Ingyenes tananyagok

Lineáris algebra

Gyakorló feladatsor: Gauss–Jordan

Nyolc feladat végigvezetett megoldással: egyértelmű, végtelen sok és nem létező megoldás, paraméteres rendszer, homogén eset, inverz és rang.

20 perc olvasás

1. Feladatok

Ehhez a feladatsorhoz a Gauss–Jordan-elimináció anyaga kell. Elöl mindenhol csak a feladat áll: próbáld meg előbb magadtól, és csak utána nyisd le a megoldást. Az első három feladat a megoldhatóság három esetét járja körül — a dolgozatokban ezek megkülönböztetésén múlik a legtöbb pont.

1. feladat

Oldd meg: {x+2y+z=82xy+3z=93x+yz=2\begin{cases} x+2y+z=8 \\ 2x-y+3z=9 \\ 3x+y-z=2 \end{cases}

Megoldás

  1. A bővített együtthatómátrix, majd az első oszlop kinullázása:
    [121821393112]S33S1S22S1[1218051705422]\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 8 \\ 2 & -1 & 3 & 9 \\ 3 & 1 & -1 & 2 \end{array}\right]\xrightarrow[S_{3}-3S_{1}]{S_{2}-2S_{1}}\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 8 \\ 0 & -5 & 1 & -7 \\ 0 & -5 & -4 & -22 \end{array}\right]
  2. A harmadik sorból kivonva a másodikat, majd osztva:
    [1218051700515]z=3\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & 1 & 8 \\ 0 & -5 & 1 & -7 \\ 0 & 0 & -5 & -15 \end{array}\right]\quad\Longrightarrow\quad z=3
  3. Innen visszafelé (vagy tovább redukált lépcsős alakig):
    5y+3=7  y=2,x+4+3=8  x=1-5y+3=-7\ \Rightarrow\ y=2,\qquad x+4+3=8\ \Rightarrow\ x=1
  4. A redukált lépcsős alak ugyanezt mutatja:
    [100101020013](x,y,z)=(1,2,3)\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 1 & 0 & 2 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \end{array}\right]\quad\Longrightarrow\quad (x,y,z)=(1,2,3)

2. feladat

Oldd meg: {x+y+z=32x+2y+2z=6xy+z=1\begin{cases} x+y+z=3 \\ 2x+2y+2z=6 \\ x-y+z=1 \end{cases}

Megoldás

  1. [111322261111]S3S1S22S1[111300000202]\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 3 \\ 2 & 2 & 2 & 6 \\ 1 & -1 & 1 & 1 \end{array}\right]\xrightarrow[S_{3}-S_{1}]{S_{2}-2S_{1}}\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 1 & 1 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 & -2 \end{array}\right]
    A második sor teljesen kinullázódott — a jobb oldala is —, tehát az az egyenlet nem hordozott új információt (az első kétszerese volt).
  2. A harmadik sort elosztva 2-2-vel: y=1y=1. Ezt az elsőbe írva:
    x+z=2x+z=2
  3. Két nemnulla sor maradt, három ismeretlenre, tehát 32=13-2=1 szabad paraméter van. Legyen z=tz=t:
    (x,y,z)=(2t,  1,  t),tR(x,y,z)=(2-t,\;1,\;t),\qquad t\in\mathbb{R}
  4. A rangokkal megfogalmazva: rang(A)=rang(Ab)=2<3\operatorname{rang}(A)=\operatorname{rang}(A|b)=2<3, tehát végtelen sok megoldás van.

3. feladat

Oldd meg: {x+2yz=12x+4y2z=5xy+z=0\begin{cases} x+2y-z=1 \\ 2x+4y-2z=5 \\ x-y+z=0 \end{cases}

Megoldás

  1. [121124251110]S22S1[121100031110]\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & -1 & 1 \\ 2 & 4 & -2 & 5 \\ 1 & -1 & 1 & 0 \end{array}\right]\xrightarrow{S_{2}-2S_{1}}\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & -1 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 3 \\ 1 & -1 & 1 & 0 \end{array}\right]
  2. A második sor azt mondja, hogy 0=30=3. Ez ellentmondás, tehát a rendszernek nincs megoldása. A többi sorral már nem is érdemes foglalkozni.
  3. Rangokkal: rang(A)=2\operatorname{rang}(A)=2, de rang(Ab)=3\operatorname{rang}(A|b)=3. Ha a bővített mátrix rangja nagyobb, a rendszer ellentmondásos.

4. feladat

Az aa paraméter mely értékeire van a rendszernek egy, végtelen sok, illetve nulla megoldása? {ax+y=1x+ay=1\ \begin{cases} ax+y=1 \\ x+ay=1 \end{cases}

Megoldás

  1. Az együtthatómátrix determinánsa dönt:
    D=a11a=a21=(a1)(a+1)D=\begin{vmatrix} a & 1 \\ 1 & a \end{vmatrix}=a^{2}-1=(a-1)(a+1)
  2. Ha a±1a\ne\pm1 (D0D\ne0): pontosan egy megoldás. A két egyenletet kivonva (a1)(xy)=0(a-1)(x-y)=0, tehát x=yx=y, és innen
    x=y=1a+1x=y=\frac{1}{a+1}
  3. Ha a=1a=1: mindkét egyenlet x+y=1x+y=1, tehát végtelen sok megoldás van, egy szabad paraméterrel: (t,1t)(t,\,1-t).
  4. Ha a=1a=-1: az egyenletek x+y=1-x+y=1 és xy=1x-y=1. Összeadva 0=20=2, tehát nincs megoldás.

5. feladat

Van-e nemtriviális megoldása? {x+2yz=02xy+3z=0x3y+4z=0\begin{cases} x+2y-z=0 \\ 2x-y+3z=0 \\ x-3y+4z=0 \end{cases}

Megoldás

  1. Homogén rendszer, tehát a csupa nulla mindig megoldás; a kérdés az, van-e rajta kívül más. Ez akkor van, ha a rang kisebb az ismeretlenek számánál.
  2. [121021301340]S3S1S22S1[121005500550]\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & -1 & 0 \\ 2 & -1 & 3 & 0 \\ 1 & -3 & 4 & 0 \end{array}\right]\xrightarrow[S_{3}-S_{1}]{S_{2}-2S_{1}}\left[\begin{array}{ccc|c} 1 & 2 & -1 & 0 \\ 0 & -5 & 5 & 0 \\ 0 & -5 & 5 & 0 \end{array}\right]
    A második és a harmadik sor azonos, tehát az egyik kinullázható: rang=2<3\operatorname{rang}=2<3 — van nemtriviális megoldás.
  3. A második sorból 5y+5z=0-5y+5z=0, azaz y=zy=z. Az elsőbe írva: x+2zz=0x+2z-z=0, tehát x=zx=-z.
    (x,y,z)=(t,  t,  t),tR(x,y,z)=(-t,\;t,\;t),\qquad t\in\mathbb{R}
  4. A homogén rendszer megoldáshalmaza tehát egy origón átmenő egyenes a térben — a jobb oldal nulla volta miatt az ellentmondás esete itt sosem fordulhat elő.

6. feladat

Számold ki Gauss–Jordan-eliminációval az A=(123014001)A=\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 4 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix} mátrix inverzét.

Megoldás

  1. Írjuk a mátrix mellé az egységmátrixot, és alakítsuk a bal oldalt egységmátrixszá — amit közben a jobb oldalon kapunk, az az inverz.
    [123100014010001001]\left[\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 2 & 3 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 4 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]
  2. A harmadik oszlop kinullázása a harmadik sor segítségével:
    S13S3S24S3[120103010014001001]\xrightarrow[S_{1}-3S_{3}]{S_{2}-4S_{3}}\left[\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 2 & 0 & 1 & 0 & -3 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & -4 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]
  3. Végül a második oszlop:
    S12S2[100125010014001001]\xrightarrow{S_{1}-2S_{2}}\left[\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 0 & 1 & -2 & 5 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & -4 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right]
  4. A1=(125014001)A^{-1}=\begin{pmatrix} 1 & -2 & 5 \\ 0 & 1 & -4 \\ 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}
    Ellenőrzés: AA1AA^{-1} első sora (1, 2+2, 58+3)=(1,0,0)(1,\ -2+2,\ 5-8+3)=(1,0,0) — stimmel.

7. feladat

Mennyi az A=(121324103603)A=\begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & 3 \\ 2 & 4 & 1 & 0 \\ 3 & 6 & 0 & 3 \end{pmatrix} mátrix rangja?

Megoldás

  1. A rang a lépcsős alak nemnulla sorainak száma. Az első oszlop kinullázása:
    S33S1S22S1(121300360036)\xrightarrow[S_{3}-3S_{1}]{S_{2}-2S_{1}}\begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & 3 \\ 0 & 0 & 3 & -6 \\ 0 & 0 & 3 & -6 \end{pmatrix}
  2. A két alsó sor azonos, tehát a különbségük nulla:
    S3S2(121300360000)\xrightarrow{S_{3}-S_{2}}\begin{pmatrix} 1 & 2 & -1 & 3 \\ 0 & 0 & 3 & -6 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{pmatrix}
  3. Két nemnulla sor maradt, tehát rang(A)=2\operatorname{rang}(A)=2. Figyeld meg, hogy a második oszlop végig nulla maradt a vezéregyes alatt — a rangot nem az oszlopok száma, hanem a vezéregyesek száma adja.

8. feladat

Add meg a megoldáshalmazt: {x1+2x2+x3+x4=52x1+4x2+x3x4=4\begin{cases} x_{1}+2x_{2}+x_{3}+x_{4}=5 \\ 2x_{1}+4x_{2}+x_{3}-x_{4}=4 \end{cases}

Megoldás

  1. Két egyenlet, négy ismeretlen: a rendszer biztosan alulhatározott, tehát vagy nincs megoldás, vagy végtelen sok van.
    [1211524114]S22S1[1211500136]\left[\begin{array}{cccc|c} 1 & 2 & 1 & 1 & 5 \\ 2 & 4 & 1 & -1 & 4 \end{array}\right]\xrightarrow{S_{2}-2S_{1}}\left[\begin{array}{cccc|c} 1 & 2 & 1 & 1 & 5 \\ 0 & 0 & -1 & -3 & -6 \end{array}\right]
  2. A második sort (1)(-1)-gyel szorozva, majd az elsőből kivonva:
    [1202100136]\left[\begin{array}{cccc|c} 1 & 2 & 0 & -2 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 3 & 6 \end{array}\right]
  3. A vezéregyesek az x1x_{1} és az x3x_{3} oszlopában vannak, tehát x2x_{2} és x4x_{4} a szabad paraméterek. Legyen x2=sx_{2}=s és x4=tx_{4}=t:
    x3=63t,x1=12s+2tx_{3}=6-3t,\qquad x_{1}=-1-2s+2t
  4. (x1,x2,x3,x4)=(12s+2t,  s,  63t,  t),s,tR(x_{1},x_{2},x_{3},x_{4})=(-1-2s+2t,\;s,\;6-3t,\;t),\qquad s,t\in\mathbb{R}
    Ellenőrzés s=t=0s=t=0-val: (1,0,6,0)(-1,0,6,0), és tényleg 1+0+6+0=5-1+0+6+0=5, illetve 2+0+60=4-2+0+6-0=4.

Elakadtál menet közben?

Egy tananyag megmutatja, hogyan működik a dolog. Azt viszont, hogy pontosan hol csúszik el nálad, egy óra alatt derítjük ki. Foglalj egy alkalmat, vagy beszéljük meg egy ingyenes konzultáción, mire van szükséged.