Lineære ligningssystemer. Forelesning, TMA4110 Torsdag 17/9. Lineære ligningssystemer (forts.) Eksempler

Like dokumenter
Lineære ligningssystem; Gauss-eliminasjon, Redusert echelonmatrise

Lineære ligningssystem og matriser

Gauss-Jordan eliminasjon; redusert echelonform. Forelesning, TMA4110 Fredag 18/9. Reduserte echelonmatriser. Reduserte echelonmatriser (forts.

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

Lineære likningssystemer og matriser

Lineære ligningssystemer og gausseliminasjon

MAT1120 Repetisjon Kap. 1

Inverse matriser. E.Malinnikova, NTNU, Institutt for matematiske fag. September, 2009

Elementær Matriseteori

(3/2)R 2+R 3 R 1 +R 2,( 2)R 1 +R 3 ( 2)R 1 +R 4 6/5R 3 +R 4 1/5R 3

Lineære likningssett.

TMA4122/TMA4130 Matematikk 4M/4N Høsten 2010

Forelesning i Matte 3

Avdeling for lærerutdanning. Lineær algebra. for allmennlærerutdanningen. Inger Christin Borge

Homogene lineære ligningssystem, Matriseoperasjoner

Forelesning 22 MA0003, Mandag 5/ Invertible matriser Lay: 2.2

MAT1120 Repetisjon Kap. 1, 2 og 3

Lineær algebra-oppsummering

Determinanter til 2 2 og 3 3 matriser

Lineær Algebra og Vektorrom. Eivind Eriksen. Høgskolen i Oslo, Avdeling for Ingeniørutdanning

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2013

Basis, koordinatsystem og dimensjon

Hvorfor er lineær algebra viktig? Linear

10 Radrommet, kolonnerommet og nullrommet

Vektorrom. Kapittel 7. Hva kan vi gjøre med vektorer?

tma4110 Matematikk 3 Notater høsten 2018 Øystein Skartsæterhagen Morten Andreas Nome Paul Trygsland

Lineære likningssystemer

Lineær algebra. Kurskompendium, Utøya, MAT1000. Inger Christin Borge

Matriser. Kapittel 4. Definisjoner og notasjon

Rang og Vektorrom. Magnus B. Botnan NTNU. 4. august, 2015

Vektorligninger. Kapittel 3. Vektorregning

8 Vektorrom TMA4110 høsten 2018

Vær OBS på at svarene på mange av oppgavene kan skrives på flere ulike måter!

EKSAMEN I TMA4110 MATEMATIKK 3 Bokmål Mandag 6. juni 2011 løsningsforslag

y(x) = C 1 e 3x + C 2 xe 3x.

EKSAMEN I MATEMATIKK 3 (TMA4110)

4.1 Vektorrom og underrom

Øving 3 Determinanter

Obligatorisk innleveringsoppgave, løsning Lineær algebra, Våren 2006

Repetisjon: Om avsn og kap. 3 i Lay

MAT Onsdag 7. april Lineær uavhengighet (forts. 1.8 Underrom av R n, nullrom, basis MAT Våren UiO. 7.

Lineær uavhengighet og basis

Repetisjon: om avsn og kap. 3 i Lay

1. (a) Finn egenverdiene og egenvektorene til matrisen A =

Lineær algebra. H. Fausk i=1 a ix i. Her har vi oppgitt hva ledd nummer i skal være og hvilke indekser i vi summerer over.

4 Matriser TMA4110 høsten 2018

Egenverdier og egenvektorer

1 Gauss-Jordan metode

x 1 x 2 x = x n b 1 b 2 b = b m Det kan være vanskelig (beregningsmessig) og bearbeide utrykk som inneholder

Lineærtransformasjoner

John Haugan. Matematikk for ingeniørstudenter: Lineær algebra

4.1 Vektorrom og underrom

6 Determinanter TMA4110 høsten 2018

4.1 Vektorrom og underrom

12 Projeksjon TMA4110 høsten 2018

Oppgave 1 (25 %) - Flervalgsoppgaver

3.9 Teori og praksis for Minste kvadraters metode.

Lineær algebra. H. Fausk i=1 a ix i. Her har vi oppgitt hva ledd nummer i skal være og hvilke indekser i vi summerer over.

Lineære likningssystemer, vektorer og matriser

MA1201, , Kandidatnummer:... Side 1 av 5. x =.

MA1201 Lineær algebra og geometri Løsningsforslag for eksamen gitt 3. desember 2007

Lineære likningssystemer, vektorer og matriser

6.4 Gram-Schmidt prosessen

Løsning Eksamensrelevante oppgaver i ELE 3719 Matematikk Vektorer, matriser og lineær algebra Dato Februar Oppgave 1. (A) Vi leser av at

Forelesning 10 Cramers regel med anvendelser

Til enhver m n matrise A kan vi knytte et tall, rangen til A, som gir viktig informasjon.

LO510D Lin.Alg. m/graf. anv. Våren 2005

Matriseoperasjoner. E.Malinnikova, NTNU, Institutt for matematiske fag. September 22, 2009

Løsningsforslag øving 6

6.5 Minste kvadraters problemer

Gauss-eliminasjon og matrisemultiplikasjon

Løsningsforslag for eksamen i Matematikk 3 - TMA4115

LP. Leksjon 1. Kapittel 1 og 2: eksempel og simpleksmetoden

Eksamen i ELE Matematikk valgfag Torsdag 18. mai Oppgave 1

MAT-1004 Vårsemester 2017 Obligatorisk øving 2

Komplekse tall. Kapittel 2. Den imaginære enheten. Operasjoner på komplekse tall

4.4 Koordinatsystemer

6.8 Anvendelser av indreprodukter

RF5100 Lineær algebra Leksjon 2

TMA4110 Eksamen høsten 2018 EKSEMPEL 1 Løsning Side 1 av 8. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer: x 1 7x 4 = 0

Lineær algebra. H. Fausk i=1 a ix i. Her har vi oppgitt hva ledd nummer i skal være og hvilke indekser i vi summerer over.

9 Lineærtransformasjoner TMA4110 høsten 2018

Matematikk 1 Første deleksamen. Løsningsforslag

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

Løsningsforslag til eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag Side 1 av 7 L SNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN I SIF5009 MATEMATIKK 3 Bokmål Man

MAT UiO. 10. mai Våren 2010 MAT 1012

Løsningsforslag til eksamen i MA1202/MA6202 Lineær algebra med anvendelser våren 2009.

Mer om kvadratiske matriser

Mer om kvadratiske matriser

Løsningsforslag, eksamen i MA0002, Brukerkurs i matematikk B

LP. Leksjon 5. Kapittel 5: dualitetsteori. motivasjon det duale problemet svak og sterk dualitet det duale til LP problemer på andre former

x 1, x 2,..., x n. En lineær funksjon i n variable er en funksjon f(x 1, x 2,..., x n ) = a 1 x 1 + a 2 x a n x n,

MAT-1004 Vårsemester 2017 Prøveeksamen

4.1 Vektorrom og underrom

MAT Prøveeksamen 29. mai - Løsningsforslag

Øving 2 Matrisealgebra

Eksamensoppgave i MA1201 Lineær algebra og geometri

Minste kvadraters løsning, Symmetriske matriser

Transkript:

Lineære ligningssystemer Generell form; m ligninger i n ukjente, m n-system: Forelesning, TMA4110 Torsdag 17/9 Martin Wanvik, IMF MartinWanvik@mathntnuno a 11 x 1 + a 12 x 2 + + a 1n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + + a 2n x n = b 2 a m1 x 1 + a m2 x 2 + + a mn x n = b m der a ij, 1 i m, 1 j n og b k, 1 k m er konstanter (reelle tall) Eksempel: x + y + z + w = 5 2x + 5y + πz + e π w = 17 z + w = 15 Lineære ligningssystemer (forts) Ikke-eksempel: Naturlige spørsmål: 2x + 3y + 5xy = 2 5xe x + 4y sin(x) cos(y) = 5 1 Har systemet løsning? 2 Er løsningen, hvis den eksisterer, entydig? (Eller, finnes det flere?) 3 Hva er løsningen(e)? Eksempler Det viser seg at det ikke er altfor mye som kan skje La oss se på noen enkle eksempler for å illustrere de ulike mulighetene: 2 2-system Løs for x og y: Tilsvarende: 2 3-system: x + 2y = 2 2x + y = 1 2x + 6y = 4 3x + 9y = 11 x + y + z = 1 2x + y + z = 2

2 2-systemer m n-systemer Betrakt et vilkårlig 2 2-system ax + by = c a x + b y = c Hver rad beskriver en linje i planet, og enhver løsning (x, y) av systemet må ligge på begge linjer Det er tre (geometrisk opplagte) muligheter: 1 Linjene er sammenfallende; uendelig mange løsninger 2 Linjene er ikke sammenfallende, men parallelle Systemet har ingen løsning 3 Linjene er ikke sammenfallende, og heller ikke parallelle De skjærer hverandre i et enkelt punkt, og systemet har dermed en entydig løsning For et generelt m n-system er ikke ting like enkelt; geometrisk beskrives m n 1-dimensjonale plan i et n-dimensjonalt rom, og løsningene er punkter som ligger i alle disse planene Likevel har vi også i denne situasjonen kun de samme tre mulighetene som for 2 2-systemer, nemlig 1 Systemet har en entydig løsning 2 Systemet har ingen løsning 3 Systemet har uendelig mange løsninger Men merk at det siste alternativet kan inntreffe på flere måter: i det tredje eksempelet dannet løsningene en linje, men dersom planene hadde sammenfallt, ville løsningene dannet et (2-dimensjonalt) plan Med andre ord, antall frie parametere kan variere (mer om dette senere) m n-systemer (forts) Eliminasjon (generell løsningsmetode) Eksempel: Vi sier at at m n-system er konsistent dersom det har minst èn løsning Dersom det ikke har noen løsninger, sies systemet å være inkonsistent x + 2y + z = 3 3x + 3y + 4z = 5 2x + y + 3z = 4 Vi omformer systemet til x + 2y + z = 3 y + z = 2 z = 1 ved å 1 Multiplisere en ligning med en konstant 0 2 Bytte om to ligninger 3 Addère et konstant multippel av en ligning til en annen

Tilbakesubstitusjon Matriser og Gausseliminasjon Vi kjenner nå verdien av z, nemlig 1 Vi kan nå tilbakesubstituere z = 1 for å finne verdien av de andre variablene, som gir (den entydige) løsningen x = 2, y = 1 og z = 1 Metoden vi har brukt tidligere kan brukes til å løse alle slags lineære system Men, spesielt dersom antall ligninger og antall ukjente er store, er den tungvint å bruke notasjonsmessig Vi skal nå innføre notasjon som er enklere å håndtere, nemlig matriser, i tillegg til en tilsvarende løsningsmetode for systemer som kalles Gausseliminasjon (etter Carl Friedrich Gauss, 1777-1855, tysk matematiker) Matriser Matriser og lineære ligningssystemer En rektangulær tabell c 11 c 12 c 1n c 21 c 22 c 2n c m1 c m2 c mn med c ij R (vi kan også tillate komplekse koeffisienter), kalles en matrise Størrelsen er m n (vi skriver ofte m n-matrise), der m betegner antall rader og n betegner antall kolonner Vi bruker ofte subskript for å betegne elementer i en matrise; a ij betegner elementet i rad i og kolonne j La a 11 x 1 + a 12 x 2 + + a 1n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + + a 2n x n = b 2 a m1 x 1 + a m2 x 2 + + a mn x n = b m være et lineært ligningssystem Den tilhørende koeffisientmatrisen A = [a ij ] er gitt ved a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = a m1 a m2 a mn

Matriser og lineære ligningssystemer (forts) Gausseliminasjon; elementære radoperasjoner La b 1 b 2 b = b m (dette kalles en kolonnevektor) Dersom vi legger til b i koeffisientmatrisen, får vi den utvidede koeffisientmatrisen, [A b], gitt ved a 11 a 12 a 1n b 1 a 21 a 22 a 2n b 2 [A b] = a m1 a m2 a mn b m En elementær radoperasjon på en matrise A er en av følgende: 1 Multipliser en rad med en konstant c 0 Notasjon: cr p betyr multipliser rad nummer p med c 2 Bytt om to rader Notasjon: SWAP(R p, R q ) eller R p R q betyr bytt om rad p og rad q 3 Addèr et konstant multippel av en rad til en annen Notasjon: cr p + R q betyr adder c ganger rad p til rad q Eksempel Radekvivalente matriser Løs systemet x 1 + 2x 2 + x 3 = 4 3x 1 + 8x 2 + 7x 3 = 20 2x 1 + 7x 2 + 9x 3 = 23 To matriser sies å være radekvivalente dersom den ene kan omformes til den andre ved hjelp av en (endelig) sekvens av elementære radoperasjoner Teorem Dersom de utvidede koeffisientmatrisene til to lineære ligningssystemer er radekvivalente, så har de samme løsningsmengde

Echelonmatriser Gausseliminasjon Hensikten med elementære radoperasjoner er alltid å bringe systemet over på en form som gjør at løsningen enkelt kan finnes ved tilbakesubstitusjon En matrise E sies å være en echelonmatrise dersom den har følgende to egenskaper: 1 Enhver rad som kun består av nuller befinner seg under enhver rad som har et element 0 2 For enhver rad som inneholder et element 0, så ligger første element 0 strengt til høyre for det første elementet 0 i raden over (hvis det eksisterer en rad over) Gitt et lineært ligningssystem, la [A b] være systemets utvidede koeffisientmatrise Bruk elementære radoperasjoner for å bringe [A b] over på echelonform/trappeform [E b ] Dersom [E b ] inneholder en rad på formen 0 0 0 b med b 0, har systemet ingen løsning Hvis ikke, finn løsning ved tilbakesubstitusjon Det første elementet 0 (fra venstre) i en rad kalles radens ledende element Tilbakesubstitusjon Eksempel Betrakt et ligningssystem på echelonform (altså, dets utvidede koeffisientmatrise er en echelonmatrise) Variabeler som svarer til kolonner med et ledende element, kalles ledende variabeler De andre variabelene kalles frie variabelertilbakesubstitusjon gjøres på følgende måte: 1 Sett alle frie variabeler lik en vilkårlig parameter (altså, forskjellige parametere for hver enkelt frie variabel) 2 Løs den siste 0 ligningen for dens ledende variabel 3 Sett resultatet inn i nest siste ligning 0, løs for den ledende variabel Fortsett oppover til alle variabeler er bestemt Finn løsning på systemet x 1 2x 2 + 3x 3 + 2x 4 + x 5 = 10 x 3 + 2x 5 = 3 x 4 4x 5 = 7