طرق حل المعادلات بالمصفوفات ترتب معاملات النظام وثوابته، ثم تحول الصفوف إلى صورة يسهل الرجوع منها إلى المجهولات. [1] نطبق الحذف لغاوس على مثال أصلي بثلاثة متغيرات، ونوضح متى تصلح طريقة المعكوس. [2]
من المعادلات إلى المصفوفة الموسعة
نثبت ترتيب المجهولات في الأعمدة؛ مثلًا x,y,z. المصفوفة الموسعة تضم معاملات كل معادلة ثم ثابت طرفها الآخر، بينما مصفوفة المعاملات وحدها لا تتضمن عمود الثوابت. [1]
اخترنا النظام 2y+z=1، و x−y+2z=9، و 2x+y−z=0. بترتيب الأعمدة x,y,z تصبح صفوف المصفوفة الموسعة [0,2,1|1] و [1,−1,2|9] و [2,1,−1|0]. الصفر في أول صف يسجل غياب حد x؛ لا نحذف عموده فنزيح بقية المعاملات.
في هذا المثال مصفوفة المعاملات من النوع 3×3، والموسعة 3×4. العمود الرابع للثوابت، وليس لمجهول رابع. يمكن اختبار ترتيب أي صف بكتابته مرة أخرى كمعادلة.
المحور الصفري: بدّل الصفوف أولًا
تبديل صفين، أو ضرب صف في عدد غير صفري، أو إضافة مضاعف صف إلى آخر، عمليات تحفظ مجموعة الحلول. تشمل العملية الطرف الأيمن أيضًا. [1]
لا نقسم على الصفر في أول خانة. نبدل الصفين الأول والثاني، فيصبح الأول [1,−1,2|9]، والثاني [0,2,1|1]. ثم نحذف معامل x من الثالث بالعملية R3←R3−2R1، فنحصل على [0,3,−5|−18].
احسب العمود الأخير كما تحسب بقية الأعمدة: 0−2×9=−18. ولو أبقيته صفرًا بينما عدلت المعاملات، لأنتجت نظامًا مختلفًا. تبديل الصفين هنا اختيار حسابي لمعالجة المحور؛ لا يبدل أسماء المجهولات.
احذف متغيرًا آخر ثم عُد من الأسفل
لإزالة y من الصف الثالث، نضربه كله في 2 ثم نطرح 3 أمثال الصف الثاني: 2[0,3,−5|−18]−3[0,2,1|1]=[0,0,−13|−39]. لذلك −13z=−39، ومنه z=3.
من الصف الثاني 2y+z=1 نحصل على 2y+3=1، ثم y=−1. ومن الأول x−y+2z=9 نحصل على x+1+6=9، فيكون x=2. نكتب الحل مرتبًا (x,y,z)=(2,−1,3).
يسمى الرجوع إلى المعادلات من الصف الأخير التعويض الخلفي. [1] لا يلزم في مثالنا تصفير الخانات الواقعة فوق المحاور حتى نعرف الحل؛ وقد فعلنا قبل الخطوة الأخيرة عمليتين متتاليتين: مضاعفة الثالث، ثم طرح مضاعف الثاني.
تحقق من المعادلات الأصلية
| المعادلة الأصلية | التعويض المختار | النتيجة |
|---|---|---|
| 2y+z=1 | 2(−1)+3 | 1=1 |
| x−y+2z=9 | 2−(−1)+2×3 | 9=9 |
| 2x+y−z=0 | 2×2−1−3 | 0=0 |
تُحقق القيم الثلاث الشروط كلها. أما فحص الصف الأخير وحده فلا يكشف خطأ سابقًا في معامل x أو y. لو كتبت y=1 خطأ، فستعطي الأولى 5 بدل 1؛ لذلك يعود الفحص إلى البداية.
متى أستخدم معكوس المصفوفة؟
نكتب النظام AX=b؛ حيث A للمعاملات، و X عمود المجهولات، و b عمود الثوابت. إذا كانت A مربعة ولها معكوس، فالضرب من اليسار يعطي X=A⁻¹b. ليست كل مصفوفة مربعة قابلة للعكس. [2]
عدم وجود المعكوس لا يعني بمفرده أن النظام بلا حل؛ قد يكون متناقضًا أو ذا حلول غير وحيدة. [2] لذلك لا نستبدل دراسة الصفوف بعبارة «المعكوس غير موجود» ثم نقرر جوابًا واحدًا.
المصادر ومتابعة القراءة
- OpenStax: المصفوفة الموسعة والحذف لغاوس (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
- OpenStax: حل النظام بمعكوس المصفوفة وشروط وجوده (يفتح في نافذة جديدة)openstax.org
أُعدّ هذا المقال بصياغة عربية أصلية بالاستناد إلى المصادر أعلاه، وهو مدخل تمهيدي إلى الموضوع. اقرأ منهجية المحتوى وحدوده.
