روش حذفی گاوس – از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش گام به گام)

۴۴۵۲۰
۱۴۰۴/۱۰/۱۵
۴۷ دقیقه
PDF
آموزش متنی جامع
نمونه سوال و تمرین + پاسخ تشریحی
آزمون سنجش یادگیری
امکان دانلود نسخه PDF
آموزش ویدئویی

در این آموزش درباره روش حذفی گاوس که حذف گاوس-جردن (Gaussian-Jordan Elimination) نیز نامیده می‌شود بحث خواهیم کرد. این روش در حل دستگاه معادلات خطی کاربرد فراوانی دارد.

روش حذفی گاوس – از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش گام به گام)روش حذفی گاوس – از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش گام به گام)
997696
محتوای این مطلب جهت یادگیری بهتر و سریع‌تر آن، در انتهای متن به صورت ویدیویی نیز ارائه شده است.

روش حذفی گاوس

دستگاه m×nm \times n معادلات خطی زیر را در نظر بگیرید.

a11x1+a12x2++a1nxn=b1a21x1+a22x2++a2nxn=b2a31x1+a32x2++a3nxn=b3am1x1+am2x2++amnxn=bm\large \begin {align*} a _ { 1 1 } x _ 1 + a _ { 1 2 } x _ 2 + \cdots + a _ { 1 n } x _ n & = b _ 1 \\ a _ { 2 1 } x _ 1 + a _ { 2 2 } x _ 2 + \cdots + a _ { 2 n } x _ n & = b _ 2 \\ a _ { 3 1 } x _ 1 + a _ { 3 2 } x _ 2 + \cdots + a _ { 3 n } x _ n & = b _ 3 \\ & \vdots \\ a _ { m 1 } x _ 1 + a _ { m 2 } x _ 2 + \cdots + a _ { m n } x _ n & = b _ m \\ \end {align*}

ماتریس ضرایب (Coefficient Matrix) دستگاه معادلات به صورت زیر است:

[a11a12a1na21a22a2nam1am2amn]\large \begin {bmatrix} a _ { 1 1 } & a _ { 1 2 } & \cdots & a _ { 1 n } \\ a _ { 2 1 } & a _ { 2 2 } & \cdots & a _ { 2 n } \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a _ { m 1 } & a _ { m 2 } & \cdots & a _ { m n } \end {bmatrix}

چند کتاب روی هم روی میز خالی در یک کتابخانه خالی (تصویر تزئینی مطلب روش حذفی گاوس)

ماتریس افزوده (Augmented Matrix) دستگاه معادلات نیز به شکل زیر است:

[a11a12a1nb1a21a22a2nb2am1am2amnbm]\large \left[ \begin {array} {rrrr|r} a _ { 1 1 } & a _ { 1 2 } & \cdots & a _ { 1 n } & b _ 1 \\ a _ { 2 1 } & a _{ 2 2 } & \cdots & a _ { 2 n } & b _ 2 \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ a _ { m 1 } & a _ { m 2 } & \cdots & a _ { m n } & b _ m \end {array} \right]

برای حل دستگاه معادلات خطی می‌توانیم از روش حذفی گاوس استفاده کنیم که روند اجرای آن به صورت زیر است:

  1. ماتریس افزوده دستگاه معادلات خطی را می‌نویسیم.
  2. از عملیات سطری مقدماتی برای کاهش ماتریس افزوده به فرم پلکانی سطری کاهش یافته استفاده می‌کنیم.
  3. دستگاه معادلات متناظر با ماتریس را به فرم پلکانی سطری می‌نویسیم.
  4. دستگاه را با جایگذاری مقادیر حل می‌کنیم.

مثال‌ها

در این بخش، چند مثال را درباره روش حذفی گاوس بررسی می‌کنیم.

مثال ۱

دستگاه معادلات زیر را با تبدیل ماتریس افزوده به فرم پلکانی کاهش یافته حل کنید. عملیات سطری مقدماتی را نیز مشخص کنید.

x1+x2x5=1x2+2x3+x4+3x5=1x1x3+x4+x5=0\large \begin {align*} x _ 1 + x _ 2 - x _ 5 & = 1 \\ x _ 2 + 2 x _ 3 + x _ 4 + 3 x _ 5 & = 1 \\ x _ 1 - x _ 3 + x _ 4 + x _ 5 & = 0 \end {align*}

حل: ماتریس افزوده دستگاه معادلات به صورت زیر است:

[110011012131101110].\large \left[ \begin {array} {rrrrr|r} 1 & 1 & 0 & 0 &-1 & 1 \\ 0 & 1 & 2 & 1 & 3 & 1 \\ 1 & 0 & - 1 & 1 & 1 & 0 \\ \end {array} \right] .

از عملیات سطری مقدماتی به صورت زیر استفاده می‌کنیم‌:

[110011012131101110]R3R1[110011012131011121]R1R2R3+R2[102140012131001250]R1+2R3R22R3[100360010371001250].\large \begin {align*} \left[ \begin {array} {rrrrr|r} 1 & 1 & 0 & 0 &-1 & 1 \\ 0 & 1 & 2 & 1 & 3 & 1 \\ 1 & 0 & - 1 & 1 & 1 & 0 \\ \end {array} \right] \xrightarrow { R _ 3 - R _ 1 } \left[ \begin {array} {rrrrr|r} 1 & 1 & 0 & 0 & - 1 & 1 \\ 0 & 1 & 2 & 1 & 3 & 1 \\ 0 & - 1 & - 1 & 1 & 2 & - 1 \\ \end {array} \right] \xrightarrow { \substack { R _ 1 - R _ 2 \\ R _ 3 + R _ 2 } } \\[6pt] \left[ \begin {array} {rrrrr|r} 1 & 0 & - 2 & - 1 & - 4 & 0 \\ 0 & 1 & 2 & 1 & 3 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 2 & 5 & 0 \\ \end {array} \right] \xrightarrow { \substack { R _ 1 + 2 R _ 3 \\ R _ 2 - 2 R _ 3 } } \left[ \begin{array} {rrrrr|r} 1 & 0 & 0 & 3 & 6 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & - 3 & - 7 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 2 & 5 & 0 \\ \end {array} \right] . \end {align*}

ماتریس اخیر به فرم کاهش یافته سطری پلکانی است.

مقادیر مجهول x1x _ 1، x2x _ 2 و x3x _ 3 متناظر با ۱ سطرهای اول تا سوم هستند. بنابراین، این متغیرها وابسته و x4x _ 4 و x5x _ 5 متغیرهای مستقل هستند.

از ماتریس آخر، مجموعه جواب‌ها برای هر مقداری از x4x _ 4 و x5x _ 5 به صورت زیر است‌:

x1=3x46x5x2=3x4+7x5+1x3=2x45x5\large \begin {align*} x _ 1 & = - 3 x _ 4 - 6 x _ 5 \\ x _ 2 & = 3 x _ 4 + 7 x _ 5 + 1 \\ x _ 3 & = - 2 x _ 4 - 5 x _ 5 \end {align*}

یک دانشجو تنها در کلاس نشسته در حال خواندن جزوه (تصویر تزئینی مطلب روش حذفی گاوس)

مثال ۲

دستگاه معادلات خطی زیر را با استفاده از روش حذفی گاوس حل کنید.

x+2y+3z=45x+6y+7z=89x+10y+11z=12\large \begin {align*} x + 2 y + 3 z & = 4 \\ 5 x + 6 y + 7 z & = 8 \\ 9 x + 1 0 y + 1 1 z & = 1 2 \end {align*}

حل: ابتدا ماتریس افزوده دستگاه معادلات را تشکیل می‌دهیم:

A=[123456789101112].\large A = \left[ \begin {array} {rrr|r} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ 9 & 10 & 11 & 12 \end {array} \right].

از عملیات سطری مقدماتی زیر برای رسیدن به فرم کاهش یافته سطری پلکانی استفاده می‌کنیم:

AR39R1[12345678081624]18R3[123456780123]\large A \xrightarrow { R _ 3 - 9 R _ 1 } \left[ \begin {array} {rrr|r} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ 0 & - 8 & - 1 6 & - 2 4 \end {array} \right] \xrightarrow { - \frac { 1 } { 8 } R _ 3 } \left [\begin {array} {rrr|r} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 5 & 6 & 7 & 8 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \end {array} \right]

R25R1[1234048120123]14R2[123401230123]\large \xrightarrow { R _ 2 - 5 R _ 1 } \left[ \begin {array} {rrr|r} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 0 & - 4 & - 8 & - 1 2 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \end {array} \right] \xrightarrow { - \frac { 1 } { 4 } R _ 2 } \left[ \begin {array} {rrr|r} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \end {array} \right]

R3R2[123401230000]\large \xrightarrow { R _ 3 - R _ 2 } \left[ \begin {array} {rrr|r} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {array} \right]

ماتریس آخر به فرم پلکانی سطری است.

دستگاه معادلات خطی متناظر به صورت زیر است:

x+2y+3z=4y+2z=30z=0\large \begin {align*} x + 2 y + 3z & = 4 \\ y + 2 z & = 3 \\ 0 z & = 0 \end {align*}

معادله انتهایی 0z=00z=0 به این معنی است که zz می‌تواند هر عددی باشد. (به صورت نظام‌مندتر، متغیرهای متناظر با ۱ پیشرو در ماتریس به فرم پلکانی متغیرهای وابسته‌ هستند، و سایر متغیرها متغیرهای مستقل‌اند.)

بنابراین، می‌توان گفت که tt یک مقدار برای zz است، یعنی z=tz = t. در نتیجه، از معادله دوم داریم: y=2t+3y = -2 t + 3.

از معادله اول نیز می‌توان نوشت:

x=2y3z+4=2(2t+3)3t+4=t2.\large x = - 2 y - 3 z + 4 = -2 ( - 2 t + 3 ) - 3 t + 4 = t - 2 .

بنابراین، برای هر tt، مجموعه جواب برابر است با:

(x,y,z)=(t2,2t+3,t)\large ( x , y , z ) = ( t - 2 , - 2 t + 3 , t )

مثال ۳

دستگاه معادلات زیر را با استفاده از روش حذفی گاوس حل کنید:

6x+8y+6z+3w=36x8y+6z3w=38y6w=6\large \begin {align*} 6 x + 8 y + 6 z +3 w & = - 3 \\ 6 x - 8 y + 6 z - 3 w & = 3\\ 8 y \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, \, - 6 w & = 6 \end {align*}

حل: ماتریس افزوده به صورت زیر است:

A=[686336863308066].\large A = \left[ \begin {array} {rrrr|r} 6 & 8 & 6 & 3 & - 3 \\ 6 & - 8 & 6 & - 3 & 3\\ 0 & 8 & 0 & - 6 & 6 \end {array} \right].

از عملیات سطری مقدماتی به شکل زیر برای کاهش دستگاه معادلات به یک ماتریس به فرم کاهش یافته سطری پلکانی استفاده می‌کنیم:

AR2R1[6863301606608066]R2+2R3R1R3[60699000181808066]\large A \xrightarrow { R _ 2 – R _ 1} \left[ \begin {array} {rrrr|r} 6 & 8 & 6 & 3 & -3 \\ 0 & - 1 6 & 0 & - 6 & 6\\ 0 & 8 & 0 & - 6 & 6 \end {array} \right] \xrightarrow[ R _ 2 +2 R _ 3 ] { R _ 1 - R _ 3 } \left[\begin {array}{rrrr|r} 6 & 0 & 6 & 9 & - 9 \\ 0 & 0 & 0 & - 1 8 & 1 8 \\ 0 & 8 & 0 & - 6 & 6 \end{array} \right ]

12R313R1,118R2[202330001104033]R3+3R2R13R2[202000001104000]\large \xrightarrow [ \frac { 1 } { 2 } R _ 3 ] { \frac { 1 } { 3 } R _ 1 , \frac { - 1 } { 1 8 } R _ 2 } \left [ \begin {array} {rrrr|r} 2 & 0 & 2 & 3 & - 3 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & - 1\\ 0 & 4 & 0 & - 3 & 3 \end{array} \right ] \xrightarrow [ R _ 3 + 3 R _ 2 ] { R _ 1 - 3 R _ 2 } \left [ \begin {array} {rrrr|r} 2 & 0 & 2 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & - 1\\ 0 & 4 & 0 & 0 & 0 \end{array} \right ]

14R312R1[101000001101000]R2R3[101000100000011]\large \xrightarrow [ \frac { 1 } { 4 } R _ 3 ] { \frac { 1 } { 2 } R _ 1 } \left [ \begin {array} {rrrr|r} 1 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & - 1 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \end {array} \right ] \xrightarrow { R _ 2 \leftrightarrow R _ 3 } \left [ \begin {array} {rrrr|r} 1 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & -1 \end {array} \right ]

ماتریس آخر به فرم کاهش یافته سطری پلکانی است. دستگاه معادلات خطی متناظر به صورت زیر است:

x+z=0y=0w=1\large \begin {align*} x + z & = 0 \\ y & = 0 \\ w & = - 1 \end {align*}

فرص کنید z=tz = t یک متغیر مستقل باشد. در نتیجه، جواب به ازای هر tt برابر است با (x,y,z,w)=(t,0,t,1)(x,y,z,w)=(-t,0,t,-1).

دانشجویان در حال امتحان دادن

مثال ۴

ماتریس افزوده زیر مربوط به یک دستگاه معادلات خطی است. جواب عمومی را به فرم برداری به دست آورید.

[101020012010000110].\large \left [ \begin {array} {rrrrr|r} 1 & 0 & - 1 & 0 & - 2 & 0 \\ 0 & 1 & 2 & 0 & - 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & 0 \\ \end {array} \right ] .

حل: دستگاه معادلات مربوط به ماتریس افزوده بالا به صورت زیر است:

x1x32x5=0x2+2x3x5=0x4+x5=0.\large \begin {align*} x _ 1 - x _ 3 - 2 x _ 5 & = 0 \\ x _ 2 + 2 x _ 3 - x _ 5 & = 0 \\ x _ 4 + x _ 5 = 0 . \end {align*}

با حل سیستم بالا خواهیم داشت:

x1=x3+2x5x2=2x3+x5x4=x5.\large \begin {align*} x _ 1 & = x _ 3 + 2 x _ 5 \\ x _ 2 & = - 2 x _3 + x _ 5 \\ x _ 4 & = -x _5 . \end {align*}

که در آن، متغیرهای x2x _ 2 و x5x _ 5 مستقل و سایر متغیرها وابسته‌اند.

در نتیجه، جواب عمومی x\mathbf{x} را می‌توان به صورت زیر نوشت:

x=[x1x2x3x4x5]=[x3+2x52x3+x5x3x5x5]=[x32x3x300]+[2x5x50x5x5]=x3[12100]+x5[21011].\large \begin {align*} \mathbf { x } & = \begin {bmatrix} x _ 1 \\ x _ 2 \\ x _ 3 \\ x _ 4 \\ x _ 5 \end {bmatrix} = \begin {bmatrix} x _ 3 + 2 x _ 5 \\ - 2 x _ 3 + x_ 5 \\ x _ 3 \\ - x _ 5 \\ x _ 5 \end {bmatrix} \\[10pt] & = \begin {bmatrix} x _ 3 \\ - 2 x _ 3 \\ x _ 3 \\ 0 \\ 0 \end {bmatrix} + \begin {bmatrix} 2 x _ 5 \\ x _ 5 \\ 0 \\ - x _ 5 \\ x _ 5 \end {bmatrix} = x _ 3 \begin {bmatrix} 1 \\ - 2 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end {bmatrix} +x _ 5 \begin {bmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \\ - 1 \\ 1 \end{bmatrix} . \end {align*}

بنابراین، جواب عمومی به فرم برداری زیر خواهد بود:

x=x3[12100]+x5[21011].\large \mathbf { x } = x _ 3 \begin {bmatrix} 1 \\ - 2 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end {bmatrix} + x _ 5 \begin {bmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \\ - 1 \\ 1 \end {bmatrix} .

مثال ۵

دستگاه معادلات خطی زیر را حل کنید و فرم برداری جواب عمومی آن را بنویسید.

x1x32x5=1x2+3x3x5=22x12x3+x43x5=0\large \begin {align*} x _ 1 - x _ 3 - 2 x _ 5 & = 1 \\ x _ 2 + 3 x_ 3 - x _ 5 & = 2 \\ 2 x _ 1 - 2 x _ 3 + x _ 4 - 3 x _ 5 & = 0 \end {align*}

حل: ماتریس افزوده دستگاه معادلات به صورت زیر است:

[101021013012202130].\large \left [ \begin {array} {rrrrr|r} 1 & 0 & - 1 & 0 &-2 & 1 \\ 0 & 1 & 3 & 0 & - 1 & 2 \\ 2 & 0 & - 2 & 1 & - 3 & 0 \\ \end {array} \right ] .

از عملیات مقدماتی سطری به صورت زیر استفاده می‌کنیم:

[101021013012202130]R32R1[101021013012000112].\large \begin {align*} \left [ \begin {array} {rrrrr|r} 1 & 0 & - 1 & 0 & - 2 & 1 \\ 0 & 1 & 3 & 0 & - 1 & 2 \\ 2 & 0 & - 2 & 1 & - 3 & 0 \\ \end {array} \right] \xrightarrow { R _ 3 - 2 R _ 1 } \left [ \begin {array} {rrrrr|r} 1 & 0 & - 1 & 0 & - 2 & 1 \\ 0 & 1 & 3 & 0 & - 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 1 & - 2 \\ \end{array} \right ] . \end {align*}

ماتریس آخری به فرم کاهش یافته سطری پلکانی است.

متغیرهای x1x _ 1، x2x _ 2 و x4x _ 4‌ متناظر با ۱ پیشرو در ماتریس آخر است، بنابراین، متغیرهای وابسته‌ و متغیرهای x3x _ 3 و x5x _ 5 متغیرهای مستقل هستند.

بنابراین جواب عمومی به صورت زیر خواهد بود:

x1=x3+2x5+1x2=3x3+x5+2x4=x52.\large \begin {align*} x _ 1 & = x _ 3 + 2 x _ 5 + 1 \\ x _ 2 & = - 3 x _ 3 + x _ 5 + 2 \\ x _ 4 & = - x _ 5 - 2 . \end {align*}

فرم برداری جواب عمومی با جایگذاری در بردار x\mathbf{x} به دست می‌آید. بنابراین، داریم:

x=[x1x2x3x4x5]=[x3+2x5+13x3+x5+2x3x52x5]=x3[13100]+x5[21011]+[12020].\large \begin {align*} \mathbf { x } & = \begin {bmatrix} x _ 1 \\ x _ 2 \\ x _ 3 \\ x _ 4 \\ x _ 5 \end {bmatrix} = \begin {bmatrix} x _ 3 + 2 x _ 5 + 1 \\ - 3 x _ 3 + x _ 5 + 2 \\ x _ 3 \\ - x _ 5 - 2 \\ x _ 5 \end {bmatrix} \\[10pt] & = x _ 3 \begin {bmatrix} 1 \\ - 3 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end {bmatrix} + x _ 5 \begin {bmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \\ - 1 \\ 1 \end{bmatrix} + \begin{bmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \\ - 2 \\ 0 \end{bmatrix} . \end {align*}

در نتیجه، فرم برداری جواب عمومی به صورت زیر خواهد بود:

x=x3[13100]+x5[21011]+[12020]\large \mathbf { x } = x _ 3 \begin {bmatrix} 1 \\ - 3 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end {bmatrix} + x _ 5 \begin {bmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \\ - 1 \\ 1 \end {bmatrix} + \begin {bmatrix} 1 \\ 2 \\ 0 \\ - 2 \\ 0 \end {bmatrix}

که در آن، x3x _3 و x5x _ 5 متغیرهای مستقل هستند.

استاد ایستاده با چند برگه در دست و چند برگه روی میز

مثال ۶

تابع g(θ)=acos(θ)+bcos(2θ)+ccos(3θ)g ( \theta ) = a \cos ( \theta ) + b \cos ( 2 \theta ) + c \cos ( 3 \theta ) را به گونه‌ای بیابید که  g(0)=g(π/2)=g(π)=0g ( 0 ) = g ( \pi / 2 ) = g ( \pi ) = 0 و در آن، aa، bb و cc ثابت هستند.

حل: هر شرط لازم روی gg را می‌توان در یک معادله با ثابت‌های aa، bb و cc قرار داد. به طور خاص، دستگاه معادلات خطی زیر را داریم:

g(0)=a+b+c=0g(π2)=b=0g(π)=a+bc=0.\large \begin {align*} g ( 0 ) & = a + b + c = 0 \\[6pt] g \left ( \frac { \pi } { 2 } \right ) & = - b = 0 \\[6pt] g ( \pi ) & = - a + b – c = 0 . \end {align*}

برای حل این دستگاه، از روش حذف گاوس-جردن برای کاهش ماتریس افزوده استفاده می‌کنیم:‌

[111001001110]R3+R2R1+R2[101001001010]R3+R1(1)R2[101001000000].\large \begin {align*} \left [ \begin {array} {rrr|r} 1 & 1 & 1 & 0 \\ 0 & - 1 & 0 & 0 \\ - 1 & 1 & - 1 & 0 \end {array} \right ] \xrightarrow [ R _ 3 + R _ 2 ] { R _ 1 + R _ 2 } \left [ \begin {array} {rrr|r} 1 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & - 1 & 0 & 0 \\ - 1 & 0 & - 1 & 0 \end {array} \right ] \xrightarrow [ R _ 3 + R _ 1 ] { ( - 1 ) R _ 2 } \left [ \begin {array} {rrr|r} 1 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end {array} \right ] . \end {align*}

در نتیجه، جواب a+c=0a + c = 0 و b=0b = 0 را داریم.

بنابراین، جواب عمومی به فرم g(θ)=acos(θ)acos(3θ)\large g ( \theta ) = a \cos ( \theta ) – a \cos ( 3 \theta ) خواهد بود که در آن، aa هر عدد حقیقی می‌تواند باشد.

مثال ۷

تابع درجه دوم f(x)=ax2+bx+cf ( x ) = a x ^ 2 + b x + c را با f(1)=3f(1) = 3، f(1)=3f'(1) = 3 و f(1)=2f^{\prime\prime}(1) = 2 به دست آورید. عبارت‌های f(x)f'(x) و f(x)f^{\prime\prime}(x) به ترتیب، مشتق‌های اول و دوم را نشان می‌دهند.

حل: هر یک از شرط‌های لازم ff را می‌توان در قالب معادله‌ای با ثوابت aa، bb و cc نوشت.

در عمل، f(1)=3f(1) = 3 معادله a+b+c=3a + b + c = 3 را نشان می‌دهد. از آنجایی که f(x)=2ax+bf'(x) = 2ax + b، شرط f(1)=3f'(1) = 3 منجر به معادله 2a+b=32a + b = 3 خواهد شد. و در نهایت، f(x)=2af^{\prime\prime}(x) = 2a و در نتیجه f(1)=2a=2f^{\prime\prime}(1) = 2a = 2 است. بنابراین، دستگاه معادلات زیر را خواهیم داشت:

a+b+c=32a+b=32a=2\large \begin {align*} a + b + c & = 3 \\ 2 a + b & = 3 \\ 2 a & = 2 \end {align*}

برای حل این دستگاه معادلات، می‌توانیم ماتریس افزوده را تشکیل و آن را کاهش دهیم. البته، برای این دستگاه ساده‌تر این است که مستقیماً آن را حل کنیم. از معادله سوم، مشخص است که a=1a = 1. با قرار دادن این مقدار در معادله دوم، مقدار b=1b = 1 به دست می‌آید. و در نهایت با جایگذاری دو مقدار به دست آمده در معادله اول، مقدار c=1c = 1 به دست خواهد آمد.

بنابراین، تابع مورد نظر f(x)=x2+x+1\large f ( x ) = x ^ 2 + x + 1 است.

مثال ۸

یک عدد دو رقمی دو ویژگی دارد: مجموع ارقام آن برابر با ۱۱ است و اگر جای ارقام آن را تعویض و آن را از عدد اصلی کم کنیم، نتیجه ۴۵ خواهد بود. این عدد را بیابید.

حل: کلید حل مسئله این است که عدد دو رقمی را می‌توان به صورت 10A+B10 A + B نوشت که در آن، AA و BB به ترتیب دهگان و یکان عدد هستند.

از اینکه مجموع دو رقم برابر با ۱۱ است، می‌توان معادله A+B=11A + B = 11 را نوشت.

عدد با ارقام برعکس، 10B+A10B + A است و بنابراین، معادله 10A+B(10B+A)=4510A + B – (10B + A) = 45 را خواهیم داشت. با ساده‌سازی این معادله، به دستگاه معادلات زیر می‌رسیم:

A+B=119A9B=45\large \begin {align*} A + B & = 11 \\ 9 A - 9 B & = 45 \end {align*}

برای حل این دستگاه معادلات، ماتریس افزوده را تشکیل می‌دهیم و از عملیات سطری مقدماتی برای به دست آوردن فرم کاهش یافته سطری پلکانی استفاده می‌کنیم:

[11119945]R29R1[111101854]118R2[1111013]R1R2[108013].\large \begin {align*} \left[ \begin {array} {rr|r} 1 & 1 & 11 \\ 9 & - 9 & 4 5 \end {array} \right] \xrightarrow { R _ 2 – 9 R _ 1 } \left [ \begin {array} {rr|r} 1 & 1 & 11 \\ 0 & - 1 8 & - 5 4 \end {array} \right] \\[6pt] \xrightarrow { \frac { - 1 } { 1 8 } R _ 2 } \left[ \begin {array}{rr|r} 1 & 1 & 11 \\ 0 & 1 & 3 \end {array} \right] \xrightarrow { R _ 1 – R _ 2 } \left [ \begin {array} {rr|r} 1 & 0 & 8 \\ 0 & 1 & 3 \end {array} \right ] . \end {align*}

در نهایت، از ماتریس افزوده جواب A=8A = 8 و B=3B = 3 به دست می‌آید. عدد نیز برابر است با 10A+B=8310 A + B = 83.

آزمون روش حذفی گاوس

۱. در روش حذفی گاوس، ماتریس افزوده چه کاربردی در فرایند حل دستگاه معادلات خطی دارد؟

نمایش همزمان ضرایب و جملات سمت راست معادلات در یک ساختار ماتریسی

تبدیل دستگاه به دستگاهی با تعداد معادلات کمتر برای حل سریع‌تر

جایگزینی معادلات با ضرایب بزرگ‌تر برای ساده‌سازی عملیات سطری

انتقال تنها متغیرهای وابسته به بخش جداگانه برای گرفتن جواب

پاسخ تشریحی

در روش حذفی گاوس نمایش همزمان ضرایب و جملات سمت راست معادلات در یک ساختار ماتریسی بیانگر نقش اصلی ماتریس افزوده است. این ساختار باعث می‌شود هم ضرایب متغیرها و هم مقادیر طرف دیگر معادلات به شکل یکپارچه قرار بگیرند و عملیات سطری گام‌به‌گام روی کل دستگاه انجام گیرد.

۲. چرا فرم پلکانی سطری کاهش یافته (Reduced Row Echelon Form) در روش حذفی گاوس برای حل دستگاه معادلات خطی اهمیت دارد؟

وجود سطرهای صفر در این فرم همیشه دستگاه را ناسازگار می‌کند.

این فرم امکان نوشتن جواب‌های دستگاه را به روش پارامتری ساده می‌کند.

در این فرم همه ضرایب ماتریس به عدد یک کاهش می‌یابند.

این فرم فقط برای دستگاه‌های مربعی قابل استفاده است.

پاسخ تشریحی

در فرم پلکانی سطری کاهش یافته، ساختار ردیف‌ها و ستون‌ها به گونه‌ای است که به راحتی می‌توان متغیرهای آزاد و وابسته را تشخیص و جواب را به شکل پارامتری نوشت. این ویژگی برای حل دستگاه‌های خطی با روش گاوس بسیار کلیدی است، زیرا امکان بیان ساختار جواب‌ها را به وضوح فراهم می‌کند.

۳. اگر پس از کاهش سطری دستگاه معادلات، سطری در ماتریس افزوده صفر شود، چه نتیجه‌ای برای ساختار جواب دستگاه بدست می‌آید؟

متغیرها به صورت عددی ثابت تعیین می‌شوند.

وجود متغیر آزاد و بی‌نهایت جواب ممکن می‌شود.

دستگاه تنها یک جواب منحصر بفرد دارد.

هیچ جوابی برای دستگاه وجود ندارد.

پاسخ تشریحی

زمانی که در ماتریس افزوده حاصل از عملیات سطری، یک سطر صفر مشاهده شود، این نشانه وجود متغیر آزاد در دستگاه است. در چنین شرایطی، می‌توان به متغیر آزاد مقدار دلخواه داد و سایر متغیرها بر حسب آن پارامتردهی می‌شوند. به این ترتیب دستگاه دارای بی‌نهایت جواب پارامتری خواهد بود.

۴. کدام مرحله در روش حذفی گاوس باعث می‌شود متغیرهای آزاد شناسایی و برای آن‌ها پارامتر معرفی شود؟

رسیدن ماتریس افزوده به فرم پلکانی کاهش‌یافته با عملیات سطری

نوشتن دستگاه معادلات اولیه به صورت جبری

ساختن ماتریس ضرایب قبل از هر عملیات

جایگذاری متغیرها با اعداد دلخواه در انتهای حل

پاسخ تشریحی

در روش حذفی گاوس، وقتی با عملیات سطری ماتریس افزوده به فرم پلکانی کاهش‌یافته می‌رسیم، ساختار معادلات به گونه‌ای درمی‌آید که متغیرهای آزاد مشخص می‌شوند. متغیرهایی که ستون‌شان فاقد عضو اصلی است، آزاد هستند و باید برای آن‌ها پارامتر قرار داد. نوشتن دستگاه اولیه، ساختن ماتریس ضرایب، یا جایگذاری اعداد بدون رسیدن به این فرم، متغیر آزاد را آشکار نمی‌کند.

۵. برای تعیین ضرایب یک تابع مثلثاتی با شرایط خاص، استفاده از روش حذفی گاوس چه کمکی می‌کند؟

ضرایب را با تشکیل دستگاه معادلات خطی و حل سطری آنها به دست می‌آورد.

مقادیر ضرایب را با رسم نمودار تابع تخمین می‌زند.

فقط بزرگترین ضریب را مستقیما محاسبه می‌کند.

ضرایب را ابتدا به صورت تصادفی انتخاب و سپس مقایسه می‌کند.

پاسخ تشریحی

زمانی که ضرایب یک تابع مثلثاتی تحت شرایط خاص مجهول باشند، می‌توان این شرایط را به صورت یک دستگاه معادلات خطی مدل‌سازی کرد. روش حذفی گاوس با تبدیل این دستگاه به فرم پلکانی و استفاده از عملیات سطری، اجازه می‌دهد تمامی ضرایب به صورت دقیق و پارامتری محاسبه شوند.

۶. در بیان برداری جواب دستگاه‌های خطی، چه تفاوتی میان فرم جواب دستگاه همگن و دستگاه غیرهمگن دیده می‌شود؟

در دستگاه همگن، جواب تنها ترکیب خطی بردارهای پایه است ولی در دستگاه غیرهمگن، ترکیب بردار ثابت با بردارهای پایه وجود دارد.

در فرم برداری هیچ تفاوتی میان دستگاه همگن و غیرهمگن وجود ندارد.

در هر دو نوع دستگاه، همیشه یک بردار ثابت به عنوان عضو جواب دیده می‌شود.

در دستگاه غیرهمگن، جواب فقط شامل بردارهای پایه بدون هیچ بردار ثابتی است.

پاسخ تشریحی

در دستگاه‌های خطی همگن، جواب‌ها به صورت ترکیب خطی بردارهای پایه وابسته به پارامترهای آزاد هستند و هیچ بردار ثابتی وجود ندارد؛ اما در دستگاه‌های غیرهمگن، جواب برداری شامل بردار ثابت (عضو ثابت) علاوه بر ترکیب خطی بردارهای پایه است.

۷. هنگامی که در حل دستگاه معادلات خطی، متغیرهایی به شکل پارامتری نمایش داده می‌شوند، این حالت چه ویژگی را از ساختار جواب دستگاه نشان می‌دهد؟

وجود چند جواب یا بی‌نهایت جواب برای دستگاه

وجود سطر صفر در هر نوع ماتریس افزوده

امکان حل فقط دستگاه‌های غیردستگاهی

تعیین یکتایی جواب برای همه متغیرها

پاسخ تشریحی

نمایش متغیرها به صورت پارامتری زمانی اتفاق می‌افتد که دستگاه معادلات خطی دارای جواب‌های متعدد یا بی‌نهایت جواب باشد. در این حالت برخی متغیرها به‌عنوان متغیر آزاد ظاهر می‌شوند و بقیه بر اساس آنها تعریف می‌شوند. وجود متغیر آزاد در فرم نهایی ماتریس به این معناست که جواب دستگاه منحصر به فرد نیست، بلکه جواب‌ها تابع مقادیری دلخواه (پارامتر) هستند و دستگاه دارای ساختار چندجوابی است.

۸. اگر مقدار و مشتق‌های یک تابع درجه دوم در یک نقطه مشخص باشند، اولین گام برای تعیین ضرایب این تابع با استفاده از روش گاوس چیست؟

ساختن ماتریس افزوده با ضرایب دلخواه

صرفا انجام عملیات سطری بدون معادله‌سازی

تبدیل شرایط به معادلات خطی برای ضرایب

انتخاب مقدار تصادفی برای همه ضرایب

پاسخ تشریحی

نخست باید شرایط مربوط به مقدار و مشتق تابع را به معادلات خطی برای ضرایب تبدیل کرد تا بتوان روابط لازم را استخراج نمود.

فیلم‌ های آموزش روش حذفی گاوس – از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش گام به گام)

فیلم آموزشی معرفی روش حذفی گاوس

دانلود ویدیو

فیلم آموزشی حل مثال از روش حذفی گاوس

دانلود ویدیو
بر اساس رای ۸۹ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر پرسشی درباره این مطلب دارید، آن را با ما مطرح کنید.
منابع:
Problems in Mathematics
PDF
مطالب مرتبط
۹ دیدگاه برای «روش حذفی گاوس – از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش گام به گام)»

سوال : اگر در حل ماتریس به روش گاوس جردن همه ی درایه های یک سطر صفر شود چه نتیجه ای حاصل میشود؟!

ماتریس سینگولار یا تکین هست

با عرض سلام و خسته نباشید استاد عزیز واقعا دمت گرم لطفا از مرحله ۵معادله هم یک مثال ذکر کنید تا دعا گویتان باشیم موفق و معید باشین

عالــــــی
در اوووج نا امیدی به دادم رسیدی

واقعا دست شما درد نکنه.

واقعا جای خدا قوت گفتن داره به استاد عزیز فرادرس جناب حمیدی
توو برنامه نویسی نیاز داشتم که واقعا توو مدت زمان خیلی کم واقعا کمکم کرد

عالی بسیار ممنون

سلام امیرحسین عزیز.
سپاس از همراهی‌تان با مجله فرادرس.
شاد و پیروز باشید.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *