Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
LINEÁRIS ALGEBRA
• Bércesné Novák Ágnes
• Honlap:
http://users.itk.ppke.hu/~b_novak
• Követelményrendszer:
• Gauss elimináció
• Vektoralgebra:
• http://users.itk.ppke.hu/~b_novak/dmat/Vektorfolcop.pdf
Lineáris egyenletrendszerek
GAUSS ELIMINÁCIÓ (kiküszöbölés)
a11x1+a12x2+ a13x3…a1nxn =b1
a21x1+a22x2+ a23x3…a2nxn =b2
a31x1+a32x2+ a33x3…a3nxn =b3
…
am1x1+am2x2+ am3x3…amnxn= bm
x1+ 2x2+ 3x3+ 4x4 = 5
6x1+ 7x2+ 8x3+ 9x4 = 10
11x1+12x2+ 13x3+14x4 =15
16x1+17x2+ 18x3+19x4= 20
Definíció:
A lineáris egyenletrendszer (nevének megfelelően)
lineáris egyenletekből áll.
Lineáris az egyenlet, ha a benne szereplő
ismeretlenek legfeljebb első hatványon szerepelnek.
A lineáris egyenletrendszer
általános alakja n≠m: Példa:
Hol fordulnak elő egyenletrendszerek?
- Csillagászat: Gauss és a Ceres kisbolygó (asterodia)
- Kémiai számítások
- Fizikai számítások
- Közgazdaságtani számítások
- Biológiai számítások
- Mindenhol , pl.:
CSILLAGÁSZATLineáris egyenletrendszerek és a Ceres aszteroida
Guiseppi Piazzi
Felfedezte a Ceres-t
1801, Jan. 1
22 éjjel, 40 megfigyelés
Febr. 11., ELTŰNT!
„Napárnyék”
22 éjjel, 40 megfigyelés
(idő, szög1, szög2)
Szeptemberben publikálta
• Carl Friedrich Gauss (1777-1855)
• Elimináció – Ceres! 1801 jan. 1.
• Komplex számok
• bizonyította be először az ALGEBRA ALAPTÉTELÉT.
Ha p(x) n-edfokú polinom, n > 0, melynek együtthatói komplexszámok, akkor a polinomnak a komplex számok körébenmultiplicitással számolva n gyöke van.
Példa:
← Carl Friedrich Gauss (24),
Megoldotta a 17 egyenletből
és 3 ismeretlenből
álló rendszert
GAUSS eliminációval
Sir Isaac Newton →
„Az ilyesfajta számítások
a legnehezebbek
az astronómiában”
← Gauss vázlata
a Ceres pályájáról.
Ceres képe a
Hubble
távcsővel→
KÖZÉPISKOLALineáris, kétismeretlenes egyenletrendszerek
1 közös pont
Egy megoldás:
X=0, y=-2
Az egyenletek konzisztensek
Nincs közös pont,az egyenesek párhuzamosak
Nincs megoldás
Inkonzisztens, ellentmondó egyenletek
Minden pont közös Végtelen sok megoldás
Összefüggő (és konzisztens) egyenletek
A fenti tapasztalat általában is igaz:
Minden lineáris egyenletrendszernek
(1) vagy pontosan egy megoldása van,
(2) vagy végtelen sok megoldása van
(3) vagy nincs megoldása
Síkok helyzete a térben
Bizonyítható,hogy az egyenesekhez hasonlóan a síkok egyenlete is a térben lineáris.
3 ismeretlenes lineáris egyenletrendszer 3 sík helyzetét írja le.
Írja az ábrák alá a megfelelő állítás számát!
Minden lineáris egyenletrendszernek
(1) vagy pontosan egy megoldása van,
(2) vagy végtelen sok megoldása van
(3) vagy nincs megoldása
(3)(2)(1)
2
53932
z
zyzyx
2z
15)2(3
yy
1y 2z
19)2(3)1(2
xx
2 ,1 ,1 zyx
Példa: LÉPCSŐS ALAK ÉS MEGOLDÁSA
De ha nem lépcsős?!
Akkor azzá tehető, hiszen:
- Szabad egyenleteket felcserélni
- Nem nulla számmal szorozni
- Egyik egyenlet számszorosát a másikhoz hozzáadni
Fentieket elemi sorműveleteknek nevezzük.
GAUSS ELIMINÁCIÓ:
Sorműveletek segítségével az egyenletrendszert lépcsős alakra
hozzuk
a11x1+a12x2+ a13x3…a1nxn =b1
a21x1+a22x2+ a23x3…a2nxn =b2
a31x1+a32x2+ a33x3…a3nxn =b3
…
am1x1+am2x2+ am3x3…amnxn= bm
α11x1+ α 12x2+ α13x3+… α 1nxn =1
α 22x2+ α23x3+… α 2nxn =2
α33x3+… α 3nxn =3
…
α mnxn=m
GAUSS ELIMINÁCIÓ:
Sorműveletek segítségével az egyenletrendszert lépcsős alakra
hozzuk
GAUSS ELIMINÁCIÓ:
Az i. lépésben az aii segítségével nullázzuk az ALATTA levő aji
(i<j) együtthatókat.
(3)(2)(1)
17552
43932
zyx
yxzyx
Példa:
MO::
(4)
17552
53932
(2)(2)(1)
zyx
zyzyx
(5)
1
53932
(3)(3)2)((1)
zy
zyzyx
(6)
42
53932
(5)(5)(4)
z
zyzyx
2
53932
)6((6) 21
z
zyzyx
2 ,1 ,1 zyx
Ezt meg már láttuk, hogy
visszahelyettesítéssel
hogyan lehet megoldani.
A MEGOLDÁS (1 db):
Gauss:1. lépés
Gauss: 2. lépés
Gauss: 2. lépés
(3)(2)(1)
132
222
13
321
321
321
xxx
xxx
xxxPélda:
MO:
)5()4(
245
045
13
(3)(3))1((1)
(2)(2)2)((1)
32
32
321
xx
xx
xxx
20
045
13
)5()5()1()4(
32
321
xx
xxx
? 0= -2 ? → inkonzisztens rendszer !
Példa:
MO:
(3)(2)(1)
13
0
13
)2()1(
21
32
31
xx
xx
xx
(3)(2)(1)
13
13
0
21
31
32
xx
xx
xx
(4)
033
0
13
(3)(3)(1)
32
32
31
xx
xx
xx
0
13
32
31
xx
xx
,32 xx 31 31 xx
Végtelen sok megoldás:
,
,
,13
3
2
1
tx
Rttx
tx
KÖZGAZDASÁGTANI ALKALMAZÁS
Vaszilij Leontief –NOBEL DÍJ 1973 közgazdaságtan
USA gazdasági rendszere-250 000 adat
500 egyenlet 500 ismeretlen (redukálta 42-42-re):
MARK II számítógép, lyukkártyás, 56 óra alatt oldotta meg
Maga program is több hónapi munka volt!
Példa (végtelen sok megoldásra): Egy év alatt azt figyelték meg, hogy
1. 1 egységnyi szolgáltatáshoz ( 0.3 egységnyi saját terméket, 0.3 egységnyi energiát, és 0.3
egységnyi nyersanyagot használnak fel.
2. 1 egységnyi energia előállításához 0.4 egységnyi szolgáltatás, 0.1 egységnyi energia és 0.5
egységnyi nyersanyag szükséges.
3. 1 egységnyi nyersanyag előállítása pedig 0.3 egységnyi szolgáltatást, 0, 6 egységnyi energiát, és
0.2 egységnyi (egyéb) nyersanyagot igényel.
Mennyit kell termelni az egyes szektorokban, hogy egyensúly legyen, ti. minden szektor elegendő
forrással rendelkezzék?
Mennyit kell termelni az egyes szektorokban, hogy egyensúly legyen, ti. minden szektor elegendő
forrással rendelkezzék?
Tételezzük fel, hogy a model ZÁRT: nincsen egyéb forrás és rendszerből nem távozik el termék.
3
2
1
321
321
321
2.06.03.0
5.01.04.0
3.03.03.0
p
p
p
ppp
ppp
ppp
Példa (végtelen sok megoldás): Egy év alatt azt figyelték meg, hogy
1. 1 egységnyi szolgáltatáshoz 0.3 egységnyi saját terméket, 0.3 egységnyi energiát, és 0.3
egységnyi nyersanyagot használnak fel.
2. 1 egységnyi energia előállításához 0.4 egységnyi szolgáltatás, 0.1 egységnyi energia és 0.5
egységnyi nyersanyag szükséges.
3. 1 egységnyi nyersanyag előállítása pedig 0.3 egységnyi szolgáltatást, 0, 6 egységnyi energiát, és
0.2 egységnyi (egyéb) nyersanyagot igényel.
tp
tp
tp
3
2
1
92.0
82.0
Ismeretlenek elhagyása, mátrixos alak
4=3z+4y+5x
2=5z+6y+7x
2=z+2y+3x
1
2
2
210
210
123
3/2
3/8
2
3/43/20
3/83/40
123
4
2
2
345
567
123.)1(
3
5.)3(.),1(
3
7.)2(
3
1
2
000
210
123
Ismeretlenek elhagyása, mátrixos alak
3
25
5
3615
725
021
3=3z+6y+15x
25=7z+2y5x
5=2y+x
Adott az alábbi mátrixos alak:
Írja fel az egyenleteket a mátrixos alakból!
MO.:
Példa (házi feladat): Adott az alábbi egyenletrendszer, írja fel a mátrixos alakot, és
keresse meg a megoldást Gauss eliminációval!
x-2y+3z=1
2x+y+z=-3
-x+2y-2z=0