Привести матрицу к ступенчатому виду

Введите матрицу A

Используйте только квадратные матрицы!
На этой странице введите матрицу, чтобы произвести проведение матрицы к треугольному виду. Таким образом вы проделаете преобразование матрицы к треугольному виду A
Будут вычислены верхнетреугольная матрица и нижнетреугольная матрицы

Если вам интересно, для чего используется приведение к треугольному виду матрицы, то смотрите калькулятор по решению систем уравнений методом Гаусса здесь

© Контрольная работа РУ — калькуляторы онлайн

Приведение матрицы к ступенчатому виду

Матрица — математический объект, представленный в форме квадратной или прямоугольной таблицы, содержащей определенное число строк и столбцов, именуемых порядками. Матрицы могут различаться размерами и содержанием. Матрицы позволяют упорядочить записи систем линейных уравнений, что ведет к удобному поиску их результатов. Работа с матрицами предполагает приведение их к стандартному виду.
В математике множество разнообразных видов матриц. Все элементы нулевой матрицы равны нулю, а число строк и столбцов может быть совершенно разным.
Матрица квадратного типа имеет одинаковое количество строк и столбцов. Матрица простейшего вида вектор-столбец имеет три численных значений, расположенных в столбец. Вектор-строка содержит три численных элементов, размещенных в одну строку. В диагональной матрице числовые значения имеют лишь элементы главной диагонали, остальные равны нулю. Начинается диагональ с элемента в правом верхнем углу и заканчивается в последнем столбце последней строки. Диагональный тип может иметь лишь квадратная матрица. Подвид диагональной матрицы — единичная, все числовые значения которой равны единицам. В канонической матрице не все компоненты основной диагонали равны единице, число строк и столбцов может быть разное, но, как и в единичной матрице, элементы, расположенные не на основной диагонали, равны нулю. Матрица треугольного типа является квадратной. Матрица, элементы которой, расположенные ниже главной диагонали, равны нулю, называется нижнетреугольной. В верхнетреугольной матрице числовые значения имеют элементы, расположенные на основной диагонали и под ней. Над диагональю элементы имеют нулевое значение.

Матрица, имеющая «ступени» из нулей, называется ступенчатой. В данном типе матриц диагональ из нулей не обязательно должна быть основной. Элементы под диагональю, как и на диагонали, должны иметь нулевые значения. Элемент в углу каждой ступеньки — ненулевой. Первый ненулевой элемент строки обязательно располагается правее первого ненулевого элемента строки предыдущей. Все элементы под 1-м ненулевым элементом строки имеют нулевые значения. Если ступенчатая матрица имеет нулевую строку, строки ниже нее тоже не имеют числовых значений. Т.е нулевые строки — последние. Для приведения матрицы к ступенчатому виду следует определить ее детерминант. Задание выполнимо, если детерминант больше или меньше нуля, в противном случае (равен нулю) привести матрицу к ступенчатому виду нельзя.

Любую матрицу несложно привести к ступенчатой форме, используя следующие элементарные преобразования:
— перестановка двух строк (столбцов);
— умножение строки (столбца) на любое, кроме нуля, число;
— сложение строки (столбца) с другой (другим), умноженной (умноженным) на любое, произвольно взятое (кроме нуля) число.

Приводим матрицу к ступенчатому виду:
1. Выбираем элемент, отличный от нуля в 1-м столбце. Если выбранный элемент (ведущий) расположен не в 1-й строке, переставляем строку с ведущим элементом на первую (ведущую) строку. Если элементы 1-го столбца равны нулю, исключаем его и переходим к следующему.
2. Делим элементы ведущей строки на ведущий элемент. Преобразования закончены при условии, что ведущая строка последняя.
3. К строке, расположенной под ведущей, добавляем ведущую, предварительно умноженную на число, чтобы элементы стоящей ниже строки стали равняться нулю.
4. Исключаем строку и столбец с ведущим элементом на пересечении.
Повторяем те же действия с оставшейся частью матрицы.

Привести матрицу к ступенчатому виду вам поможет онлайн калькулятор. Выберите размерность и введите значение ее элементов.

Приведение матрицы к треугольному (ступенчатому) виду методом Гаусса

Для приведения матрицы к треугольному (ступенчатому) виду, выберите нужные размеры исходной матрицы и заполните её элементы.

Другие онлайн калькуляторы

Описание онлайн калькулятора

С помощью данного онлайн калькулятора Вы сможете привести матрицу к треугольному (ступенчатому) виду или проверить правильность своего решения.

Треугольная матрица — матрица, в которой все элементы ниже главной диагонали равны нулю.

Описание работы онлайн калькулятора

  • Минимальный размер матрицы 2х2;
  • Максимальный размер матрицы 10х10;
  • В поля ввода значений элементов матриц, можно вводить следующие типы чисел:
    • Натуральные (0; 3; 9);
    • Отрицательные (-43);
    • Десятичные (1,5 или 1.5);
    • Дробные (2/3).
  • Максимальное количество вводимых символов 7;
  • При нажатии кнопки Вывести результат» выводится результат требуемой операции.

Свои вопросы по работе данного онлайн калькулятора, Вы всегда можете задать в комментариях.

Приведение матрицы к треугольному виду

Приведение матрицы к треугольному виду методом Гаусса и методом Барейса.

Ниже два калькулятора для приведения матриц к треугольному, или ступенчатому, виду. Первый использует для этого метод Гаусса, второй — метод Барейса. Описание методов и немного теории — под калькуляторами.

Приведение матрицы к треугольному виду (метод Гаусса)

Приведение матрицы к треугольному виду (метод Барейса)

Итак, для начала определимся с понятием треугольной, или ступенчатой матрицы:
Матрица имеет ступенчатый вид, если:

  1. Все нулевые строки матрицы стоят последними
  2. Первый ненулевой элемент строки всегда находится строго правее первого ненулевого элемента предыдущей строки
  3. Все элементы столбца под первым ненулевым элементом строки равны нулю (это впрочем следует из первых двух пунктов)

Понятие треугольной матрицы более узкое, оно используется только для квадратных матриц (хотя я думаю, что это не строго), и формулируется проще: треугольная матрица — квадратная матрица, в которой все элементы ниже главной диагонали равны нулю. Строго говоря, это даже определение верхнетреугольной матрицы, но мы будем использовать его. Понятно, что такая верхнетреугольная матрица является также и ступенчатой.

Чем же так интересны ступенчатые (и треугольные) матрицы, что к ним надо приводить все остальные? — спросите вы.
У них есть замечательной свойство, а именно, любую прямоугольную матрицу можно с помощью элементарных преобразований привести к ступенчатой форме.

Что же такое элементарные преобразования? — спросите вы.
Элементарными преобразованиями матрицы называют следующие операции:

  1. перестановка любых двух строк (столбцов) матрицы
  2. умножение любой строки (столбца) на призвольное, отличное от нуля, число
  3. сложение любой строки (столбца) с другой строкой (столбцом), умноженной (умноженным) на произвольное, отличное от нуля, число.

И что? — спросите вы.
А то, что элементарные преобразования матрицы сохраняют эквивалентность матриц. А если вспомнить, что системы линейных алгебраический уравнений (СЛАУ) записывают как раз в матричной форме, то это означает, что элементарные преобразования матрицы не изменяют множество решений системы линейных алгебраических уравнений, которую представляет эта матрица.

Приведя матрицу системы линейных уравнений AX=B к треугольной форме A’X = B’, то есть, с соответствующими преобразованиями столбца B, можно найти решение этой системы так называемым «обратным ходом».

Чтобы было понятно, используем треугольную матрицу выше и перепишем систему уравнений в более привычной форме (столбец B я придумал сам):

Понятно, что сначала мы найдем , потом, подставив его в предыдущее уравнение, найдем и так далее — двигаясь от последнего уравнения к первому. Это и есть обратный ход.

Алгоритм приведения матрицы к ступенчатой форме с помощью элементарных преобразований называют методом Гаусса. Метод Гаусса — классический метод решения систем линейных алгебраических уравнений. Также его еще называют Гауссовым исключением, так как это метод последовательного исключения переменных, когда с помощью элементарных преобразований система уравнений приводится к эквивалентной системе ступенчатого (или треугольного) вида, из которого последовательно, начиная с последних (по номеру) переменных, находятся все остальные переменные.

Теперь про сам метод.
Собственно, как можно занулить переменную во втором уравнении? Вычтя из него первое, домноженное на коэффициент
Поясним на примере:

Зануляем во втором уравнении:

Во втором уравнении больше не содержится

Обобщенно алгоритм метода Гаусса можно представить следующим образом:

где N — число строк,
— i-тая строка,
— элемент, находящийся в i-той строке, j-том столбце

И все бы ничего, да и метод отличный, но. Дело все в делении на , присутствующем в формуле. Во-первых, если диагональный элемент будет равен нулю, то метод работать не будет. Во-вторых, в процессе вычисления будет накапливаться погрешность, и чем дальше, тем больше. Результат будет отличаться от точного.

Для уменьшения погрешности используют модификации метода Гаусса, которые основаны на том, что погрешность тем меньше, чем больше знаменатель дроби. Эти модификации — метод Гаусса с выбором максимума в столбце и метод Гаусса с выбором максимума по всей матрице. Как следует из названия, перед каждым шагом исключения переменной по столбцу (всей матрице) ищется элемент с максимальным значением и проводится перестановка строк (строк и столбцов), таким образом, чтобы он оказался на месте .

Но есть еще более радикальная модификация метода Гаусса, которая называется методом Барейса (Bareiss).
Как можно избавиться от деления? Например, умножив перед вычитанием строку на . Тогда вычитать надо будет строку , домноженную только на , без всякого деления.
.
Уже хорошо, но возникает проблема с ростом значений элементов матрицы в ходе вычисления.

Барейс предложил делить выражение выше на и показал, что если исходные элементы матрицы — целые числа, то результатом вычисления такого выражения тоже будет целое число. При этом принимается, что для нулевой строки .

Кстати, то, что в случае целочисленных элементов исходной матрицы алгоритм Барейса приводит к треугольной матрице с целочисленными элементами, то есть без накопления погрешности вычислений — довольно важное свойство с точки зрения машинной арифметики.

Алгоритм Барейса можно представить следующим образом:

Алгоритм, аналогично методу Гаусса, также можно улучшить поиском максимума по столбцу(всей матрице) и перестановкой соответствующих строк (строк и столбцов).

С отличной лекцией на эту тему можно ознакомиться здесь

Статья написана по материалам сайтов: infofaq.ru, rytex.ru, planetcalc.ru.

»

Помогла статья? Оцените её
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars
Загрузка...
Добавить комментарий

Adblock detector