sistemi jednacina

Embed Size (px)

Citation preview

Seminarski rad izMetodike nastave matematike IIResavanje sistema linearnihjednacina - Nekad i sadAutor: JelenaLoncarBrojindeksa: ml04080Profesor: ZoranLucicMatematickifakultetBeograd2008.1 SistemlinearnihjednacinasadvenepoznateinjegovoresavanjeuproslostiZadatke,koji se svode na sastavljanje i resavanje sistema jednacina sa dveili vise nepoznatih, susrecemo, kako u vavilonskim i egipatskim tekstovima iz IImilenijuma pre n.e., tako i u radovima starogrckih, indijskih i kineskih matema-ticara.Evojednogzadatkaiznajstarijekineskematematickezbirkezadataka[1]Kiu -Cang Suan - Su[5] (Matematika u devet knjiga, XXVII vek pre n.e.).Zadatak1. Ukavezusenalazefazani i zecevi; svetezivotinjeimajuukupno35 glava i 94 noge. Treba naci broj fazana i broj zeceva.Akobi ukavezubili samofazani (laznapretpostavka), ondabi brojnoguiznosio 70, a ne 94. Prema tome, ovaj visak od 24 noge pripada zecevima - podva svakome. Tada je jasno da je zeceva bilo 24 : 2 = 12, a fazana 35 12 = 23.UstarokineskomdeluMatematikaudevet knjiga (ili Devet poglavljaovestiniracunanja)razmatrajuse(VIIiVIIIknjiga)sistemijednacinaidajukratka pravila za njihovo resavanje, pri cemu se sve izlaze recima. Koecijentijednacinepostavljeni sunaracunskudasku(posebnavrstaabakusa)uvidutablice. Pri ponovljenim operacijama na toj racunaljci, jasno se vidi da sa koe-cijentimatrebapostupati poistompravilu(receptu)dabi senasloresenjesistema jednacina.U VII knjizi tog dela, koja nosi naziv Visak-manjak, izlozena su dva nacina(metoda) za resavanje zadataka, koji se svode na sistem dve linearne jednacinesa dve nepoznate.PrvinacinIlustrovacemo ga sledecim zadatkom iz VII knjige pomenutog traktata Mate-matika u devet knjiga:Zadatak2. Nekolikotrgovacahocezajednicki dakuperobu. Akosvaki da9juana(novcanajedinica), preostaceim11juana; akobi, pak, svaki daopo6juana,nedostajalobiimjos16juana. Kolikojebilotrgovacaikolikajecenarobe?Oznacimolisaxbrojtrgovaca, asaycenurobe, lakosastavljamosistemjednacina:9x y = 116x y = 16, (1)odakle lako dobijamo (x, y) = (9, 70).1Kako se, pak, postupa u pomenutom starokineskom delu?Postupak (nacin),koji se tamo kratko izlaze,u savremenoj simbolici svodise na sledece:Ako imamo sistem:a1x y = c1a2x y = c2, (2)to treba sastaviti tablicu (tablica1) oblika:_a1a2c1c2_pomocu koje se trazene nepoznate dobijaju tako sto se uzme:x = (c2 c1)/(a2 a1),y = (a1c2 a2c1)/(a2 a1). (3)Proverimo to u navedenom primeru. Uporedujuci (1) i (2) imamo: a1 = 9,a2 = 6,c1 = 11,c2 = 16;tablica1 ima oblik:_9 611 16_,pa ce resenje, saglasno (3), biti:x = (16 11)/(6 9) = (27)/(3) = 9y = (9 (16) 6 11)/(6 9) = (210)/(3) = 70.Odgovor: Bilo je 9 trgovaca, a cena robe je bila 70 juana.Napomena: Tablica1 moze se zapisati i u obliku:_a1c1a2c2_.Uporedite izlozeni sadanasnjimnacinomresavanjasistemaoddve linearnejednacine sa dve nepoznate (pomocu determinanti, odnosno po gotovim formu-lama):a1x + b1y = c1a2x + b2y = c2x = (c1b2 c2b1)/(a1b2 a2b1),y = (a1c2 a2c1)/(a1b2 a2b1).Slicno se resava i zadatak:Zadatak3. Nekoliko porodica u selu hoce zajednicki da kupe bivola. Ako svakih27 porodica da po 190 juana,manjak ce biti (tj. nedostajace) 330 juana. Ako,pak, svakih 9 porodica da po 270 juana, visak ce biti (tj. preostace) 30 juana.Koliko je bilo porodica i koliko je kostao bivo?Odgovor: 126 porodica; 3750 juana.DruginacinDrugi nacin za resavanje problema, koji se svode na sistem od dve linearnejednacinesadvenepoznate, poznatjepodnazivommetodadvelaznepretpo-stavke(pravilodvejugresaka)iprimenjivanajenarocitousrednjemveku, pasve do XVIII veka.Po toj metodi, za razliku od znatno jednostavnije metode jedne lazne pretpo-stavke, nepoznatojx se daju redom dve vrednosti (x1 ix2), po pravilu razliciteod prave vrednosti, pa se onda pravi linearna interpolacija da bi se naslo pravoresenje.NavodimojedanzadatakizVIIknjigeMatematikeudevet knjiga, koji seresava metodom dve lazne pretpostavke (oznake su prilagodene savremenoj no-taciji):Zadatak4. Imamo9jednakihlegurazlatai 11jednakihlegurasrebra. Kadasu stavljene na tasove terazija,terazije su bile u ravnotezi. Medutim,kada suna tasovima medusobno zamenili jednu leguru zlata i jednu leguru srebra, ondaje masa na prvom tasu - onom sa 9 legura (8 zlata i 1 srebra) bila manja za 16lana. Pita se kolika je masa svake legure posebno.U danasnjim oznakama, ako masu jedne legure zlata oznacimo sax, a masujedneleguresrebrasay, zadatakbismosveli naresavanjesistemalinearnihjednacina:9x = 11y8x + y + 16 = 10y + x, (4)ili:9x 11y = 07x 9y = 16, (5)odakle dobijamo: x = 44 (lana) iy = 36 (lana).Autor,kojiracunanjevrsinaspecijalnojdascizaracunanje,izlazepraviloiz kojeg se moze zakljuciti u cemu je sustina njegovog nacina resavanja.Prvi put cemopretpostaviti(prvalaznapretpostavka)dajemasalegurezlata x1 = 55 (lana). Tada ce masa legure srebra biti y1 = 9x1/11 = 9 55/11 =45 (lana). Prema uslovu zadatka morali bismo imati jednakost:8x1 + y1 + 16 = 10x1 + y1.3Medutim, leva strana je jednaka:8 55 + 45 + 16 = 501,a desna strana:10 45 + 55 = 505,tj. levoj strani nedostaje4lana. Broj k1=4resavateljnazivamanjaklevestrane(visak desne strane).Drugi putcemopretpostavljati (drugalaznapretpostavka) dajemasalegurezlatax2=22(lana). Tadajey2=9x2/11=9 22/11=18(lana). Iovoga putajednakost8x2 + y2 + 16 = 10y2 + x2,kojabimoralavaziti premauslovu zadatka, nije tacna, jer je leva strana jednaka:8 22 + 18 + 16 = 210,a desna:10 18 + 22 = 202,tj. leva strana je veca od desne za 8 lana. Brojk2 = 8 resavatelj naziva visakleve strane(manjak desne strane).Dalje se sastavlja tablica_k1k2x1x2_irecimanavodisledecepravilozaodredivanjeprave(stvarne)vrednostizax,koja se (u danasnjoj simbolici) izrazava ovako:x = (k1x2 + k2x1)/(k1 + k2). (6)U datom primeru dobijamo:x = (4 22 + 8 55)/(4 + 8) = (88 + 440)/12 = 528/12 = 44(lana).Prava vrednost zax nalazi se izmedu obe norme, tj. x2 0, tj. u slucaju oba viska (c1> c ic2> c);2)k1< 0 ik2< 0, tj. u slucaju oba manjka (c1< c ic2< c);3) k1< 0 i k2> 0, tj. u slucaju viska pri jednoj i manjka pri drugoj pretpostavci(c1> c ic2< c).Danas se jednacina (8) resava veoma prosto cak i u osnovnoj skoli. Pri tomeseoperise, kakosapozitivnim, takoi sanegativnimbrojevima. Aupravojenastojanjedaseizbegnunegativni brojevi i biorazlogdasusedugo, svedoXVIII veka, cak i vrlo jednostavni zadaci resavali po receptu laznog pravila,koje je proizaslo iz resavanja raznih zamrsenih zadataka.Pravilo lazne pretpostavke u srednjem veku nazivano je takode i pravilom te-razija, jer je davalo cisto mehanicko objasnjenje njegove primene. Ilustovacemoga na resenom zadatku 7..Instrukcijaglasi: Nacrtaj terazijei iznadtackeosloncapisi rezultatkojitreba da se dobije posle navedenih operacija u zadatku sa nepoznatim (trazenim)7brojem. Obe lazne pretpostavke pisi iznad tasova terazija; greske viskove- pisiiznad tasova, manjkove- ispod tasova. Lazne pretpostavke i pogreske pomnoziunakrsno. Uzmirazlikuproizvoda-akosegreskenalazesaistestranetasovaterazija, auzmi njihovzbir- akosegreskenalazesarazlicitihstranatasovaterazija. To podeli razlikom (zbirom) gresaka.24333211dddd

10052 4440 11dddd

10060 662044dddd

100Metoda dve lazne pretpostavke, pomocu koje se dobija tacno resenje line-arnihzadataka, mozeseiskoristiti i zapribliznoresavanjezadataka, koji sesvode na jednacine visih stepena. Ovu ideju koristili su u proslosti mnogi po-znati naucnici.Indijski matematicari nisu stvorili neki opsti algoritam za resavanje sistemalinearnihjednacinasavisenepoznatih, vecsuodgovarajucezadatkeresavalivestacki stvorenimreceptima. Medutim, uslobodnomoperisanjusanega-tivnimi iracionalnimbrojevima, uopstavanjupravilazaresavanjekvadratnihjednacina, anarocitoualgebarskojsimbolici, indijskimatematicarisuznatnopretekli kineske.Evo jednog zadatka staroindijskog matematicara Bhaskare (XII vek):Zadatak8. Nekorecesvomdrugu: Daj mi 100rupija, pacuimati 2putavise od tebe. Drugi mu odgovori: Daj ti meni samo 10 rupija, pa cu imati 6puta vise od tebe. Koliko je imao svaki?a) Ako je prvi imaox, a drugiy rupija, onda, s obzirom na uslove zadatka,imamo sledeci prevod:x + 100 = 2 (y 100)y + 10 = 6 (x 10),8pa ostaje samo da se resi ovaj sistem jednacina.b) Resenje samog Bhaskare je originalno. Neka je prvi imao 2x100 rupija,a drugix + 100 rupija, sto zadovoljava prvi uslov (jer kad drugi da prvome 100rupija ostace mux rupija, a prvi ce imati 2x rupija, tj. 2 puta vise). Imajuci uvidu i drugi uslov dobijamo:6 (2x 110) = x + 110,odakle jex = 70. Prema tome, prvi je imao 140 100 = 40, a drugi 70 +100 =170.Resiti pomocu sistema dveju jednacina sa dve nepoznate sledece zadatke:Zadatak9. (Al-Horezmi ) Naci dva broja ciji je zbir 10, a kolicnik 4.Odgovor: 8, 2.Zadatak10. (Iz Grcke antologije, zbirke zadatakaustihovima): Hronose(vesnik vremena), reci koji deo dana je prosao?Dva puta po dve trecine pre-ostalojeodonog stojevecprosloodpocetkadana.(Drevni narodi supoddanom podrazumevali 12 casova.)Odgovor:367casova.Savremeni nacin zapisivanja i resavanja jednacina potice iz XVIII veka. Priresavanju sistema jednacina prvo se pojavio metod sabiranja (suprotnih koe-cijenata), apotommetodazameneiuporedivanja. UNjutnovojUniverzalnojaritmetici (1707. god.), vec se susrecu nacini koji se danas uce u skoli.Veomaplodotvornametodalaznepretpostavkedanasjenedovoljnozastu-pljena u nastavi matematike, cak i pri resavanju zadataka, gde bi njena primenabila celishodna i poucna. Smatramo korisnim da se ucenici upoznaju sa ovomlepom idejom drevne matematike, kojom su u proslosti resavani zadaci, koje midanas opisujemo linearnim jednacinama. [1]92 SistemilinearnihjednacinaCetiri osnovna zadatka linearne algebre su:(1) resavanje sistema linearnih jednacinaAx = b,(2) izracunavanje determinantedetA matriceA,(3) nalazenje inverzne matriceA1,(4) odredivanje sopstvenih vrednosti i sopstvenih vektora matrice, tj. nalazenjenetrivijalnih resenja sistemaAx = x,gde jeA matrica,x ib su vektori, a je skalar.Formalnogledano, nemapoteskocauresavanjuovihzadataka, jerpostojeegzaktni algoritmi,koji teorijski dovode do tacnog resenja. Na primer,sistemlinearnih jednacina se moze resiti primenom Kramerovog pravila. Medutim, zaresavanjesistemasanpromenljivihpotrebnojeizvrsiti O(n n!)aritmetickihoperacija, sto dovoljno govori o neprihvatljivosti ove metode za resavanje sistemavecihdimenzija. Iuresavanjusistemamanjihdimenzija, ozbiljannedostatakmetodejeveliki uticaj racunskegreskenakonacanrezultat. Slicni zakljuccivaze i za druge klasicne metode za resavanje zadataka linearne algebre. Stoga jeprimena numerickih metoda u ovoj oblasti nuzna. Razvojem racunarske tehnikeone dozivljavaju intenzivan razvoj, posto se diskretizacijom razlicitih problemaupravo dobijaju veliki sistemi linearnih jednacina.Numericke metode za resavanje zadataka linearne algebre mogu se podelitina dve osnovne grupe - direktne i iterativne. Direktnim metodama odreduje setacno resenje sa konacno mnogo racunskih operacija, pod pretpostavkom da susvi parametri dati tacno i da se sve racunske operacije realizuju tacno.[3] Ako sukoecijentiaijtacni brojevi, onda se resenje moze dobiti sa proizvoljnom una-predzadatomtacnoscui tatacnostzavisi samoodprimenesemeracunanja,odnosnogresakazaokrugljivanja. Akosukoecijenti sistema aiji slobodniclanovi bipriblizni brojevi, ondajemogucatacnostogranicenatacnoscuna-jtacnijeg podatka.[4] Iterativnim metodama resenje je odredeno granicnom vre-dnoscunizauzastopnihaproksimacija,kojeseracunajunekimjednoobraznimalgoritmom.[3] Osim gresaka zaokrugljivanja, na tacnost pribliznog resenja uticei sam iterativni proces, pa imamo i gresku metode. Osim greske metode, bitnaje i brzina konvergencije i numericka stabilnost racunskog procesa.Osim ovih dveju grupa metoda, koristi se jos i metoda Monte-Karlo. MetodaMonte-Karlo je metoda verovatnosno - statistickog karaktera i zasniva se na mo-deliranju slucajne promenljive, cije je matematicko ocekivanje resenje zadatka.Inace, metoda se primenjuje, osim za resavanje sistema linearnih jednacina i zaresavanje sistema nelinearnih jednacina, za priblizno izracunavanje integrala, zaresavanje konturnih zadataka, obicnih i parcijalnih diferencijalnih jednacina, zaresavanje integralnih jednacina.[4]10Neka je dat sistem linearnih jednacina sa realnim koecijentimaa11x1 + a12x2 + + a1nxn = b1a21x1 + a22x2 + + a2nxn = b2 an1x1 + an2x2 + + annxn = bn,koji se matricno moze napisati u oblikuAx = b,gde je matricaA data izrazomA =__a11a12 a1na21a22 a2n an1an2 ann__a matriceb ix izrazimab =__b1b2...bn__, x =__x1x2...xn__.Skup brojevaxi(i = 1, . . . , n), odnosno vektorx, koji svodi sistem na ide-ntitet, jeste resenje, a brojevixikoreni sistema.Neka jeA nesingularna matrica, tj. detA = = 0. Tada imamo, matricnoizrazen, sledeci postupak i rezultatAx = bA1Ax = A1bx = A1b,sto u stvari predstavlja poznate Kramerove formulexi =i , i = 1, . . . , n,gdedeterminantei iimajupoznati smisao. Iakojeproblemsistemali-nearnihjednacinaovimteorijski resen, prakticneteskocesuvelike. Tako, naprimer,zan = 8,(osam jednacina sa osam nepoznatih),za ispisivanje resenjapotrebnojenapisati 1024broja, zatimzasvakudeterminantuizvrsiti 282240mnozenja. Jos treba izvrsiti i 8 deljenja. Zato postoje razni specijalni postupciza resavanje sistema linearnih jednacina, a takode i razne priblizne metode.112.1 Gausovametodaeliminacije-semajedinstvenogdeljenjaKod Gausove metode rec je o izracunavanju vrednosti korena uz postupnoiskljucivanjenepoznatih. Metoducemoprikazati zan=4, stonesmanjujeopstost.Neka je dat sistema11x1 + a12x2 + a13x3 + a14x4 = a15a21x1 + a22x2 + a23x3 + a24x4 = a25a31x1 + a32x2 + a33x3 + a34x4 = a35a41x1 + a42x2 + a43x3 + a44x4 = a45.Neka je a11 = 0 [2] (prvi vodeci element) [4]. Ukoliko taj uslov u sistemu nijezadovoljen, permutovanjemjednacinasistema, tj. stavljanjemnaprvomestojednacinekodkojejeap1 =0, ovajuslovsemozeispuniti. Elementap1 =0matriceA postoji, jer je po pretpostavci matrica regularna i ne moze imati svenula elemente u prvoj koloni.[3] Podelimo prvu jednacinu saa11i dobijamox1 + b12x2 + b13x3 + b14x4 = b15.Pomnozimo li ovu jednacinu sa a21 i oduzmemo od druge, sa a31 i oduzmemood trece, saa41i oduzmemo od cetvrte, dobicemoa(1)22 x2 + a(1)23 x3 + a(1)24 x4 = a(1)25a(1)32 x2 + a(1)33 x3 + a(1)34 x4 = a(1)35a(1)42 x2 + a(1)43 x3 + a(1)44 x4 = a(1)45 .Sada podelimo prvu jednacinu saa(1)22[2] (drugi vodeci element) [4] i dobi-jamox2 + b(1)23 x3 + b(1)24 x4 = b(1)25 .Iskljucivsix2na prethodni nacin, dobijamoa(2)33 x3 + a(2)34 x4 = a(2)35a(2)43 x3 + a(2)44 x4 = a(2)45 .Sada delimo prvu jednacinu saa(2)33[2] (treci vodeci element) [4] i dobijamox3 + b(2)34 x4 = b(2)35 ,pa svedemo na kraju naa(3)44 x4 = a(3)45 .[2]12U rezultatu dobijamo sistemx1 + b12x2 + b13x3 + b14x4 = b15x2 + b(1)23 x3 + b(1)24 x4 = b(1)25x3 + b(2)34 x4 = b(2)35x4 = b(3)45 .Ovim postupkom smo sistem jednacina, koji ima kvadratnu matricu, transfo-rmisali u ekvivalentan sistem, koji ima trougaonu matricu. Ovaj proces zove sedirektanhodilidirektankorakeliminacije. Resenjesenalaziobrnutimhodom(korakom):x4 = b(3)45x3 = b(2)35 b(2)34 b(3)45...Sve se radi u obliku seme da bi mogli kontrolisati racunanje.i ai1ai2ai3ai4ai5

i,j aij1 a11a12a13a14a15

j a1j2 a21a22a23a24a25

j a2j3 a31a32a33a34a35

j a3j4 a41a42a43a44a45

j a4j1 1 b12b13b14b15

j b1j2 a(1)22a(1)23a(1)24a(1)25

j a(1)2j3 a(1)32a(1)33a(1)34a(1)35

j a(1)3j4 a(1)42a(1)43a(1)44a(1)45

j a(1)4j2 1 b(1)23b(1)24b(1)25

j b(1)2j3 a(2)33a(2)34a(2)35

j a(2)3j4 a(2)43a(2)44a(2)45

j a(2)4j3 1 b(2)34b(2)35

j b(2)3j4 a(3)44a(3)45

j a(3)4j4 1 b(3)45

j b(3)4j4 1 x4x

43 1 x3x

32 1 x2x

21 1 x1x

1Kada je obim sistema veliki, koristi se ova sema.Kontrolnakolona(poslednjakolonautabeli)sekoristi zakontroluupro-cesu racunanja i na kraju. Kontrolna kolona se formira sabiranjem elemenata13po vrsti. Kada transformisemo koecijente sistema nekim postupkom, onda do-bijamonekedrugekoecijente, akontrolnakolonasemozedobititako stotutransformacijuizvrsimoinadkontrolnomkolonomilitako stotransformisanekoecijente saberemo. Ako je razlika izmedu zbira i transformisanog zbira vecaodmaksimalnemoguceakumuliranegreskezaokrugljivanja, ondasigurnopo-stoji greska u racunu. Ako je razlika manja, onda skoro sigurno nije napravljenagreska. Ako u sistemu umesto desnih slobodnih clanova (b15,. . . , b45) uzmemoodgovarajuceelementeizkontrolnekolone, dobijenaresenjasuzajedanveca(x

4 = x4 + 1,x

3,x

2,x

1). To je kontrola na kraju.[4]Dobijenikoreni, sobziromnazaokrugljivanjepriracunu, mahomsusamopriblizne vrednosti. Oni se mogu naci preciznije na sledeci nacin. Uvedemo livec poznati matricni nacin obelezavanja, sistem ce biti napisan u oblikuAx = b.Neka je nadeno priblizno resenjex0. Znaci,x = x0 + , gde supopravke.Tada jeA(x0 + ) = b,odnosnoAx0 + A = b,tj.A = b Ax0 = ,sto sluzi za izracunavanje popravke.Gausova metoda ce, izmedu ostalih primena, korisno posluziti kod izracunavanjainverzne matrice.Neka je, naime data matricaA1= [xij] takva da jeAA1=E, gde jeEjedinicna matrica. Pomnozimo li AA1, imacemo n sistema jednacina u odnosunan2nepoznatihxij.n

k=1aikxkj = ij,i, j = 1, . . . , nij =_1 : i = j0 : i = jDobijenihnsistemalinearnihjednacinazaj =1, . . . , n, koji imajuistumatricuAi razne slobodneclanove, moguse istovremenoresiti Gausovommetodom.142.2 Gausova metoda eliminacije - sema sa izborom glavnihelemenataNeka je dat sistema11x1 + a12x2 + + a1nxn = a1,n+1a21x1 + a22x2 + + a2nxn = a2,n+1 an1x1 + an2x2 + + annxn = an,n+1.Posmatrajmo prosirenu matricuM=__a11a12 a1j a1q a1na1,n+1a21a22 a2j a2q a2na2,n+1 ai1ai2 aij aiq ainai,n+1 ap1ap2 apj apq apnap,n+1 an1an2 anj anq annan,n+1__.Izaberemonenulti,popravilunajvecipomodulu,elementapq(q =n + 1),koji cemo nazvati glavnim elementom ili pivotom, i izracunajmo,mi = aiqapq,zasve i =p.[2] Radi numerickestabilnosti algoritma, obicnosemedusvimelementima prve kolone razlicitim od nule bira najveci po modulu,|ap1| =max1in|ai1|.Nalazenje pivota medu elementima samo jedne kolone (ili vrste) matrice nazivase delimicno pivotiranje, a potpuno pivotiranje je nalazenje najveceg po moduluelementa cele matrice,|apq| = max1i,jn|aij|.Ako se u prvom koraku algoritma vrsi potpuno pivotiranje, onda treba permu-tovati prvu ip -tu vrstu matrice, kao i prvu iq -tu kolonu.[3]Vrsta sa indeksom p je glavna vrsta. Svakoj neglavnoj vrsti dodajmo glavnupomnozenu odgovarajucimmiza tu vrstu. Dobicemo novu matricu u kojoj jeq-ta kolona nula.Odbacivsi tu kolonu i glavnu vrstu dobijamoM(1). Sa ovom matricom po-navljamo postupak i dobijamo niz matricaM, M(1), . . . , M(n1),15od kojih je poslednja dvoclana matrica-vrsta. Sada skupimo u sistem sve glavnevrste, pocinjuci sa poslednjom, koja ulazi u matricu.Posle odgovarajuce promene numeracije nepoznatih dobija se sistem sa trou-glastom matricom iz koje se lako, korak po korak, dobijaju nepoznate.[2]2.3 Istovremeno resavanje vise sistema linearnih jednacinaDirektne metode za resavanje sistema linearnih jednacina mogu se primenitiza istovremeno resavanje vise sistema linearnih jednacina,koji imaju istu ma-tricusistemai zaizracunavanjeinverznihmatrica. Nekatrebaresiti sistemejednacina:Ax(1)= b(1), Ax(2)= b(2), . . . , Ax(k)= b(k),gde jeA =__a11 a1n......an1 ann__, x(i)=__x(i)1x(i)2...x(i)n__, b(i)=__b(i)1b(i)2...b(i)n__, i = 1, . . . , k.Semu treba primeniti na sledeci nacin: direktnim hodom se kvadratna ma-trica prevodi u trougaonu matricu. Neka treba resiti sisteme jednacina:1, 48x1 + 3, 24x2 + 1, 27x3 = 1, 513, 45x1 + 1, 25x2 + 1, 38x3 = 1, 471, 34x1 + 1, 42x2 + 3, 20x3 = 1, 411, 48x1 + 3, 24x2 + 1, 27x3 = 4, 743, 45x1 + 1, 25x2 + 1, 38x3 = 4, 811, 34x1 + 1, 42x2 + 3, 20x3 = 5, 03Koristi se Gausova metoda eliminacije - sema sa izborom glavnih elemenata.[4]i miai1ai2ai3ai4ai5

i aij1 0, 4290 1, 48 3, 24 1, 27 1, 51 4, 74 12, 24002 3,45 1, 25 1, 38 1, 47 4, 81 12, 26003 0, 3884 1, 34 1, 42 3, 20 1, 41 5, 03 12, 40001 2,7038 0, 6780 0, 8794 2, 6765 6, 9377(6)3 0, 3456 0, 9345 2, 6640 0, 8391 3, 1618 7, 59943 2,4297 0, 5352 3, 2368 5, 20173 1 0, 2203 0, 9206 2, 14091 1 0, 2699 0, 7591 2, 0290(1)2 1 0, 2402 0, 7509 1, 9911162.4 Gausovametodaeliminacije-ZordanovasemaKod Gausove metode eliminacije, jednacina iz koje je izabran glavni eleme-nt, posle tog koraka se vise ne transformise. Stoga se posle (n 1) - vog korakadobija trougaoni sistem. U Gaus - Zordanovoj metodi, u svakom koraku se tra-nsformisusvejednacine, osimonekojasadrzi glavni elementtogkoraka. Priizboru glavnog elementa ne uzimaju se u obzir koecijenti jednacina iz kojih jevecbiranglavnielement. Takoseposle(n 1)-vogkorakadobijasistemsadijagonalnom matricom.Ovom metodom je determinanta matrice A do na znak odredena proizvodomglavnih elemenata.UporedenjusaGausovommetodomeliminacije, brojracunskihoperacija,kojejepotrebnoizvrsitidabiseovommetodomresiosistem,vecije; ali,ovametoda je ekasnija, kada se odreduje inverzna matrica, jer se u obrnutom hoduresavan dijagonalnih umeston trougaonih sistema.[3]2.5 MetodakvadratnihkorenaNeka je dat sistemAx = b,gdejematricaAtakvadasujoj glavni dijagonalni minori razliciti odnuleiA

=A(transponovanamatricajednakajesamojmatrici, daklerecjeotzv.simetricnojmatrici). PodovompretpostavkommatricaAmozesenapisatiuoblikuA = T

T,saT=__t11t12 t1n0 t22 t2n 0 0 tnn__; T

=__t110 0t12t22 0 t1nt2n tnn__.Mnozenjem ovih matrica dobijamo jednacine za odredivanjetij. Ako jetii = 0, sistem ima resenje, jer jedetA = detT

detT= (detT)2= (t11t22 tnn)2= 0.U samom izracunavanjutijna odreden nacin gurisu kvadratni koreni, stoopravdavanazivmetode. Kadasetijizracunaju, nassesistemociglednora-spada na dva sistemaT

y = b,Tx = yiz kojih se prvo racuna y, pa onda x. Oba sistema su, medutim, sa trouglastommatricom koecijenata, sto znatno olaksava racun.172.6 ShemaHaleckogDat je sistemAx = b,gde jeA = [aij] kvadratna matrica, ix =__x1...xn__, b =__a1,n+1...an,n+1__.Ako se matricaA moze napisati u oblikuA = BC, gde jeB =__b110 0b21b22 0 bn1bn2 bnn__; C =__1 c12 c1n0 1 c2n 0 0 1__,stojemoguce, naprimer, kadasuglavni dijagonalni minori razliciti odnule,onda se izracunajubiji cij,pa se,kao kod prethodne metode,sistem raspadana dvaBy = bCx = y,gde se prvo racuna y, a onda x, pri cemu su obe matrice koecijenata trouglaste.2.7 MetodaiteracijeDat je sistemAx = b, sa aii = 0.Svedemo ga na oblikx1 = 1 + 12x2 + 13x3 + + 1nxnx2 = 2 + 21x1 + 23x3 + + 2nxnx3 = 3 + 31x1 + 32x2 + + 3nxn xn = n + n1x1 + n2x2 + + n,n1xn1.Uvedimo matrice =__1112 1n2122 2n n1n2 nn__; =__1...n__saii = 0.18Tada mozemo, u matricnom obliku, napisati sistemx = + x.Uzmimozaprvuaproksimacijux(0)=, aondacemo, iteracijom, dobitisledece aproksimacijex(1)= + x(0)x(2)= + x(1) x(k+1)= + x(k), k = 0, 1, 2, . . . .Ako postojix =limkx(k),to ce biti resenje sistema.Ako jen

j=1|ij| < 1, ilin

i=1|ij| < 1,zai = 1, . . . , n, odnosnoj= 1, . . . , n, nas ce proces konvergirati jedinstvenomresenju nezavisno od pocetne aproksimacije. Iz gornjeg proistice i uslov|aii| >

j=i|aij|, i = 1, . . . , n.Ako jedetA = 0, pomocu linearnog kombinovanja sistema pocetni sistem seuvek moze zameniti ekvivalentnim sistemomx = + xtakvimdausloviteoremebuduispunjeni. Nekaje, naime, matricasaargu-mentimaij, malimpomodulu. UvedimonovumatricuD=A1 . Tadaje(A1 )Ax = DbiA1Ax Ax = Db,tj.x = Ax + Db.Uvedemo liA = iDb = , dobijamox = + x.Ako su |ij| dovoljno mali, moze se podesiti da uslovi teoreme budu ispunjeni.192.8 ZajdelovametodaRecjeojednojmodikacijimetodeiteracije. Osnovnaidejajeutome stose pri izracunavanju(k + 1)-e aproksimacije nepoznate xi, uracunavajuvecizracunate ranije (k + 1)-e aproksimacije nepoznatihx1,x2,. . . ,xi1.Neka je, naime, dat sistemxi = i +n

j=1ijxj, i = 1, 2, . . . , n.Izaberimo proizvoljnox01,x02,. . . ,x0n.Dalje racunajuci da suk-te aproksimacijex(k)ipoznate, primenicemox(k+1)1= 1 +n

j=11jx(k)jx(k+1)2= 2 +n

j=22jx(k)j+ 21x(k+1)1 x(k+1)i= i +i1

j=1ijx(k+1)j+n

j=iijx(k)j x(k+1)n= n +n1

j=1njx(k+1)j+ nnx(k)n,zak = 0, 1, 2, . . . .Teorema konvergencije za metodu iteracije ostaje u vaznosti i ovde.2.9 PrimedbaodovodenjulinearnogsistemanaoblikpogodanzaiteracijuNeka je linearan sistem zadan u opstem oblikua11x1 + a12x2 + a13x3 = a14a21x1 + a22x2 + a23x3 = a24a31x1 + a32x2 + a33x3 = a34.Dabi zaresenjeovogsistemabilomogucekoristiti semetodomiteracije,neophodno je dovesti ga na oblikx1 = b11x1 + b12x2 + b13x3 + c120x2 = b21x1 + b22x2 + b23x3 + c2x3 = b31x1 + b32x2 + b33x3 + c3sto se moze uciniti na beskrajno mnogo nacina. Mi treba da izaberemo takavnacin da dobijemo konvergentan iteracioni proces. Ovakav je zadatak uvek resiv,kada sistem ima jedinstveno resenje, odnosno kada je determinanta sistema ra-zlicita od nule.Narocito se lako zadatak resava ako je|a11| > |a12| + |a13||a22| > |a21| + |a23||a33| > |a31| + |a32|.Tada je dovoljno resiti prvu jednacinu po x1, drugu po x2, trecu po x3. Akonavedeni uslovi nisu ispunjeni, zadatak se moze, recimo, resiti na sledeci nacin.U datom sistemu izdvoji se jednacina, kod koje je koecijent uz jednu nepo-znatupomoduluveci odzbiramodulakoecijenatauzostalenepoznatetejednacine.Ako pri tome u datom sistemu dve ili veci broj jednacina imaju koecijenteuzjednuistunepoznatu, koji zadovoljavajugornji uslov, tosebirajednaodnjih po sledecem kriterijumu. Ako, recimo, u sistemu dati uslov zadovoljavajukoecijenti uzx2u prve dve jednacine, tj.|a12| > |a11| + |a13||a22| > |a21| + |a23|,to se od prve dve jednacine uzima ona kod koje je razlomak|a11| + |a13||a12|ili|a21| + |a23||a22|manji. Daljeseprenumerisesistemizdvojenihjednacinatako, danajveci pomodulu koecijent bude dijagonalan.Mozese, medutim, desiti, dasvejednacinedatogsistemaneuduunovisistem, tj. daunovomsistemusvevrstenebudupopunjene. Tadaseiznei-skoriscenihjednacinai izjednacina, zapisanihunovsistem, sastavljajualge-barski zbirovi saspecijalnoizabranimkoecijentom, takodanovejednacinezadovoljavaju gornji uslov i popune sve vrste. Uocimo sistemx1 + 3x2 + x3 = 0, 62x1 + x2 x3 = 0, 721x1 x2 + 2x3 = 2, 6.Kako je =1 3 12 1 11 1 2=1 4 12 0 11 1 2=3 4 10 0 15 1 1=3 45 1 = 3 20 == 17 = 0, to je postavljeni zadatak resiv.U prvoj jednacini ispunjen je uslov3 > 1 + 1 = 2.Pomnozimo drugu jednacinu sa 3 i saberemo sa trecom jednacinom. Bice6x1 + 3x2 3x3 = 2, 1+x1 x2 + 2x3 = 2, 67x1 + 2x2 x3 = 0, 5,gde je7 > 2 + 1.Dalje,pomnozimoprvuitrecujednacinusa2,drugusa 3,pasaberemo.Dobija se2x1 + 6x2 + 2x3 = 1, 26x1 3x2 + 3x3 = 2, 12x1 2x2 + 4x3 = 5, 22x1 + x2 + 9x3 = 8, 5.Ovde je 9 > 2 + 1.Novi je sistem7x1 + 2x2 x3 = 0, 5x1 + 3x2 + x3 = 0, 62x1 + x2 + 9x3 = 8, 5,koji je pogodan za iteraciju, kada se jednacine rese pox1,x2,x3.222.10 UslovljenostlinearnogsistemaNeka je dat sistema11x1 + a12x2 + + a1nxn = b1a21x1 + a22x2 + + a2nxn = b2 an1x1 + an2x2 + + annxn = bn,ili, matricno,Ax = b, saA =__a11a12 a1na21a22 a2n an1an2 ann__, x =__x1x2...xn__, b =__b1b2...bn__.Normom matriceA zvacemo||A|| =maxx(R)|Ax||x|= maxx=0{[

j(

kajkxk)2]12[

jx2j]12}gde je (R) realan Euklidov prostor.Ova norma igra vaznu ulogu pri izracunavanju pojma uslovljenosti linearnogsistema. Neka je na desnoj strani ucinjena izvesna greska b; dok koecijentesistema smatramo, jednostavnosti radi, apsolutno tacnim znaci da jeA(x + x) = b + b,tj.Ax = b.Odavde jex = A1bi|x| ||A1|| |b|, |b| ||A|| |x|,sto se izvodi iz osobine |Ax| ||A|| |x|.Dalje je|x||x| ||A|| ||A1|||b||b|.Proizvod ||A|| ||A1|| jestemerauslovljenosti sistema. Akojeovamera,kojanemozebiti manjaodjedinice, veomabliskajedinici, sistemjedobro23uslovljen. Ako je velika, sistem je slabouslovljen;takvi sistemi su veoma neu-dobni za numericko racunanje.Preciznije, imamo:Neka je dat sistemAx = b. Neka je, dalje,||A|| = maxxR|Ax||x|=_

j(

k ajkxk)2_

j x2j.Nekaje unezavisnomclanugreskab. Bice A(x + x) =b + b, tj.Ax = b.Iz denicije norme sleduje |Ax||x| ||A||, tj. |Ax| ||A|| |x|. Takode je|Ax| ||A|| |x|, tj. |b| ||A|| |x|.Ako uzmemo ||A1|| max |A1b||b|, sto je ista denicija norme, dobijamo|A1b| ||A1|| |b|, tj. |x| ||A1|| |b|.Podemo li od dobijene nejednakosti |b| ||A|| |x| i iskoristimo prethodnu,onda je|b| ||A|| ||A1|| |b|, tj. ||A|| ||A1|| 1.Sa druge strane,|Ax| ||A|| |x|, tj. |b| ||A|| |x|,ili1|x| ||A|||b|,tj.|x||x| ||A1|| ||A|| |b||b|.[2]Standardne metode (na primer Gausova eliminacija) su nepogodne za resavanjesistemalinearnihjednacinasaloseuslovljenimmatricama, jermaleracunskegreske mogu dovesti do velikih gresaka rezultata.Resenje sistema linearnih jednacinax1 + 12x2 + 3x3 = 3812x1 2x2 + 9x3 = 9243x1 + 9x2 + 4x3 = 49jex1 = 9157, x2 = 2166, x3 = 11729,a priblizno resenje odredeno Gausovom metodom eliminacije, izracunato u obi-cnoj tacnosti, jex

1 = 9157.064000, x

2 = 2166.015000, x

3 = 11729.080000.Sobziromnamaludimenzijusistema, greskajevelikai uzroktomejelosauslovljenost matrice sistema (cond(A) = ||A|| ||A1|| = 6601). Kada se sistemresava Gausovom eliminacijom u dvostrukoj tacnosti, postize se tacnost 106.Primerukazujedatrebaracunatiudvostrukojtacnosti, ukolikoseprime-njujustandardnemetodezaresavanjeloseuslovljenihsistema. Ovakvejesi-steme moguce, medutim, bolje resavati iterativnim metodama ili tzv. metodomsingularne dekompozicije.[3]2.11 Primerizatacnoipribliznoresavanjelinearnihsistema1. Sistem:x + y + z = 6x y + 3z = 8x + y z = 0,resiti po metodi glavnih elemenata.MatricaM:__1 1 1 61 1 3 81 1 1 0__mi = aiqapqm1 = 13m2 =13.MatricaM(1):__2343103432383__m1 = 12.25MatricaM(2):_1 1 iz koje sledix = 1.Iz prethodne matrice imamo23 1 + 43y =103, tj. y = 2,pa iz prve jos dobijamo1 2 + 3z = 8, tj. z = 3.2. Sistem:x + 2y + 3z = 142x + y + 4z = 163x + 4y + z = 14,resiti metodom kvadratnih korena.ImamoA = A

.Dalje je__1 2 32 1 43 4 1__ =__t110 0t12t220t13t23t33____t11t12t130 t22t230 0 t33__.Dobija set11 = 1, t12 = 2, t13 = 3, t22 = i3, t23 =2i3, t33 = 2i_53,pa jey1 = 142y1 + i3y2 = 163y1 +2i3y2 + 2i_53y3 = 14.Odavde jey1 = 14, y2 =12i3, y3 = 10i_35,pa imamox + 2y + 3z = 14i3y +2i3z =12i3262i_53z = 10i_35,a odavdez = 3, y = 2, x = 1.3. Sistem:x + 2y + 3z = 142x + y + 4z = 163x + 4y + z = 14,resiti po shemi Haleckog.Ovo je malopredasnji sistem. Imamo__1 2 32 1 43 4 1__ =__b110 0b21b220b31b32b33____1 c12c130 1 c230 0 1__.Odavde jeb11 = 1, b21 = 2, b31 = 3, c12 = 2, c13 = 3, b22 = 3,c23 =23, b32 = 2, b33 = 203,pa imamoy1 = 142y1 3y2 = 163y1 2y2 203y3 = 14,odnosnoy1 = 14, y2 = 4, y3 = 3.Dalje jex + 2y + 3z = 14y + 23z = 4z = 3,tj. x=1, y=2, z=3.4. Metodom iteracije resimo sistemx =y4 +z5 110y =x7 +z2 +51427z = x2 +y3 + 176.Uzmemo li za pocetne vrednostix0 = 0, y0 = 1, z0 = 2,dobijamo, iteracijom,x1 = 0, 55; y1 = 1, 36; z1 = 3, 17x2 = 0, 87; y2 = 2, 02; z2 = 3, 01.Primenom Zajdelove metode, polazeci od istihx0,y0,z0dobijamox1 = 0, 55; y1 = 1, 44; z1 = 3, 04x2 = 0, 87; y2 = 2, 001; z2 = 3, 07x3 = 1, 01; y3 = 2, 04; z3 = 3, 01x4 = 1, 01; y4 = 2, 01; z4 = 2, 998.Prava su resenja: x = 1,y = 2,z = 3.2.12 JosometodinajmanjihkvadrataPrimenamatematikenaraznaprakticnapitanjacestodovodi doslucajapreodredenih problema, odnosno do protivrecnih sistema, na primer, sa vecimbrojem jednacina nego nepoznatih.Pretpostavimo da su merenja nepoznate duzinex dala tri rezultatal1, l2, l3.Tada nepoznatax treba da zadovoljava tri jednacinel1 x = 0, l2 x = 0, l3 x = 0.Sa matematickog stanovista, ovo je nesaglasan, protivrecan sistem. Ako sa1,2,3oznacimo greske merenja, dobicemol1 x = 1, l2 x = 2, l3 x = 3(tri jednacine sa cetiri nepoznate, gde je preodreden problem sveden na neodre-den).Za pretvaranje problema u odreden potrebna je jos jedna jednacina: ona biizrazila dopunski uslov, naime na koji nacin u izracunavanju treba uzeti u obzirdopustene greske 1, 2, 3. To se moze uciniti na vise nacina. Princip, ili metodanajmanjih kvadrata postavlja kao uslov da zbir kvadrata gresaka bude najmanji.28U nasem slucaju treba da bude21 + 22 + 23 = Min.Dobicemo(l1 x)2+ (l2 x)2+ (l3 x)2= Min.Za odredivanje ekstremuma nase funkcije treba uzeti izvod po x i izjednacitiga sa nulom. Kako izvod ima vrednost2(l1 x) 2(l2 x) 2(l3 x),za odredivanje imamo jednacinul1 x + l2 x + l3 x = 0tj.x =l1 + l2 + l33sto je aritmeticka sredina.Uopste, neka je daton jednacina sam nepoznatih (n > m)fi(x, y, z, . . . ) = 0, i = 1, 2, . . . , n.Treba naci vrednost nepoznatihx, y, z, . . . tako da vrednosti funkcijefi(x, y, z, . . . ) = i, i = 1, . . . , nnajmanje odstupaju od nule, tj. prema principu najmanjih kvadrata da je21 + 22 + + 2n = Min.Neka je dat niz linearnih jednacinaa1x + b1y + c1 = 0a2x + b2y + c2 = 0 anx + bny + cn = 0.Dobijamo, po principu najmanjih kvadrata, funkcijuF(x, y) = (a1x + b1y + c1)2+ (a2x + b2y + c2)2+ + (anx + bny + cn)2,koja treba da ima minimalnu vrednost. Uslovi za ekstremum ove funkcije suFx= 0,Fy= 0.29U nasem slucaju ovi uslovi postajua1(a1x + b1y + c1) + a2(a2x + b2y + c2) + + an(anx + bny + cn) = 0b1(a1x + b1y + c1) + b2(a2x + b2y + c2) + + bn(anx + bny + cn) = 0ili, ako uvedemo oznake[aa] = a21 + a22 + + a2n[ab] = a1b1 + a2b2 + + anbn[ac] = a1c1 + a2c2 + + ancnitd., dobijamo[aa]x + [ab]y + [ac] = 0[ba]x + [bb]y + [bc] = 0odakle izracunavamox iy.Neka je dat sistema1x + b1y + c1 = 0a1x + b1y + c2 = 0 a1x + b1y + cn = 0.Ovde je[aa] = na21, [ab] = na1b1[ac] = a1(c1 + + cn)[ba] = na1b1, [bb] = nb21, [bc] = b1(c1 + + cn),pa jena21x + na1b1y + a1(c1 + + cn) = 0na1b1x + nb21y + b1(c1 + + cn) = 0,odnosnoa1[na1x + nb1y + (c1 + + cn)] = 0b1[na1x + nb1y + (c1 + + cn)] = 0.Kako nisu ia1ib1jednaki nuli, mora bitina1x + nb1y + (c1 + + cn) = 0,tj.a1x + b1y +c1 + + cnn= 0.30Dobijase, dakle, beskonacnomnogovrednosti zaxi y, kojesedobijajuizsrednjejednacine,gdejezanezavisni clanuzetaaritmetickasredinasvihnezavisnih clanova.Neka su date jednacinex + y 1 = 0x + y 2 = 02x 3y + 1 = 0.Po metodi najmanjih kvadrataF(x, y) = (x + y 1)2+ (x + y 2)2+ (2x 3y + 1)2tj.2(x + y 1) + 2(x + y 2) + 4(2x 3y + 1) = 0i2(x + y 1) + 2(x + y 2) 6(2x 3y + 1) = 0ili12x 8y 2 = 08x + 22y 12 = 0i6x 4y = 14x + 11y = 6.Odavde jex =1 46 116 44 11=11 + 2466 16=3550=710y =6 14 650=36 + 450=4050=45.Sa druge strane, kombinujmo moguce saglasne sisteme iz datog sistema. Tosux + y 1 = 0 x + y 2 = 0i2x 3y + 1 = 0 2x 3y + 1 = 0.Kod prvog sistemax =1 11 31 12 3= 3 + 13 2=25; y =1 12 15= 1 25=35.31Kod drugog sistemax =2 11 35= 6 + 15= 1; y =1 22 15= 1 45= 1.Dakle,x1 =25, x2 = 1; y1 =35, y2 = 1.Dalje jex1 + x22=25 + 12=2 + 510=710iy1 + y22=35 + 12=810=45,sto je isti rezultat kao po metodi najmanjih kvadrata (ne zaboravimo da se ovametoda zove i metodom aritmetickih sredina).[2]32Sadrzaj1 Sistem linearnih jednacina sa dve nepoznate i njegovo resavanjeuproslosti 12 Sistemilinearnihjednacina 102.1 Gausova metoda eliminacije - sema jedinstvenogdeljenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2 Gausova metoda eliminacije - sema sa izborom glavnih elemenata 152.3 Istovremeno resavanje vise sistema linearnih jednacina . . . . . . 162.4 Gausova metoda eliminacije -Zordanova sema . . . . . . . . . . . 172.5 Metoda kvadratnih korena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6 Shema Haleckog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.7 Metoda iteracije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.8 Zajdelova metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.9 Primedba o dovodenju linearnog sistema na oblikpogodan za iteraciju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.10Uslovljenost linearnog sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.11Primeri za tacno i priblizno resavanje linearnihsistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.12Jos o metodi najmanjih kvadrata . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Literatura[1] Bogoljub Marinkovic, Dorde Kadijevic, Metoda lazne pretpostavke (umatematici i informatici), Arhimedesovi materijali za mlade matematicare,Sveska 78, Arhimedes, Beograd, 1991[2] dr Milorad Bertolino, Numericka analiza, Univerzitet u Beogradu, Naucnaknjiga, 1977[3] BoskoJovanovic, DesankaRadunovic, Numerickaanaliza, Matematickifakultet, Beograd, 2003[4] Predavanjadr ArifaZolicaiz predmetaUvodunumerickumatematikuMatematickog fakulteta u Beogradu skolske 2006/2007. godine[5] Carl Meyer, Matrix Analysis and Applied Linear Algebra Book andSolutions Manual, (Paperback - Feb 15, 2001), www.amazon.com33