. Valóban, ezt az egyenletrendszert minden olyan számpár kielégíti, amely az egyik egyenletnek eleget tesz (végtelen sok megoldás van). 3. x 1 + 2x 2 = 5 Az együtthatómátrix és a kib vített mátrix: 1 1 és A b = 1 2 1 2 5 Itt ρ(a) = 2 = ρ(a b) létezik megoldás. Valóban, pl. az egyik ismeretlen kiküszöbölésével könnyen kiszámítható, hogy x 1 = 1 és x 2 = 2 (egy darab megoldás van, más szóval a megoldás egyértelm ). A fenti három példa lefedi a lineáris egyenletrendszerek megoldásainak számát illet en az összes lehetséges esetet: 1. Ha ρ(a) ρ(a b), akkor nincs megoldás (lásd az 1. példát). 2

2. Ha ρ(a) = ρ(a b), és ez a közös rang egyenl az ismeretlenek számával, akkor egy megoldás van (lásd a 3. példát). 3. Ha ρ(a) = ρ(a b), és ez a közös rang kisebb az ismeretlenek számánál, akkor végtelen sok megoldás van (lásd a 2. példát). Más eset nem lehetséges, így pl. egy lineáris egyenletrendszernek sosem lehet két megoldása! Pl. 1. Létezik-e megoldásuk az alábbi egyenletrendszereknek? Ha igen, hány? a.) Itt Vizsgáljuk meg az A rangját! 1 2 3 2 4 1 3 6 4 x 1 + 2x 2 + 3x 3 = 3 2x 1 + 4x 2 + x 3 = 1 3x 1 + 6x 2 + 4x 3 = 5 és A b = 2 3 4 1 0 ρ(a) 2 A = 0 ρ(a) = 2. 1 2 3 3 2 4 1 1 3 6 4 5 A kib vített mátrixnak is legalább 2 a rangja, de ha található benne 3 3-as nemnulla aldetermináns, akkor 3. Ilyen létezik: 1 3 3 2 1 1 = 5 0 ρ(a b) = 3 ρ(a). 3 4 5 Így az egyenletrendszernek nincs megoldása. b.) x 1 + 2x 2 + 3x 3 = 3 2x 1 + 4x 2 + x 3 = 1 3

1 2 3 2 4 1 és A b = 1 2 3 3 2 4 1 1 Itt ρ(a) szintén 2, a kib vített mátrixnak pedig ennél sem kisebb nem lehet a rangja, sem nagyobb nem lehet (csak két sora van). Tehát létezik megoldás. A közös rang 2, az ismeretlenek száma viszont 3 > 2, ezért végtelen sok megoldás van. Pl. 2. Lehet-e olyan két egyenletb l álló háromismeretlenes lineáris egyenletrendszer, amelynek nem végtelen sok megoldása van? Igen: lehet, hogy nincs megoldása. (Egyértelm megoldása nem lehet.) Pl. 3. Tegyük fel, hogy az Ax = b egyenletrendszerben A M n olyan négyzetes mátrix, amelynek a determinánsa nem nulla. Mit mondhatunk a rendszer megoldhatóságáról és a megoldások számáról? A = 0 ρ(a) = n. De ekkor ρ(a b) is csak n lehet (ez egyben az ismeretlenek száma is) létezik egyetlen megoldás. Pl. 4. Mit mondhatunk az Ax = b egyenletrendszer megoldhatóságáról, ha b minden eleme nulla? Ekkor a kib vített mátrixban A-t egy nulla oszloppal egészítjük ki. Mivel egy nullvektort tartalmazó vektorrendszer mindig összefügg, ezért ezzel nem n het meg a lineárisan független rendszert alkotó oszlopok maximális száma, vagyis a rang nem változik meg. Ezért mindig van megoldás. (Másképp gondolkozva: világos, hogy ha minden ismeretlennek a nulla értéket adjuk, az összes egyenlet fennáll, tehát mindig megoldás az x = 0.) Lineáris algebrai egyenletrendszerek megoldási módszerei A továbbiakban azzal foglalkoznuk, hogy hogyan határozhatjuk meg egy lineáris egyenletrendszer megoldásait. 1. A Cramer-szabály Tegyük fel, hogy az Ax = b egyenletrendszerben A M n olyan négyzetes mátrix, amelynek a determinánsa nem nulla. Az el bbi 3. példa szerint ekkor létezik egyetlen megoldás. Ennek meghatározására alkalmazható a Cramer-szabály: az x i ismeretlen el áll x i = A i b A 4

alakban, ahol A i b azt a mátrixot jelöli, amelyet A-ból úgy kapunk, hogy az i-edik oszlopát kicseréljük a b-re. Pl. Számítsuk ki az y ismeretlent a következ egyenletrendszerben: Megoldás: 2x + 3y + 4z = 3 x 6y + 2z = 1 4x + 3y 8z = 1 2 3 4 1 1 2 4 1 8 y = 2 3 4 1 6 2 4 3 8 = 80 240 = 1 3. Megjegyezzük, hogy a determinánsok kiszámítása miatt ez a módszer nagyon m veletigényes. Egy darab n n-es determináns kiszámításához ugyanis (n 1)n! számú szorzást kell elvégeznünk. n = 50 esetén ez több mint 50!, azaz több mint 10 64 darab szorzást jelent. Ennek a számnak az érzékeltetésére végezzünk el egy egyszer gondolatkísérletet! Képzeljünk el egy olyan számítógépet, amely 10 10 méter méret számolóegységekb l áll, és a számolást az elképzelhet legnagyobb sebességgel: fénysebességgel végzi. Egy szorzás ideje legyen az az id, amely alatt a fény átfut egy számolóegységen: ez 1/3 10 18 másodperc. Akkor 10 64 darab szorzás t = 1 3 10 18 10 64 = 1 3 1046 s id t igényel. Ha az eredményt átszámítjuk évekbe, akkor azt kapjuk, hogy ez az id több mint 1 3 1037 év! Az alkalmazások során (pl. az id járás-el rejelzésben) jóval nagyobb méret egyenletrendszerek is el fordulnak. Világos, hogy ezeket a Cramer-szabállyal lehetetlen reális id n belül megoldani. Ezért a gyakorlatban más módszerek terjedtek el (lásd a köv. órát). 5