Gaussova eliminácia

V matematike je Gaussova eliminácia (nazývaná aj redukcia riadkov) metóda používaná na riešenie sústav lineárnych rovníc. Je pomenovaná po Carlovi Friedrichovi Gaussovi, slávnom nemeckom matematikovi, ktorý o tejto metóde písal, ale nevynašiel ju.

Na vykonanie Gaussovej eliminácie sa koeficienty členov v sústave lineárnych rovníc použijú na vytvorenie typu matice nazývanej rozšírená matica. Potom sa na zjednodušenie matice použijú základné riadkové operácie. Používajú sa tri typy riadkových operácií:

Typ 1: Výmena jedného riadku za iný riadok.

Typ 2: Násobenie riadku nenulovým číslom.

Typ 3: Sčítanie alebo odčítanie riadku od iného riadku.

Cieľom Gaussovej eliminácie je získať maticu v riadkovom echelónovom tvare. Ak je matica v riadkovom echelónovom tvare, znamená to, že pri čítaní zľava doprava bude každý riadok začínať aspoň o jeden nulový člen viac ako riadok nad ním. Niektoré definície Gaussovej eliminácie hovoria, že výsledok matice musí byť v redukovanom riadkovo-ečelónovom tvare. To znamená, že matica je v riadkovo-ečelónovom tvare a jediný nenulový člen v každom riadku je 1. Gaussova eliminácia, ktorá vytvára redukovaný riadkovo-ečelónový výsledok matice, sa niekedy nazýva Gaussova-Jordanova eliminácia.

Príklad

Predpokladajme, že cieľom je nájsť odpovede na túto sústavu lineárnych rovníc.

2 x + y - z = 8 ( R 1 ) - 3 x - y + 2 z = - 11 ( R 2 ) - 2 x + y + 2 z = - 3 ( R 3 ) {\displaystyle {\begin{alignedat}{7}2x&&\;+\;&&y&&\;-\;&&z&&\;=\;&&8&\qquad (R_{1})\\-3x&&\;-\;&&y&&\;+\;&&2z&&\;=\;&&-11&\qquad (R_{2})\\-2x&&\;+\;&&y&&\;+\;&&2z&&\;=\;&&-3&\qquad (R_{3})\end{alignedat}}} ${\begin{alignedat}{7}2x&&\;+\;&&y&&\;-\;&&z&&\;=\;&&8&\qquad (R_{1})\\-3x&&\;-\;&&y&&\;+\;&&2z&&\;=\;&&-11&\qquad (R_{2})\\-2x&&\;+\;&&y&&\;+\;&&2z&&\;=\;&&-3&\qquad (R_{3})\end{alignedat}}$

Najskôr je potrebné premeniť systém na rozšírenú maticu. V rozšírenej matici sa každá lineárna rovnica stáva riadkom. Na jednej strane rozšírenej matice sa koeficienty každého člena lineárnej rovnice stanú číslami v matici. Na druhej strane rozšírenej matice sú konštantné členy, ktorým sa rovná každá lineárna rovnica. Pre tento systém je rozšírená matica:

[ 2 1 - 1 8 - 3 - 1 2 - 11 - 2 1 2 - 3 ] {\displaystyle \left[{\begin{array}{ccc|c}2&1&-1&8\-3&-1&2&-11\-2&1&2&-3\end{array}}\right]} $\left[{\begin{array}{ccc|c}2&1&-1&8\\-3&-1&2&-11\\-2&1&2&-3\end{array}}\right]$

Potom možno na rozšírenej matici vykonať riadkové operácie na jej zjednodušenie. V nasledujúcej tabuľke je uvedený postup redukcie riadkov na sústave rovníc a na rozšírenej matici.

Sústava rovníc	Riadkové operácie	Rozšírená matica
2 x + y - z = 8 - 3 x - y + 2 z = - 11 - 2 x + y + 2 z = - 3 {\displaystyle {\begin{alignedat}{7}2x&&\;+\;&&y&&\;-\;&&z&&\;=\;&&8&\\-3x&&\;-\;&&y&&\;+\;&&2z&& \;=\;&&-11&\\-2x&&\;+\;&&y&&\;+\;&&2z&&\;=\;&&-3&\end{alignedat}}} ${\begin{alignedat}{7}2x&&\;+\;&&y&&\;-\;&&z&&\;=\;&&8&\\-3x&&\;-\;&&y&&\;+\;&&2z&&\;=\;&&-11&\\-2x&&\;+\;&&y&&\;+\;&&2z&&\;=\;&&-3&\end{alignedat}}$		[ 2 1 - 1 8 - 3 - 1 2 - 11 - 2 1 2 - 3 ] {\displaystyle \left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&-1&8\-3&-1&2&-11\-2&1&2&-3\end{array}}\right]} $\left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&-1&8\\-3&-1&2&-11\\-2&1&2&-3\end{array}}\right]$
2 x + y - z = 8 1 2 y + 1 2 z = 1 2 y + z = 5 {\displaystyle {\begin{alignedat}{7}2x&&\;+&&&y&&\;-&&&\;z&&&\;=\;&&8&\\&&&&{\frac {1}{2}}y&&\;+&&\;{\frac {1}{2}}z&&\;=\;&&1&\\&&&&2y&&\;+&&\;z&&\;=\;&&5&\end{alignedat}}} ${\begin{alignedat}{7}2x&&\;+&&y&&\;-&&\;z&&\;=\;&&8&\\&&&&{\frac {1}{2}}y&&\;+&&\;{\frac {1}{2}}z&&\;=\;&&1&\\&&&&2y&&\;+&&\;z&&\;=\;&&5&\end{alignedat}}$	R 2 + 3 2 R 1 → R 2 {\displaystyle R_{2}+{\frac {3}{2}}R_{1}\rightarrow R_{2}} $R_{2}+{\frac {3}{2}}R_{1}\rightarrow R_{2}$ R 3 + R 1 → R 3 {\displaystyle R_{3}+R_{1}\rightarrow R_{3}} $R_{3}+R_{1}\rightarrow R_{3}$	[ 2 1 - 1 8 0 1 / 2 1 / 2 1 0 2 1 5 ] {\displaystyle \left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&-1&8\0&1/2&1/2&1\0&2&1&5\end{array}}\right]} $\left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&-1&8\\0&1/2&1/2&1\\0&2&1&5\end{array}}\right]$
2 x + y - z = 8 1 2 y + 1 2 z = 1 - z = 1 {\displaystyle {\begin{alignedat}{7}2x&&\;+&&&y\;&&-&&\;z\;&&=\;&&8&\\&&&&{\frac {1}{2}}y\;&&+&&\;{\frac {1}{2}}z\;&&=\;&&1&\\&&&&&&&&\;-z\;& &\;=\;&&1&\end{alignedat}}} ${\begin{alignedat}{7}2x&&\;+&&y\;&&-&&\;z\;&&=\;&&8&\\&&&&{\frac {1}{2}}y\;&&+&&\;{\frac {1}{2}}z\;&&=\;&&1&\\&&&&&&&&\;-z\;&&\;=\;&&1&\end{alignedat}}$	R 3 + - 4 R 2 → R 3 {\displaystyle R_{3}+-4R_{2}\rightarrow R_{3}} $R_{3}+-4R_{2}\rightarrow R_{3}$	[ 2 1 - 1 8 0 1 / 2 1 / 2 1 0 0 - 1 1 ] {\displaystyle \left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&-1&8\0&1/2&1/2&1\0&0&-1&1\end{array}}\right]} $\left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&-1&8\\0&1/2&1/2&1\\0&0&-1&1\end{array}}\right]$

Matica je teraz vo forme riadkov a echelónov. Tento tvar sa nazýva aj trojuholníkový tvar.

Sústava rovníc	Riadkové operácie	Rozšírená matica
2 x + y = 7 1 2 y = 3 / 2 - z = 1 {\displaystyle {\begin{alignedat}{7}2x&&\;+&&y\;&&&&\;\;&&=\;&&7&\&&&&&{\frac {1}{2}}y\;&&&&\;\;&&=\;&&3/2&\\&&&&&&&&\;-z\;&&\;=\;&&1&\end{alignedat}}} ${\begin{alignedat}{7}2x&&\;+&&y\;&&&&\;\;&&=\;&&7&\\&&&&{\frac {1}{2}}y\;&&&&\;\;&&=\;&&3/2&\\&&&&&&&&\;-z\;&&\;=\;&&1&\end{alignedat}}$	R 2 + 1 2 R 3 → R 2 {\displaystyle R_{2}+{\frac {1}{2}}R_{3}\rightarrow R_{2}} $R_{2}+{\frac {1}{2}}R_{3}\rightarrow R_{2}$ R 1 - R 3 → R 1 {\displaystyle R_{1}-R_{3}\rightarrow R_{1}} $R_{1}-R_{3}\rightarrow R_{1}$	[ 2 1 0 7 0 1 / 2 0 3 / 2 0 0 - 1 1 ] {\displaystyle \left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&0&7\0&1/2&0&3/2\0&0&1&1\end{array}}\right]} $\left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&0&7\\0&1/2&0&3/2\\0&0&-1&1\end{array}}\right]$
2 x + y = 7 y = 3 z = - 1 {\displaystyle {\begin{alignedat}{7}2x&&\;+&&y\;&&&&\;\;&&=\;&&7&\\&&&&y\;&&&&\;\;&&=\;&&3&\\&&&&&&&&\;z\;&&\;=\;&&-1&\end{alignedat}}} ${\begin{alignedat}{7}2x&&\;+&&y\;&&&&\;\;&&=\;&&7&\\&&&&y\;&&&&\;\;&&=\;&&3&\\&&&&&&&&\;z\;&&\;=\;&&-1&\end{alignedat}}$	2 R 2 → R 2 {\displaystyle 2R_{2}\rightarrow R_{2}} $2R_{2}\rightarrow R_{2}$ R 3 → R 3 {\displaystyle -R_{3}\rightarrow R_{3}} $-R_{3}\rightarrow R_{3}$	[ 2 1 0 7 0 1 0 3 0 0 1 - 1 ] {\displaystyle \left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&0&7\0&1&0&3\0&0&1&-1\end{array}}\right]} $\left[{\begin{array}{ccc\|c}2&1&0&7\\0&1&0&3\\0&0&1&-1\end{array}}\right]$
x = 2 y = 3 z = - 1 {\displaystyle {\begin{alignedat}{7}x&&\;&&\;&&&&\;\;&&=\;&&2&\&&&& y\;&&&&\;\;&&=\;&&3&\\&&&&&&&&\;z\;&&\;=\;&&-1&\end{alignedat}}} ${\begin{alignedat}{7}x&&\;&&\;&&&&\;\;&&=\;&&2&\\&&&&y\;&&&&\;\;&&=\;&&3&\\&&&&&&&&\;z\;&&\;=\;&&-1&\end{alignedat}}$	R 1 - R 2 → R 1 {\displaystyle R_{1}-R_{2}\rightarrow R_{1}} $R_{1}-R_{2}\rightarrow R_{1}$ 1 2 R 1 → R 1 {\displaystyle {\frac {1}{2}}R_{1}\rightarrow R_{1}} ${\frac {1}{2}}R_{1}\rightarrow R_{1}$	[ 1 0 0 2 0 1 0 3 0 0 1 - 1 ] {\displaystyle \left[{\begin{array}{ccc\|c}1&0&0&2\0&1&0&3\0&0&1&-1\end{array}}\right]} $\left[{\begin{array}{ccc\|c}1&0&0&2\\0&1&0&3\\0&0&1&-1\end{array}}\right]$

Matica je teraz v redukovanom riadkovo-echelónovom tvare. Čítanie tejto matice nám hovorí, že riešenie tejto sústavy rovníc nastane, keď x = 2, y = 3 a z = -1.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to Gaussova eliminácia?

Odpoveď: Gaussova eliminácia je metóda používaná v matematike na riešenie sústav lineárnych rovníc.

Otázka: Po kom je pomenovaná?

Odpoveď: Je pomenovaná po Carlovi Friedrichovi Gaussovi, slávnom nemeckom matematikovi, ktorý o tejto metóde písal, ale nevynašiel ju.

Otázka: Ako sa vykonáva Gaussova eliminácia?

Odpoveď: Gaussova eliminácia sa vykonáva pomocou koeficientov členov v sústave lineárnych rovníc na vytvorenie rozšírenej matice. Potom sa na zjednodušenie matice použijú základné riadkové operácie.

Otázka: Aké tri typy riadkových operácií sa používajú pri Gaussovej eliminácii?

Odpoveď: V Gaussovej eliminácii sa používajú tieto tri typy riadkových operácií: Výmena jedného riadku za iný riadok, Vynásobenie riadku nenulovým číslom a Sčítanie alebo odčítanie riadku od iného riadku.

Otázka: Čo je cieľom Gaussovej eliminácie?

Odpoveď: Cieľom Gaussovej eliminácie je získať maticu v riadkovom echelónovom tvare.

Otázka: Čo je to riadkovo-echelónová forma?

Odpoveď: Ak je matica v riadkovo-echelónovej forme, znamená to, že pri čítaní zľava doprava bude každý riadok začínať aspoň o jeden nulový člen viac ako riadok nad ním.

Otázka: Čo je redukovaná riadková echelónová forma?

Odpoveď: Redukovaná riadkovo-echelónová forma znamená, že matica je v riadkovo-echelónovej forme a jediný nenulový člen v každom riadku je 1. Gaussova eliminácia, ktorá vytvára výsledok redukovanej riadkovo-echelónovej matice, sa niekedy nazýva Gaussova-Jordanova eliminácia.