Lineárna algebra · kompletná interaktívna lekcia

Sústavy lineárnych rovníc

Sústava lineárnych rovníc je srdce celej lineárnej algebry. Nauč sa ju zapísať maticou, vyriešiť Gaussovou elimináciou a podľa hodnosti matice rozhodnúť, či má jedno, žiadne alebo nekonečne veľa riešení. Klikaj, otáčaj karty a krokuj výpočty. Na konci kvíz.

A matica sústavy(A|b) rozšírená maticarank hodnosťAx=0 homogénna
Poďme na to
01 Zápis sústavy02 Gaussova eliminácia03 Hodnosť matice04 Frobeniova veta05 Štruktúra riešení06 Kvíz
01 Základ

Sústava a jej maticový zápis

Sústava m lineárnych rovníc s n neznámymi x1, …, xn má tvar ai1x1 + … + ainxn = bi pre i = 1…m. Celú ju zhrnieme do jednej maticovej rovnice A·x = b.

A

Matica sústavy

Koeficienty pri neznámych, rozmer m × n. Pre sústavu x + y = 3, x − y = 1 je 111−1

b

Vektor pravých strán

Stĺpec čísel za rovnítkom, rozmer m × 1. Tu 31

(A|b)

Rozšírená matica

K matici A pripíšeme stĺpec b. Tu 1131−11

Prečo rozšírená matica

Pri riešení pracujeme len s číslami — neznáme x, y nemusíme prepisovať. Všetka informácia o sústave je uložená v rozšírenej matici (A|b). Zvislá čiara len pripomína, kde končia koeficienty a začínajú pravé strany.

Otestuj sa — zápis sústavy

Vyber správnu odpoveď.

02 Jadro témy

Gaussova eliminácia

Sústavu riešime tak, že rozšírenú maticu prevedieme elementárnymi riadkovými úpravami na odstupňovaný (schodovitý) tvar. Tieto úpravy menia maticu, ale nemenia množinu riešení.

Výmena riadkov

Dva riadky vymeníme medzi sebou. Ri ↔ Rj

Násobenie skalárom

Riadok vynásobíme nenulovým číslom. Ri → c·Ri, c ≠ 0

Pripočítanie násobku

K riadku pripočítame násobok iného. Ri → Ri + c·Rj

Odstupňovaný tvar

Matica je v odstupňovanom (schodovitom) tvare, keď každý nenulový riadok začína viac vpravo ako riadok nad ním a prípadné nulové riadky sú dole. Vtedy už riešenie ľahko prečítame spätným dosadzovaním.

Krok za krokom — vyriešime x + y = 3, x − y = 1

Rozšírená matica je 1131−11. Klikaj a sleduj elimináciu.

Otestuj sa — Gaussova eliminácia

Vyber správnu odpoveď.

03 Jadro témy

Hodnosť matice

Hodnosť matice rank A (značíme aj h(A)) je počet nenulových riadkov, ktoré zostanú po prevedení matice na odstupňovaný tvar. Je to počet skutočne „nezávislých" rovníc.

Ako ju zistíme

Maticu upravíme Gaussovou elimináciou a spočítame riadky, ktoré nie sú celé nulové. Elementárne úpravy hodnosť nemenia.

Hranice

Vždy platí 0 ≤ rank A ≤ min(m, n). Nulová matica má hodnosť 0.

Príklad

Matica 1122 má po úprave R2 → R2 − 2R1 tvar 1100 — jeden nenulový riadok, teda rank = 1. Druhá rovnica nepriniesla nič nové.

Otestuj sa — hodnosť matice

Vyber správnu odpoveď.

04 Kľúčová veta

Frobeniova veta o riešiteľnosti

O počte riešení rozhodneme bez toho, aby sme ich hľadali — stačí porovnať hodnosti. Sústava má riešenie práve vtedy, keď rank A = rank (A|b).

✗

Žiadne riešenie

rank A < rank (A|b). V odstupňovanom tvare vyšiel riadok 0 = nenula — spor.

!

Práve jedno

rank A = rank (A|b) = n. Hodnosť sa rovná počtu neznámych — žiadny voľný parameter.

∞

Nekonečne veľa

rank A = rank (A|b) < n. Zostane n − rank voľných parametrov.

Sústava bez riešenia

Sústava x + y = 2, 2x + 2y = 5 dáva po R2 → R2 − 2R1 riadok 0 = 1. Tu rank A = 1, ale rank (A|b) = 2 — hodnosti sa líšia, riešenie neexistuje.

Otoč kartu — koľko riešení?

Klikni a over si počet riešení.

Otestuj sa — Frobeniova veta

Vyber správnu odpoveď.

05 Hĺbka témy

Štruktúra riešení

Keď má sústava nekonečne veľa riešení, nie sú náhodné — majú peknú štruktúru. Kľúčom je homogénna sústava A·x = 0, ktorá má na pravej strane samé nuly.

Homogénna sústava Ax = 0

Vždy má aspoň triviálne riešenie x = 0 (rank A = rank (A|0) automaticky). Ak rank A < n, má aj netriviálne riešenia.

Voľné parametre

Neznáme bez vedúceho prvku v odstupňovanom tvare volíme voľne. Ich počet je n − rank A a určuje „rozmer" množiny riešení.

Všeobecné riešenie

Všeobecné riešenie nehomogénnej sústavy Ax = b je x = xp + xh: jedno partikulárne riešenie xp plus všeobecné riešenie homogénnej sústavy xh. Napríklad pri x + y = 2, 2x + 2y = 4 je rank = 1 < 2, jeden voľný parameter t a riešenie x = 2 − t, y = t.

Otestuj sa — štruktúra riešení

Vyber správnu odpoveď.

06 Test

Záverečný kvíz

Desať otázok cez celú tému — od maticového zápisu cez Gaussovu elimináciu a hodnosť až po Frobeniovu vetu a štruktúru riešení.

Záverečný kvíz — 10 otázok

Otestuj sa cez celú tému.