Het oplossen van stelsels lineaire vergelijkingen Wiskunde 2, 2DM60 College 2b Ruud Pellikaan [email protected] 2014-2015 /k Lineaire vergelijking 2/64 DEFINITIE: Een lineaire vergelijking in de variabelen of onbekenden x1 , . . . , xn is van de vorm a1 x1 + · · · + an xn = b aj is de coëfficiënt van xj b heet de constante van de vergelijking VOORBEELD: x1 − x2 + 5x3 = 7 /k Stelsel lineaire vergelijkingen 3/64 DEFINITIE: Een stelsel lineaire vergelijkingen in de variabelen x1 , . . . , xn is van de vorm a11 x1 + · · · + a1n xn .. . ai 1 x1 + · · · .. . am1 x1 + · · · + ain xn + amn xn aij is de coëfficiënt van xj in de i -e vergelijking bi is de constante van de i -e vergelijking /k = .. . b1 = .. . bi = bm Oplossing van stelsel vergelijkingen DEFINITIE: Een oplossing van een stelsel is een toekenning van speciale waarden x1 = s1 , . . . , xn = sn aan de onbekenden die aan de vergelijkingen voldoet. VOORBEELD: x1 = 7, x2 = 5, x3 = 1 is een oplossing van x1 − x2 + 5x3 = 7 /k 4/64 Stelsels lineaire vergelijkingen DEFINITIE: Een stelsel heet homogeen indien bi = 0 voor alle i . DEFINITIE: Een oplossing heet triviaal indien de toekenning xi = 0 voor alle i een oplossing is. STELLING: Een stelsel is homogeen dan en slecht dan als het een triviale oplossing heeft. /k 5/64 Stelsels lineaire vergelijkingen DEFINITIE: Twee stelsels lineaire vergelijkingen a11 x1 + · · · + a1n xn .. . am1 x1 + · · · + amn xn en c11 x1 + · · · .. . cl 1 x1 + · · · 6/64 = .. . b1 = bm + c1n xn = d1 .. . cln xn = dl + in hetzelfde aantal variabelen heten equivalent indien ze precies dezelfde oplossingen hebben. /k Stelsels lineaire vergelijkingen VOORBEELD: x1 + 2x2 = 3 3x1 + 4x2 = 7 heeft x1 = 1, x2 = 1 als enige oplossing. 4x1 + 6x2 = 10 6x1 + 8x2 = 14 x1 + x2 = 2 heeft x1 = 1, x2 = 1 als enige oplossing. CONCLUSIE: beide stelsels zijn equivalent. /k 7/64 Consistent stelsel vergelijkingen DEFINITIE: Een stelsel heet consistent als het een oplossing heeft. Een stelsel heet strijdig of inconsistent indien er geen oplossing is. VOORBEELD: x1 + 2x2 = 3 2x1 + 4x2 = 4 heeft geen oplossing, anders is 6 = 4. /k 8/64 Stelsels lineaire vergelijkingen 9/64 STELLING: Een stelsel lineaire vergelijkingen heeft de volgende drie mogelijkheden: (a) geen oplossingen (strijdig=inconsistent) (b) precies één oplossing (consistent) (c) oneindig veel oplossingen (consistent) VOORBEELD: (a) twee evenwijdige lijnen (b) twee lijnen snijden in één punt (c) twee samenvallende lijnen /k Afhankelijk stelsel vergelijkingen DEFINITIE: Een stelsel heet afhankelijk indien een vergelijking het gevolg is van de overige vergelijkingen. VOORBEELD: /k x1 + 2x2 = 3 2x1 + 4x2 = 6 10/64 Elementaire rij operaties STELLING: Twee stelsels zijn equivalent indien de een uit de ander verkregen kan worden door de volgende drie elementaire rij operaties: 1. verwisselen van rijen 2. een rij vermenigvuldigen met een getal ongelijk nul 3. een rij bij een andere rij optellen OPMERKING: De omkering zal ook blijken te gelden. /k 11/64 De uitgebreide matrix Neem weer het voorbeeld: 1 · x1 + (−1) · x2 + 1 · x3 = 0 4 · x1 + 2 · x2 + 0 · x3 = 8 0 · x1 + 2 · x2 + 5 · x3 = 9 Laat de variabelen, plussen en gelijktekens weg Zet coëffieciënten en constanten in een uitgebreide matrix: 1 −1 1 0 4 2 0 8 0 2 5 9 /k 12/64 Vegen van een matrix x1 − x2 + x3 4x1 + 2x2 + 0 0 + 2x2 + 5x3 x3 x1 − x2 + 0 + 6x2 + −4x3 0 + 2x2 + 5x3 13/64 = 0 = 8 = 9 = 0 = 8 = 9 x3 = 0 x1 − x2 + 0 + 0 − 19x3 = −19 0 + 2x2 + 5x3 = 9 /k 1 −1 1 0 4 2 0 8 0 2 5 9 1 −1 1 0 0 6 −4 8 0 2 5 9 1 −1 1 0 0 0 −19 −19 0 2 5 9 Vegen van een matrix x1 0 0 x1 0 0 x1 0 0 − x2 + x3 = 0 + 0 + x3 = 1 + 2x2 + 5x3 = 9 − x2 + x3 = 0 + 2x2 + 5x3 = 9 + 0 + x3 = 1 − x2 + 0 = −1 + 2x2 + 0 = 4 + 0 + x3 = 1 /k 14/64 1 −1 1 0 0 0 1 1 0 2 5 9 1 −1 1 0 0 2 5 9 0 0 1 1 1 −1 0 −1 0 2 0 4 0 0 1 1 Vegen van een matrix x1 − 0 + 0 + x1 − 0 + 0 + x1 0 0 x2 + 0 = −1 2x2 + 0 = 4 0 + x3 = 1 x2 + 0 = −1 x2 + 0 = 2 0 + x3 = 1 + 0 + 0 = 1 + x2 + 0 = 2 + 0 + x3 = 1 15/64 1 −1 0 −1 0 4 2 0 0 0 1 1 1 −1 0 −1 0 1 0 2 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 2 0 0 1 1 Dus x1 = 1, x2 = 2, x3 = 1 is de unieke oplossing. /k Vegen van een matrix Voortaan wordt een stelsel lineaire vergelijkingen direct omgezet in de uitgebreide matrix en met deze matrix wordt geveegd. De vergelijkingen worden verder weggelaten /k 16/64 Elementaire rij operaties STELLING: Twee stelsels zijn equivalent dan en slechts dan als de een uit de ander verkregen kan worden door de volgende drie elementaire rij operaties: 1. verwisselen van rijen 2. een rij vermenigvuldigen met een getal ongelijk nul 3. een rij bij een andere rij optellen OPMERKING: Dezelfde operaties kunnen ook op kolommen worden uitgevoerd maar dan zijn de vergelijkingen niet meer equivalent! /k 17/64 Gauss eliminatie en vegen van een matrix Gauss eliminatie of vegen van een matrix 9 het element 1 wordt een spil genoemd 1 3 −6 −1 −3 4 −5 tel de eerste rij bij de tweede op 1 5 −8 7 trek de eerste rij van de derde af 1 3 −6 9 0 0 −2 4 0 2 −2 −2 met een spil wordt de kolom schoon geveegd verwissel de tweede en derde rij 1 3 −6 9 0 2 −2 −2 0 0 −2 4 /k 18/64 Vegen van een matrix 1 3 −6 9 0 2 −2 −2 0 0 −2 4 vermenigvulig tweede rij met 1/2 vermenigvulig derde rij met − 1/2 1 3 −6 9 0 1 −1 −1 0 0 1 −2 De matrix is in echelon of trap vorm. /k 19/64 Terugwaardse substitutie 1 3 −6 9 0 1 −1 −1 0 0 1 −2 Het bijbehorende stelsel is: 9 x1 + 3x2 − 6x3 = x2 − x3 = −1 x3 = −2 Dus x3 = −2. Terugwaardse substitutie in de tweede rij geeft x2 + 2 = −1, ofwel x2 = −3. Terugwaardse substitutie in de eerste rij geeft x1 − 9 + 12 = 9, ofwel x1 = 6. /k 20/64 Gauss-Jordan eliminatie Gauss-Jordan eliminatie 9 1 3 −6 0 1 −1 −1 0 0 1 −2 trek 3 maal de tweede rij af van de eerste het element 1 is nu de nieuwe spil het element 0 is al nul 1 0 −3 12 0 1 −1 −1 0 0 1 −2 /k 21/64 Gauss-Jordan eliminatie 1 0 −3 12 0 1 −1 −1 0 0 1 −2 1 0 0 6 0 1 0 −3 0 0 1 −2 /k tel 3 maal de derde rij bij de eerste op tel de derde rij bij de tweede op het element 1 is nu de nieuwe spil dit is de gereduceerde rij trap vorm ofwel de reduced row echelon form 22/64 Gereduceerde rij trap vorm DEFINITIE: Een matrix is in row echelon form ofwel in rij trap vorm als geldt: I alle nulrijen zitten onderaan I de spillen vormen een trap I in elke rij is het eerste element ongelijk 0 gelijk aan 1, dit is de kopterm of spil De matrix is in reduced row echelon form ofwel in gereduceerde rij trap vorm als bovendien geldt: I in de kolom van een spil staan verder alleen nullen /k 23/64 Gereduceerde rij trap vorm 1 0 0 0 /k ∗ 0 0 0 ∗ 0 0 0 0 1 0 0 ∗ ∗ 0 0 24/64 ∗ ∗ 0 0 0 0 1 0 ∗ ∗ ∗ 0 ∗ ∗ ∗ 0 ∗ ∗ ∗ 0 Voorbeeld 25/64 1 2 0 3 4 0 0 1 5 6 0 0 0 0 0 is in gereduceerde rij trap vorm 1 2 7 3 4 0 0 1 5 6 0 0 0 0 0 is wel in rij trap vorm, maar is niet gereduceerd /k Voorbeeld 26/64 0 0 1 5 6 1 2 0 3 4 0 0 0 0 0 is niet in rij trap vorm /k Elementaire operaties en rref STELLING: 1) Iedere matrix A is door middel van de drie elementaire operaties over te brengen in een matrix in gereduceerde rij trap vorm (rref). Dit proces heet vegen. 2) Voor gegeven A is op heel veel verschillende manieren een matrix in rref te verkrijgen, maar het eindresultaat is uniek en wordt genoteerd door rref(A ). /k 27/64 Matrix vergelijking Het stelsel vergelijkingen a11 x1 + · · · .. . am1 x1 + · · · 28/64 + a1n xn = .. . b1 + amn xn = bm wordt ook weergegeven door de matrix vergelijking AX = B : a11 . . . a1n x1 b1 .. .. .. .. = .. . . . . . am1 . . . amn /k xn bm Uitgebreide matrix De matrix vergelijking AX = B : a11 . . . a1n x1 .. .. .. .. = . . . . am1 . . . amn xn 29/64 b1 .. . bm wordt ook genoteerd door de uitgebreide matrix [A |B ] a11 . . . a1n b1 .. .. .. [A |B ] = ... . . . am1 . . . amn bm /k Voorbeeld x1 + 3x2 − 6x3 = 9 −x1 − 3x2 + 4x3 = −5 stelsel vergelijkingen x1 + 5x2 − 8x3 = 7 1 3 −6 x1 9 −1 −3 4 x2 = −5 matrix vergelijking 1 5 −8 x3 7 9 1 3 −6 −1 −3 4 −5 uitgebreide matrix 1 5 −8 7 /k 30/64 Voorbeeld 31/64 9 1 3 −6 −1 −3 4 −5 7 1 5 −8 We hebben gezien dat door vegen bovenstaande matrix overgaat in 1 0 0 6 0 1 0 −3 0 0 1 −2 Dus x1 = 6, x2 = −3 en x3 = −2. /k Equivalente stelsels vergelijkingen STELLING: Beschouw de volgende stelsels lineaire vergelijkingen: AX = B en CX = D (in matrix notatie) Dan zijn de volgende beweringen equivalent: 1) de stelsels hebben dezelfde oplossingen 2) de matrices [A |B ] en [C |D ] zijn rij equivalent 3) door elementaire rij operaties zijn ze in elkaar over te voeren 4) rref [A |B ] = rref [C |D ] met weglating van de nulrijen /k 32/64 Homogeen stelsel 33/64 Herinner: DEFINITIE: Een stelsel vergelijkingen AX = B heet homogeen als B = 0. VOORBEELD: Beschouw het stelsel vergelijkingen: x1 + x2 + x3 + x4 = 0 x1 + x4 = 0 x1 + 2x2 + x3 = 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 2 1 0 0 met /k als uitgebreide matrix Homogeen stelsel 34/64 Het vegen van deze matrix geeft verwissel eerste en tweede rij 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 2 1 0 0 1 0 0 1 0 het element 1 is nu de nieuwe spil 1 1 1 1 0 trek de eerste rij af van de tweede 1 2 1 0 0 trek de eerste rij af van de derde 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 2 1 −1 0 /k het element 1 is nu de nieuwe spil trek de 2 maal de tweede rij af van de derde Homogeen stelsel 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 −1 −1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 /k 35/64 0 0 0 vermenigvuldig derde rij met -1 trek de derde rij af van de tweede het element 1 is nu de nieuwe spil 1 0 de matrix is nu in rref −1 0 1 0 Vrije en gebonden variabelen 1 0 0 1 0 0 1 0 −1 0 0 0 1 1 0 x1 + x2 /k x3 36/64 de spillen corresponderen met de gebonden variabelen x1 , x2 , x3 de vierde kolom correspondeert met de vrije variabele x4 x4 = 0 − x4 = 0 + x4 = 0 ofwel x1 = −x4 x2 = x4 x3 = −x4 Parameter voorstelling −x4 x1 x2 x4 X = x3 = −x4 x4 x4 37/64 −r r = −r r Parametervoorstelling van de oplossing: x1 −1 x2 1 X = x3 = r −1 x4 1 hierin is r een willekeurig te kiezen getal /k Homogeen stelsel STELLING: 1) Een homogeen stelsel van m lineaire vergelijkingen in n variabelen heeft een oplossing, n.l. de nuloplossing. 2) Als bovendien m < n, dan is er een oplossing ongelijk aan 0. BEWIJS: Het aantal spillen van rref(A ) is hoogstens m < n. Deze spillen corresponderen met gebonden variabelen. Er zijn dus minstens n − m > 0 vrije variabelen. Er is dus een oplossing ongelijk aan 0. /k 38/64 Particuliere oplossing DEFINITIE: Stel AX = B is een stelsel vergelijkingen. Dan heet AX = 0 het bijbehorende homogene stelsel. Xp heet een particuliere oplossing als AXp = B . Xh heet een homogene oplossing als AXh = 0. /k 39/64 Particuliere oplossing 40/64 STELLING: Stel Xp is een gegeven particuliere oplossing van AX = B . Voor elke andere oplossing X is er een homogene oplossing Xh zodanig dat X = Xp + Xh . BEWIJS: Stel AX = B , dan is A (X − Xp ) = AX − AXp = B − B = 0. Dus Xh = X − Xp is een homogene oplossing , en X = Xp + Xh . /k Equivalente beweringen STELLING: Stel A is een n × n matrix. Dan zijn de volgende beweringen equivalent: (1) (2) (3) (4) A is inverteerbaar. AX = 0 heeft alleen de triviale oplossing. De gereduceerde rij trap vorm is de n × n eenheidsmatrix. rref(A ) = In . /k 41/64 Het vinden van A −1 OPMERKING: Stel A is een inverteerbare n × n matrix. Dan is er een B zodanig dat AB = In . Dus B is een oplossing van de matrix vergelijking AX = In . Dus rref [A |In ] = [In |B ] . CONCLUSIE: Door het vegen van [A |In ] in rref weten we of A inverteerbaar is en wat de inverse is. /k 42/64 Het vinden van A −1 43/64 VOORBEELD: Is de volgende matrix 1 2 −3 1 A = 1 −2 5 −2 −3 inverteerbaar? Zo ja , dan heeft de matrix vergelijking AX = I3 , ofwel heeft 1 0 0 1 2 −3 x11 x12 x13 1 −2 1 x21 x22 x23 = 0 1 0 0 0 1 5 −2 −3 x31 x32 x33 een oplossing? /k Het vinden van A −1 44/64 De bijbehorende uitgebreide matrix is [A |I3 ] = 1 2 −3 1 0 0 1 −2 1 0 1 0 5 −2 −3 0 0 1 het element 1 is nu de nieuwe spil trek de eerste rij af van de tweede trek 5 maal de eerste rij af van de derde 1 2 −3 1 0 0 0 −4 4 −1 1 0 0 −12 12 −5 0 1 1 2 −3 1 0 0 0 −4 4 −1 1 0 0 0 0 −2 −3 1 trek 3 maal de tweede rij af van de derde /k Dit geeft een strijdig stelsel De matrix heeft dus geen inverse Het vinden van A −1 45/64 VOORBEELD: Is de volgende matrix A= 1 2 3 5 inverteerbaar? Zo ja , dan heeft de matrix vergelijking AX = I2 een oplossing De bijbehorende uitgebreide matrix is [A |I2 ] = het element 1 is nu de nieuwe spil 1 2 1 0 3 5 0 1 trek 3 maal de eerste rij af van de tweede 1 2 1 0 0 −1 −3 1 vermenigvulidg de tweede rij met -1 /k Het vinden van A −1 1 2 1 0 0 1 3 −1 46/64 het element 1 is nu de nieuwe spil trek 2 maal de tweede rij af van de eerste 1 0 −5 2 0 1 3 −1 A /k −1 dus A is inverteerbaar en = −5 2 3 −1 Inverse matrix en unieke oplossing STELLING: Stel A is een inverteerbare n × n matrix, en B = [b1 , . . . , bn ]T . Dan heeft het stelsel vergelijkingen a11 x1 + · · · + a1n xn .. . an1 x1 + · · · + ann xn de unieke oplossing X = [x1 , . . . , xn ]T met X = A −1 B . /k 47/64 = b1 .. . = bn Inverse matrix 48/64 BEWIJS: Het oplossen van het stelsel vergelijkingen is equivalent met het oplossen van de matrix vergelijking AX = B A −1 B is een oplossing, want A (A −1 B ) = (AA −1 )B = In B = B . De oplossing is uniek, want uit AX = B volgt X = In X = (A −1 A )X = A −1 (AX ) = A −1 B , want A is inverteerbaar. /k Aantal oplossingen 49/64 STELLING: Een stelsel lineaire vergelijkingen heeft de volgende drie mogelijkheden: (a) geen oplossingen (strijdig=inconsistent) (b) precies één oplossing (consistent) (c) oneindig veel oplossingen (consistent) /k Aantal oplossingen BEWIJS: Het stelsel van m lineaire vergelijkingen in n variabelen kan weergegeven worden door de matrix vergelijking AX = B . Stel er is meer dan één oplossing, zeg X1 en X2 . Dan is AX1 = B en AX2 = B . Stel X0 = X1 − X2 . Dan is AX0 = A (X1 − X2 ) = AX1 − AX2 = B − B = 0. Stel c is een willekeurig getal. Dan is A (X1 + cx0 ) = AX1 + cAX0 = B + 0 = B . Dus er zijn oneindig veel oplossingen. /k 50/64 Equivalente beweringen STELLING: Stel A is een n × n matrix. Dan zijn de volgende beweringen equivalent: (1) (2) (3) (4) (5) (6) A is inverteerbaar. AX = 0 heeft alleen de triviale oplossing. De gereduceerde rij trap vorm is de n × n eenheidsmatrix. rref(A ) = In . AX = B heeft een oplossing voor elke B . AX = B heeft precies één oplossing voor elke B . /k 51/64 Bovendriehoeksmatrix 52/64 DEFINITIE: Stel A is een n × n matrix. Dan is A een bovendriehoeksmatrix als alle elementen onder de diagonaal nul zijn. Dat wil zeggen aij = 0 voor alle i > j . VOORBEELD: /k 1 2 3 A = 0 4 5 0 0 6 Benedendriehoeksmatrix DEFINITIE: Stel A is een n × n matrix. Dan is A een benedendriehoeksmatrix als alle elementen boven de diagonaal nul zijn. Dat wil zeggen aij = 0 voor alle i < j . VOORBEELD: /k 7 0 0 A = 8 9 0 10 11 12 53/64 Boven- en benedendriehoeksmatrix EIGENSCHAP: A is een bovendriehoeksmatrix dan en slechts dan als A T is een benedendriehoeksmatrix. /k 54/64 Diagonaalmatrix DEFINITIE: Stel A is een n × n matrix. Dan heet A een diagonaalmatrix als buiten de hoofddiagonaal van A alleen maar nullen staan. Dus A is een bovendriehoeksmatrix is en een benedendriehoeksmatrix. /k 55/64 product van driehoeksmatrices EIGENSCHAP: Het product van bovendriehoeksmatrices is weer een bovendriehoeksmatrix. Evenzo geldt: Het product van benedendriehoeksmatrices is weer een benedendriehoeksmatrix. /k 56/64 Inverteerbare bovendriehoeksmatrix EIGENSCHAP: Een boven- of benedendriehoeksmatrix is inverteerbaar dan en slechts dan als alle elementen op de hoofddiagonaal zijn ongelijk nul /k 57/64 Symmetrisch 58/64 DEFINITIE: Een matrix A heet symmetrisch als AT = A. In het bijzonder is A dan vierkant. VOORBEELD: /k 1 2 3 A = 2 4 5 3 5 6 Symmetrisch Stel is een A een n × n matrix. Dan is B = A + A T symmetrisch. Want B T = (A + A T )T = A T + (A T )T = A T + A = B . /k 59/64 Anti-symmetrisch 60/64 DEFINITIE: Een matrix A heet anti-symmetrisch of scheef-symmetrisch als A T = −A . In het bijzonder is A dan vierkant. VOORBEELD: /k 0 2 3 A = −2 0 −5 −3 5 0 Anti-symmetrisch 61/64 EIGENSCHAP: Op de diagonaal van een anti-symmetrische matrix staan alleen maar nullen. BEWIJS: Stel A is anti-symmetrisch. Dan is A T = −A . aii = aiiT = −aii Dus aii = 0. /k Anti-symmetrisch 62/64 VOORBEELD: De matrix 1 2 3 1 2 A = −2 −3 −2 1 is niet anti-symmetrisch en ook niet symmetrisch. /k Anti-symmetrisch Stel is een A een n × n matrix. Dan is C = A − A T anti-symmetrisch. Want C T = (A − A T )T = A T − (A T )T = A T − A = −C . /k 63/64 symmetrisch + anti-symmetrisch Stel is een A een n × n matrix. Dan is A te schrijven als som A = B + C met B symmetrische en C anti-symmetrisch. Deze schrijfwijze is uniek met: B = 21 (A + A T ) en C = 12 (A − A T ). BEWIJS: 1 (A 2 + A T ) + 12 (A − A T ) = A Stel A = B + C met B symmetrische en C anti-symmetrisch. Dan is A T = (B + C )T = B T + C T = B − C . Dus A + A T = 2B en A − A T = 2C . /k 64/64
© Copyright 2024 ExpyDoc