• Ei tuloksia

Lineaarisen yhtälöryhmän ominaisuuksia

In document 10. toukokuuta 2017 (sivua 20-25)

Lause. Lineaarisella yhtälöryhmällä on ratkaisuja joko

• tasan yksi

• ei lainkaan tai

• äärettömän monta.

Seuraavassa esimerkkejä. Todistamme lauseen lopuksi.

Kaikilla yhtälöryhmillä ei ole ratkaisua

Yhtälöryhmän ratkaisuksi kutsutaan niitä muuttujien arvoja, joilla kaikki yh-tälöryhmän yhtälöt ovat yhtä aikaa tosia. Mikäli yhtälöt eivät voi olla yhtä aikaa tosia muuttujien arvosta riippumatta, yhtälöryhmällä ei ole ratkaisua.

Esimerkki. Tarkastellaan yhtälöparia

x+ 2y = 3 x+ 2y = 5.

Lienee ilmeistä, että emme voi löytää lukuja x ja y, jotka toteuttaisivat mo-lemmat yhtälöt, koska kyseinen yhtälöpari väittää 3 = 5 lukujen x ja y arvoista riippumatta. Mikäli yhtälöparia yritetään ratkaista Gaussin elimi-nointimenetelmällä, törmätään heti ristiriitaan:

·(−1)↓ 1 2 3 1 2 5 1 2 3 0 0 2

Alempi yhtälö kertoo0·x+ 0·y = 2eli0 = 2, mikä on ristiriita. Siispä ei ole olemassa lukuja x ja y, jotka toteuttaisivat yhtä aikaa molemmat yhtälöt.

Aina ratkaisun puuttuminen ei ole yhtä ilmeistä, mutta Gaussin elimi-naatiomenetelmää käyttämällä asia selviää. Mikäli jollekin riville tulee ker-toimiksi pelkkiä nollia ja vakiotermiksi nollasta poikkeava luku, ollaan pää-dytty ristiriitaan ja ratkaisuja ei ole.

Joillakin yhtälöryhmillä on äärettömän monta ratkaisua

Tarkastellaan yhtälöparia

x−2y = 3 2x−4y = 6.

Huomataan, että alempi yhtälö onkin sama kuin ylempi yhtälö, mutta vain kahdella kerrottuna. Se ei siis anna lisäinformaatiota. Tämä huomataan myös Gaussin eliminaatiolla:

·(−2)↓ 1 −2 3 2 −4 6 1 −2 3 0 0 0

Alin rivi kertoo0 = 0, mikä on toki totta, mutta ei kerro mitään muuttujista x ja y. Alempi rivi voidaan siis poistaa.

Yhtälöparimme on kutistunut yhdeksi yhtälöksi: x−2y= 3. Tällä yhtä-löllä on äärettömän monta ratkaisua, sillä voidaan ratkaistax= 2y+ 3. Näin jokaiselle luvulle y voidaan laskea pariksi x kyseisellä kaavalla. Yhtälöparin vastaus voidaan ilmoittaa näin:

x= 2y+ 3 y∈R

tai hienommin

x= 2c+ 3

y=c , c∈R. Jälkimmäistä muotoa kutsutaan parametriesitykseksi.

Vapaasti määriteltäviä parametreja voi jäädä useampiakin kuin yksi, kuten seuraavassa esimerkissä nähdään.

Esimerkki. Ratkaistaan yhtälöryhmä

x−2y+z−w = −1 2x+y−z+ 3w = 3

3x−y+ 2w = 2

Tässä kolmas yhtälö on kahden ensimmäisen summa, eikä siten sisällä lisää informaatiota. Katsotaan, mitä tapahtuu jos lähdetään suoraviivaisesti käyt-tämään Gaussin eliminointia.

1 -2 1 -1 -1

·(−2) 2 1 -1 3 3

·(−3) 3 -1 0 2 2 1 -2 1 -1 -1

0 5 -3 5 5

0 5 -3 5 5

Kaksi viimeistä riviä ovat samat, joten toinen voidaan tiputtaa pois:

1 −2 1 −1 −1 0 5 −3 5 5 ||: 5

·2↑ 1 −2 1 −1 −1 0 1 −35 1 1 1 0 −15 1 1 0 1 −35 1 1

Nyt Gaussin muunnoksia ei voida enää tehdä ilman, että jokin jo saavute-tuista nollista katoaa. Tarkastellaan tilannetta vielä tavallisesssa

merkintä-tavassa:

x−15z+w = 1 y− 35z+w = 1 , mistä ratkaistuna

x = 1 +15z−w y = 1 +35z−w .

Muuttujat z ja w voidaan valita mielivaltaisesti, jolloin x ja y määräytyvät esitettyjen kaavojen mukaan. Vastaukseksi kirjoitetaan





x= 1 + 15c−d y= 1 + 35c−d z =c

w=d

, c∈R, d∈R.

Yhtälöitä ja muuttujia eri määrä

Tähän mennessä on käsitelty lähinnä yhtälöryhmiä, joissa muuttujia ja yh-tälöitä on ollut yhtä monta. Näin ei tietenkään aina ole. Yhtälöryhmää, jos-sa on yhtälöitä enemmän kuin muuttujia, kutsutaan ylimäärätyksi; mikäli muuttajia taas on enemmän kuin yhtälöitä, yhlälöryhmä on alimäärätty.

Ratkaisuista voidaan sanoa seuraavaa

• Mikäli yhtälöitä on saman verran kuin tuntemattomia, yhtälöryhmällä on yleensä yksi ratkaisu.

Ratkaisuja voi olla myös äärettömän monta tai ei lainkaan.

• Mikäli yhtälöitä on vähemmän kuin tuntemattomia (alimäärätty), yhtälöryhmällä on yleensä äärettömän monta ratkaisua.

On mahdollista, että ratkaisuja ei ole lainkaan.

• Mikäli yhtälöitä on enemmän kuin tuntemattomia (ylimäärätty), yhtälöryhmällä ei yleensä ole ratkaisua.

Ratkaisuja voi olla myös yksi tai äärettömän monta.

Tämä on helppo ymmärtää, kun tarkastellaan seuraavaa esimerkkiä. Yhtä-löparilla

x−y = 1 2x+y = 5 on ratkaisu

x= 2 y = 1.

Jos lukujen x ja y vaaditaan lisäksi toteuttavan kolmas yhtälö x+y = 7, seuraa ristiriita 2 + 1 = 7. Näin ollen ylimäärätyllä yhtälöryhmällä

x−y = 1 2x+y = 5 x+y = 7

ei ole ratkaisua. Kun kahdelta luvulta vaaditaan kolmea ehtoa, tulos on yleen-sä mahdoton.

Jos taas alkuperäisestä yhtälöparista poistetaan toinen yhtälö, jäljelle jää x−y= 1, ja ratkaisuja löytyy äärettömän monta muodossa x=y+ 1.

Korostettakoon vielä, että yhtälöiden ja muuttujien lukumäärästä riip-pumatta ratkaisuja voi olla yksi, ei lainkaan tai äärettömän monta. Ainoa erikoistapaus on se, ettei alimäärätyllä yhtälöryhmällä voi olla tasan yhtä ratkaisua. Lukijaa kehotetaan keksimään esimerkkejä ylimäärätyistä yhtä-löistä, joilla on äärettömän monta ratkaisua sekä alimäärätyistä, joilla ei ole ratkaisua.

Yhtälöiden ja muuttujien lukumäärästä riippumatta kaikki lineaariset yh-tälöryhmät voidaan ratkaista Gaussin eliminaatiomenelmällä.

Todistus ratkaisujen olemassaolosta ja lukumäärästä

Lause. Lineaarisella yhtälöryhmällä on joko yksi, nolla tai äärettömän mon-ta ratkaisua. Lineaarinen yhtälöryhmä voidaan aina ratkaismon-ta Gaussin elimi-naatiolla.

Todistus.

Tarkastellaan lyhennysmerkinnässä lineaarista yhtälöryhmää, jossa onn tun-tematonta ja m yhtälöä. Se näyttää tältä:

a11 a12 a13 · · · a1n b1 a21 a22 a23 · · · a2n b2 a31 a32 a33 · · · a3n b3 ... ... ... ... ... ...

am1 am2 am3 · · · amn bm

Voimme olettaa, että jokaisessa sarakkeessa viivan vasemmalla puolella on ainakin yksi nollasta poikkeava kerroin (sillä muuten kyseinen tuntematon ei itse asiassa esiintyisi yhtälöryhmässä). Tämä tilanne säilyy, vaikka yhtä-löryhmälle tehtäisiin Gaussin muunnoksia: sarakkeen kaikki kertoimet eivät voi muuntua nolliksi. (Miten viimeinen voisi kadota?)

Järjestetään nyt yhtälörivit siten, että a11 6= 0. Eliminoidaan muut sa-rakkeen kertoimet nolliksi. (Alempien rivien kertoimet muuttuvat.) Saadaan:

a11 a12 a13 · · · a1n b1 0 ea22 ea23 · · · ea2n eb2 0 ea32 ea33 · · · ea3n eb3 ... ... ... ... ... ...

0 eam2 eam3 · · · eamn ebm Tämän jälkeen vaihtoehtoja on kaksi.

1 Jos kaikki toisen sarakkeen luvut toisesta lähtien (eli ea22, . . . ,eam2) ovat nollia, siirretään kyseinen sarake viimeiseksi eli vaihdetaan muuttujien jär-jestystä.

2 Jos jokin kertoimista ea22, . . . ,eam2 ei ole nolla, siirretään sen rivi toiseksi riviksi ja eliminoidaan. Saadaan

a11 0 a13 · · · a1n b1 0 ea22 ea23 · · · ea2n eb2

0 0 a33 · · · a3n b3 ... ... ... ... ... ...

0 0 am3 · · · amn bm

Seuraavaksi tarkastellaan kolmannen sarakkeen lukujaa33, . . . , am3 ja toimi-taan kuten edellä. Eliminointia jatketoimi-taan sarake sarakkeelta, kunnes sitä ei

voida enää jatkaa. Sanottakoon, että onnistumme tekemään k eliminointia.

Lopuksi jaetaan kukin rivi diagonaalille jääneillä luvuilla, jolloin diagonaalille saadaan ykköset. Alla nollat on jätetty merkitsemättä.

1 α1(k+1) · · · α1n β1

1 α2(k+1) · · · α2n β2

... ... ...

1 αk(k+1) · · · αkn βk βk+1 ...

βm

Jos eliminoinnin seurauksena saatiin nollarivejä, ne ovat riveilläk+ 1, . . . , m. Vastaavasti voi olla, että kaikkia sarakkeita ei voida eliminoida,α:lla merkit-tyjä kertoimia on jäänyt sarakkeisiin k+ 1, . . . , n.

Nyt nähdään, että yhtälöryhmällä on ratkaisuja

1. Ei yhtään, kun jokin luvuista βk+1, . . . , βm ei ole nolla.

2. Äärettömän monta, kun luvut βk+1, . . . , βm ovat nollia ja k < n. (Tällöin sarakkaiden k+ 1, . . . , n muuttujat voidaan valita vapaasti.) 3. Tasan yksi, kun luvut βk+1, . . . , βm ovat nollia ja k =n.

Kaikki lineaariset yhtälöryhmät voidaan siis ratkaista Gaussin eliminaatio-menetelmällä ja ratkaisuja on joko yksi, ei lainkaan tai äärettömän monta.

In document 10. toukokuuta 2017 (sivua 20-25)