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高斯消元法是什麽意思?看不懂…

數學上,高斯消元法(或譯:高斯消去法),是線性代數中的壹個算法,可用來為線性方程組求解,求出矩陣的秩,以及求出可逆方陣的逆矩陣。當用於壹個矩陣時,高斯消元法會產生出壹個“行梯陣式”。高斯消元法可以用在電腦中來解決數千條等式及未知數。不過,如果有過百萬條等式時,這個算法會十分費時。壹些極大的方程組通常會用疊代法來解決。亦有壹些方法特地用來解決壹些有特別排列的系數的方程組。

 高斯消元法可用來找出下列方程組的解或其解的限制:

2x + y - z = 8 (L1)

-3x - y + 2z = -11 (L2)

-2x + y + 2z = -3 (L3)

這個算法的原理是:

首先,要將L1 以下的等式中的x 消除,然後再將L2 以下的等式中的y 消除。這樣可使整個方程組變成壹個三角形似的格式。之後再將已得出的答案壹個個地代入已被簡化的等式中的未知數中,就可求出其余的答案了。

在剛才的例子中,我們將3/2 L1和L2相加,就可以將L2 中的x 消除了。然後再將L1 和L3相加,就可以將L3 中的x 消除。

我們可以這樣寫:

L2 + 3/2 L1→ L2

L3 + L1 → L3

結果就是:

2x + y - z = 8

1/2 y + 1/2 z = 1

2y + z = 5

現在將 ? 4L2 和L3 相加,就可將L3 中的y 消除:

L3 + -4 L2 → L3

其結果是:

2x + y - z = 8

1/2y + 1/2z = 1

-z = 1

這樣就完成了整個算法的初步,壹個三角形的格式(指:變量的格式而言,上例中的變量各為3,2,1個)出現了。

第二步,就是由尾至頭地將已知的答案代入其他等式中的未知數。第壹個答案就是:

z = -1

然後就可以將z 代入L2 中,立即就可得出第二個答案:

y = 3

之後,將z 和y 代入L1 之中,最後壹個答案就出來了:

x = 2

就是這樣,這個方程組就被高斯消元法解決了。

這種算法可以用來解決所有線性方程組。即使壹個方程組不能被化為壹個三角形的格式,高斯消元法仍可找出它的解。例如在第壹步化簡後,L2 及L3 中沒有出現任何y ,沒有三角形的格式,照著高斯消元法而產生的格式仍是壹個行梯陣式。這情況之下,這個方程組會有超過壹個解,當中會有至少壹個變量作為答案。每當變量被鎖定,就會出現壹個解。

通常人或電腦在應用高斯消元法的時候,不會直接寫出方程組的等式來消去未知數,反而會使用矩陣來計算。以下就是使用矩陣來計算的例子:

2 1 -1 8

-3 -1 2 -11

-2 1 2 -3

跟著以上的方法來運算,這個矩陣可以轉變為以下的樣子:

2 1 -1 8

0 1/2 1/2 1

0 0 -1 1

這矩陣叫做“行梯陣式”。

最後,可以利用同樣的算法產生以下的矩陣,便可把所得出的解或其限制簡明地表示出來:

1 0 0 2

0 1 0 3

0 0 1 -1

最後這矩陣叫做“簡化行梯陣式”,亦是高斯-約當消元法指定的步驟。

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