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:
1. feladat
Megoldás
- A bővített együtthatómátrix, majd az első oszlop kinullázása:
- A harmadik sorból kivonva a másodikat, majd osztva:
- Innen visszafelé (vagy tovább redukált lépcsős alakig):
- A redukált lépcsős alak ugyanezt mutatja:
2. feladat
Oldd meg:
2. feladat
Megoldás
- A második sor teljesen kinullázódott — a jobb oldala is —, tehát az az egyenlet nem hordozott új információt (az első kétszerese volt).
- A harmadik sort elosztva -vel: . Ezt az elsőbe írva:
- Két nemnulla sor maradt, három ismeretlenre, tehát szabad paraméter van. Legyen :
- A rangokkal megfogalmazva: , tehát végtelen sok megoldás van.
3. feladat
Oldd meg:
3. feladat
Megoldás
- A második sor azt mondja, hogy . Ez ellentmondás, tehát a rendszernek nincs megoldása. A többi sorral már nem is érdemes foglalkozni.
- Rangokkal: , de . Ha a bővített mátrix rangja nagyobb, a rendszer ellentmondásos.
4. feladat
Az paraméter mely értékeire van a rendszernek egy, végtelen sok, illetve nulla megoldása?
4. feladat
Megoldás
- Az együtthatómátrix determinánsa dönt:
- Ha (): pontosan egy megoldás. A két egyenletet kivonva , tehát , és innen
- Ha : mindkét egyenlet , tehát végtelen sok megoldás van, egy szabad paraméterrel: .
- Ha : az egyenletek és . Összeadva , tehát nincs megoldás.
5. feladat
Van-e nemtriviális megoldása?
5. feladat
Megoldás
- 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.
- A második és a harmadik sor azonos, tehát az egyik kinullázható: — van nemtriviális megoldás.
- A második sorból , azaz . Az elsőbe írva: , tehát .
- 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 mátrix inverzét.
6. feladat
Megoldás
- Írjuk a mátrix mellé az egységmátrixot, és alakítsuk a bal oldalt egységmátrixszá — amit közben a jobb oldalon kapunk, az az inverz.
- A harmadik oszlop kinullázása a harmadik sor segítségével:
- Végül a második oszlop:
- Ellenőrzés: első sora — stimmel.
7. feladat
Mennyi az mátrix rangja?
7. feladat
Megoldás
- A rang a lépcsős alak nemnulla sorainak száma. Az első oszlop kinullázása:
- A két alsó sor azonos, tehát a különbségük nulla:
- Két nemnulla sor maradt, tehát . 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:
8. feladat
Megoldás
- Két egyenlet, négy ismeretlen: a rendszer biztosan alulhatározott, tehát vagy nincs megoldás, vagy végtelen sok van.
- A második sort -gyel szorozva, majd az elsőből kivonva:
- A vezéregyesek az és az oszlopában vannak, tehát és a szabad paraméterek. Legyen és :
- Ellenőrzés -val: , és tényleg , illetve .
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.