高斯消元法

2021-03-02 數學佬
高斯消元法

高斯說,我要發功了,要解一個大難題!瞧好了,難題就是

解方程組

結果,被數學佬用口水噴死了。切,這算哪門子難題,俺們村裡十歲小娃娃都會解。高斯老人家您歇會兒,這活給他們幹就行了。

嗯,答案就是(2,3,3)啦,不是很簡單嗎?

不過人家高斯老爺子輕蔑一笑,呵呵,這法子不夠高大上,看我的!首先,這神馬的,完全不影響解方程,用a,b,c替代也行,用x,y,z替代也行對吧,那麼我乾脆連字母都不要,只留下係數,就這樣。

原方程為

虛線左邊是方程各未知數的係數,虛線右邊就是方程的值。

哈哈,被震住了沒?

接下來我們考慮平時解方程的基本方法,無非就是這麼幾條。

(1)將兩個方程對調,根不變,即將上面的方陣任意交換行是同解變換。

(2)將方程兩邊同時乘上一個非零數,方程根不變,即方陣任意行可以乘任意非零數

(3)將兩個方程相加或相減,根不變,即方陣可以將任意行乘上任意非零數加到另一行。

我們就用這三種變換對這個方陣進行操作。

最後一個方陣變回方程組的樣子就是

是不是很牛逼呢?高斯說。

數學佬有點蒙圈,剛開始還能理解,不就是只留下有用的數據,而把沒用的字母都去掉嘛,還行。後面你說的那三條法則我也認可,的確是方程同解的基本規則。不過那一大堆的變來變去做什麼?高老頭,快說快說,啥意思!

高斯很得意,其實就是每一次消去一個未知數,剩下的方程組裡少一個未知數。例如,

就是將方程(1)保留x1,令其係數為1,而其他兩個式子都消去x1。

哦,數學佬恍然大悟,那麼同樣

就是將x2的係數調整為1,把第三個方程的x2消去。

高老頭顯然很高興,對頭對頭,就是這個味兒。

我也理解了,就是將x3的係數調整為1,後面沒有方程了。

但是你接下來的變換是幹什麼呢?數學佬還是不太確定

噹噹噹,數學佬挨了高老頭仨拐棍,回代呀!笨

呃,好吧,數學佬裝作看懂了

不過我還有個問題,高斯,這麼簡單的一個問題,你搞辣麼複雜做什麼?又臭又長。一點也不符合美學。

高斯嘿嘿一笑,只有三個未知數,當然不能體現這個解法的優越性了,你試試4個未知數的方程,比如這個

用我的方陣解法就舒服得很,更不要說如果未知數更多。未知數越多方陣的解法就越舒服。

喏,結果就是1,2,-1,0。

太贊了!數學佬讚嘆,這麼牛逼的技術,其實要求也不高,小學初中水平就能操作,高斯就是高人!

最後,最後,唉老高,高老!你別急著走,還有一個小小問題。

你的做法裡老說方陣方陣,可明明不是正方形的陣呀。數學佬著急地抓住高斯問。

高斯嘴角溜出一句話,那本來就不叫方陣,我只是逗你玩兒,那叫矩陣。矩形的數陣,可以了吧,撒由啦啦。

數學佬接著做了幾個題,發現一個問題。要是多元一次方程組沒有解,這個矩陣會變成什麼樣,還有要是多元一次方程組有無數解,這個矩陣會變成什麼樣?例如

練習:討論,p,q取何值時,下面方程組有解?無解?

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