Метод Гаусса для решения систем линейных уравнений

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

Основные понятия и правила

Каждой системе линейных уравнений ставится в соответствие расширенная матрица, составленная из коэффициентов при неизвестных и свободных членов. Метод заключается в преобразовании этой матрицы к треугольному (или трапециевидному) виду, когда ниже главной диагонали расположены только нули.

Допустимые элементарные преобразования строк матрицы:

  • Перемена местами двух строк.
  • Умножение или деление строки на число.
  • Добавление к одной строке другой, умноженной на число.

Алгоритм метода

Процесс решения состоит из двух этапов:

  1. Прямой ход: Последовательное преобразование расширенной матрицы к треугольному виду с помощью элементарных операций. В качестве рабочей строки для обнуления элементов ниже главной диагонали выбирается строка, где на диагонали желательно иметь единицу.
  2. Обратный ход: После получения треугольной матрицы выписывается соответствующая ей система уравнений. Решение находится последовательно, начиная с последнего уравнения:
    • Из последнего уравнения находится последняя неизвестная.
    • Найденное значение подставляется в предпоследнее уравнение для нахождения предыдущей неизвестной.
    • Процесс повторяется «снизу вверх» до нахождения всех переменных.

Пример решения системы 3x3

Дана система трёх уравнений с неизвестными X1, X2, X3.

Прямой ход:

  1. Выписывается расширенная матрица системы.
  2. Используя первую строку (с единицей на главной диагонали), обнуляются элементы первого столбца во второй и третьей строках.
  3. Для обнуления элемента во втором столбце третьей строки используется вторая строка. Для удобства предварительно выполняются преобразования: умножение строк на (-1) для избавления от минусов и перестановка строк для получения единицы на главной диагонали.
  4. После преобразований получается матрица треугольного вида.

Обратный ход:

  1. По полученной матрице записывается система уравнений треугольного вида.
  2. Из третьего уравнения сразу находится X3 = 3.
  3. Подстановкой X3 во второе уравнение находится X2 = -2.
  4. Подстановкой X2 и X3 в первое уравнение находится X1 = -4.

Для проверки найденные значения подставляются в исходную систему, что подтверждает верность решения.