Решение системы по формулам Крамера
Кроме того, существуют системы линейных уравнений с двумя переменными, которые целесообразно решать именно по правилу Крамера!
Рассмотрим систему уравнений
На первом шаге вычислим определитель , его называют главным определителем системы. Если , то система имеет бесконечно много решений или несовместна (не имеет решений). В этом случае правило Крамера не поможет, нужно использовать Метод Гауса.
Если , то система имеет единственное решение, и для нахождения корней мы должны вычислить еще два определителя: и
На практике вышеуказанные определители также могут обозначаться латинской буквой .
Корни уравнения находим по формулам: ,
Пример 7
Решить систему линейных уравнений
В подобных случаях и приходят на помощь формулы Крамера.
,
значит, система имеет единственное
решение.
;
;
Ответ: , .
Совсем не лишней будет проверка, которую удобно провести на калькуляторе: подставляем приближенные значения в левую часть каждого уравнения системы. В результате с небольшой погрешностью должны получиться числа, которые находятся в правых частях.
Пример 8 Решить систему по формулам Крамера. Ответ представить в обыкновенных неправильных дробях. Сделать проверку.
Переходим к рассмотрению правила Крамера для системы трех уравнений с тремя неизвестными:
Находим главный определитель системы:
Если
,
то система имеет бесконечно много
решений или несовместна (не имеет
решений). В этом случае правило Крамера
не поможет, нужно использовать
Если , то система имеет единственное решение и для нахождения корней мы должны вычислить еще три определителя: , ,
И, наконец, ответ рассчитывается по формулам: , ,
Пример
9 Решить
систему по формулам Крамера.
Решение: Решим систему по формулам Крамера. , значит, система имеет единственное решение.
Ответ: .
Элементарные
преобразования матрицы —
это такие преобразования матрицы,
в результате которых сохраняется
эквивалентность матриц. Таким образом,
элементарные преобразования не изменяют
множество решений
Элементарные преобразования используются в методе Гаусса для приведения матрицы к треугольному или ступенчатому виду.
Элементарными преобразованиями строк называют:
перестановка местами любых двух строк матрицы;
умножение любой строки матрицы на константу , ;
прибавление к любой строке матрицы другой строки, умноженной на константу , .
В
некоторых курсах линейной алгебры
перестановка местами двух строк матрицы
не вносятся в определение элементарных
преобразований так как перестановку
местами любых двух строк матрицы можно
получить используя умножение любой
строки матрицы на константу
,
и
прибавление к любой строке матрицы
другой строки, умноженной на константу
,
.
Аналогично определяются элементарные преобразования столбцов.
Элементарные преобразования обратимы.
Обозначение указывает на то, что матрица может быть получена из путём элементарных преобразований (или наоборот).
Ме́тод
Га́усса[1] —
классический метод решения
Решить систему уравнений методом Гаусса:
x + y – 3z = 2,
3x – 2y + z = – 1,
2x
+
y
– 2z
= 0.
Решение. Выпишем расширенную матрицу данной системы
и произведем следующие элементарные преобразования над ее строками:
а) из ее второй и третьей строк вычтем первую, умноженную соответственно на 3 и 2:
~ ;
б) третью строку умножим на (-5) и прибавим к ней вторую:
.
В результате всех этих преобразований данная система приводится к треугольному виду:
-5y + 10z = -7,
– 10z = 13.
Из последнего уравнения находим z = -1,3. Подставляя это значение во второе уравнение, имеем y = -1,2. Далее из первого уравнения получим x = – 0,7.
Контрольная работа “Методы решения систем линейных уравнений”
Решим систему методом
Крамера. Главный определитель системы:
. Разложим определитель по элементам первой строки, пользуясь формулой .
Запишем и вычислим вспомогательные определители
Тогда
Ответ:
Решим систему методом Гаусса, для этого составим расширенную матрицу системы и упростим ее приведением к треугольному виду.
~ ~ ~
Таким образом, система равносильна системе
Находим
Ответ: , ,
При решении всеми методами одной и той же системы, мы получим один ответ.
Задача 3. Выполнить действия:
Решение. Выполним решение по действиям.
=
.
.
Ответ: .
Операция умножения двух матриц вводится только для случая, когда число столбцов первой матрицы равно числу строк второй матрицы.
Если , , то
произведением матрицы называется матрица , такая, что , где .
Пример:
Произведение не определено, так как число столбцов матрицы А (3) не совпадает с числом строк матрицы В (2).
Произведение определено.
Контрольная работа №1.
Вариант 1
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 2
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 3
Задача 1.
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 4
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 5
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 6
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 7
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 8
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 9
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 10
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 11
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и
используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 12
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 13
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 14
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 15
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 16
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 17
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 18
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 19
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 20
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 21
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 22
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и
используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 23
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 24
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 25
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 26
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера.
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 27
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 28
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 29
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и используя правило Крамера
Задача 3. Выполнить действия:
Контрольная работа №1.
Вариант 30
Задача 1. Вычислить определитель:
Задача 2. Решить систему методом Гаусса, матричным способом и
используя правило Крамера
Задача 3. Выполнить действия:
Система линейных уравнений | Реальная статистика с использованием Excel
Определение 1 : набор N Линейные уравнения
в K Неизвестные x J можно рассматривать как матричное уравнение AX = C , где A 666666666 n × k матрица [ a ij ], X k × 1 вектор-столбец [ x j 6 0 90 ]0005 n × 1 вектор-столбец [ c j ].
Свойство 1 : Если A является квадратной матрицей (т. е. количество уравнений равно количеству неизвестных), уравнение AX = C имеет единственное решение тогда и только тогда, когда A обратимо (т. е. det A ≠ 0), и в этом случае единственное решение определяется формулой X = A -1 C. 0005 A является обратимым, единственное решение AX = C дается выражением
, где A j равно A с заменой C 9 0 -го столбца на 0.0005 j -го столбца.
Пример 1 : Решите следующую линейную систему с помощью правила Крамера:
Рисунок 1 – Вычисление определителя по правилу Крамера
Отсюда следует, что x = -6/9 = -2/3, y = 3/9 = 1/3 и z = 0/9 = 0.
По свойству 1 мы можем получить тот же результат можно получить, вычислив A -1 C , что можно выполнить в Excel по формуле =МУМНОЖ(МИНВЕРС( A ), C ). Для примера 1 это дает
Определение 2 : Когда C из определения 1 не является нулевой матрицей, тогда линейные уравнения называются гетерогенный . Когда C = Ο линейные уравнения называются однородными . В этом случае Ο является решением AX = Ο , называемым тривиальным решением .
Свойство 3 : Если A обратимо, то X = Ο является единственным решением AX = Ο .
Доказательство: Это следует из Свойства 1.
Наблюдение : Когда A необратимо (т.е. det A = 0) любое скалярное кратное нетривиального решения однородного уравнения AX = Ο также является решением. Чтобы найти такое решение, мы можем использовать метод исключения Гаусса, метод, аналогичный тому, который мы использовали для вычисления определителя квадратной матрицы на основе свойства 5 определителей и линейных уравнений. Этот подход работает для любых A (квадратных или нет, обратимых или нет).
Определение 3 : Если А является матрицей n × k и B является матрицей n × m , то расширенная матрица A | B — это n × ( k + m ) матрица, первые k столбцов которой идентичны столбцам в A , а оставшиеся m 06 B 0 .
Свойство 4 : If A’ и C’ получены из A и C на основе любого из следующих преобразований, тогда уравнения AX = C и A′X = C′ имеют одинаковые решения.
- Замена любых двух рядов
- Умножение любой строки на константу
- Добавление любой строки, умноженной на константу, к другой строке
Наблюдение : Обычно мы применяем вышеуказанные преобразования к расширенной матрице A | С .
Определение 4 : Метод исключения Гаусса представляет собой способ решения линейных уравнений и основан на преобразованиях, описанных в свойстве 9. Предположим, что A и C такие, как описано в определении 1.
– set i = 1 и j = 1
Теперь мы применяем следующую серию преобразований к расширенной матрице (шаг 1–шаг p , где p – это меньше N и K ):
Шаг I – Часть 1: Найдите R ≥ I Таким образом, что абсолютное значение A RJ является наибольшим. Если a rj ≈ 0 (т.е. | a rj | < ϵ, где ϵ — некоторое предопределенное малое значение), то если j = n завершить процедуру; в противном случае замените j на j + 1 и повторите шаг i. Если не а rj ≈ 0 и r > k , затем поменять местами строки r и i (правило 1).
Шаг i – часть 2: разделите все записи в строке i на a ij (правило 2).
Шаг i — часть 3: для каждой строки r ниже строки i добавить — a rj умножить на строку i до строки
6 r). Это гарантирует, что
a rc = 0 для всех r > i и c ≤ j . Наблюдение : Для неоднородных уравнений (т. е. C ≠ Ο ) есть три возможности: существует бесконечное число решений, нет решений или существует единственное решение. Для однородных уравнений (т. е. C = Ο ) возможны две возможности: существует бесконечное число решений или существует единственное решение, а именно тривиальное решение, где х = Ο . Пример 2 A преобразуется в единичную матрицу, мы знаем, что преобразование C является единственным решением системы линейных уравнений, а именно x = 0, y = 2 и z = -1. Обратите внимание, что мы получаем тот же результат, вычисляя X = A -1 C .
Пример 3 : Решите следующую однородную линейную систему с помощью исключения Гаусса:
С помощью исключения Гаусса из рисунка 3 мы видим, что единственным решением является тривиальное решение:
Рисунок 3 – Решение однородного линейного уравнения
Пример 4 : Решите следующую однородную линейную систему методом исключения Гаусса:
На этот раз метод исключения Гаусса дает строку со всеми нулями (см. рис. 4), а число ненулевых строк = 2 < 3 неизвестных. Таким образом, существует бесконечное множество решений.
Рисунок 4 -Поиск решений для гомогенных линейных уравнений
Решения могут принимать форму x = -2,5 T , Y = .5 T , Z = T для любого. стоимость т .
Наблюдение : Как видно из приведенных выше примеров, однородное уравнение AX = O , где A — матрица размером м × n , имеет единственное решение, когда после него имеется n ненулевых строк. выполнение исключения Гаусса. В противном случае уравнение имеет бесконечное число решений.
Реальные статистические функции Excel : Для выполнения процедуры исключения Гаусса предусмотрены следующие функции массива.
ЭЛИМ (R1, prec ): функция массива, которая выводит результаты исключения Гаусса для расширенной матрицы, найденной в массиве R1. Форма выхода такая же, как форма R1.
LINEQU (R1, prec ): функция массива, которая возвращает вектор-столбец n × 1 с уникальным решением уравнений, определяемых расширенной матрицей m × ( n +1), найденной в массив R1; возвращает вектор, состоящий из #N/A! если решения нет и вектор, состоящий из #ЧИСЛО! если существует бесконечное число решений.
По умолчанию каждая из этих функций предполагает, что запись с абсолютным значением меньше 0,0001 эквивалентна нулю. Это необходимо, поскольку малые значения не обрабатываются как нуль в алгоритме исключения Гаусса, описанном выше. Вы можете изменить это значение по умолчанию на другое, вставив второй параметр в любую из этих функций: например. ELIM(R1, prec ) или LINEQU(R1, prec ). Таким образом, ELIM(R1) = ELIM(R1, 0,0001).
Инструмент анализа данных реальной статистики : Инструмент анализа данных “Решение набора линейных уравнений “, содержащийся в пакете ресурсов Real Statistics, обеспечивает эквивалентную функциональность для LINEQU и ELIM. Чтобы использовать этот инструмент, введите Ctrl-m и выберите в меню Решить набор линейных уравнений . Когда появится диалоговое окно, заполните Input Range (с тем же диапазоном, что и R1 выше). Выбор Показать решение только эквивалентен LINEQU(R1), а отсутствие щелчка по этому параметру эквивалентно ELIM(R1).
Наблюдение : Исключение Гаусса также можно использовать для обращения квадрата n × n матрицы A путем применения описанной выше процедуры к A | I п . Если процедура завершится до того, как будет выполнено n шагов, то A необратима. Если процедура завершается после n шагов (в этом случае A′ = I n ), то C′ = A -1 .
Пример 5: Использование исключения Гаусса для инвертирования матрицы
Результат показан на рисунке 5.
единичная матрица указывает, что A обратимо. Обратное дается преобразованием единичной матрицы, а именно
. Это тот же результат, что и при использовании формулы Excel MINVERSE( А ).
Наблюдение : Как мы видели в примере 4, иногда существует бесконечное число решений системы линейных уравнений, каждое из которых выражается как кратное одному решению. Как правило, при наличии нескольких решений каждое решение может быть выражено в виде линейной комбинации векторов-столбцов, как более подробно описано в разделе «Множественные решения линейных уравнений».
Решение уравнений в Excel методом итераций Крамера и Гаусса
В Excel имеется обширный набор инструментов для решения различных типов уравнений различными методами. Рассмотрим некоторые решения на примерах.
Решение уравнений методом проб и ошибок в Excel
Инструмент “Поиск цели” используется в ситуации, когда известен результат, но неизвестны аргументы. Excel подбирает значения до тех пор, пока вычисление не даст желаемую сумму.
Путь к команде: «ДАННЫЕ» – «Инструменты данных» – «Анализ «что если»» – «Поиск цели».
Рассмотрим, например, решение квадратного уравнения х 2 + 3х + 2 = 0. Порядок нахождения корня в Excel:
- Вводим в ячейку В2 формулу нахождения значения функция. Применяем ссылку на ячейку B1 в качестве аргумента.
- Открыть меню инструмента “Поиск цели”. В поле «Установить ячейку» есть ссылка на ячейку B2, где находится формула. Введите 0 в поле «К значению». Это значение, которое вы хотите получить. В столбце «По смене ячейки» стоит B1. Здесь должен отображаться выбранный параметр.
- После нажатия OK отображается результат выбора. Если вы хотите сохранить его, нажмите OK еще раз. В противном случае нажмите «Отмена».
Программа использует циклический процесс для поиска параметра. Вам нужно ввести параметры Excel, чтобы изменить количество итераций и ошибку.
Установить максимальное количество итераций и относительную погрешность на вкладке “Формулы”. Установите галочку в поле, чтобы включить итерационные вычисления.
Как решить систему уравнений матричным методом в Excel?
Дана система уравнений:
- Вносим значения элементов в ячейки Excel в виде таблицы.
- Найдем обратную матрицу. Выделите диапазон B6:E9, куда в дальнейшем будут помещены элементы матрицы (ориентируемся на количество строк и столбцов в исходной матрице). Откройте список функций (fx). В категории «Математика и триггер» мы находим функцию MINVERS. Аргумент представляет собой массив ячеек с элементами исходной матрицы.
- Нажмите OK, и в левом верхнем углу диапазона появится значение. Последовательно нажмите кнопку F2 и Ctrl+Shift+Enter.
- Умножаем обратную матрицу Ах -1х на матрицу В (только в таком порядке умножения!). Выделяем диапазон h2:h5, где впоследствии появятся элементы получившейся матрицы (ориентируемся на количество строк и столбцов матрицы B).
Откройте диалоговое окно математической функции МУМНОЖ. Первый диапазон — это обратная матрица. Вторая – матрица B.
- Закройте окно с аргументами функции, нажав кнопку ОК. Последовательно нажимайте кнопку F2 и комбинацию Ctrl+Shift+Enter.
Получены корни уравнений.
Решение системы уравнений методом Крамера в Excel
Возьмем систему уравнений из предыдущего примера:
Вычислим определители матриц, полученных заменой одного столбца в матрице A на столбец матрицы B. И она будет решена методом Крамера.
Используйте функцию MDETERM для вычисления определителей. Аргумент представляет собой диапазон с соответствующей матрицей.
Вычислим также определитель матрицы A (массив – это диапазон матрицы A).
Определитель системы больше 0, и решение можно найти по формуле Крамера (D x / |A|).
Для расчета Х 1 : =K2/$K$1, где K2 равно D1. Для расчета Х 2 : =K3/$K$1 и т.д. Получаем корни уравнений:
Решение систем уравнений методом Гаусса в Excel
Для примера возьмем простейшую систему уравнений:
3а + 2в – 5с = -1
2а – в – 3с = 13
а + 2в – с = 9
Запишем коэффициенты в матрицу А. И запишем постоянный член в матрицу В.
Для наглядности свободные члены выберем заливкой. Вам нужно поменять местами строки, если в первой ячейке матрицы A было 0, чтобы там было значение, отличное от 0.
- Присвоим 0 всем коэффициентам матрицы A, кроме первого уравнения. Копируем значения первой строки двух матриц в ячейки B6:E6. В ячейку B7 вводим формулу: Затем выберите диапазон B7:E7. Нажмите F2 и нажмите Ctrl + Shift + Enter. Мы вычли из второй строки первую, которая умножается на отношение первых элементов второго и первого уравнения.
- Скопируйте введенную формулу в строку 7. Таким образом, мы избавились от коэффициентов перед A. Осталось только первое уравнение.
- Приводим к 0 все коэффициенты при B в третьем и четвертом уравнениях. Копируем строки 5 и 6 (только значения). Затем переносим их ниже в строки 9 и 10. Эти данные должны остаться без изменений. Затем вводим формулу массива в ячейку A11
- Проведен прямой прогон по методу Гаусса.
В обратном порядке начинаем прогон с последней строки получившейся матрицы. Все элементы этой строки нужно разделить на коэффициент C. В строку вводим формулу массива:
- В строке 15: из второй строки вычитаем третью, умноженную на коэффициент С из второй строки В строке 14: из первой строки вычитаем вторую и третью, умноженные на соответствующие коэффициенты В последнем столбце новой матрицы мы получаем корни уравнения.
Примеры решения уравнений методом итераций в Excel
Расчеты в рабочей книге должны быть настроены следующим образом:
Это можно сделать на вкладке «Формулы» в «Параметры Excel». Найдем корень уравнения х – х 3 + 1 = 0 (а = 1, b = 2) итерацией по циклическим ссылкам. Формула:
Х n+1 = X n – F (X n ) / M, n = 0, 1, 2, … .
M — максимальное значение производной по модулю. Выполняем вычисления, чтобы найти M:
f’ (1) = -2 * f’ (2) = -11.
Полученное значение меньше 0.