Решение систем линейных уравнений

Одной из важнейших задач в технических приложениях и расчетах является задача решения систем линейных уравнений. В матричных обозначениях, данная задача может быть сформу-лирована следующим образом. При заданных двух матрицах Aand B, существует ли такая единственная матрица X, что AX = Bили XA = B?

Для наглядности рассмотрим одномерный пример. Имеет ли уравнение

7x = 21

единственное решение? Ответ, разумеется, да. Это уравнение имеет единственное решение x = 3. Решение может быть легко получено обычным делением.

x = 21/7 = 3

Решение при этом обычно не состоит в определении обратной величины от числа 7 (т.е. ве-личины 7^-1 = 0.142857…), и последующим умножением числа 7^-1 на число 21. Это было бы более трудоемко и, если число 7^-1 представлено конечным числом цифр (разрядов), менее точно. Аналогичные рассуждения применимы и к системам линейных алгебраических уравнений с более чем одной неизвестной; MATLAB решает такие уравнения без вычисле-ния обратной матрицы. Хотя это и не является стандартным математическим обозначением, система MATLAB использует терминологию, связанную с обычным делением в одномерном случае, для описания общего случая решения совместной системы нескольких линейных уравнений. Два символа деления / (косая черта (по английски - slash)) и \ (обратная косая че-рта (backslash)) используются в двух случаях, когда неизвестная матрица появляется слева или справа от матрицы коэффициентов:

X = A\Bобозначает решение матричного уравненияAX = B

X = B/Aобозначает решение матричного уравненияXA = B.

Вы можете представлять себе это как процесс «деления» обеих частей уравнения AX = Bили XA = Bна A. Матрица коэффициентов A всегда находится в «знаменателе».Условие сов-местимости размерностей для X = A\B требует чтобы две матрицыAи B имели одинаковое число строк. РешениеX тогда имеет такое же число столбцов как и B, а число ее строк будет равно числу столбцов A. Для X = B/A, строки и столбцы меняются ролями. На практике, ли-нейные уравнения в видеAX = Bвстречаются более часто, чем в виде XA = B. Следователь-но, обратная наклонная черта \ используется более часто, чем прямая / . Поэтому, в остав-шейся части данного раздела мы ограничимся рассмотрением оператора \ ; соответствующие свойства оператора / можно вывести из тождества

(B/A)' = (A'\B')

В общем случае не требуется, чтобы матрица коэффициентов Aбыла бы квадратной. Если A имеет размер mхn, то возможны три случая:

1. m = n Квадратная система. Ищется точное решение.
2. m > n Переопределенная система. Ищется решение методом наименьших квадратов.
3. m < n Недоопределенная система. Находится базовое решение с самым большим

числом m ненулевых компонент.

Оператор \ использует различные алгоритмы для решения систем линейных уравнений с раз-ными типами матриц коэффициентов. Различные случаи, которые диагностируются автома-тически по типу матрицы коэффициентов, включают:

•Перестановки треугольных матриц

•Симметричные, положительно определенные матрицы

•Квадратные невырожденные матрицы

•Прямоугольные, переопределенные системы

•Прямоугольные, недоопределенные системы

Квадратные системы

Наиболее часто встречающейся ситуацией является квадратная матрица коэффициентовA и одномерный вектор-столбец b справа,т.е. Ax = b. Решение x = A\bимеет при этом тот же ра-змер, что и вектор b. Например,

x = A\u

x =

-12

где матрица Аесть приведенная выше матрица Паскаля. Легко удостовериться, чтоA*xв точности равно вектору u(численные значения этого вектора даны выше).

ЕслиAиBявляются квадратными и имеют одинаковый размер, то X = A\Bимеет тот же ра-змер, например

X = A\B

X =

19 -3 -1

-17 4 13

6 0 -6

Легко убедиться, что A*Xв точности равно B.

Оба этих примера имеют точное решение в виде целых чисел. Это связано с тем, что в каче-стве матрицы коэффициентов была выбрана матрица Паскаля pascal(3), чей детерминант равен единице. Далее будут рассмотрены примеры влияния ошибок округления, возникаю-щих в более реальных системах.

Квадратная матрица A является сингулярной, если ее столбцы не являются линейно незави-симыми. Если A– сингулярна, то решение AX = Bили не существует, или не является един-ственным. Оператор \ , A\B, выдает предупреждающее сообщение, если матрица A близка к сингулярной и сообщение об ошибке, если определено равенство нулю детерминанта матри-цы А.

Поиск по сайту: