Метод Гаусса для решения систем линейных уравнений

Метод Гаусса — универсальный алгоритм решения систем линейных уравнений, основанный на последовательном исключении неизвестных. Рассматривается случай совместной и определённой системы (имеющей единственное решение) из m уравнений с n неизвестными.

Основные принципы метода

Метод работает с расширенной матрицей системы, которая включает в себя столбец свободных членов. Цель метода — с помощью элементарных преобразований строк привести эту матрицу к треугольному (или трапециевидному) виду, где ниже главной диагонали расположены только нули.

Допустимые элементарные преобразования строк:

  • Перестановка двух строк местами.
  • Умножение или деление строки на число (кроме нуля).
  • Прибавление (или вычитание) к одной строке другой строки, умноженной на число.

После приведения матрицы к треугольному виду выполняется обратный ход: выписывается соответствующая система уравнений и неизвестные последовательно находятся, начиная с последнего уравнения.

Пример решения системы из трёх уравнений

Дана система:

  1. x₁ + 2x₂ + 4x₃ = 3
  2. 3x₁ + 5x₂ + 6x₃ = 7
  3. 2x₁ + 5x₂ + 5x₃ = 8

Прямой ход (приведение матрицы)

  1. Составляем расширенную матрицу системы.
  2. Цель 1: Получить нули в первом столбце ниже первой строки.
    • Рабочий элемент первой строки — 1 (желательно, чтобы он был равен 1).
    • Чтобы получить ноль во второй строке: умножаем первую строку на 3 и вычитаем из второй.
    • Чтобы получить ноль в третьей строке: умножаем первую строку на 2 и вычитаем из третьей.
  3. Цель 2: Получить ноль во втором столбце ниже второй строки.
    • Для удобства можно умножить строки на (-1) для избавления от отрицательных чисел и/или переставить строки местами, чтобы на главной диагонали второй строки оказалась 1.
    • После подготовки умножаем новую вторую строку на 10 и вычитаем из третьей строки.
  4. При необходимости упрощаем матрицу, разделив последнюю строку на общий множитель (например, на -9).

В результате получаем матрицу треугольного вида.

Обратный ход (нахождение решений)

  1. Выписываем систему уравнений, соответствующую итоговой матрице. Она будет иметь треугольный вид.
  2. Из последнего уравнения сразу находим значение x₃ = 3.
  3. Подставляем найденное x₃ во второе уравнение и находим x₂ = -2.
  4. Подставляем x₂ и x₃ в первое уравнение и находим x₁ = -4.

Для проверки найденные значения подставляются в исходные уравнения, что подтверждает верность решения. Окончательный ответ: x₁ = -4, x₂ = -2, x₃ = 3.