ma’ruza. Chiziqli tenglamalar sistemasini yechishning Gauss va Kramer usullari
Reja:
Chiziqli tenglamalar sistemasini yechishning Kramer usuli
Chiziqli tenglamalar sistemasini yechishning Gauss usuli
Uch noma’lumli uchta chiziqli tenglamalar sistemalari.
Uch noma’lumli uchta chiziqli tenglamalar sistemasi berilgan bo`lsin:
𝑎 11𝑥 1 + 𝑎 12𝑥 2 + 𝑎 13𝑥 3 = 𝑐 1
{𝑎 21𝑥 1 + 𝑎 22𝑥 2 + 𝑎 23𝑥 3 = 𝑐 2
𝑎 31𝑥 1 + 𝑎 32𝑥 2 + 𝑎 33𝑥 3 = 𝑐 3
(1)
Ikki noma’lumli ikkita chiziqli tenglamalar sistemasining umumiy yechimini topishda noma’lumlar oldidagi koeffitsientlarni tenglab birinchi tenglamadan ikkinchisini ayirish natijasida bitta noma’lumli tenglama hosil qilinib undan noma’lumning qiymati topilgan edi. Xuddi shu ishni (1) sistemaga tatbiq etsak, natijada (1) sistemaga ekvivalent quyidagi tenglamalar sistemasiga ega bo`lamiz:
𝑥1 ∙ ∆= ∆𝑥1
Bunda
𝑎11 𝑎12 𝑎13
{𝑥2 ∙ ∆= ∆𝑥2
𝑥3 ∙ ∆= ∆𝑥3
𝑐1 𝑎12 𝑎13
(A)
𝑎11 𝑐1 𝑎13
∆= |𝑎21 𝑎22 𝑎23|; ∆𝑥1 = |𝑐2 𝑎22 𝑎23|; ∆𝑥2 = |𝑎21 𝑐2 𝑎23|;
𝑎31 𝑎32 𝑎33
𝑐3 𝑎32 𝑎33
𝑎11 𝑎12 𝑐1
∆𝑥3 = |𝑎21 𝑎22 𝑐2|
𝑎31 𝑎32 𝑐3
𝑎31 𝑐3 𝑎33
Noma’lumlar oldidagi koeffitsientlardan tuzilgan uchinchi tartibli ∆ determinant
(1.16) sistemaning determinanti deyiladi. ∆ 𝑥1 , ∆ 𝑥2 va ∆ 𝑥3 determinantlar yordamchi determinantlar deyiladi.
Agar (A) sistemada ∆≠ 0 bo`lsa, u holda
𝑥 = ∆𝑥1; 𝑥
= ∆𝑥2 ; 𝑥
= ∆𝑥3
(2)
1 ∆ 2 ∆ 3 ∆
𝑥 1, 𝑥 2, 𝑥 3 ning (2) formulalar bo`yicha topilgan qiymatlari (1) sistemaning
yechimlari bo`lishini bevosita tekshirib ko`rish bilan ishonch hosil qilish mumkin.
tengliklar Kramer formulalari deyiladi.
formulalarda quyidagi hollar sodir bo`lishi mumkin.
∆≠ 0. Bu holda (2) formulalardan sistema yagona yechimga ega ekani kelib chiqadi.
– misol. Ushbu sistemani yeching:
𝑥 1 + 2𝑥 2 − 𝑥 3 = 2
{ 2𝑥1 − 3𝑥2 + 2𝑥3 = 8 3𝑥 1 + 𝑥 2 + 𝑥 3 = 8
Yechish. Bu yerda
1 2 −1
∆= |2 −3 2
3 1 1
1 2 −1
2 3 −1
| = −8 ∆𝑥1 = |2 −3 2
8 1 1
1 2 2
| = −8
∆𝑥2 = |2 2 2 | = −16 ∆𝑥3 = |2 −3 2| = −24
3 8 1 3 1 8
(2) formulalardan quyidagilarni topamiz:
𝑥 = −8 = 1; 𝑥
= −16 = 2; 𝑥
= −24 = 3
Javob: (1;2;3)
1 −8
2 −8
3 −8
∆= 0 va ∆𝑥1 , ∆𝑥2 , ∆𝑥3 determinantlardan kamida bittasi noldan farqli bo`lsa, u holda (1) sistema yechimga ega emas. Aniqlik uchun ∆𝑥1 = ∆𝑥2 = 0 bo`lib,
∆ 𝑥3 ≠ 0 bo`lsin. U holda (2) dan:
𝑥 = ∆𝑥3 ⟹ ∆ ∙ 𝑥 = ∆
3 ∆ 3 𝑥 3
Ammo, oxirgi tenglikning o`ng tomoni noldan farqli (∆ 𝑥3 ≠ 0), chap tomoni esa nolga teng, buning bo`lishi mumkin emas. Demak, yechimga ega emas.
– misol. Ushbu
2𝑥 1 + 3𝑥 2 + 𝑥 3 = 2
{ 𝑥1 − 5𝑥2 + 2𝑥3 = 3 4𝑥 1 + 6𝑥 2 + 2𝑥 3 = 0
tenglamalar sistemasi yechimga ega emas, chunki ∆= 0 (tekshirib ko`rishni
o`quvchini o`ziga havola qilamiz.)
1. ∆= 0 va ∆ 𝑥1 = ∆ 𝑥2 = ∆ 𝑥3 = 0 bo`lsa, (1) sistema yoki yechimga ega emas, yoki cheksiz ko`p yechimga ega bo`ladi.
– misol. Ushbu tenglamalar sistemasini yeching:
𝑥 1 − 𝑥 2 + 2𝑥 3 = 2
{ 2𝑥1 − 2𝑥2 + 4𝑥3 = 4 3𝑥 1 − 3𝑥 2 + 6𝑥 3 = 3
Yechish. Bu sistema uchun
∆= 0, ∆ 𝑥1 = ∆ 𝑥2 = ∆ 𝑥3 = 0
Sistema yechimga ega emas, chunki sistemadagi birinchi va uchinchi
tenglamalar birgalikda bo`la olmaydilar. Haqiqatan ham, birinchi tenglamani 3 ga ko`paytirib, undan uchinchi tenglamani ayirsak, mumkin bo`lmagan 0=3 tenglikka ega bo`lamiz.
– misol. Ushbu
2𝑥 1 + 3𝑥 2 − 𝑥 3 = 3
{ 4𝑥1 + 6𝑥2 − 2𝑥3 = 6 3𝑥 1 − 𝑥 2 + 2𝑥 3 = −1
sistema uchun ∆= ∆ 𝑥1 = ∆ 𝑥2 = ∆ 𝑥3 = 0 . sistemadagi ikkinchi tenglama birinchi
tenglamani 2 ga ko`paytirishdan hosil bo`lgani uchun berilgan sistema ushbu
{ 2𝑥 1 + 3𝑥 2 − 𝑥 3 = 3 3𝑥 1 − 𝑥 2 + 2𝑥 3 = −1
sistemaga teng kuchli va cheksiz ko`p yechimlar to`plamiga ega. 𝑥3 ga ixtiyoriy qiymatlar berib, 𝑥1 va 𝑥2 ning unga mos qiymatlarini topamiz. Masalan, 𝑥3 = 1 da
{ 2𝑥1 + 3𝑥2 = 4 3𝑥1 − 𝑥2 = −3
sistemani hosil qilamiz, uni yechib 𝑥 = − 5 , 𝑥 = 18 ni topamiz. 𝑥 = 0 da 𝑥 =
1, 𝑥3 = 0 ga ega bo`lamiz.
1 11 2 11 1 2
n noma’lumli n ta chiziqli tenglamalar sistemalari.
n noma’lumli n ta chiziqli tenglamalar sistemasi quyidagi ko`rinishga ega:
𝑎 11𝑥 1 + 𝑎 12𝑥 2 + ⋯ + 𝑎 1𝑛𝑥 𝑛 = 𝑐 1
{ 𝑎 21𝑥 1 + 𝑎 22𝑥 2 + ⋯ + 𝑎 2𝑛𝑥 𝑛 = 𝑐 2
… … … … … … … … … … … … … … …
𝑎 𝑛1𝑥 1 + 𝑎 𝑛2𝑥 2 + ⋯ + 𝑎 𝑛𝑛𝑥 𝑛 = 𝑐 𝑛
(3)
Bu yerda 𝑎 𝑖𝑘 sonlarga sistemaning koeffitsientlari, 𝑐 𝑖 ozod hadlar, 𝑥 1, 𝑥 2, … , 𝑥 𝑛
– noma’lumlar deyiladi.
Ta’rif. Agar (3) sistemaning har bir tenglamasidagi 𝑥 1, 𝑥 2, … , 𝑥 𝑛 noma’lumlar o`rniga mos ravishda 𝛼 1, 𝛼 2, … , 𝛼 𝑛 qiymatlar qo`yilganda sistemaning barcha tenglamalari ayniyatga aylansa, 𝛼 1, 𝛼 2, … , 𝛼 𝑛 sonlar (3) sistemaning yechimi deyiladi.
Sistemaning yechimi mavjud bo`lish – bo`lmasligi quyidagi determinantga bog’liqdir:
𝑎11 𝑎12 … 𝑎1𝑛
∆= | 𝑎21 𝑎22 … 𝑎2𝑛 | (4)
…
𝑎𝑛1
…
𝑎𝑛2
… …
… 𝑎𝑛𝑛
determinant (3) sistemaning noma’lumlari oldidagi koeffitsientlardan tuzilgan. Agar ∆≠ 0 bo`lsa, sistema yagona yechimga ega bo`ladi va bu yechim
formulalar yordamida topiladi.
𝑥𝑖
= ∆𝑥𝑖
∆
(𝑖 = ̅1̅̅,̅𝑛̅)
Bunda ∆ 𝑥1 determinant ∆ determinantning birinchi ustun elementlarini (3) tenglamalar sistemasining ozod hadlari bilan almashtirishdan hosil qilinadi; ∆ 𝑥2 esa
∆ determinantning ikkinchi ustun elementlarini ozod hadlar bilan almashtirishdan
hosil bo`ladi; ∆ 𝑥3 … ∆ 𝑥𝑛 lar ham shunga o`xshash hosil qilinadi.
(3) tenglamalar sistemasini yechishning bunday usuli Kramer usuli deyiladi.
Demak, (3) sistemani yechish uchun (n+1) ta determinant tuzish va hisoblash kerak bo`ladi.
Chiziqli tenglamalar sistemasini Gauss usuli bilan yechish.
Biz yuqorida tenglamalar soni noma’lumlar soniga teng bo`lgan chiziqli tenglamalar sistemasi bilan tanishdik va bunday sistemaning determinant noldan farqli bo`lsa, u holda sistema yagona yechimga ega bo`lishini ko`rdik.
Endi ixtiyoriy, ya’ni tenglamalar soni noma’lumlar soniga teng bo`lmagan chiziqli tenglamalar sistemasini tekshiramiz. Bunday sistema uchun yechim yagona bo`lmasligi yoki umuman yechim mavjud bo`lmasligi ham mumkin. Agar chiziqli tenglamalar sistemasi birorta ham yechimga ega bo`lmasa, sistema birgalikda
bo`lmagan sistema deyiladi. Agar chiziqli tenglamalar sistemasi yechimga ega bo`lsa, bunday sistema birgalikda deb hisoblanadi.
Koeffitsientlari sonlardan iborat bo`lgan tenglamalar sistemasi yechimlarini topish uchun qulay bo`lgan noma`lumlarni ketma – ket yo`qotish (chiqarish) usulini, ya’ni Gauss usulini ko`rsatamiz.
Quyidagi ixtiyoriy chiziqli tenglamalar sistemasi berilgan bo`lsin:
𝑎11𝑥1 + 𝑎12𝑥2 + ⋯ + 𝑎1𝑛𝑥𝑛 = 𝑐1
{ 𝑎21𝑥1 + 𝑎22𝑥2 + ⋯ + 𝑎2𝑛𝑥𝑛 = 𝑐2
… … … … … … … … … … … … … … …
(5)
𝑎 𝑚1𝑥 1 + 𝑎 𝑚2𝑥 2 + ⋯ + 𝑎 𝑚𝑛𝑥 𝑛 = 𝑐 𝑚
da 𝑎11 ≠ 0 deb faraz qilaylik. Dastlab birinchi tenglamadan tashqari barcha
tenglamalardan 𝑥 1 ni yo`qotib, (5) sistemani o`zgartiramiz. Buning uchun birinchi tenglamaning har ikkala tomonini 𝑎 11 ≠ 0 ga bo`lib chiqamiz. Natijada (5) sistemaga ekvivalent bo`lgan yangi sistemani hosil qilamiz:
𝑥 + 𝑎12 𝑥
+ ⋯ + 𝑎1𝑛 𝑥
= 𝑐 /𝑎
ﻟ 1 𝑎11 2
𝑎11 𝑛
1 11
𝑎 21𝑥 1 + 𝑎 22𝑥 2 + ⋯ + 𝑎 2𝑛𝑥 𝑛 = 𝑐 2
❪ … … … … … … … … … … … … … … …
𝗅𝑎𝑚1𝑥1 + 𝑎𝑚2𝑥2 + ⋯ + 𝑎𝑚𝑛𝑥𝑛 = 𝑐𝑚
Endi (6) sistemaning birinchi tenglamasini 𝑎21 ga ko`paytiramiz va uni ikkinchi tenglamadan ayiramiz. So`ngra birinchi tenglamani 𝑎31 ga ko`paytiramiz va uchinchi tenglamadan ayiramiz va hokazo. Natijada quyidagi, yana (5) sistemaga teng kuchli ushbu yangi sistemani hosil qilamiz:
𝑥1 + 𝑎12𝑥2 + ⋯ + 𝑎1̀𝑘𝑥𝑘 + 𝑎1̀𝑛𝑥𝑛 = 𝑐1̀
ﻟ 𝑎 22𝑥 2 + ⋯ + 𝑎 2̀ 𝑘𝑥 𝑘 + 𝑎 2̀ 𝑛𝑥 𝑛 = 𝑐 2̀ I … … … … … … … … … … … … … … … …
𝑎 ̀ 𝑥 + ⋯ + 𝑎 ̀ 𝑥 + 𝑎 ̀ 𝑥 = 𝑐
(7)
❪ 𝑖2 2
𝑖𝑘 𝑘
𝑖𝑛 𝑛 𝑖
bunda
I … … … … … … … … … … … … … … … …
𝗅 𝑎 𝑚̀ 2𝑥 2 + ⋯ + 𝑎 𝑚̀ 𝑘𝑥 𝑘 + 𝑎 𝑚̀ 𝑛𝑥 𝑛 = 𝑐 𝑚̀
𝑎 ̀ = 𝑎1𝑘 ; 𝑎 ̀ =
− 𝑎1𝑘 𝑎
𝑖 = 2,3, … 𝑚
( )
1𝑘
𝑎11
𝑖𝑘
𝑖𝑘
𝑎11
𝑖1
𝑘 = 2,3, … 𝑛
𝑐 ̀ = 𝑐1 ; 𝑐̀ =
− 𝑐1 𝑎
(𝑖 = 2,3 … 𝑚)
1 𝑎11 𝑖
𝑖 𝑎11
𝑖1
Endi (7) sistemaning ikkinchi tenglamasini 𝑎 22 koeffitsientga bo`lamiz va
hosil bo`lgan sistemaning ikkinchi tenglamasini ketma – ket 𝑎 32, 𝑎 𝑚̀ 2 koeffitsientlarga ko`paytirib uchinchi tenglamadan boshlab navbati bilan ayiramiz. Natijada (7) ga teng kuchli sistema hosil bo`ladi.
Agar (5) sistema birgalikda bo`lsa, u holda natijada quyidagi
𝑥 1 + 𝑏 12𝑥 2 + ⋯ + 𝑏 1𝑛𝑥 𝑛 = 𝐵 1
{
𝑥 2 + ⋯ + 𝑏 2𝑘𝑥 𝑘 + ⋯ + 𝑏 2𝑛𝑥 𝑛 = 𝐵 2
… … … … … … … … … … … … …
𝑥 𝑝 + ⋯ + 𝑏 𝑝𝑛𝑥 𝑛 = 𝐵 𝑝
sistemaga (bunda p) yoki
𝑥1 + 𝑏12𝑥2 + ⋯ 𝑏1𝑘𝑥𝑘 + ⋯ + 𝑏1𝑛𝑥𝑛 = 𝐵1
ﻟ 𝑥 2 + ⋯ + 𝑏 2𝑘𝑥 𝑘 + ⋯ + 𝑏 2𝑛𝑥 𝑛 = 𝐵 2 I … … … … … … … … … … … … …
❪ 𝑥 𝑘 + ⋯ + 𝑏 𝑘𝑛𝑥 𝑘 = 𝐵 𝑘
(9)
I … … … … … … … …
𝗅 𝑥𝑛 = 𝐵𝑛
sistemaga ega bo`lamiz. (8) sistema pog’onali sistema, (9) sistema esa uchburchak sistema deb ataladi.
(9) sistema uchburchak bo`lgan holda so`nggi tenglamadan 𝑥𝑛 ni topamiz, so`ngra 𝑥𝑛 ning qiymatini oldingi tenglamaga qo`yib 𝑥𝑛−1 ni topamiz va hokazo.
Demak, agar (5) tenglamalar sistemasi bir qator elementar almashtirishlarni
bajargandan so`ng (9) uchburchak sistemaga keltirilsa, u holda (5) sistemaning birgalikda va u yagona yechimga ega ekenligi kelib chiqadi.
Agar (5) sistema (8) pog’onali sistemaga keltirilsa, u holda (5) sistema yechimga ega bo`lmaydi yoki cheksiz ko`p yechimga ega bo`ladi.
(8) tenglamalar sistemasini quyidagi ko`rinishda yozib olamiz:
𝑥1 + 𝑏12𝑥2 + ⋯ + 𝑏1𝑝𝑥𝑝 = 𝐵1 − 𝑏1𝑝+1𝑥𝑝+1 − ⋯ − 𝑏1𝑛𝑥𝑛,
ﻟ
𝑥2
+ ⋯ + 𝑏2𝑝
𝑥𝑝
= 𝐵2
− 𝑏2𝑝+1
𝑥𝑝+1
− ⋯ − 𝑏2𝑛
𝑥𝑛
❪ … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …
𝗅 𝑥𝑝 = 𝐵𝑝 − 𝑏𝑝,𝑝+1 𝑥𝑝+1 − ⋯ − 𝑏𝑝𝑛 𝑥𝑛
Bu sistemadagi 𝑥 𝑝+1, … , 𝑥 𝑛 noma’lumlarga ixtiyoriy 𝛼 𝑝+1, … , 𝛼 𝑛 qiymatlar berib, uchburchak sistemani hosil qilamiz. Undan esa qolgan barcha 𝑥 𝑝, 𝑥 𝑝−1, … , 𝑥 1 noma’lumlarni ketma – ket topamiz. 𝛼 𝑝+1, … , 𝛼 𝑛 sonlar turli qiymatlarni qabul qilishligidan (5) sistema cheksiz ko`p yechimlar to`plamiga ega ekanligi kelib chiqadi.
– misol. Quyidagi sistemani Gauss usul bilan yeching:
𝑥 1 + 2𝑥 2 − 3𝑥 3 + 5𝑥 4 = 1
𝑥 1 + 3𝑥 2 + 3𝑥 3 + 22𝑥 4 = −1
{ 3𝑥 1 + 5𝑥 2 + 𝑥 3 − 2𝑥 4 = 5
2𝑥 1 + 3𝑥 2 + 4𝑥 3 − 7𝑥 4 = 4
Yechish. Birinchi tenglamani ketma – ket 1,3,2 sonlarga ko`paytirib, so`ngra ikkinchi, uchinchi va to`rtinchi tenglamalardan birinchi tenglamani ayirsak,
𝑥 1 + 2𝑥 2 − 3𝑥 3 + 5𝑥 4 = 1
sistemaga ega bo`lamiz.
{ 𝑥2 − 10𝑥3 + 17𝑥4 = −2
−𝑥2 + 10𝑥3 − 17𝑥4 = 2
−𝑥2 + 10𝑥3 − 17𝑥4 = 2
Endi ikkinchi tenglamani uchinchi va to`rtinchi tenglamalarga qo`shib, natijada quyidagi sistemani hosil qilamiz:
𝑥1 + 2𝑥2 − 3𝑥3 + 5𝑥4 = 1
Oxirgi ikkita tenglama
{ 𝑥2 − 10𝑥3 + 17𝑥4 = −2
0 = 0
0 = 0
0 ∙ 𝑥1 + 0 ∙ 𝑥2 + 0 ∙ 𝑥3 + 0 ∙ 𝑥4 = 0
ko`rinishdagi tenglama bo`lib, u noma’lumning har qanday qiymatida ham o`rinli
bo`lgani uchun uni tashlab yuboramiz.
Ikkinchi tenglamani qanoatlantiradigan noma`lumning qiymatini topsh uchun
𝑥3 va 𝑥4 larga ixtiyoriy qiymatlarni beramiz. Masalan, 𝑥3 = 𝛼, 𝑥4 = 𝛽 bo`lsin, u holda 𝑥2 = 10𝛼 − 17𝛽 − 2 bo`ladi. Bu 𝑥2, 𝑥3, 𝑥4 larning qiymatlarini birinchi tenglamaga qo`yib 𝑥1 = −17𝛼 + 29𝛽 + 5 ni topamiz. Sistemaning yechimi
𝑥1 = −17𝛼 + 29𝛽 + 5;
𝑥2 = 10𝛼 − 17𝛽 − 2; 𝑥3 = 𝛼; 𝑥4 = 𝛽
bo`lib 𝛼 va 𝛽 ning ixtiyoriy qiymatlarida berilgan sistemaning hamma yechimlarini
beradi.
– misol. Quyidagi chiziqli tenglamalar sistemasini Gauss usuli bilan yeching:
𝑥1 + 𝑥2 − 3𝑥3 = 7
{2𝑥1 + 3𝑥2 + 𝑥3 = 1 2𝑥1 − 𝑥2 + 2𝑥3 = 6
Yechish. Birinchi tenglamaning barcha hadlarini 2 ga ko`paytirib, undan
ikkinchi va uchinchi tenglamalarni ayiramiz. Natijada quyidagi ko`rinishdagi sistemaga ega bo`lamiz:
𝑥1 + 𝑥2 − 3𝑥3 = 7
{ −𝑥2 − 7𝑥3 = 13
3𝑥2 − 8𝑥3 = 8
Ikkinchi va uchinchi tenglamalar faqat 𝑥2 va 𝑥3 nomalumlarga ega. Ikkinchi
tenglamaning hadlarini 3 ga ko`paytirib, uchinchi tenglamaga qo`shamiz. Natijada quyidagi sistema hosil bo`ladi:
𝑥1 + 𝑥2 − 3𝑥3 = 7
{ −𝑥2 − 7𝑥3 = 13
−𝑥3 = 13
Uchinchi tenglamadan: 𝑥3 = −13, buni ikkinchi tenglamaga qo`yib 𝑥2
noma`lumni topamiz:
−𝑥2 − 7 ∙ (−13) = 13,
𝑥2 = 78
𝑥3 va 𝑥2 noma’lumlarning qiymatlarini birinchi tenglamaga qo`yib 𝑥1
noma’lumni topamiz.
𝑥1 + 78 − 3 ∙ (−13) = 7, 𝑥1 = −110
Javob: (-110, 78, -13)
Nazorat savollari:
Chiziqli tenglamalar sistemasi deb nimaga aytiladi?
Sistemaning yechimi deb-chi?
Qanday sistemalarga birgalikda, aniq, aniqmas va birgalikda bo`lmagan sistemalar deyiladi?
n ta noma’lumli n ta chiziqli tenglamalar sistemasi uchun Kramer teoremasini nimani aniqlab beradi?
Aniqmas chiziqli tenglamalar sistemasini Kramer formulalaridan foydalanib yechish mumkinmi?
Gauss usuli qanday usul?
Dostları ilə paylaş: |