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Aufgabe:

Untersuchen Sie das LGS mithilfe des Gauß'schen Algorithmus auf Lösbarkeit

x + y + z = 4

-2x - y + 2z = 9

2x + 3y + 6z = 25

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Untersuchen Sie das LGS mithilfe des Gauß'schen Algorithmus auf Lösbarkeit


Bist du nach dieser sehr deutlichen Vorgabe mal auf die Idee gekommen, den Gauß'schen Algorithmus konkret auf dieses Gleichungssystem anzuwenden?

Es genügt erst einmal, wenn du ihn bis zur Zeilenstufenform durchziehst.

Wie lautet diese bei dir?



(Mal sehen, wer schneller ist: Du oder ein diensteifriger Lösungsknecht.)

(Mal sehen, wer schneller ist: Du oder ein diensteifriger Lösungsknecht.)


@physik231
Du hast den Wettlauf verloren. Der andere war tatsächlich schneller...

4 Antworten

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Aloha :)

Schreibe dir das Gleichungssystem als Tabelle auf:$$\begin{array}{rrr|r||l}x & y & z & = & \text{Aktion}\\\hline\hline1 & 1 & 1 & 4 &\\-2 & -1 & 2 & 9 &\\2 & 3 & 6 &25 &\end{array}$$

Nun vereinfach das Gleichungssystem durch elementare Zeilenumformungen. Ziel ist es, so viele Spalten wie möglich zu erhalten, die aus lauter Nullen und genau einer Eins bestehen.

$$\begin{array}{rrr|r||l}x & y & z & = & \text{Aktion}\\\hline\hline1 & 1 & 1 & 4 &\\-2 & -1 & 2 & 9 &+2\cdot\text{Zeile 1}\\2 & 3 & 6 &25 &-2\cdot\text{Zeile 1}\\\hline\green1 & 1 & 1 & 4 &-\text{Zeile 2}\\\green0 & 1 & 4 & 17 &\\\green0 & 1 & 4 & 17 &-\text{Zeile 2}\\\hline\green1 & \red 0 & -3 & -13\\\green0 & \red1 & 4 & 17\\\green0 & \red 0 & 0 & 0 & \checkmark\end{array}$$

Die letzte Gleichung \(0\cdot x+0\cdot y+0\cdot z=0\) ist immer erfüllt. Das soll der Haken symbolisieren. Daher fällt eine Forderung an eine der 3 Variablen weg, d.h. wir können eine der drei Variablen frei wählen. Das heißt, das Gleichungssystem hat unendlich viele Lösungen.

Die beiden übrigen Gleichungen können wir "nach der farbigen Eins" umstellen:$$\green x-3z=-13\quad\implies\green x=-13+3z$$$$\red y+4z=17\quad\;\;\;\implies \red y=17-4z$$und können schließlich alle Lösungen angeben:$$\begin{pmatrix}\green x\\\red y\\z\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-13+3z\\17-4z\\z\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-13\\17\\0\end{pmatrix}+z\cdot\begin{pmatrix}3\\-4\\1\end{pmatrix}$$

Beachte, dass die Lösung nicht eindeutig ist. Du hättest das Gleichungssystem auch so umformen können, dass die letzte Spalte lauter Nullen und genau eine Eins enthält. Dann würdest du eine andere Darstellung der Lösung erhalten. Aber unabhängig von der formelan Struktur der Lösung liegen alle Lösungspunkte auf derselben Geraden.

Avatar vor von 152 k 🚀
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Bringe die Matrix in Dreiecksform und setze dann von unten nach oben ein.

Hier zum Vergleich das Ergebnis:

(x,y,z)T = (-13,17,0)T + λ(3,-4,1)T

Avatar vor von

Aus meiner Sicht ist nach der Lösung gar nicht gefragt. Und jemand, der - so scheint es zumindest - noch nicht mal angefangen hat mit der Aufgabe, wird auch nicht wissen, dass die von Dir notierte Lösung nur eine von unendlich vielen Wegen ist die Lösung anzugeben. Eine Lösung kann auch richtig sein, wenn sie mit Deiner Schreibweise nicht übereinstimmt.

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Untersuchen Sie das LGS mithilfe des Gauß'schen Algorithmus auf Lösbarkeit

x + y + z = 4
- 2·x - y + 2·z = 9
2·x + 3·y + 6·z = 25

II + 2*I ; III - 2*I

x + y + z = 4
y + 4·z = 17
y + 4·z = 17

III - II

x + y + z = 4
y + 4·z = 17
0 = 0

Damit ist das LGS lösbar und hat sogar unendlich viele Lösungen. Man könnte also die erste und zweite Gleichung jetzt in Abhängigkeit von z lösen.

y + 4·z = 17 --> y = 17 - 4·z

x + (17 - 4·z) + z = 4 --> x = 3·z - 13

(x, y, z) = (3·z - 13, 17 - 4·z, z) = (-13, 17, 0) + z·(3, -4, 1)

Avatar vor von 490 k 🚀
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Da nur auf Lösbarkeit überprüft werden soll, bietet sich hier das Rangkriterium an. Dieses besagt Folgendes:

Gilt

1. \(\mathrm{rang}(A)=\mathrm{rang}(A|b)=\textrm{Anzahl der Zeilen von } A\), so existiert eine eindeutige Lösung des LGS.

2.  \(\mathrm{rang}(A)=\mathrm{rang}(A|b)<\textrm{Anzahl der Zeilen von } A\), so hat das LGS unendlich viele Lösungen.

3.  \(\mathrm{rang}(A)<\mathrm{rang}(A|b)\), so ist das LGS unlösbar.

Vergleiche unten die Endformen nach Anwendung des Gaußverfahrens, woran man welchen Fall erkennen kann. Der Rang einer Matrix ist dabei die Anzahl der Nicht-Nullzeilen, wenn die Matrix in Zeilenstufenform ist.

blob.png

Avatar vor von 20 k

Ich glaube, deine Bemühungen waren umsonst. Wenn du dir die letzten Fragen von physik231 ansiehst wirst du feststellen, dass er mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit noch Schüler ist und nie was vom Rang einer Matrix gehört haben kann.

Das muss nicht so sein. Es gibt tatsächlich Bücher und Lehrer, die das lehren. Letztendlich muss er auch nicht wirklich wissen, was der Rang einer Matrix ist, ergänze das aber mal. Außerdem kann man anhand des Bildes ja auch erkennen, wann welcher Fall vorliegt.

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