Рассмотрите систему линейных уравнений 2x + 3y - z = 1, 4x + 6y - 2z = 2, x - y + 2z = 3. Проанализируйте совместность системы, найдите все решения и объясните, какие шаги являются избыточными или вводят погрешности
Система: 2x+3y−z=1,4x+6y−2z=2,x−y+2z=3.
2x+3y-z=1,\qquad 4x+6y-2z=2,\qquad x-y+2z=3. 2x+3y−z=1,4x+6y−2z=2,x−y+2z=3. 1) Совместность и ранги. Вторая строка равна 222·(первой), т.е. 4x+6y−2z=2⟺2(2x+3y−z)=2,
4x+6y-2z=2\Longleftrightarrow 2(2x+3y-z)=2, 4x+6y−2z=2⟺2(2x+3y−z)=2,
поэтому вторая уравнение зависит от первого и избыточно. Ранг матрицы коэффициентов равен 222 (две независимые строки), число неизвестных 333, значит система совместна и имеет бесконечно много решений (степень свободы =1=1=1). 2) Нахождение общего решения. Положим параметр t=zt=zt=z. Тогда из первых и третьего уравнений: 2x+3y=1+t,x−y=3−2t.
2x+3y=1+t,\qquad x-y=3-2t. 2x+3y=1+t,x−y=3−2t.
Умножая второе на 333 и складывая с первым: (2x+3y)+(3x−3y)=1+t+9−6t ⟹ 5x=10−5t ⟹ x=2−t.
(2x+3y)+(3x-3y)=1+t+9-6t\implies 5x=10-5t\implies x=2-t. (2x+3y)+(3x−3y)=1+t+9−6t⟹5x=10−5t⟹x=2−t.
Далее y=x−(3−2t)=(2−t)−(3−2t)=t−1y=x-(3-2t)=(2-t)-(3-2t)=t-1y=x−(3−2t)=(2−t)−(3−2t)=t−1. Таким образом общее решение: (x,y,z)=(2−t, t−1, t),t∈R,
(x,y,z)=(2-t,\;t-1,\;t),\qquad t\in\mathbb{R}, (x,y,z)=(2−t,t−1,t),t∈R,
или в векторной форме (x,y,z)=(2,−1,0)+t(−1,1,1).
(x,y,z)=(2,-1,0)+t(-1,1,1). (x,y,z)=(2,−1,0)+t(−1,1,1). 3) Какие шаги избыточны или вводят погрешности. Избыточно использовать второе уравнение как новое независимое условие (оно лишь дублирует первое). При гауссовом исключении появление нулевой строки соответствует избыточности, а не противоречию; ошибкой было бы трактовать такую нулевую строку как несовместность. Возможные источники погрешности: деление на нулевой или почти нулевой главный элемент (нельзя делить на 000), и численные ошибки при работе с плавающей точкой (избегать лишнего масштабирования/округления).
2x+3y−z=1,4x+6y−2z=2,x−y+2z=3. 2x+3y-z=1,\qquad 4x+6y-2z=2,\qquad x-y+2z=3.
2x+3y−z=1,4x+6y−2z=2,x−y+2z=3.
1) Совместность и ранги. Вторая строка равна 222·(первой), т.е.
4x+6y−2z=2⟺2(2x+3y−z)=2, 4x+6y-2z=2\Longleftrightarrow 2(2x+3y-z)=2,
4x+6y−2z=2⟺2(2x+3y−z)=2, поэтому вторая уравнение зависит от первого и избыточно. Ранг матрицы коэффициентов равен 222 (две независимые строки), число неизвестных 333, значит система совместна и имеет бесконечно много решений (степень свободы =1=1=1).
2) Нахождение общего решения. Положим параметр t=zt=zt=z. Тогда из первых и третьего уравнений:
2x+3y=1+t,x−y=3−2t. 2x+3y=1+t,\qquad x-y=3-2t.
2x+3y=1+t,x−y=3−2t. Умножая второе на 333 и складывая с первым:
(2x+3y)+(3x−3y)=1+t+9−6t ⟹ 5x=10−5t ⟹ x=2−t. (2x+3y)+(3x-3y)=1+t+9-6t\implies 5x=10-5t\implies x=2-t.
(2x+3y)+(3x−3y)=1+t+9−6t⟹5x=10−5t⟹x=2−t. Далее y=x−(3−2t)=(2−t)−(3−2t)=t−1y=x-(3-2t)=(2-t)-(3-2t)=t-1y=x−(3−2t)=(2−t)−(3−2t)=t−1. Таким образом общее решение:
(x,y,z)=(2−t, t−1, t),t∈R, (x,y,z)=(2-t,\;t-1,\;t),\qquad t\in\mathbb{R},
(x,y,z)=(2−t,t−1,t),t∈R, или в векторной форме
(x,y,z)=(2,−1,0)+t(−1,1,1). (x,y,z)=(2,-1,0)+t(-1,1,1).
(x,y,z)=(2,−1,0)+t(−1,1,1).
3) Какие шаги избыточны или вводят погрешности. Избыточно использовать второе уравнение как новое независимое условие (оно лишь дублирует первое). При гауссовом исключении появление нулевой строки соответствует избыточности, а не противоречию; ошибкой было бы трактовать такую нулевую строку как несовместность. Возможные источники погрешности: деление на нулевой или почти нулевой главный элемент (нельзя делить на 000), и численные ошибки при работе с плавающей точкой (избегать лишнего масштабирования/округления).