线性方程组的解法讨论毕业论文
线性方程组的几种求解方法

甘肃政法学院本科学年论文(设计)题目浅议线性方程组的几种求解方法学号:姓名:指导教师:成绩:__________________完成时间: 2012 年 11 月目录第一章引言 (1)第二章线性方程组的几种解法 (1)2.1 斯消元法 (1)2.1.1 消元过程 (1)2.1.2 回代过程 (2)2.1.3 解的判断 (2)2.2 克莱姆法则 (3)2.3 LU分解法 (4)2.4 追赶法 (6)第三章结束语 (8)致谢 (8)参考文献 (9)摘要:线性方程组是线性代数的核心内容之一,其解法研究是代数学中经典且重要的研究课题.下面将综述几种不同类型的线性方程组的解法,如消元法、克莱姆法则、直接三角形法、、追赶法,并以具体例子介绍不同解法的应用技巧. 在这些解法中,高斯消元法方法,具有表达式清晰,使用范围广的特点.另外,这些方法有利于快速有效地解决线性方程组的求解问题,为解线性方程组提供一个简易平台,促进了理论与实际的结合。
关键词:线性方程组;解法;应用Several methods of solving linear equation groupAbstract: The system of linear equations is one of linear algebra core contents, its solution research is in the algebra the classics also the important research topic. This article summarized several kind of different type system of linear equations solution, like the elimination, the Cramer principle, the generalized inverse matrix law, the direct triangle law, the square root method, pursue the law, and by concrete example introduction different solution application skill. In these solutions, the generalized inverse matrix method, has the expression to be clear, use scope broad characteristic. Moreover, these methods favor effectively solve the system of linear equations solution problem fast, provides a simple platform for the solution system of linear equations, promoted the theory and the actual union.Key word: Linear equations; Solution ; Example第一章 引言线性方程组理论是高等数学中十分重要的内容,而线性方程组的解法是利用线性方程组理论解决问题的关键.下面将介绍线性方程组的消元法、追赶法、直接三角形法等求解方法,为求解线性方程组提供一个平台。
数学专业论文—线性方程组的求解及其应用

齐次:
• 若 rankR n,则齐次线性方程组(1.2)只有零解 0,0,,0.
T
• 若 • 若
1 0 0 2 1 0 1 2 1 1 3 1 0 1 0 4 0 1 0 0 0 1 1 4 3 . 2 1 4
3.线性方程组的求解
• 高斯消元法
2 x1 4 x2 2 x3 6, 例3 解线性方程组 x x 5 x 0, 1 2 3 4 x x 2 x 2. 3 1 2
3.线性方程组的求解
• 高斯消元法
2 x1 4 x2 2 x3 6, 例3 解线性方程组 x x 5 x 0, 1 2 3 4 x x 2 x 2. 3 1 2 7 类似的,我们将(3.3)中的第三个方程减去第二个方程的 3 倍,又可以 消去第三个方程中的变量 ,最后得到与(3.2)等价的方程组
• 通解表示形式
例1 求线性方程组的通解
3 x1 x2 x3 2 x4 2, x 5 x 2 x x 1, 1 2 3 4 2 x1 6 x2 3 x3 3 x4 3, x1 11x2 5 x3 4 x4 4.
2 Ax 1 4
4 2 x1 6 1 5 x2 0 B, 1 2 x3 2
其增广矩阵为
2 4 2 6 2 4 2 6 2 4 2 6 A A 1 1 5 0 0 3 6 3 0 3 6 3 4 1 2 2 0 7 2 10 0 0 12 3 量的个数,即当(1.1)中m=n时,即:
毕业设计论文 高斯消去法求解线性方程组

摘要高斯消去法是求解线性方程组的最基本的方法之一。
为了充分利用GPU (Graphics Processing Unit,图形处理器)的并行处理能力,本文改进了高斯列主元消去法的实现过程,从而提高了求解线性方程组的速度。
并研究了在不同方程组阶数下,GPU对这此算法的加速效果。
NVIDIA新近推出的GPU计算平台采用矩阵型的计算架构,对处理大型矩阵具有极大的优势,且相对CPU有着更高的算法可并行性和计算效率。
本文力图基于GPU的CUDA开发环境,利用GP-GPU的计算特性实现求解线性方程组,以提高算法的运行效率。
最后,本文用C语言实现了高斯列主元消去算法求解线性方程组的基本过程,并分别在NVIDIA GPU并行计算平台和Intel CPU计算平台上加以运行,同时进行了两种计算平台上算法实现的性能比较。
关键词:求解线性方程组;高斯消去法;GPU;CUDA;并行计算AbstractGaussian elimination method is one of the most basic methods for solving linear equations. In order to take full advantage of GPU (Graphics Processing Unit, GPU) of the parallel processing capability, this paper improved Gaussian PCA out of the realization of the process of elimination, resulting in improved system of linear equations to solve the speed. And studied the different equations in a few bands, GPU accelerated the effect of this algorithm. NVIDIA recently introduced the use of GPU computing platform for the calculation of matrix-type structure, to deal with large-scale matrix has great advantages, and the relative CPU algorithm has higher computational efficiency and parallelism. This article seeks to CUDA for GPU-based development environment, the use of GP-GPU computing features to achieve the solution of linear equations in order to improve the effi ciency of algorithm. Finally, using C language realization of the Gaussian elimination algorithm PCA out of linear equations to solve the basic process and NVIDIA GPU in parallel computing platform and Intel CPU computing platform to be run, at the same time on two types of computing platforms algorithm Performance Comparison of the achievement.Key words:Solving linear equations; Gaussian elimination method; GPU; CUDA; Parallel Computing目录第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 论文研究背景 (1)1.3 论文研究的目的和意义 (2)1.4 论文结构安排 (3)第二章求解线性方程组的基本理论 (4)2.1 高斯-约当消去法 (4)2.2 矩阵三角分解法 (5)直接三角分解法 (5)追赶法 (5)2.3 平方根法 (6)2.4 迭代法 (6)2.5 高斯消去法 (7)2.6 高斯列主元素消去法 (9)第三章NVIDIA CUDA并行计算平台 (11)3.1 GPU 技术简介 (11)3.2 CUDA介绍 (13)3.3 CUDA编程模型 (17)3.4 应用程序接口 (20)编程语言扩展 (20)第四章功能实现和相关函数介绍 (22)4.1 程序在CPU上的实现 (22)高斯列主元消去算法实现过程 (22)各文件中的主要功能函数介绍 (24)4.2 程序在GPU上的实现 (26)文件中C语言的扩展 (26)文件编写过程 (29)并行性实现 (31)4.3性能比较与结果分析 (32)第五章总结与展望 (36)致谢 (37)参考文献 (38)第一章绪论1.1 引言当今很多科学与工程计算问题大都可以化为线性代数方程组的形式,所以有效的求解线性方程组在科学和工程计算中是非常重要的。
求解线性方程组的方法探讨论文设计

求解线性方程组的方法探讨摘要:线性方程组在数学领域中的应用十分广泛,而且它的求解方法在代数的学习中有着重要的作用,线性方程组的求解方法与行列式、矩阵、线性变换、向量组的线性相关性有着很大的关系,而在《高等代数》中只介绍了高斯消元法以及克莱姆法则,所以解法比较单一,有一定局限性。
本论文首先对课题的背景、意义、国内外研究状况进行阐述。
而后介绍其概念和他的性质定理。
然后对线性方程组的求解方法进行归纳和总结。
在例题中说明对每种解法的步骤及其特点,并对各种方法的优缺点、适用性进行分析。
线性方程组的解法虽多,但是根据线性方程组的不同结构来选用合适的解题方法,才能提高解题的效率,更快更好的得到结果。
关键词:线性方程组;矩阵;初等变换;高斯消元法Discussion on Methods of Solving Linear EquationsAbstarct:Linear equations are widely used in mathematics, and its solution plays an i mportant role in learning algebra.The method of solving linear equations has a great r elationship with determinant, matrix, linear transformation and linear correlation of ve ctor groups.However, only gauss elimination and Cramer's Law are introduced in Advanced Algebra, so the solution is relatively simple and has certain limitations.Fi rstly, this paper expounds the background, significance and research status at home an d abroad of the subject.Then the concept and his property theorem are introduced.The n, the methods of solving the linear equations are summarized.In the examples, the ste ps and characteristics of each method are explained, and the advantages, disadvantage s and applicability of each method are analyzed.Although there are many solutions to linear equations, only by choosing appropriate solutions according to different structur es of linear equations can we improve the efficiency of solving problems and get bette r and faster results.Key words:linear equations; matrix; Elementary transformation; gauss elimination目录1.绪论 (1)1.1 线性方程组的求解的背景及意义 (1)1.2 线性方程组国内外研究现状及评价 (1)2.线性方程组的概念和基础理念 (2)2.1 线性方程组的概念及形式 (2)2.2线性方程组有无解的判定定理[]1 (2)2.3 线性方程组的解的结构 (3)2.3.1 齐次方程组的解的结构 (3)2.3.2 非齐次方程组的解的结构 (4)3.线性方程组的求解方法 (5)3.1 高斯消元法 (5)3.2 LU分解法 (7)3.3 克莱姆(Cramer)法则 (8)3.4 逆矩阵解法 (10)3.5 分块矩阵解法[]75- (12)3.6 齐次线性方程组的基础解系求解方法 (13)3.7 非齐次线性方程组化为齐次线性方程组方法[]8 (14)结论 (17)参考文献 (18)致谢 (19)1.绪论1.1线性方程组的求解的背景及意义线性方程组求解在中国有着悠久历史,对线性方程组的研究,中国比欧洲至少早一千多年,记载于我国古代第一部数学专著《九章算术》的方程章。
线性方程组的解法讨论(本科毕业论文)

线性方程组的解法讨论(本科毕业论文)本科生毕业论文论文题目:线性方程组的解法讨论作者、学号:XXX学院、年级:数学与信息科学学院2010级学科、专业:数学与应用数学指导教师:XXXX完成日期:2014年5月20日曲靖师范学院教务处线性方程组的解法讨论摘要科学技术、工程和经济领域中的一些实际问题建立数学模型时通常可以与线性方程组对应起来,因此,AX=b的求解是科学计算的中心问题.本文介绍了线性方程组的概念及解的基本理论,针对齐次线性方程组和非齐次线性方程组,结合例题讨论了它们的解法,主要有高斯消元法、克拉姆法、LU分解法、逆矩阵及广义逆矩阵A-法,并对每种方法的优缺点及适用性进行了分析,得出线性方程组的解法虽多,但要根据线性方程组的结构选择合适的方法,方能顺利求解的结论.关键词:线性方程组;高斯消元法;克拉姆法则;LU分解法;逆矩阵A-法Discussion about the Solution of Linear System of EquationsAbstract:Some practical problems of science and technology, engineering and economic areas of the mathematical model can usually correspond to linear equations, and therefore, the solution of AX=b is a central problem in scientific computing. This paper introduces the concept and the basic theory of linear equations solution, according to the system of homogeneous linear equations and nonhomogeneous linear equations combined with the example, discusses their solution, mainly Gauss elimination method, LU decomposition method, Crum method, inverse matrix and generalized inverse matrix method, and the advantages and disadvantages of each method and applicability are analyzed, that although the solution of linear equations, but to choose the appropriate method according to the linear equation the form of a group, can be solved smoothly conclusions.Key words: linear System of equations;Gauss elimination method;Cramer rule;LU decomposition ;inverse matrix;1 引言求解线性方程组AX=b是科学计算的中心问题[1].对于系数矩阵为低阶稠密矩阵的线性方程组可以用直接法进行消元.对于大规模线性方程组的求解问题,特别是大规模稀疏线性方程组,直接法会显得比较繁琐.因此,探讨线性方程组的解法就成了当前数学计算中的一个重点和难点.目前,求解线性方程组的主要方法有高斯消元法[2],克拉姆法[4],广义逆矩阵A 法[3],LU分解法[9],如何选择是大家关心的一个问题.在科技、工程、医学、经济等各个领域中,很多问题常常归结为线性方程.有些问题的数学模型虽不直接表现为求解线性方程,但其数值解法中却需将该问题“离散化”或“线性化”为线性方程组[10].随着计算机存储量的日益增大和计算机速度的迅速提高,使得求解线性代数方程组的直接求法如高斯消去法等在计算机上可以用来求解大规模线性代数方程组,并且由于处理稀疏矩阵存贮和计算技术的飞速发展,加之直接方法理论的日臻完善,进一步断定了直接方法的巨大使用价值和可靠性,因而在近三十年来直接法被广泛地采用,在科学研究和大型工程设计中出现了越来越多的数学问题,而这些问题往往需要求数值解,在进行数值求解时,经离散后,常常归结为求解行如Ax=b的大型线性方程组.许多源于工程技术的数学问题,都可以归结为求解线性方程组.因此在各种数据处理中,线性方程组的求解是最常见的问题之一.因此,找到一种行之有效的方法来解线性方程组可以给计算带来很大的便利,提高人们的工作效率.2 文献综述2.1 国内外研究现状目前,国内外对线性方程组解法的研究已从各个方面进行了一定的探讨,得出了一系列的成果,文献[1-2]中作者简单地叙述了线性方程组的思想方法,文献[3]中漫谈了线性方程组的改革,文献[4-5]中系统地介绍了线性方程组的基本理论,文献[6]中系统地讲述了线性方程组的各种解法,文献[7-10]中介绍了一些线性方程组的典例与解法,文献[11]中韩艳丽介绍了线性方程组在处理矩阵秩问题中的应用,文献[11-12]周均介绍了齐次与非齐次线性方程组重要理论的应用举例,文献[13-14] 花威谈了线性方程组在高等代数中的应用.2.2 国内外研究现状评价国内外对线性方程组的研究多偏重于计算方法和应用方面的研究,分别从商品利润问题、交通问题、在解析几何中的应用问题、解决高等代数等方面进行研究,对线性方程组的系统讨论及怎样选择恰当的方法求解,给出的研究不多.2.3 提出问题针对国内外研究现状,本文把以上文章中的所有问题进行了综合,对线性方程组的解法作了归纳总结,弥补其中的一些不完善的地方,并例举一些具有针对性、典范性的例题.3 线性方程组的概念及解的基础理论形如 11112211212222112212n n n n m m mn n ma x a x a xb a x a x a x b a x a x a x b +++=+++=+++=⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩ (1.1)的方程组,叫做线性方程组,其中x 1, x 2,… x n 代表n 个未知量的系数,m 是方程的个数;a ij (i=1,2, …,m,j=1,2, …,n) 称为方程组的系数b i (i=1,2, …,s)称为常数项.3.1 齐次线性方程组若方程组(1.1)中12,,m b b b 全为0,即111122112122221122000n n n n m m mn n a x a x a x a x a x a x a x a x a x +++=+++=+++=⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩ (1.2) 形如(1.2)的方程组叫做齐次线性方程组[7].常记为矩阵形式: Ax=0其中111212122212n n m m mn a a a a a a A a a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 系数矩阵()ij m n A a ⨯=的秩()R A r =. 且方程组(1.2)的解空间为V . 则可以得到下列结论dim()()V n R A =-, 这里dim()V 表示方程组(1.1)解空间的维数[9].定理 齐次线性方程组一定有解: (1) 若齐次线性方程组()r A n =,则只有零解; (2) 齐次线性方程组有非零解的充要条件是()r A n <.解的性质:记{}0V x Ax ==, (1)如果12,V ξξ∈,那么12V ξξ+∈; (2)如果,V k ξ∈为任意常数,那么k V ξ∈. (3)齐次线性方程组的通解为1122n r n r c c c ξξξ--+++, 12,,,n r c c c -是任意常数,其中12,,,n r ξξξ-是0Ax =的一个基础解系.例1[15]解线性方程组12341234123412342350,320,4360,2470.x x x x x x x x x x x x x x x x +-+=⎧⎪++-=⎪⎨+-+=⎪⎪-+-=⎩解 方法一:将系数矩阵A 化为阶梯形矩阵12472315071014312143001641367124726000743A --⎡⎤⎢⎥-⎡⎤-⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥=→→-⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥--⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦显然有()4r A n ==,则方程组仅有零解,即12340x x x x ====.方法二:由于方程组的个数等于未知量的个数(即m n =)(注意:方程组的个数不等于未知量的个数(即m n ≠),不可以用行列式的方法来判断),从而可计算系数矩阵A 的行列式:23153121327041361247A --==≠---,知方程组仅有零解,即12340x x x x ====.例2[2] 解线性方程组12345123452345123450,3230,2260,54330.x x x x x x x x x x x x x x x x x x x ++++=⎧⎪+++-=⎪⎨+++=⎪⎪+++-=⎩解 将系数矩阵A 化为简化阶梯形矩阵11111321130122654331A ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦1412(5)(3)r r r r ⨯-+⨯-+−−−−→11111012260122601226⎡⎤⎢⎥----⎢⎥⎢⎥⎢⎥----⎣⎦2123242(1)(1)r r r r r r r ++⨯-+-⨯−−−−→10115012260000000000---⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦可得()2r A n =<,则方程组有无穷多解,其同解方程组为134523455,226.x x x x x x x x =++⎧⎨=---⎩(其中3x ,4x ,5x 为自由未知量)令31x =,40x =,50x =,得121,2x x ==-;令30x =,41x =,50x =,得121,2x x ==-;令30x =,40x =,51x =,得125,6x x ==-,于是得到原方程组的一个基础解系为112100ξ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,212010ξ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,356001ξ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦.所以,原方程组的通解为 112233X k k k ξξξ=++(1k ,2k ,3k R ∈).例3[3]求齐次线性方程组12341234123420,20,250.x x x x x x x x x x x x -++=⎧⎪-+-=⎨⎪-++=⎩的一个基础解系,并以该基础解系表示方程组的全部解.解 将系数矩阵A 化成简化阶梯形矩阵121112111215A -⎡⎤⎢⎥=--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦1312(1)(1)r r r r ⨯-+⨯-+−−−−→121100020004-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦12232(1)()r r r ⨯-+⨯-−−−−−→121000010000-⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦可得()2r A n =<,则方程组有无穷多解,其同解方程组为12342,0,x x x x =-⎧⎨=⎩(其中2x ,3x 为自由未知量)令21x =,30x =,得142,0x x ==;令20x =,31x =,得141,0x x =-=,于是得到原方程组的一个基础解系为12100ξ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦,21010ξ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦所以,原方程组的通解为1122X k k ξξ=+(其中1k ,2k 为任意实数).注:基础解系不唯一,但是它们所含解向量的个数相同,且基础解系所含解向量的个数等于n-r(A).由上面的定理可知,若m 是系数矩阵的行数(也即方程的个数),n 是未知量的个数,则有:(1)当m n <时,()r A m n ≤<,此时齐次线性方程组一定有非零解,即齐次方程组中未知量的个数大于方程的个数就一定有非零解;(2)当m n =时,齐次线性方程组有非零解的充要条件是它的系数行列式0A =; (3)当m n =且()r A n =时,此时系数矩阵的行列式0A ≠,故齐次线性方程组只有零解;(4)当m n >时,此时()r A n ≤,故存在齐次线性方程组的同解方程组,使“m n ≤”.3.2非齐次线性方程组1.若方程组(1.1)中12,,m b b b 不全为0,即11112211211222221122n n n n n n nn n na x a x a xb a x a x a x b a x a x a x b +++=⎧⎪+++=⎪⎨⎪⎪+++=⎩(1.3) 形如(1.3)的方程组叫做非齐次线性方程组,常记为矩阵形式: Ax=b.其中11121121222212,n n m m mn n a a a b a a a b A b a a a b ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦系数矩阵()ij m n A a ⨯=的秩()R A r =. 且方程组(1.3)的解空间为V . 则可以得到下列结论dim()()V n R A =-, 这里dim()V 表示方程组(1.1)解空间的维数[9].(,)A A b =称为方程组(1.3)的增广矩阵,关于非齐次线性方程组,有以下理论:(1)唯一解:()()r A r A n == ⇔线性方程组有唯一解. (2)无解:()()r A r A ≠⇔线性方程组无解.(3)无穷多解:()()r A r A n =<⇔线性方程组有无穷多解. 2.解的性质:记{}0V x Ax ==,{}S x Ax b ==.(1)如果12,S ξξ∈,那么12V ξξ-∈; (2)如果,S V ηξ∈∈,那么S ηξ+∈;(3)非齐次线性方程组的通解为01122n r n r x c c c ηξξξ--=++++, 12,,,n r c c c -是任意常数,其中0η是Ax β=的一个解(称为特解),12,,,n r ξξξ-是0Ax =的一个基础解系.例4[7] 解线性方程组12312312321,224,44 2.x x x x x x x x x ++=⎧⎪-+=-⎨⎪++=-⎩ 解 2113(2)(4)11211121()2124032641420346r r r r A A B ⨯-++-+⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==--−−−−−→---⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥----⎣⎦⎣⎦))332311(224(3r r r r r ⨯-⨯+⨯-+−−−−−→21()3100110010306010200100010r ⨯---⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥--−−−−−→⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ 可见()()3r A r A ==,则方程组有唯一解.所以方程组的解为 1231,2,0.x x x =-⎧⎪=⎨⎪=⎩例5[1] 解线性方程组12312312321,22,2 4.x x x x x x x x x -++=⎧⎪-+=-⎨⎪+-=⎩ 解 1212132(1)21111212()1212033311240336r r r r r r A A B ↔⨯+⨯-+---⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==--−−−−−→--⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦23r r +−−−−→ 121203330003--⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥⎣⎦, 可见()3()2r A r A =≠=,所以原方程组无解.例6 解线性方程组123412413423,231,2210 4.x x x x x x x xx x +-+=⎧⎪+-=⎨⎪--+=⎩解 1213(2)21112311123()21031012752021040241410r r r r A A B ⨯-+⨯+--⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==-−−−−−−→---⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦2321221(1)101520127500000r r r r r ⨯+⨯+⨯---⎡⎤⎢⎥−−−−−→-⎢⎥⎢⎥⎣⎦可见()()24r A r A ==<,则方程组有无穷多解,其同解方程组为13423425,527.x x x x x x =--+⎧⎨=+-⎩ (其中3x ,4x 为自由未知量)令340,0,x x ==得原方程组的一个特解2500η-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦.又原方程组的导出组的同解方程组为1342345,27.x x x x x x =-+⎧⎨=-⎩(其中3x ,4x 为自由未知量)令31x =,40x =,得121,2x x =-=;令30x =,41x =,得125,7x x ==-,于是得到导出组的一个基础解系为11210ξ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦,25701ξ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦.所以,原方程组的通解为1122X k k ηξξ=++(1k ,2k R ∈).4 线性方程组的解法4.1 高斯消元法高斯(Gauss)消元法是一种古老的方法[4],基于高斯消元法的基本思想而改进、变形得到的主元素消去法、三角分解法,是最基础和最直接的求解线性方程组的方法,其中涉及到三种对方程的同解变换:(1)把某个方程的k 倍加到另外一个方程上去; (2)交换某两个方程的位置; (3)用某个常数k 乘以某个方程. 这三种变换统称为线性方程组的初等变换.高斯消元法的基本思想是:通过一系列的加减消元运算,也就是代数中的加减消去法,将方程组化为上三角矩阵;然后,再逐一回代求解出x 向量.现举例说明如下: 例7 解线性方程组解 分别将第一个方程的(-3)倍,(-2)倍和2倍加到第二、三、四个方程上,整理得123232323324,71,555,7 1.x x x x x x x x x +-=⎧⎪-+=-⎪⎨-+=-⎪⎪-=⎩将此方程组第二个方程加到第四个方程上,使该方程两边全为零,并将第三个方程的两边乘以1-,得1232323324,71,1.x x x x x x x +-=⎧⎪-+=-⎨⎪-=⎩123123123123324,32511,23,237.x x x x x x x x x x x x +-=⎧⎪+-=⎪⎨++=⎪⎪-++=-⎩再将第三个方程的7倍加到第二个方程上,消去第二个方程中的未知量2x ,整理得123233324,1,6 6.x x x x x x +-=⎧⎪-=⎨⎪-=⎩最后解得123(,,)(2,0,1)T Tx x x =--. 小结:高斯(Gauss)消元法的思想比较简单,操作起来比较容易,但它只适用于未知数较少的线性方程组;当方程个数和未知数较多时,消元较为困难.4.2 用克拉默(Cramer )法则解线性方程组定理1 如果方程组Ax=b 中D=|A|≠0,则Ax=b 有解,且解是唯一的,解为1212,,...,n n D D Dx x x D D D===i D 是D 中第i 列换成列矩阵b 所得的行列式.定理2 如果方程组Ax=b 中有非零解,那么必有D=|A|=0,Cramer 法则解n 元方程组有两个前提条件:(1)未知数的个数等于方程的个数. (2)系数行列式不等于零定理3[3] 当齐次线性方程组0Ax =,0A ≠时该方程组有唯一的零解.定理4[4] 齐次线性方程组0Ax =有非零解0A <=>=.例8 解线性方程组12312312312494x x x x x x x x x ++=⎧⎪-++=-⎨⎪++=⎩解 111123300149D =--=≠ 所以,方程组有唯一解.111122320449D =--=,21111232,149D =--=- 311112312149D =--=因此,线性方程组的解为:12320212,,303030x x x -===. 小结:Cramer 法则用于判断具有n 个未知数的n 个线性方程的方程组解的情况[12].当方程组的系数行列式不等于零时,方程组有解且解唯一.如果方程组无解或者有两个不同的解时,则系数行列式必为零.如果齐次线性方程组的系数行列式不等于零,则没有非零解.如果齐次线性方程组有非零解,则系数行列式必为零. 用克拉默(Cramer )法则解线性方程组比较简单,操作起来也比较容易,但它只适用于解未知数的个数和方程个数相同的线性方程组,而且通常是解非齐次线性方程组,对齐次线性方程组,只能求出零解,非零解无法求出.4.3 LU 分解法LU 分解法是直接分解法中的一种算法[10],将方程组Ax=b 中的稀疏矩阵A 分解为一个上三角矩阵和一个下三角矩阵,其中A=LU,令y=Ux,那么在方程租的运算中可以先解Ly=b,再解Ux=y 在编程过程中分两步进行,先对矩阵A 进行LU 分解,然后再解方程组. 例9 用LU 分解法解方程组解 由LU 分解()14131211u u u u ()30102-=()Tl l l 4131211()T 25.05.11-=()2423220u u u ()5.812110-=⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------139144432113124330102⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛4321x x x x ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=72510()Tl l 423210()T 11/611/310--=()343300u u ()11/211/300--=()Tl 43100()T 9100-=()44000u ()4000-=得解,b Ly =()Ty y y y 4321()T 1611/172010--=得解,y Ux =()Tx x x x 4321()T4321=小结:LU 分解法的优点是当方程组左端系数矩阵不变[13],仅仅是方程组右端列向量改变,即外加激励信号变化时,能够方便地求解方程组. 设n 阶线性方程组Ax=b .将方程组左端系数矩阵A ,分解成两个三角阵的乘积[14],即A=LU ,式中,L 为主对角线以上的元素均为零的下三角矩阵, 且主对角线元素均为1的上三角矩阵;U 为主对角线以下的元素均为零.4.4逆矩阵法及广义逆矩阵A -法1. 线性方程组AX=b,当A 可逆时,1,Ax b x A b -==线性方程组等价于(注:A 是方阵).例10 解线性方程组Ax=b ,其中111111143A =-,b=(1,-2,4).解 111123300149=--=≠ A , 所以,系数矩阵A 可逆.1111222535--=--- A , 方程组变形为 x=A -1b因此,线性方程组的解为:12320212,,303030x x x -===. 注:针对线性方程组AX=b,上述解法只适用于A 是方阵且可逆的线性方程组.下面主要讨论如何将上述方法加以推广,使之能运用到一般的线性方程组的求解中.2. 设m nA C⨯∈.如果存在n m G C ⨯∈,使得A G A A =,则称G 为矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵,记作A -.矩阵A 的{1}-逆总是存在的,但一般不是惟一的[12],矩阵A 的{1}-逆的全体记为{1}A .若m n A C ⨯∈,A -n m C ⨯∈为A 的一个{1}-广义逆矩阵[2],则对,n mV W C⨯∈为任意的n m⨯矩阵,矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵为 G A V A A V A A---=+-, 同时还可以表示为()()m n G A V E A AE AA W ---=+-+-. 广义逆矩阵A -的计算:(1)设(0)mn r A C r ⨯∈>,且有m m m P C ⨯∈和n 阶置换矩阵Q 使得 (),(),r r nr E K P A Q KC OO ⨯-⎡⎤=∈⎢⎥⎣⎦则对任意的()()nr m r L C-⨯-∈,n m ⨯矩阵 r E O G Q P O L ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦是A 的一个{1}-广义逆矩阵.若存在n nn T C ⨯∈使得,r E O P A T O O ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦则矩阵的{1}-逆的全体12()()()()1221222122{1},,.r r m r n r r n rm r E L A T P L C L C L C L L ⨯--⨯-⨯-⎧⎫⎡⎤⎪⎪=∈∈∈⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭(2)设m nA C ⨯∈,则A 有惟一{1}逆的充分必要条件是mn =,且()r A n =,即A 可逆.这个惟一的{1}逆就是1A -.定理1 [12] 设m n A C ⨯∈,m b C ∈,则A A b b -=是线性方程组Ax b =有解的充要条件,其中{1}A A -∈.如果线性方程组Ax b =有解,其通解可表示为()x A b EA A y--=+-,其中y 是任意的n 维列向量. 定理2[14] 设线性方程组Ax b =有解,A -是m n ⨯矩阵A 的一{1}-广义逆矩阵,并且()H AA AA--=,则y A b -=为线性方程组Ax b =的最小范数解. 定理3[15] 设A -为m n ⨯矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵,且()H A A AA--=,则对任意的n 维列向量b ,y A b -=一定是线性方程组Ax b =的最小二乘解. 例11 解线性方程组12341241234235,5814,223 4.x x x x x x x x x x x ++-=⎧⎪++=⎨⎪+-+=⎩ 解 令231158011223A -⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦,5144b ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦.通过行初等变换得到4203()()102211AE HP P -⎡⎤⎢⎥|→|→=-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦. 取4Q E =,再令0α=,0β=,得100010000A Q P αβ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦=20310222αααβββ-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥--⎢⎥--⎣⎦20310200000-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦. 可以验证 (5,14,4)TA A b b-== 所以,线性方程组有解,且通解为123420*********()0001000001y y x A b E A A y y y ----⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+-=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦(1234,,,y y y y C ∈任意)[7]. 小结:该方法对线性方程组解的讨论更加完整,表达形式也更加简洁系统.在无穷多个解向量中,此法可求出一个长度最短解向量,当方程组无解时,又可求出其最优近似解,而且该方法在概率统计、线性规划等领域中应用比较广泛.5 结论5.1 主要发现线性方程组有多种解法,每种解法都有它的优越性和局限性.线性方程组是线性代数的心脏,它可以应用到很多方面,根据其重要理论可以解决很多问题,使得一些问题得到意想不到的简单解法.5.2 启示线性方程组的解法虽多,要选择一种适合的并不容易,我们需要先对线性方程组进行分类:齐次线性方程组和非齐次线性方程组.根据不同的线性方程组的不同特征,进而采用适当的方法求解.5.3 局限性线性方程组的解法还有多,由于本人的能力和时间有限,只对其中的几种方法进行讨论和分析.5.4 努力方向除了文章所述线性方程组的理论知识和求解方法外,由于线性方程组的解法相当多,在今后的学习中将不断的深入研究,以弥补文章中许多不足之处.参考文献[1]北京大学数学系.高等代数[M].北京: 高等教育出版社, 1988:25-50.[2]张禾瑞.,郝鈵新.高等代数[M].第四版.北京: 高等教育出版社, 1999:35-68.[3]丘维声. 高等代数[M].北京: 高等教育出版社, 1996:32-65.[4]北京大学数学系几何与代数教研代数小组.高等代数[M].第二版.北京:高等教育出版社,1988:20-55.[5]熊廷煌.高等代数简明教程[M].武汉:湖北教育出版社,1987:30-55.[6]邓建中,刘之行.计算方法[M].西安:西安交通大学出版社,2001:25-60.[7]张元达.线性代数原理[M]. 上海:上海教育出版社,1980:45-60.[8]蒋尔雄.线性代数[M].北京:人民教育出版社,1996:100-128.[9]霍元极.高等代数[M].北京:北京师范大学出版社,1988:77-120.[10]关治,陈精良.数学计算方法[M].北京:清华大学出版社,1990:45-90.[11]韩艳丽.求解线性方程组的Jacobi和Gauss—Seidel迭代法的收敛定理[J].中国西部科技,2009: 20-31.[12]周均,韩乐文.应用matlab求线性方程组的Cramer法则方法探讨[J].重庆职业技术学院学报,2004,13(3):109-130.[13]常双领. 张传林. 求解线性方程组的一种迭代解法[J]. 暨南大学学报, 2004,22(3): 06.30-70.[14]花威.线性方程组的迭代解法及Matlab实现程序[J],长江工程职业技术学院学报,2009,26(4):95-120.[15]谢邦杰.线性代数[M].北京:人民教育出版社,1999:100-144.致谢我的毕业设计的完成,首先应当归功于指导老师梁XX老师.梁老师在我的毕业设计的选题、设计方法以及设计报告的撰写等各个方面都给予了我大量的指导和帮助,梁老师以他敏锐的洞察力、渊博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风以及高度的责任感悉心指导我的设计.设计中离不开梁老师的帮助,如果没有梁老师的指导,我的设计就不能顺利完成.我在设计中遇到困难时都能够向老师请教,老师悉心的指导和帮助及其严谨的工作态度、创新的精神使我受益匪浅,使得我的问题都能迎刃而解.本设计是在梁老师的悉心指导和帮助下完成的,在论文设计、修改的整个过程中,花费了老师很多的宝贵时间和精力,我在此向梁老师表示衷心地感谢!。
线性方程组解的探究
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线性方程组解的探究摘要: 本文主要介绍了线性方程组解存在的条件以及求线性方程组的几种基本方法。
关键词:线性方程组 克拉默法则 初等变换 可逆矩阵。
Researching on Solution to the Linear Equation SystemAbstract :This paper describes the existence of linear equations solving linear equations conditions andseveral basic methods.Keywords : linear equation Cramer Rule primary transformation reversible matrix自然科学与工程技术领域与线性方程组有关的问题比较普遍,常遇到许多与线性方程组有关的数学问题,中学数学中的“鸡兔同笼”问题就是一个和线性方程组有关的典型例题。
同时,线性方程组也是大学数学研究讨论的重点,线性方程组可以分成未知量个数与方程的个数相等和未知量个数与方程的个数不等两类。
掌握其解法对于解决学习生活中经常遇到的线性方程组问题就方便了很多,解基本线性方程组三种常用的处理方法是克拉默法则、消元法和初等变换法,利用矩阵的逆求解也是一种较常用的方法,本文将详细讲述。
1.线性方程组有关内容1.1 线性方程组主要的表达方式 1) 标准型⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++=++=++mn mn m m n n n n b x a x a x a b x a x a x a b x a x a x a 22112222212111212111 (1) 2) 矩阵型令()nm ija A ⨯=,),,(21'=n x x x x ,),(21'=nb b b B ,方程组(1)可表述为B Ax = (2)1.2 定义1 线性方程组的初等变换1) 用一非零的数乘以某一方程; 2) 把一个方程的倍数加到另一个方程; 3) 互换两个方程的位置。
线性方程组的解法与实际应用
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线性方程组的解法与实际应用线性方程组是数学中的基本概念之一,广泛应用于各个领域,包括物理学、经济学、工程学等。
本文将探讨线性方程组的解法以及其在实际应用中的重要性。
一、线性方程组的解法线性方程组是由一系列线性方程组成的方程组。
一般形式为:a₁x₁ + a₂x₂ + ... + aₙxₙ = b₁a₁x₁ + a₂x₂ + ... + aₙxₙ = b₂...a₁x₁ + a₂x₂ + ... + aₙxₙ = bₙ其中,a₁、a₂、...、aₙ为系数,x₁、x₂、...、xₙ为未知数,b₁、b₂、...、bₙ为常数。
解线性方程组的方法有很多种,常见的有高斯消元法、矩阵法和克莱姆法则。
下面将分别介绍这三种方法。
1. 高斯消元法高斯消元法是一种基本的线性方程组解法,它通过消元和回代的方式求解未知数的值。
首先,将线性方程组写成增广矩阵的形式,然后利用初等行变换将矩阵化为上三角矩阵,最后通过回代求解得到未知数的值。
2. 矩阵法矩阵法是一种简洁高效的线性方程组解法。
将线性方程组的系数矩阵和常数矩阵进行运算,得到增广矩阵。
然后利用矩阵的性质进行求解,如行列式的计算、逆矩阵的求解等。
最后得到未知数的值。
3. 克莱姆法则克莱姆法则是一种利用行列式求解线性方程组的方法。
根据克莱姆法则,线性方程组的解可以通过系数矩阵的行列式和常数矩阵的行列式之间的关系求得。
具体操作是将系数矩阵的每一列替换为常数矩阵,然后求解行列式的值,最后得到未知数的值。
二、线性方程组的实际应用线性方程组在实际应用中扮演着重要的角色,下面将介绍一些典型的应用场景。
1. 物理学中的应用线性方程组在物理学中有广泛的应用。
例如,牛顿第二定律可以用线性方程组表示。
当我们需要求解物体在受力作用下的加速度、速度和位移时,可以通过解线性方程组得到这些物理量的值。
2. 经济学中的应用经济学中的供求关系、成本与收益等问题也可以用线性方程组进行建模和求解。
例如,当我们需要确定某种商品的市场均衡价格和数量时,可以通过解线性方程组得到这些值。
线性方程组的解法探究

线性方程组的解法探究线性方程组是数学中常见的问题,涉及到多个未知数和各个未知数之间的线性关系。
本文将重点探讨五种常用的线性方程组解法,并比较它们在不同情况下的适用性。
通过对这些解法的研究,我们可以更好地理解和解决线性方程组相关的问题。
一、高斯消元法高斯消元法是最常见和最基础的线性方程组解法之一。
该方法通过变换线性方程组的增广矩阵,将其化为最简形式。
基本思想是通过初等行变换(如交换两行、某一行乘以一个非零常数、某一行加上另一行的若干倍)来逐步消去未知数,达到求解的目的。
二、逆矩阵法逆矩阵法是利用矩阵的逆矩阵来求解线性方程组的方法。
对于一个已知系数矩阵A和常数项矩阵B,当A可逆时,方程组的解可以表示为X=A^(-1)B。
逆矩阵法的优点是可以一次性求解多个未知数,但要求系数矩阵必须可逆。
三、克拉默法则克拉默法则是一种利用行列式来求解线性方程组的方法。
对于一个n阶线性方程组,如果系数矩阵的行列式不等于零,则存在唯一解,并可以逐个求出未知数的值。
克拉默法则的缺点是计算量较大,不适用于大规模的线性方程组。
四、矩阵法矩阵法是将线性方程组表示为矩阵形式,然后通过矩阵运算来求解未知数的方法。
通过将系数矩阵与未知数矩阵相乘得到常数项矩阵,再通过矩阵的逆运算求解未知数矩阵。
矩阵法在求解规模较大的线性方程组时比较高效。
五、向量空间法向量空间法是通过向量空间的性质来解线性方程组的方法。
线性方程组的解可以看作是向量空间的一个向量,通过求解零空间和列空间来得到方程组的解。
向量空间法的思想相对较为抽象,适用于对线性代数有深入理解的人。
综上所述,不同的线性方程组解法在不同的情况下具有不同的优缺点。
高斯消元法是最基础和常用的方法,在一般情况下都可以使用。
逆矩阵法和克拉默法则适用于系数矩阵满足一定条件的情况。
矩阵法在规模较大的线性方程组求解中效率较高。
向量空间法适用于对线性代数有较深理解的情况。
不同的解法之间相互补充与联系,为解决线性方程组问题提供了多种途径。
【文献综述】线性方程组解法的研究

文献综述信息与计算科学线性方程组解法的研究线性代数不仅是大学数学专业的一门重要的基础课程,也是本专科高校中各类专业的一门公共基础课,对后续知识的学习及学生的运算能力、逻辑推理能力、抽象概括能力的培养等都起着非常重要的作用。
线性代数理论有着悠久的历史和丰富的内容。
近年来随着科学技术的发展,特别是电子计算机使用的日益普遍,作为重要的数学工具之一。
线性代数的应用已经深入到自然科学、社会科学、工程技术、经济和管理等各个领域。
而求解线性方程组是线性代数的核心内容之一,也是它的最重要的应用领域之一。
线性方程组理论及其求解无论在工程计算和理论研究中都占有非常重要的地位,许多实际问题最终都可以化为一个线性方程组的求解问题。
线性方程组是指由一次方程所组成的方程组,对于它的研究主要是在解法问题上的探究,它有很多非常有效的解法,如高斯消元法、约当消元法、迭代法等,对一些特殊的线性方程组还有更有效的算法。
通常情况下,对于二元一次及三元一次方程组,采用的是加减消元法或带入消元法来求解。
至于多元线性方程组,大多采用的是高斯消元法、迭代法、主元素消去法等。
著名的克莱姆法则一般用在未知数个数和方程个数相等的情况下,用它求解方程组有个缺点,就是计算量比较大。
最初的线性方程组来源于生活,产生在实践中,正是一些实际问题刺激了这门学科的诞生和发展。
因此,线性方程组和我们的生活息息相关,人们对线性方程组的研究也在不断的深入,线性方程组理论及其解法更是不断的被应用在实际问题中。
对于线性方程组的解法,中国古代就有比较完整的论述。
在《九章算术方程》中,描述了相当于现在的高斯消元法,就是利用方程组的增广矩阵实行初等变换从而消去未知量的方法。
在印度,于梵藏的著作中最早出现一次方程组。
而西方,法国数学家彪特于1559年提出了三元一次方程组的解法,这也是欧洲最早出现的关于三元一次方程组的解法。
此后直到17世纪后期,由莱布尼茨开创了对线性方程组的研究,他当时研究的是含两个未知量的三个线性方程组组成的方程组,而且通过对线性方程组的研究还导致了他发明了行列式。
浅析线性方程组的解法

目录摘要 (I)Abstract. (II)第一章绪论 (I)1.1引言 (1)1.2线性方程组解的求解方法的研究现状 (1)1.3本文对线性方程组解法的研究结构 (1)第二章线性方程组理论基础 (2)2.1 线性方程组概念 (2)2.2 线性方程组的解的情况分析 (2)2.3 齐次线性方程组解的结构 (4)2.4非齐次线性方程组解的结构 (4)第三章线性方程组的数值解 (5)3.1 迭代法 (5)3.1.1 Jacobi方法 (6)3.2.2 高斯-赛德尔方法 (8)第四章全文总结和展望 (10)4.1 全文总结 (10)4.2 未来展望 (10)参考文献 (11)致谢.................................................................. 错误!未定义书签。
线性方程组的求解方法学生:指导教师:摘要:本文在对线性方程组解的结构的研究背景与意义分析的基础上,对线性方程组的求解方法的研究现状进行了介绍,之后针对线性方程组展开了研究,包括线性方程组的概念、线性方程组的求解方法以及线性方程组的作用等,在对线性方程组有了全面的认识后,基于线性方程组解的结构展开了研究,包括线性方程组解的基本定理,齐次和非齐次线性方程组解的结构形式,以及齐次和非齐次线性方程组解的结构,我们用迭代法中最常用的Jacobi方法中的相似上三角矩阵定理和迭代法中的收敛性讨论线性方程组的数值解法,并用高斯-赛德尔方法进行验证。
得到线性方程组的数值解的一般方法。
最后,对全文进行了总结和展望。
关键词:线性方程组;数值解;迭代法;Jacobi方法;高斯-赛德尔方法THE METHOD OF CALCULATING THE SYSTEM OF LINEAREQUATIONSStudent:Supervisor:Abstract:This article introduced the research status of the solving methods of linear equations solution based on the analysis of the research background and significance of the structure of linear equations solution and then started a study on linear equations,including the basic concept of linear equations solution, structure and structure forms of homogeneous and non-homogenous linear equation solutions.Similar triangles matrix theorem, the most commonly used method in Jacobi of iteration method, and convergence of iteration method were used to discuss the numerical solution of linear equations and then, gauss-seidel method were used to validate its outcome so that we got the common way to get the numerical solution of linear equations. the article got a conclusion and a prospect tonthe resaerch and relevant methods.Key word:Linear equations; numerical solution; iterative method; Jacobi method; Gauss - Seidel method第一章绪论1.1 引言随着科技和社会的不断进步,数学领域也得到了极大的发展,很多大量的科学技术,通过化简和处理,最后几乎都演变成线性方程组的求解,线性方程组的求解,就是一次方程组的求解,通过将复杂问题转换成线性方程组,大大简化了问题的难度,因此,大量的学者将目光投向对线性方程组进行研究,分析线性方程组解的结构形式,并对线性方程组的求解方法进行剖析和处理,目前,线性方程组已经应用于矩阵理论、欧氏理论、多项式理论、线性空间等多个领域,因此,对线性方程组的求解方法,不仅有助于数学和计算领域的发展,也为未来更复杂、更先进的计算提供了理论基础。
数值分析小论文线性方程组的直接解法

数值分析小论文线性方程组的直接解法线性方程组的直接解法是指通过一系列的代数运算直接求解线性方程组的解。
线性方程组是数值分析中非常重要的问题,广泛应用于工程、科学、计算机图形学等领域。
在线性方程组的直接解法中,最常用的方法是高斯消元法,它是一种基于矩阵变换的方法。
高斯消元法将线性方程组表示为增广矩阵,并通过一系列的行变换将增广矩阵转化为行阶梯形矩阵,从而得到方程组的解。
高斯消元法的主要步骤包括消元、回代和得到方程组的解。
消元是高斯消元法的第一步,通过一系列的行变换将增广矩阵的元素转化为上三角形式。
在消元过程中,我们首先找到主元素,即矩阵的对角线元素,然后将其它行的元素通过消元操作转化为0,从而使得矩阵逐步变成上三角形矩阵。
回代是高斯消元法的第二步,通过一系列的回代操作求解线性方程组。
回代操作是从上三角形矩阵的最后一行开始,通过依次求解每个未知数的值,最终得到方程组的解。
高斯消元法的优点是算法简单易于实现,可以在有限的步骤内求解线性方程组,适用于一般的线性方程组问题。
但是高斯消元法也存在一些问题,例如当矩阵的主元素为0时,无法进行消元操作,此时需要通过行交换操作来避免这种情况。
另外,高斯消元法对病态矩阵的求解效果较差,容易引起舍入误差累积,导致解的精度下降。
在实际应用中,为了提高求解线性方程组的效率和精度,人们常常使用一些改进的直接解法,例如列主元高斯消元法和LU分解法。
列主元高斯消元法通过选择最大主元来避免主元为0的情况,进一步提高了求解线性方程组的精度。
LU分解法将矩阵表示为两个矩阵的乘积,从而将线性方程组的求解问题转化为两个三角形矩阵的求解问题,提高了求解效率。
综上所述,线性方程组的直接解法是一种基于矩阵变换的方法,通过一系列的代数运算求解线性方程组的解。
高斯消元法是最常用的直接解法之一,它简单易于实现,适用于一般的线性方程组问题。
在实际应用中,可以通过改进的直接解法来进一步提高求解效率和精度。
线性方程组的迭代解法及收敛分析

1.9583
0.8468
0.2974
9
1.0975
2.0954
2.8217
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10
1.0850
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13
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15
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1.9920
0.9620
0.0801
16
1.0267
2.0241
Keywords:MATLAB,Mathematical model,Iterative method,ConvergenceSystem of linear equations
1
在实际生活中,存在着大量求解线性方程组的问题。这些方程组具有数据量大,系数矩阵稀疏,在一定精度保证下,只需要求解近似解等特点。线性方程组的迭代解法特别适合于这类方程组的求解,它具有程序设计简单,需要计算机的贮存单元少等特点,但也有收敛性与收敛速度问题。因此,研究线性方程组的迭代解法及收敛分析对于解决实际问题具有非常重要的作用。
线性方程组论文

一类线性方程组的解法【引言】历史上线性代数的第一个问题是关于解线性方程组的问题,而线性方程组理论的发展又促成了作为工具的矩阵论和行列式理论的创立与发展,这些内容已成为我们线性代数教材的主要部分。
最初的线性方程组问题大都是来源于生活实践,正是实际问题刺激了线性代数这一学科的诞生与发展。
另外,近现代数学分析与几何学等数学分支的要求也促使了线性代数的进一步发展。
线性代数有三个基本计算单元:向量(组),矩阵,行列式,研究它们的性质和相关定理,能够求解线性方程组,实现行列式与矩阵计算和线性变换,构建向量空间和欧式空间。
线性代数的两个基本方法是构造(分解)和代数法,基本思想是化简(降解)和同构变换。
【摘要】线性方程组的解法,早在中国古代的数学著作《九章算术方程》章中已作了比较完整的论述。
其中所述方法实质上相当于现代的对方程组的增广矩阵施行初等行变换从而消去未知量的方法,即高斯消元法。
在西方,线性方程组的研究是在 17 世纪后期由莱布尼茨开创的。
他曾研究含两个未知量的三个线性方程组组成的方程组。
麦克劳林在 18 世纪上半叶研究了具有二、三、四个未知量的线性方程组,得到了现在称为克莱姆法则的结果。
克莱姆不久也发表了这个法则。
18世纪下半叶,法国数学家贝祖对线性方程组理论进行了一系列研究,证明了元齐次线性方程组有非零解的条件是系数行列式等于零。
19 世纪,英国数学家史密斯 (H.Smith) 和道奇森 (C-L.Dodgson) 继续研究线性方程组理论,前者引进了方程组的增广矩阵和非增广矩阵的概念,后者证明了个未知数个方程的方程组相容的充要条件是系数矩阵和增广矩阵的秩相同。
这正是现代方程组理论中的重要结果之一。
大量的科学技术问题,最终往往归结为解线性方程组。
因此在线性方程组的数值解法得到发展的同时,线性方程组解的结构等理论性工作也取得了令人满意的进展。
现在,线性方程组的数值解法在计算数学中占有重要地位。
【关键词】:矩阵行列式向量线性方程组增广矩阵矩阵的秩系数矩阵【正文】求解非齐次线性方程组解:其增广矩阵为,对其进行初等行变换可见R(A)=R(B)=2〈3,由定理7可得方程组有无穷多解。
数学专业论文—线性方程组的求解及其应用

嘉兴学院南湖学院(2011届)本科毕业论文(设计)题目:线性方程组的求解及其应用专业:数学与应用数学班级学号:姓名:指导教师:完成日期: 2011.5.5诚信声明我声明,所呈交的论文(设计)是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果.据我查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文(设计)中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得嘉兴学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料.我承诺,论文(设计)中的所有内容均真实、可信.论文(设计)作者签名:签名日期:年月日授权声明学校有权保留送交论文(设计)的原件,允许论文(设计)被查阅和借阅,学校可以公布论文(设计)的全部或部分内容,可以影印、缩印或其他复制手段保存论文(设计),学校必须严格按照授权对论文(设计)进行处理,不得超越授权对论文(设计)进行任意处置.论文(设计)作者签名:签名日期:年月日线性方程组的求解及其应用***(**学院)摘要:线性方程组是线性代数中一个最基础的内容,它在科学和工程计算等领域都发挥着重要的作用.本文主要讨论线性方程组解的基本结构,并运用克拉默法则,高斯消元法和追赶法等来求解.另外还研究了它在解析几何,高等代数,运筹学等学科以及其他学科领域中的一些简单的应用.通过线性方程组的求解及其应用,使很多繁琐的问题变得方便快捷.关键词:线性方程组;克拉默法则;高斯消元法;LU分解;应用The Solution of Linear System of Equations and It’s Application***(** University)Abstract:Linear system of equations is one of the most basic content in linearalgebra. It plays an important role in many areas, for example in science and engineering calculation. This article discusses the basic structure solution of linear equations, and use Cramer's rule, Gauss-elimination and chase way to find solutions. In addition, it also examines it’s in analytic geometry, higher algebra, operations research, as well as other areas of some simple applications. By the solution of linear system of equations and it’s application, we can make a lot of complicated problems becoming more convenient.Key words:Linear equations; Cramer's rule; Gauss-elimination; LU-decomposition;Application目录1 引言 (1)2 线性方程组求解 (2)2.1 概念 (2)2.2 解的情况及其通解 (3)2.3 克拉默法则 (5)2.4 高斯消元法 (7)2.5 追赶法 (9)2.5.1 LU分解 (9)2.5.2 追赶法 (10)3 线性方程组的应用 (13)3.1 在解析几何中的应用 (13)3.2 在高等代数中的应用 (13)3.3 在运筹学中的应用 (14)3.4 在化学中的应用 (15)3.5 在经济学中的应用 (16)3.6 在控制科学中的应用 (18)4 结束语 (21)致谢 (22)参考文献 (23)1 引言线性方程组即各个方程关于未知量均为一次的方程组.对线性方程组的研究,中国比欧洲至少早1500年,记载在公元初《九章算术》方程章中.线性方程组是线性代数的主要内容,它主要包括线性方程组有解性的判定、线性方程组的求解和线性方程组解的结构等.而且随着现代工业的发展,线性方程组的应用出现在各个领域,伴随着大量方程和多未知数的出现,寻找简便而且准确的求解方法就显得十分重要而且具有现实意义.因此对线性方程组解法的研究就显得十分必要[]1.本文主要内容是讨论了线性方程组解的几种基本情况,以及有不唯一解时的通解表示形式.其次还介绍了线性方程组当解唯一时的三种求解方法,分别是:1、克拉默法则;2、高斯消元法;3、追赶法.另外本文还介绍了线性方程组在高等代数,解析几何,运筹学等数学领域以及在其他学科领域中的一些基本的应用.2 线性方程组求解线性方程组的核心问题是研究它何时有解,以及解是什么.本节主要对线性方程组解的情况进行讨论,给出当解不唯一时通解的表示形式.另外还介绍了几种特殊的线性方程组的求解方法.线性方程组可以分成两类,一类是未知量个数与方程的个数相等,另一类是未知量个数与方程的个数不等.对于前一类特殊的线性方程组,我们可以采用克拉默法则,对于后一种线性方程组我们可以采用高斯消元法.而追赶法是数值计算中解线性方程组的一种直接法,它能在无舍入误差存在的情况下,经过有限步运算即可求得方程组的精确解的算法.2.1 概念错误!未找到引用源。
关于线性方程组求解的论文

线性方程组的求解问题摘要:线性代数是代数学的一个重要组成部分,广泛应用于现代科学的许多分支。
其核心问题之一就是线性方程组的求解问题。
本文先简要介绍了线性方程组求解的历史,然后给出线性方程组解的结构。
重点介绍了解线性方程组的几种方法:消元法,克拉默法则和利用向量空间概念求解线性方程组的方法。
最后介绍了如何利用Matlab、Excel等常用电脑软件解线性方程。
关键词:线性方程组克拉默法则 Matlab1.线性方程组求解的历史线性方程组的解法,早在中国古代的数学著作《九章算术》方程章中已作了比较完整的论述。
其中所述方法实质上相当于现代的对方程组的增广矩阵施行初等行变换从而消去未知量的方法,即高斯消元法。
在西方,线性方程组的研究是在17世纪后期由莱布尼茨开创的。
他曾研究含两个未知量的三个线性方程组组成的方程组。
麦克劳林在18世纪上半叶研究了具有二、三、四个未知量的线性方程组,得到了现在称为克莱姆法则的结果。
克莱姆不久也发表了这个法则。
18世纪下半叶,法国数学家贝祖对线性方程组理论进行了一系列研究,证明了一元齐次线性方程组有非零解的条件是系数行列式等于零。
法国数学家范德蒙不仅对行列式理论本身进行了开创性研究,而且把行列式应用于解线性方程组。
英国数学家凯莱用矩阵表示线性方程组及线性方程组的解。
19世纪,英国数学家史密斯和道奇森继续研究线性方程组理论,前者引进了方程组的增广矩阵和非增广矩阵的概念,后者证明了n个未知数m个方程的方程组相容的充要条件是系数矩阵和增广矩阵的秩相同。
格拉斯曼则使用向量表示线性方程组的解。
2.线性方程组解的结构n元线性方程组的一个解(c1,c2,……c n)是一个,维向量,当方程组有无穷多个解时,需要研究这些解向量之间的关系,以便更透彻地把握住它们。
关于齐次线性方程组的解的结构有以下结论:1)定义1齐次线性方程组的一组解η1,η2……ηt称为该方程组的一个基础解系,如果a)该方程组的任一解都能表成η1,η2……ηt的线性组合。
线性方程组的几种新解法及应用毕业论文

(3.4)
其中 是 阶矩阵,
由行列初等变换, 秩
则
,
其中 分别为 阶和 阶非奇异矩阵.
由
其中
则 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3.5)
由以上可知,由方程组(3.5)的解可得方程组(3.4)的解
而
由此可知方程组(3.5)的解
令 , , ,
则 是方程组(3.5)的解,且 线性无关
设 是方程组(3.5)的任一解,则
[4] Wilkinson J H著.石钟慈等译.代数特征值问题[M].北京:科学出版社,1987.98-99
[5]李庆扬,易大义,王能超.现代数值分析[M].北京:高等教育出版社,1995.102-103
[6]王萼芳.高等代数教程.上册[M].北京:清华大学出版社,2000.1:73-246.
[7] 姚慕生.高等代数[M].上海:复旦大学出版社.2002.8.38-39,195.
设有线性方程组(n个未知数n个方程)
其矩阵形式为
其中
如果线性方程组的系数行列式不为零,即 ,则该方程组有唯一解.有克拉默法则知,其解为
其中 为用上述方程组的右端向量 代替 中第 列向量所得的矩阵.
3.2 高斯消元法
定理
1)线性方程组 有解
2)线性方程组 无解 .
定理 齐次线性方程组 有非零解
齐次线性方程组 有唯一解
线性方程组的几种新解法及应用
[摘要]本文主要是在线性方程组的两种解法的基础上来探讨线性方程组的另三种解法----求逆矩阵法、行列初等变换法、矩阵的三角分解法.先给出这几种方法的理论基础,再分别给出通过例题之处它们相互之间的适用性.这些方法中有的计算量不是很大,颇为实用.
1.[关键词]线性方程组;解法;基础解系;矩阵的秩;逆矩阵.
线性方程组的解法及其应用

线性方程组的解法及其应用摘要:线性方程组是线性代数的核心内容之一,其解法研究是代数学中经典且重要的研究课题.本文综述了几种不同类型的线性方程组的解法,如消元法、克拉默法则、广义逆矩阵法、直接三角形法、平方根法、追赶法,并以具体例子介绍不同解法的应用技巧. 在这些解法中,广义逆矩阵方法,具有表达式清晰,使用范围广的特点.另外,这些方法利于快速有效地解决线性方程组的求解问题,为解线性方程组提供一个简易平台,促进了理论与实际的结合.关键词:线性方程组解法广义逆矩阵应用实例The Solution of Linear Equations and Its Applications Name: Zhao Tao Student number: 200840510158 Advisor: Chu YaweiAbstract: Linear equations is one of the core content of linear algebra, the study of its solution is a classic andimportant research topic in algebra. This paper reviews several solution methods of different types of linear equations, such as elimination, a carat vision, generalized inverse matrix method, the direct triangle method, the method of the square root, pursued method, and gives the specific examples to introduce the application of skills of different solutions. Among these methods, the generalized inverse matrix method has characteristics of clear expression and wide utilization. In addition, we can solve the problems of linear equations quickly and effectively by using these methods, which provide a simple platform for solving linear equations, and promote the combination of theory and practice.Keywords: linear equations solution generalized inverse matrix application example1. 引言线性方程组理论是高等数学中十分重要的内容,而线性方程组的解法是利用线性方程组理论解决问题的关键.本文主要介绍线性方程组的广义逆矩阵法、追赶法、平方根法等求解方法,为求解线性方程组提供一个平台.文章也给出线性方程组在其他领域中的应用实例,揭示了各学科之间的内通性.首先,我们讨论一般线性方程组.这里所指的一般线性方程组形式为11112211211222221122,,.n n n n s s s n n s a x ax ax b ax ax ax b a x ax ax b +++=⎧⎪+++=⎪⎨⎪⎪+++=⎩()i()i 式中(1,2,,)ix i n = 代表未知量,(1,2,,;1,2,,)i j a i s j n == 称为方程组的系数,(1,2,,)j bj n =称为常数项. 线性方程组)(i 称为齐次线性方程组,如果常数项全为零,即120sbb b ==== . 令111212122212n n s s sn a a a a a a A a a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ ,12n x x X x ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ , 12s b b B b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦, 则()i 可用矩阵乘法表示为A X B=,,,.m n n mA C X CBC ⨯∈∈∈ 2. 线性方程组的解法2.1 消元法在初等代数里,我们已经学过用代入消元法和加减消元法解简单的二元、三元线性方程组.实际上,这个方法比用行列式解方程组更具有普遍性.但对于那些高元的线性方程组来说,消元法是比较繁琐的,不易使用.例 1 解线性方程组123123123123324,32511,23,237.x x x x x x x x x x x x +-=⎧⎪+-=⎪⎨++=⎪⎪-++=-⎩ 解 分别将第一个方程的(-3)倍,(-2)倍和2倍加到第二、三、四个方程上,整理得123232323324,71,555,7 1.x x x x x x x x x +-=⎧⎪-+=-⎪⎨-+=-⎪⎪-=⎩将此方程组第二个方程加到第四个方程上,使该方程两边全为零,并将第三个方程的两边乘以15-,得1232323324,71,1.x x x x x x x +-=⎧⎪-+=-⎨⎪-=⎩再将第三个方程的7倍加到第二个方程上,消去第二个方程中的未知量2x ,整理得123233324,1,6 6.x x x x x x +-=⎧⎪-=⎨⎪-=⎩最后解得123(,,)(2,0,1)T Tx x x =--. 正如消元法是我们接触比较早的,被我们所熟悉的一种方法,在此只给出三元线性方程组的解法,三元以上的方程组的具体理论、性质和解题过程详见参考文献[1].2.2 应用克莱姆法则对于未知个数与方程个数相等的情形,我们有 定理1[1] 如果含有n 个方程的n 元线性方程组11112211211222221122,,.n n n n n n n n n n a x ax ax b ax ax ax b ax ax ax b +++=⎧⎪+++=⎪⎨⎪⎪+++=⎩()i i的系数矩阵111212122212n n n n nn a a a a a a A a a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦的行列式111212122212d et 0n nn n n na a a a a a A a a a =≠ ,那么线性方程组()i i 有唯一解:d e t (1,2,,),d e t jjB x j n A== 其中d e t j B 是把矩阵中第j 列换成线性方程组的常数项12,,,n bb b 所成的矩阵的行列式,即111,111,11222,122,121,1,1d e t ,1,2,,.j j nj j nj n n j n n j n na ab a a a a b a a B j n a a b a a -+-+-+==此外,还可以叙述为,如果含有n 个未知数、n 个方程的线性方程组A x b =的系数矩阵的行列式d e t 0A ≠,则线性方程组A x b =一定有解,且解是唯一的. 例2 解线性方程组12342341242342344,3,31,73 3.x x x x x x x x x x x x x -+-=⎧⎪-+=-⎪⎨++=⎪⎪-++=-⎩ 解 由已知可得系数行列式12341234123401110111111d e t 16013015352073173148A ---------====≠----, 因此线性方程组有唯一解.又因124234143431110311d e t 128,d e t 48,1301110137310331B B -------==-==- 341244123401310113d e t 96,d e t 0.1311130107310733B B ------====-- 故线性方程组的解为1234(,,,)(8,3,6,0)T Tx x x x =-. 克莱姆法则主要给出了解与系数的明显关系,但只能应用于系数矩阵的行列式不为零的线性方程组,并且它进行计算是不方便的. 2.3 广义逆矩阵A -法设m nA C⨯∈.如果存在n m G C ⨯∈,使得A G A A =,则称G 为矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵,记作A -.矩阵A 的{1}-逆总是存在的,但一般不是惟一的[12],矩阵A 的{1}-逆的全体记为{1}A .若m n A C ⨯∈,A -n m C ⨯∈为A 的一个{1}-广义逆矩阵,则对,n mV W C⨯∈为任意的n m⨯矩阵,矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵为 G A V A A V A A---=+-, 同时还可以表示为()()m nG A V E A AE A A W ---=+-+-. 广义逆矩阵A -的计算:(1)设(0)m nrA C r ⨯∈>,且有m m m P C ⨯∈和n 阶置换矩阵Q 使得 (),(),r r nr E K P A Q KC OO ⨯-⎡⎤=∈⎢⎥⎣⎦则对任意的()()nr m r L C-⨯-∈,n m ⨯矩阵 r E O G Q P O L ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦是A 的一个{1}-广义逆矩阵.若存在n nn T C ⨯∈使得,r E O P A T O O ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦则矩阵的{1}-逆的全体12()()()()1221222122{1},,.r r m r n r r n rm r E L A T P L C L CL C L L ⨯--⨯-⨯-⎧⎫⎡⎤⎪⎪=∈∈∈⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭(2)设m nA C ⨯∈,则A 有惟一{1}逆的充分必要条件是mn =,且()r A n =,即A 可逆.这个惟一的{1}逆就是1A -.定理2[8] 设m n A C ⨯∈,m b C ∈,则A Ab b -=是线性方程组A x b =有解的充要条件,其中{1}A A -∈.如果线性方程组A x b =有解,其通解可表示为()x A b E A A y--=+-,其中y 是任意的n 维列向量.定理3[6] 设线性方程组A x b =有解,A -是m n ⨯矩阵A 的一{1}-广义逆矩阵,并且()H A A A A--=,则y A b -=为线性方程组A x b =的最小范数解. 定理4[6] 设A -为m n ⨯矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵,且()H A A A A--=,则对任意的n 维列向量b ,y A b -=一定是线性方程组A x b =的最小二乘解. 例3 解线性方程组12341241234235,5814,2234.x x x x x x x x x x x ++-=⎧⎪++=⎨⎪+-+=⎩ 解 令231158011223A -⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦,5144b ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦. 通过行初等变换得到4203()()102211AE HP P -⎡⎤⎢⎥|→|→=-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦. 取4Q E =,再令0α=,0β=,得1000100000A Q P αβ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦=2310222αααβββ-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥--⎢⎥--⎣⎦20310200000-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦. 可以验证(5,14,4)TA A b b-==. 所以线性方程组有解,且通解为123420*********()0001000001y y x A b E A A y y y ----⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+-=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦(1234,,,y y y y C ∈任意).该方法对线性方程组解的讨论更加完整,表达形式也更加简洁系统.在无穷多个解向量中,此法可求出一个长度最短解向量,当方程组无解时,又可求出其最优近似解,而且该方法在概率统计、线性规划等领域中应用比较广泛. 2.4 Moore-Penrose 广义逆A +法定义1[12] 设m nA C⨯∈矩阵,如果矩阵n m G C ⨯∈满足如下四个矩阵方程 ①A G A A =; ②G A G G =; ③H G A G A ()=; ④H G A G (A )=. 则称G 为A 的Moore-Penrose 逆(或加号逆),记为A +.若为A 非奇异矩阵,则1A A+-=. 广义逆矩阵A +的有些性质与普通意义下逆矩阵的性质类似,而有些性质却完全不同.定理5[12] 对任意m n A C⨯∈,A +存在并且唯一. 如果m n r A C ⨯∈(0)r >,且A 的满秩分解为,(,)m r r nr r A F G F C G C ⨯⨯=∈∈, 那么11()().H H H H A G G GF F F +--= 由此可以推得,若m n A C ⨯∈,则当()r A m =时,有1()H H A A A A +-=;而当()r A n =时,有1()H H A A A A+-=. 由于广义逆矩阵A +同时是矩阵A 的{1}-逆,{1,2}-逆,{1,3}-逆和{1,4}-逆,所以它与线性方程组的求解问题密切联系,而且有着非常整齐的结论:设m nA C⨯∈,m b C ∈,则 (1)设A Ab b +=,且通解形式为()x A b E A A y++=+-(n y C ∈任意), 是线性方程组A x b =有解的充要条件;(2)矛盾线性方程组A x b =的全部最小二乘解的通式,或相容线性方程组A x b =的通解为()x A b E A A y++=+-,(n y C ∈任意); (3) n z C ∈是矛盾线性方程组A x b =的最小二乘解得充要条件是,z 是线性方程组A x A Ab+=的解; (4) n z C ∈是线性方程组A x b =的最小二乘解得充要条件是,z 是线性方程组H H AA x A b=的解; (5)线性方程组A x b =的惟一极小范数最小二乘解,或线性方程组A x b =的惟一极小范数解为0x A b +=.例4 用广义逆矩阵方法判断线性方程组12341234234220,220,2154.x x x x x x x x x x x -++-=⎧⎪+--=⎨⎪+-=⎩ 是否有解.如果有解,求通解和极小范数解;如果无解,求极小范数最小二乘解.解 由题可得方程组的矩阵形式A x b =,其中112221120112A --⎡⎤⎢⎥=--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦,00154b ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦. 易得()2r A =,矩阵A 的一个满秩分解为11101021011201A F G -⎡⎤-⎡⎤⎢⎥==⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎢⎥⎣⎦, 因此11()()H H H H A G G GF F F+--=1833181191262210154162218--⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥---⎣⎦. 由于(66,33,54)TA A b b+=≠,所以原方程组无解,极小范数最小二乘解为0x A b +=(1,9,10,18)T =--. 方程组的个数与未知数的个数不相等时,系数矩阵不是方阵,可用此方法判别方程组是否有解,并能快速地解各种矩阵方程. 2.5 直接三角分解法[5]设有线性方程组11112211211222221122,,,n n n n n n n n n n a x ax ax b ax ax ax b ax ax ax b +++=⎧⎪+++=⎪⎨⎪⎪+++=⎩或写成矩阵形式A x b =,其中111212122212n n n n nn a a a a a a A a a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ ,12n x x x x ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ ,12n b b b b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦. 若A 为非奇异矩阵,且有分解式A L U =,其中U 为上三角矩阵,L 为单位下三角矩阵,即11121212221,1111n n n n n n n u u u l u u A L U l l u -⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦, 则线性方程组A x b =的求解等价于 解以下两个三角方程组:(1)L y b =,求y ; (2)U x y =,求x .直接三角形分解法求解线性方程组,基本步骤如下:第一步: 11,(1,2,,),i iu ai n == 1111,(2,3,,)i i l a u i n == ,计算U 的第r 行,L 的第r 列元素,2,3,,r n= . 第二步: 11,(,1,,)r r i r i r kk ik u a lu i r r n -==-=+∑. 第三步: 11,(1,,;)r i r i r i k k r r rk l a l u u i r n rn -==(-)=+≠∑.求解Ly b =,Ux y =的计算公式如下:第四步: ()1111,,2,3,.i i i i k k k y b y b l y i n -==⎧⎪⎨=-=⎪⎩∑ 第五步: 1,(),(1,2,,1).n n n nn i i i k k i i ki x yu x y u x u i n n =+=⎧⎪⎨=-=--⎪⎩∑ 例5 求解线性方程组1231212321,42,227.x x x x x x x x ++=⎧⎪+=-⎨⎪-++=⎩ 解 由直接三角分解法第二、三步可得211100211410210012221131004A L U ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥==--=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦⎣⎦. 于是线性方程组变为L U x b =,求解线性方程组(1,2,7)TL y =-,得 (1,4,4)Ty =--; 求解线性方程组(1,4,4)TU x =--,得 (1,2,1)Tx =-. 2.6 平方根法[7]在许多应用中,欲求解的线性方程组的系数矩阵是对称正定的.所谓平方根法,就是利用对称正定矩阵的三角分解而得到的求解具有对称正定矩阵的线性方程组的一中有效方法,目前在计算机上广泛应用平方根法解此类方程组.定理6[12] 若A 的各阶顺序主子式非零,则A 可以分解为A L D U =,其中L是单位下三角矩阵,U 是单位上三角矩阵,D 是对角矩阵,且这种分解是唯一的.定理7[12] 设A 为对称正定矩阵,则存在三角分解TA L L =,其中L 是非奇异下三角形矩阵,且当限定L 的对角线元素为正时,这种分解是唯一的.应用对称正定矩阵的平方根法,可以解具有对称正定系数矩阵的线性方程组A x b =,具体算法如下:1) 对j =1,2, ,n ,计算11221()j jj jj jkk l a l -==-∑,11j ij ij ik jk k l a l l -==-∑(1,,)i j n =+ . 2) 求解线性方程组A x b =等价于解两个三角方程组,.TL y b L x y =⎧⎨=⎩计算11()i i i i k k i i k y b l y l -==-∑,(1,2,,n ), 1()ni i k i k i i k i x b l x l =+=-∑,(i n =,1n -,,2,1), 即可.例6 求解线性方程组123411614.252.750.5.12.753.51.25x x x-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦ 解 设11112131212222323132333341114.252.7512.753.5l l l l l l l l l l l l -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦, 由矩阵乘法得1121223132332,0.5,2,0.5,1.5,1.l l l l l l ==-==== 解下三角方程组123260.520.50.51.511.25y y y ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-=-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦, 得1233,0.5,1,y y y ===- 再由123230.520.50.51.511Tx x x ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦, 得线性方程组的解为123(,,)(2,1,1)T Tx x x =-. 可以用消元法解此方程组,但发现此方程组的系数矩阵为正定矩阵,运用平方根法解这个方程组比较容易,而且理论分析指出,解对称正定方程组的平方根法是一个稳定的算法,其在工程计算中使用比较广泛. 2.7 追赶法[5]在许多实际问题中,都会要求解系数矩阵为对角占优的三对角方程组11112222211111i i i i i n n n n n n n n n x k b c x k a b c a b c x k a b c x k a b x k -----⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦,简记作 A x k =, 其中A 满足下列对角占优条件:(1) 110b c >>;(2) i i i b a c ≥+, a ,c 0≠(2,3, ,1n -); (3) 0n n b c >>.由系数矩阵A 的特点,可以将A 分解为两个三角矩阵的乘积,即A L U =,其中L 为下三角矩阵,U 为单位上三角矩阵.求解线性方程组A x k =等价于解两个三角方程组Ly k =与Ux y =,先后求y 与x ,从而得到以下解三角方程组的追赶法公式:第一步:计算的递推公式111c b β=,1()i i i i i c b a ββ-=-,(2i =,3, ,1)n -; 第二步:解Ly k =:111y k b =,11()()i i i i i i i y k a y b a β--=--,(2,3,,)i n = ; 第三步:解Ux y =:n n x y =,1i i i i x y x β+=-,(1,2,,2,1)in n =-- . 例7 求解三对角线性方程组123421001131020111200210x x x x ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦. 解 设有三角分解111122222233333344441111b c p q a b c a p q a b c a p q a b a p ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦, 由矩阵乘法易得111,,1,2,3.,2,3,4.i i i i i i i p b q c p i p b aq i -=⎧⎪==⎨⎪=-=⎩ 将已知系数矩阵的元素代人上式有11223342,12,52,25,35,53,73.p q p q p q p ==⎧⎪==⎪⎨==⎪⎪=⎩ 解线性方程组112233441121220p y p y p y p y ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦, 得123412,35,73,2.y y y y ==== 再解线性方程组111222333441111x y q x y q x y q x y ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦,得原线性方程组的为1234(,,,)(0,1,1,2)T Tx x x x =-. 追赶法是以LU 分解为基础的求解方法,因此它的不足之处是当某个0=k u 时,就不能进行.但是当方程组的系数矩阵A 中有很多零元素时,利用三对角方程组系数矩阵的稀疏性,使零元素不参加运算,可以类似于追赶法来简化计算过程,从而极大地节省了计算量和存储量.这也是追赶法的最大特点.3. 应用举例3.1 线性方程组在解析几何中的应用例8 已知平面上三条不同直线的方程分别为1L :230a x b y c ++=, 2L :230b x c y a ++=, 3L :230c x a y b ++=, 试证:这三条直线交于一点的充分必要条件为0a b c ++=. 证 必要性 设三直线1L ,2L ,3L 交于一点,则线性方程组232323ax by c bx cy a cx ay b +=-⎧⎪+=-⎨⎪+=-⎩()i i i有惟一解,故系数矩阵222ab A bc ca ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦与增广矩阵232323a b c A b c a c a b --⎡⎤⎢⎥=-⎢⎥⎢⎥-⎣⎦的秩均为2,于是0A -=,即22223236()()23a b cAb c a a b c a b c a b a cb c c a b--=-=++++----=0,所以0a b c ++=. 充分性 由0a b c ++=,则从必要性的证明可知,0A -=,故()3r A -<. 由于22222132()2[()]2[()]0224a b a c b a a b b a b b b c =-=-++=-++≠, 故()()2r A r A -==.因此线性方程组()i i i 有惟一解,即三直线1L ,2L ,3L 交于一点.3.2 线性方程组在产品生产量中的应用例9 设有一个经济系统包括3个部门,在某一个生产周期内各部门间的消耗及最终产品如表所示:求各部门的总产品.解 设x 表示第部门的总产品.由已知可以得到线性方程组()I A x y -=,其中0.250.10.1()0.20.20.10.10.10.2ij A a ⎡⎤⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎣⎦,0.750.10.10.20.80.10.10.10.8I A --⎡⎤⎢⎥-=--⎢⎥⎢⎥--⎣⎦,(245,90,175)Ty =. 消耗系数 消耗部门 生产部门123最终产品1 0.25 0.1 0.1 2452 0.2 0.2 0.1 90 30.10.10.2175利用矩阵的初等变换可以求得1126181810()34118198912017116I A -⎡⎤⎢⎥-=⎢⎥⎢⎥⎣⎦, 所以线性方程组()I A x y -=的解为1126181824540010()3411819902508912017116175300x I Ay -⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=-==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦. 4. 结束语本文针对不同的线性方程组给出了一些计算方法,及线性方程组的应用实例.根据线性方程组自身所具有的特点,可以选择相应合适的方法,而对于那些特殊类型的线性方程组的解法,有待进一步的讨论与研究.参考文献:[1] 北京大学数学系几何与代数教研室前代数小组编. 高等代数[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.105-112.[2] 白梅花. 线性方程组若干应用实例举例[J].科技资讯,2011,(27):200-201.[3] 康道坤,陈劲. 广义逆下线性方程组的解结构及其推广[J].大理学院学报,2011,10(4):7-9.[4] 卢刚.线性代数[M]. 北京:高等教育出版社,2002.64-72.[5] 李庆扬,王能超,易大义. 数值分析[M].4版.武汉:华中科技大学出版社,2006.177-185.[6] 苏育才,姜翠波,张跃辉. 矩阵理论[M].北京:科学出版社,2006.200-206. 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线性方程组理论的毕业论文(1)
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线性方程组理论的毕业论文(1)线性方程组理论是代数学的一个非常重要的分支,它在各个领域都有广泛的应用,如经济、物理学、工程学等。
作为一名数学专业本科生,我在毕业设计中选择了“线性方程组理论”的研究,旨在通过分析线性方程组的各种性质和解法,深入探究线性方程组的本质。
一、线性方程组的定义线性方程组指的是一组形如a1x1 + a2x2 + ... + anxn = b的方程,其中ai和b都是已知的常数,而x1、x2、…、xn就是未知数。
这样的方程组可以写成矩阵形式Ax = b,其中A是一个m*n的矩阵,而x和b都是n*1的列向量。
二、线性方程组的解法在求解线性方程组时,可以使用几种不同的方法。
其中最为常见的是高斯消元法和矩阵求逆法。
高斯消元法的基本思想是通过逐步消元来简化方程组,直到得到最简形式的方程组。
而矩阵求逆法则是通过求解逆矩阵,将矩阵方程转化为一般的方程求解。
此外,还有克拉默法则等其他解法。
三、线性方程组的性质线性方程组有许多重要的性质,如方程解的存在唯一性、行列式的值等。
其中最为重要的是线性方程组的求解性质,即矩阵的秩和特解的存在唯一性是等价的。
此外,线性方程组还有其他一些重要的性质和定理,如Gauss-Jordan消元法和Cramer定理等。
四、线性方程组的应用线性方程组理论既有理论基础,又有广泛的应用。
在经济学中,线性方程组被广泛地用于描述供求关系,货币政策等问题。
在物理学中,线性方程组被用于求解矢量场的分布、电路网络的设计等问题。
在工程学中,线性方程组被用于求解机械系统的动力学问题等。
综上所述,线性方程组理论是代数学中的一个重要分支,通过对线性方程组的性质和解法进行深入探究,我们可以更好地理解复杂问题的本质,并将理论知识应用到实际问题的分析和解决中。
线性方程组解法综述
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线性方程组解法的研究综述摘要:这篇论文在说明了线性方程组的应用目的的基础上,提出了线性方程组求解的研究现状,并列举了常用的求解方法,同时说明了它们的应用条件,剖析了各种方法的不足之处。
关键词高斯消元迭代病态方程组一、问题提出在自然科学和工程实际应用中,有许多问题的求解最终都转化为线性方程组的求解问题。
例如,电学中的网络问题,曲线拟合中常用的最小二乘法、样条函数插值、解非线性方程组、求解偏微分方程的差分法、有限元法和边界元法以及目前工程实践中普遍存在的反演问题等。
特别是在图像恢复、模型参数估计、解卷积、带限信号外推、地震勘探等众多领域,都需要求解线性方程组。
由于线性方程组问题在理论上的重要性和在工程实际应用中的大量存在,多年来人们在这方面做了广泛深入的研究和探讨,并取得了许多有价值的成果.由于模型误差、测量误差、计算误差等各种误差的存在,常常使得线性方程组中的系数矩阵和非齐次项信息具有某种程度的近似性(即扰动性),这种近似性显然会使得线性方程组的求解不容易得到真实的理论解。
此时,不同的求解方法由于运算机理不一样,求解过程中误差积累程度就不一样,因此必然会使得不同的求解方法得到的解具有不同的逼近真解的误差程度,尤其对具有病态性的方程组而言,由于病态线性方程组的条件数很大,数据误差以及计算过程中引入的舍入误差往往会使线性方程组的解不稳定,即不管原始数据的误差多么小,都可能造成解的很大变化,使线性方程组的解严重失真。
因此,许多现有的方法都是无效的,病态线性方程组的求解变得相当困难。
求解线性方程组的最常用的方法主要有直接法和迭代法两大类,其中直接法中最常用的方法是高斯消元法。
但是,该方法求解病态线性方程组时不能得到合理的解,误差很大。
二、研究现状目前关于线性方程组的数值解法一般有两大类。
一类是直接方法,另一类是迭代方法。
直接方法最基本的是高斯消元法及其变形,这类方法是解低阶稠密矩阵方程组的有效方法,近十几年来直接法在求解具有较大型稀疏矩阵方程组方面取得了较大进展。
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线性方程组的解法讨论毕业论文目录1 引言 (1)2 文献综述 (1)2.1 国外研究现状 (1)2.2 国外研究现状评价 (2)2.3 提出问题 (2)3 线性方程组的概念及解的基础理论 (2)3.1 齐次线性方程组 (3)3.2 非齐次线性方程组 (6)4 线性方程组的解法 (9)4.1 高斯消元法 (9)4.2 用克拉默(Cramer)法则解线性方程组 (10)4.3 LU分解法 (11)4.4 逆矩阵法及广义逆矩阵A 法 (12)5 结论 (15)5.1 主要发现 (15)5.2 启示 (15)5.3 局限性 (15)5.4 努力方向 (15)参考文献 (16)1 引言求解线性方程组AX=b是科学计算的中心问题[1].对于系数矩阵为低阶稠密矩阵的线性方程组可以用直接法进行消元.对于大规模线性方程组的求解问题,特别是大规模稀疏线性方程组,直接法会显得比较繁琐.因此,探讨线性方程组的解法就成了当前数学计算中的一个重点和难点.目前,求解线性方程组的主要方法有高斯消元法[2],克拉姆法[4],广义逆矩阵A 法[3],LU分解法[9],如何选择是大家关心的一个问题.在科技、工程、医学、经济等各个领域中,很多问题常常归结为线性方程.有些问题的数学模型虽不直接表现为求解线性方程,但其数值解法中却需将该问题“离散化”或“线性化”为线性方程组[10].随着计算机存储量的日益增大和计算机速度的迅速提高,使得求解线性代数方程组的直接求法如高斯消去法等在计算机上可以用来求解大规模线性代数方程组,并且由于处理稀疏矩阵存贮和计算技术的飞速发展,加之直接方法理论的日臻完善,进一步断定了直接方法的巨大使用价值和可靠性,因而在近三十年来直接法被广泛地采用,在科学研究和大型工程设计中出现了越来越多的数学问题,而这些问题往往需要求数值解,在进行数值求解时,经离散后,常常归结为求解行如Ax=b的大型线性方程组.许多源于工程技术的数学问题,都可以归结为求解线性方程组.因此在各种数据处理中,线性方程组的求解是最常见的问题之一.因此,找到一种行之有效的方法来解线性方程组可以给计算带来很大的便利,提高人们的工作效率.2 文献综述2.1 国外研究现状目前,国外对线性方程组解法的研究已从各个方面进行了一定的探讨,得出了一系列的成果,文献[1-2]中作者简单地叙述了线性方程组的思想方法,文献[3]中漫谈了线性方程组的改革,文献[4-5]中系统地介绍了线性方程组的基本理论,文献[6]中系统地讲述了线性方程组的各种解法,文献[7-10]中介绍了一些线性方程组的典例与解法,文献[11]中韩艳丽介绍了线性方程组在处理矩阵秩问题中的应用,文献[11-12]周均介绍了齐次与非齐次线性方程组重要理论的应用举例,文献[13-14] 花威谈了线性方程组在高等代数中的应用.2.2 国外研究现状评价国外对线性方程组的研究多偏重于计算方法和应用方面的研究,分别从商品利润问题、交通问题、在解析几何中的应用问题、解决高等代数等方面进行研究,对线性方程组的系统讨论及怎样选择恰当的方法求解,给出的研究不多.2.3 提出问题针对国外研究现状,本文把以上文章中的所有问题进行了综合,对线性方程组的解法作了归纳总结,弥补其中的一些不完善的地方,并例举一些具有针对性、典性的例题.3 线性方程组的概念及解的基础理论形如11112211212222112212n nn nm m mn n ma x a x a x ba x a x a x ba x a x a x b+++=+++=+++=⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩(1.1)的方程组,叫做线性方程组,其中x1,x2,…x n代表n个未知量的系数,m是方程的个数;a ij(i=1,2, …,m,j=1,2, …,n) 称为方程组的系数b i(i=1,2, …,s)称为常数项.3.1 齐次线性方程组若方程组(1.1)中12,,m b b b 全为0,即111122112122221122000n n n n m m mn n a x a x a x a x a x a x a x a x a x +++=+++=+++=⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩ (1.2) 形如(1.2)的方程组叫做齐次线性方程组[7].常记为矩阵形式: Ax=0其中111212122212n n m m mn a a a a a a A a a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 系数矩阵()ij m n A a ⨯=的秩()R A r =. 且方程组(1.2)的解空间为V . 则可以得到下列结论dim()()V n R A =-, 这里dim()V 表示方程组(1.1)解空间的维数[9].定理 齐次线性方程组一定有解: (1) 若齐次线性方程组()r A n =,则只有零解; (2) 齐次线性方程组有非零解的充要条件是()r A n <.解的性质:记{}0V x Ax ==, (1)如果12,V ξξ∈,那么12V ξξ+∈; (2)如果,V k ξ∈为任意常数,那么k V ξ∈. (3)齐次线性方程组的通解为1122n r n r c c c ξξξ--+++, 12,,,n r c c c -是任意常数,其中12,,,n r ξξξ-是0Ax =的一个基础解系.例1[15]解线性方程组12341234123412342350,320,4360,2470.x x x x x x x x x x x x x x x x +-+=⎧⎪++-=⎪⎨+-+=⎪⎪-+-=⎩解 方法一:将系数矩阵A 化为阶梯形矩阵12472315071014312143001641367124726000743A --⎡⎤⎢⎥-⎡⎤-⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥=→→-⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥--⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦显然有()4r A n ==,则方程组仅有零解,即12340x x x x ====.方法二:由于方程组的个数等于未知量的个数(即m n =)(注意:方程组的个数不等于未知量的个数(即m n ≠),不可以用行列式的方法来判断),从而可计算系数矩阵A 的行列式:23153121327041361247A --==≠---,知方程组仅有零解,即12340x x x x ====.例2[2] 解线性方程组12345123452345123450,3230,2260,54330.x x x x x x x x x x x x x x x x x x x ++++=⎧⎪+++-=⎪⎨+++=⎪⎪+++-=⎩解 将系数矩阵A 化为简化阶梯形矩阵11111321130122654331A ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦1412(5)(3)r r r r ⨯-+⨯-+−−−−→11111012260122601226⎡⎤⎢⎥----⎢⎥⎢⎥⎢⎥----⎣⎦2123242(1)(1)r r r r r r r ++⨯-+-⨯−−−−→10115012260000000000---⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦可得()2r A n =<,则方程组有无穷多解,其同解方程组为134523455,226.x x x x x x x x =++⎧⎨=---⎩(其中3x ,4x ,5x 为自由未知量)令31x =,40x =,50x =,得121,2x x ==-;令30x =,41x =,50x =,得121,2x x ==-;令30x =,40x =,51x =,得125,6x x ==-,于是得到原方程组的一个基础解系为112100ξ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,212010ξ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦,356001ξ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦.所以,原方程组的通解为 112233X k k k ξξξ=++(1k ,2k ,3k R ∈).例3[3] 求齐次线性方程组12341234123420,20,250.x x x x x x x x x x x x -++=⎧⎪-+-=⎨⎪-++=⎩的一个基础解系,并以该基础解系表示方程组的全部解.解 将系数矩阵A 化成简化阶梯形矩阵121112111215A -⎡⎤⎢⎥=--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦1312(1)(1)r r r r ⨯-+⨯-+−−−−→121100020004-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎣⎦12232(1)()r r r ⨯-+⨯-−−−−−→121000010000-⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦可得()2r A n =<,则方程组有无穷多解,其同解方程组为12342,0,x x x x =-⎧⎨=⎩(其中2x ,3x 为自由未知量)令21x =,30x =,得142,0x x ==;令20x =,31x =,得141,0x x =-=,于是得到原方程组的一个基础解系为12100ξ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦,21010ξ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦所以,原方程组的通解为1122X k k ξξ=+(其中1k ,2k 为任意实数).注:基础解系不唯一,但是它们所含解向量的个数相同,且基础解系所含解向量的个数等于n-r(A).由上面的定理可知,若m 是系数矩阵的行数(也即方程的个数),n 是未知量的个数,则有:(1)当m n <时,()r A m n ≤<,此时齐次线性方程组一定有非零解,即齐次方程组中未知量的个数大于方程的个数就一定有非零解;(2)当m n =时,齐次线性方程组有非零解的充要条件是它的系数行列式0A =; (3)当m n =且()r A n =时,此时系数矩阵的行列式0A ≠,故齐次线性方程组只有零解;(4)当m n >时,此时()r A n ≤,故存在齐次线性方程组的同解方程组,使“m n ≤”.3.2非齐次线性方程组1.若方程组(1.1)中12,,m b b b 不全为0,即11112211211222221122n n n n n n nn n na x a x a xb a x a x a x b a x a x a x b +++=⎧⎪+++=⎪⎨⎪⎪+++=⎩ (1.3)形如(1.3)的方程组叫做非齐次线性方程组,常记为矩阵形式: Ax=b.其中11121121222212,n n m m mn n a a a b a a a b A b a a a b ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦系数矩阵()ij m n A a ⨯=的秩()R A r =. 且方程组(1.3)的解空间为V . 则可以得到下列结论dim()()V n R A =-, 这里dim()V 表示方程组(1.1)解空间的维数[9].(,)A A b =称为方程组(1.3)的增广矩阵,关于非齐次线性方程组,有以下理论:(1)唯一解:()()r A r A n == ⇔线性方程组有唯一解. (2)无解:()()r A r A ≠⇔线性方程组无解.(3)无穷多解:()()r A r A n =<⇔线性方程组有无穷多解. 2.解的性质:记{}0V x Ax ==,{}S x Ax b ==. (1)如果12,S ξξ∈,那么12V ξξ-∈; (2)如果,S V ηξ∈∈,那么S ηξ+∈;(3)非齐次线性方程组的通解为01122n r n r x c c c ηξξξ--=++++, 12,,,n r c c c -是任意常数,其中0η是Ax β=的一个解(称为特解),12,,,n r ξξξ-是0Ax =的一个基础解系.例4[7] 解线性方程组12312312321,224,44 2.x x x x x x x x x ++=⎧⎪-+=-⎨⎪++=-⎩ 解 2113(2)(4)11211121()2124032641420346r r r r A A B ⨯-++-+⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==--−−−−−→---⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥----⎣⎦⎣⎦))332311(224(3r r r r r ⨯-⨯+⨯-+−−−−−→21()3100110010306010200100010r ⨯---⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥--−−−−−→⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ 可见()()3r A r A ==,则方程组有唯一解.所以方程组的解为 1231,2,0.x x x =-⎧⎪=⎨⎪=⎩例5[1] 解线性方程组12312312321,22,2 4.x x x x x x x x x -++=⎧⎪-+=-⎨⎪+-=⎩ 解 1212132(1)21111212()1212033311240336r r r r r r A A B ↔⨯+⨯-+---⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==--−−−−−→--⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦23r r +−−−−→ 121203330003--⎡⎤⎢⎥--⎢⎥⎢⎥⎣⎦, 可见()3()2r A r A =≠=,所以原方程组无解.例6 解线性方程组123412413423,231,2210 4.x x x x x x x xx x +-+=⎧⎪+-=⎨⎪--+=⎩解 1213(2)21112311123()21031012752021040241410r r r r A A B ⨯-+⨯+--⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==-−−−−−−→---⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥---⎣⎦⎣⎦2321221(1)101520127500000r r r r r ⨯+⨯+⨯---⎡⎤⎢⎥−−−−−→-⎢⎥⎢⎥⎣⎦可见()()24r A r A ==<,则方程组有无穷多解,其同解方程组为13423425,527.x x x x x x =--+⎧⎨=+-⎩ (其中3x ,4x 为自由未知量)令340,0,x x ==得原方程组的一个特解2500η-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦.又原方程组的导出组的同解方程组为1342345,27.x x x x x x =-+⎧⎨=-⎩(其中3x ,4x 为自由未知量)令31x =,40x =,得121,2x x =-=;令30x =,41x =,得125,7x x ==-,于是得到导出组的一个基础解系为11210ξ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦,25701ξ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦.所以,原方程组的通解为1122X k k ηξξ=++(1k ,2k R ∈).4 线性方程组的解法4.1 高斯消元法高斯(Gauss)消元法是一种古老的方法[4],基于高斯消元法的基本思想而改进、变形得到的主元素消去法、三角分解法,是最基础和最直接的求解线性方程组的方法,其中涉及到三种对方程的同解变换:(1)把某个方程的k 倍加到另外一个方程上去; (2)交换某两个方程的位置; (3)用某个常数k 乘以某个方程. 这三种变换统称为线性方程组的初等变换.高斯消元法的基本思想是:通过一系列的加减消元运算,也就是代数中的加减消去法,将方程组化为上三角矩阵;然后,再逐一回代求解出x 向量.现举例说明如下:例7 解线性方程组123123123123324,32511,23,237.x x x x x x x x x x x x +-=⎧⎪+-=⎪⎨++=⎪⎪-++=-⎩解 分别将第一个方程的(-3)倍,(-2)倍和2倍加到第二、三、四个方程上,整理得123232323324,71,555,7 1.x x x x x x x x x +-=⎧⎪-+=-⎪⎨-+=-⎪⎪-=⎩将此方程组第二个方程加到第四个方程上,使该方程两边全为零,并将第三个方程的两边乘以15-,得1232323324,71,1.x x x x x x x +-=⎧⎪-+=-⎨⎪-=⎩再将第三个方程的7倍加到第二个方程上,消去第二个方程中的未知量2x ,整理得123233324,1,6 6.x x x x x x +-=⎧⎪-=⎨⎪-=⎩最后解得123(,,)(2,0,1)T Tx x x =--. 小结:高斯(Gauss)消元法的思想比较简单,操作起来比较容易,但它只适用于未知数较少的线性方程组;当方程个数和未知数较多时,消元较为困难.4.2 用克拉默(Cramer )法则解线性方程组定理1 如果方程组Ax=b 中D=|A|≠0,则Ax=b 有解,且解是唯一的,解为1212,,...,n n D D Dx x x D D D===i D 是D 中第i 列换成列矩阵b 所得的行列式.定理2 如果方程组Ax=b 中有非零解,那么必有D=|A|=0,Cramer 法则解n 元方程组有两个前提条件:(1)未知数的个数等于方程的个数. (2)系数行列式不等于零定理3[3] 当齐次线性方程组0Ax =,0A ≠时该方程组有唯一的零解.定理4[4] 齐次线性方程组0Ax =有非零解0A <=>=.例8 解线性方程组12312312312494x x x x x x x x x ++=⎧⎪-++=-⎨⎪++=⎩解 111123300149D =--=≠所以,方程组有唯一解.111122320449D =--=, 21111232,149D =--=- 311112312149D =--=因此,线性方程组的解为:12320212,,303030x x x -===. 小结:Cramer 法则用于判断具有n 个未知数的n 个线性方程的方程组解的情况[12].当方程组的系数行列式不等于零时,方程组有解且解唯一.如果方程组无解或者有两个不同的解时,则系数行列式必为零.如果齐次线性方程组的系数行列式不等于零,则没有非零解.如果齐次线性方程组有非零解,则系数行列式必为零. 用克拉默(Cramer )法则解线性方程组比较简单,操作起来也比较容易,但它只适用于解未知数的个数和方程个数相同的线性方程组,而且通常是解非齐次线性方程组,对齐次线性方程组,只能求出零解,非零解无法求出.4.3 LU 分解法LU 分解法是直接分解法中的一种算法[10],将方程组Ax=b 中的稀疏矩阵A 分解为一个上三角矩阵和一个下三角矩阵,其中A=LU,令y=Ux,那么在方程租的运算中可以先解Ly=b,再解Ux=y 在编程过程中分两步进行,先对矩阵A 进行LU 分解,然后再解方程组. 例9 用LU 分解法解方程组解 由LU 分解()14131211u u u u ()30102-=()Tl l l 4131211()T 25.05.11-=()2423220u u u ()5.812110-=()Tl l 423210()T 11/611/310--=()343300u u ()11/211/300--=()Tl 43100()T 9100-=()44000u ()4000-=得解,b Ly =⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------139144432113124330102⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛4321x x x x ⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=72510()Ty y y y 4321()T 1611/172010--=得解,y Ux =()Tx x x x 4321()T4321=小结:LU 分解法的优点是当方程组左端系数矩阵不变[13],仅仅是方程组右端列向量改变,即外加激励信号变化时,能够方便地求解方程组. 设n 阶线性方程组Ax=b .将方程组左端系数矩阵A ,分解成两个三角阵的乘积[14],即A=LU ,式中,L 为主对角线以上的元素均为零的下三角矩阵, 且主对角线元素均为1的上三角矩阵;U 为主对角线以下的元素均为零.4.4逆矩阵法及广义逆矩阵A -法1. 线性方程组AX=b,当A 可逆时,1,Ax b x A b -==线性方程组等价于(注:A 是方阵).例10 解线性方程组Ax=b,其中111111143A =-,b=(1,-2,4). 解 111123300149=--=≠ A , 所以,系数矩阵A 可逆.1111222535--=--- A , 方程组变形为 x=A -1b 因此,线性方程组的解为:12320212,,303030x x x -===. 注:针对线性方程组AX=b,上述解法只适用于A 是方阵且可逆的线性方程组.下面主要讨论如何将上述方法加以推广,使之能运用到一般的线性方程组的求解中.2. 设m nA C⨯∈.如果存在n m G C ⨯∈,使得A G A A =,则称G 为矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵,记作A -.矩阵A 的{1}-逆总是存在的,但一般不是惟一的[12],矩阵A 的{1}-逆的全体记为{1}A .若m n A C ⨯∈,A -n m C ⨯∈为A 的一个{1}-广义逆矩阵[2],则对,n mV W C⨯∈为任意的n m⨯矩阵,矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵为 G A V A A V A A---=+-, 同时还可以表示为()()m n G A V E A AE AA W ---=+-+-. 广义逆矩阵A -的计算:(1)设(0)mn r A C r ⨯∈>,且有m m m P C ⨯∈和n 阶置换矩阵Q 使得 (),(),r r nr E K P A Q KC OO ⨯-⎡⎤=∈⎢⎥⎣⎦则对任意的()()nr m r L C-⨯-∈,n m ⨯矩阵 rE O G Q P O L ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦是A 的一个{1}-广义逆矩阵.若存在n nn T C ⨯∈使得,r E O P A T O O ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦则矩阵的{1}-逆的全体12()()()()1221222122{1},,.r r m r n r r n rm r E L A T P L C L C L C L L ⨯--⨯-⨯-⎧⎫⎡⎤⎪⎪=∈∈∈⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭(2)设m nA C ⨯∈,则A 有惟一{1}逆的充分必要条件是mn =,且()r A n =,即A 可逆.这个惟一的{1}逆就是1A -.定理1 [12] 设m n A C ⨯∈,m b C ∈,则AA b b -=是线性方程组Ax b =有解的充要条件,其中{1}A A -∈.如果线性方程组Ax b =有解,其通解可表示为()x A b EA A y--=+-,其中y 是任意的n 维列向量. 定理2[14] 设线性方程组Ax b =有解,A -是m n ⨯矩阵A 的一{1}-广义逆矩阵,并且()H AA AA--=,则y A b -=为线性方程组Ax b =的最小数解. 定理3[15] 设A -为m n ⨯矩阵A 的一个{1}-广义逆矩阵,且()H A A AA--=,则对任意的n 维列向量b ,y A b -=一定是线性方程组Ax b =的最小二乘解. 例11 解线性方程组12341241234235,5814,223 4.x x x x x x x x x x x ++-=⎧⎪++=⎨⎪+-+=⎩ 解 令231158011223A -⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥-⎣⎦,5144b ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦.通过行初等变换得到4203()()102211AE HP P -⎡⎤⎢⎥|→|→=-⎢⎥⎢⎥--⎣⎦. 取4Q E =,再令0α=,0β=,得100010000A Q P αβ-⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦=20310222αααβββ-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥=⎢⎥--⎢⎥--⎣⎦20310200000-⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦. 可以验证 (5,14,4)TA A b b-== 所以,线性方程组有解,且通解为123420081130057()0001000001y y x A b E A A y y y ----⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+-=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦(1234,,,y y y y C ∈任意)[7]. 小结:该方法对线性方程组解的讨论更加完整,表达形式也更加简洁系统.在无穷多个解向量中,此法可求出一个长度最短解向量,当方程组无解时,又可求出其最优近似解,而且该方法在概率统计、线性规划等领域中应用比较广泛.5 结论5.1 主要发现线性方程组有多种解法,每种解法都有它的优越性和局限性.线性方程组是线性代数的心脏,它可以应用到很多方面,根据其重要理论可以解决很多问题,使得一些问题得到意想不到的简单解法.5.2 启示线性方程组的解法虽多,要选择一种适合的并不容易,我们需要先对线性方程组进行分类:齐次线性方程组和非齐次线性方程组.根据不同的线性方程组的不同特征,进而采用适当的方法求解.5.3 局限性线性方程组的解法还有多,由于本人的能力和时间有限,只对其中的几种方法进行讨论和分析.5.4 努力方向除了文章所述线性方程组的理论知识和求解方法外,由于线性方程组的解法相当多,在今后的学习中将不断的深入研究,以弥补文章中许多不足之处.参考文献[1]北京大学数学系.高等代数[M].北京: 高等教育, 1988:25-50.[2]禾瑞.,郝鈵新.高等代数[M].第四版.北京: 高等教育, 1999:35-68.[3]丘维声. 高等代数[M].北京: 高等教育, 1996:32-65.[4]北京大学数学系几何与代数教研代数小组.高等代数[M].第二版.北京:高等教育,1988:20-55.[5]熊廷煌.高等代数简明教程[M].:教育,1987:30-55.[6]邓建中,之行.计算方法[M].:交通大学,2001:25-60.[7]元达.线性代数原理[M]. 上海:上海教育,1980:45-60.[8]蒋尔雄.线性代数[M].北京:人民教育,1996:100-128.[9]霍元极.高等代数[M].北京:北京师大学,1988:77-120.[10]关治,精良.数学计算方法[M].北京:清华大学,1990:45-90.[11]韩艳丽.求解线性方程组的Jacobi和Gauss—Seidel迭代法的收敛定理[J].中国西部科技,2009: 20-31.[12]周均,韩乐文.应用matlab求线性方程组的Cramer法则方法探讨[J].职业技术学院学报,2004,13(3):109-130.[13]常双领. 传林. 求解线性方程组的一种迭代解法[J]. 暨南大学学报, 2004,22(3): 06.30-70.[14]花威.线性方程组的迭代解法及Matlab实现程序[J],长江工程职业技术学院学报,2009,26(4):95-120.[15]谢邦杰.线性代数[M].北京:人民教育,1999:100-144.致谢我的毕业设计的完成,首先应当归功于指导老师梁XX老师.梁老师在我的毕业设计的选题、设计方法以及设计报告的撰写等各个方面都给予了我大量的指导和帮助,梁老师以他敏锐的洞察力、渊博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风以及高度的责任感悉心指导我的设计.设计中离不开梁老师的帮助,如果没有梁老师的指导,我的设计就不能顺利完成.我在设计中遇到困难时都能够向老师请教,老师悉心的指导和帮助及其严谨的工作态度、创新的精神使我受益匪浅,使得我的问题都能迎刃而解.本设计是在梁老师的悉心指导和帮助下完成的,在论文设计、修改的整个过程中,花费了老师很多的宝贵时间和精力,我在此向梁老师表示衷心地感谢!。