ru.wikipedia.org

Метод Гаусса — Википедия

Ме́тод Га́усса — классический метод решения системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Назван в честь немецкого математика Карла Фридриха Гаусса. Это метод последовательного исключения переменных, когда с помощью элементарных преобразований система уравнений приводится к равносильной системе треугольного вида, из которой последовательно, начиная с последних (по номеру), находятся все переменные системы^[1].

Хотя в настоящее время данный метод повсеместно называется методом Гаусса, он был известен и до К. Ф. Гаусса. Первое известное описание данного метода — в китайском трактате «Математика в девяти книгах».

Пусть исходная система выглядит следующим образом:

$\left\{{\begin{array}{lcr}a_{11}x_{1}+\ldots +a_{1n}x_{n}&=&b_{1}\\\ldots &&\\a_{m1}x_{1}+\ldots +a_{mn}x_{n}&=&b_{m}\\\end{array}}\right.$

Её можно записать в матричном виде:

$Ax=b,$

где

$A=\left({\begin{array}{ccc}a_{11}&\ldots &a_{1n}\\\ldots &&\\a_{m1}&\ldots &a_{mn}\end{array}}\right),\quad x=\left({\begin{array}{c}x_{1}\\\vdots \\x_{n}\end{array}}\right),\quad b=\left({\begin{array}{c}b_{1}\\\vdots \\b_{m}\end{array}}\right).\quad (1)$

Матрица $A$ называется основной матрицей системы, $b$ — столбцом свободных членов.

Тогда, согласно свойству элементарных преобразований над строками, основную матрицу этой системы можно привести к ступенчатому виду (эти же преобразования нужно применять к столбцу свободных членов):

$\left\{{\begin{array}{rcl}\alpha _{1j_{1}}x_{j_{1}}+\alpha _{1j_{2}}x_{j_{2}}+\ldots +\alpha _{1j_{r}}x_{j_{r}}+\ldots +\alpha _{1j_{n}}x_{j_{n}}&=&\beta _{1}\\\alpha _{2j_{2}}x_{j_{2}}+\ldots +\alpha _{2j_{r}}x_{j_{r}}+\ldots +\alpha _{2j_{n}}x_{j_{n}}&=&\beta _{2}\\&\ldots &\\\alpha _{rj_{r}}x_{j_{r}}+\ldots +\alpha _{rj_{n}}x_{j_{n}}&=&\beta _{r}\\0&=&\beta _{r+1}\\&\ldots &\\0&=&\beta _{m}\end{array}}\right.,$

где $\alpha _{1j_{1}},\ldots ,\alpha _{rj_{r}}\neq 0.$

При этом будем считать, что базисный минор (ненулевой минор максимального порядка) основной матрицы находится в верхнем левом углу, то есть в него входят только коэффициенты при переменных $x_{j_{1}},\ldots ,x_{j_{r}}$ ^[2].

Тогда переменные $x_{j_{1}},\ldots ,x_{j_{r}}$ называются главными переменными. Все остальные называются свободными.

Если хотя бы одно число $\beta _{i}\neq 0$ , где $i>r$ , то рассматриваемая система несовместна, т. е. у неё нет ни одного решения.

Пусть $\beta _{i}=0$ для любых $i>r$ .

Перенесём свободные переменные за знаки равенств и поделим каждое из уравнений системы на свой коэффициент при самом левом $x$ ( $\alpha _{ij_{i}},\,i=1,\ldots ,r$ , где $i$ — номер строки):

$\left\{{\begin{array}{rcc}x_{j_{1}}+{\widehat {\alpha }}_{1j_{2}}x_{j_{2}}+\ldots +{\widehat {\alpha }}_{1j_{r}}x_{j_{r}}&=&{\widehat {\beta }}_{1}-{\widehat {\alpha }}_{1j_{r+1}}x_{j_{r+1}}-\ldots -{\widehat {\alpha }}_{1j_{n}}x_{j_{n}}\\x_{j_{2}}+\ldots +{\widehat {\alpha }}_{2j_{r}}x_{j_{r}}&=&{\widehat {\beta }}_{2}-{\widehat {\alpha }}_{2j_{r+1}}x_{j_{r+1}}-\ldots -{\widehat {\alpha }}_{2j_{n}}x_{j_{n}}\\&\ldots &\\x_{j_{r}}&=&{\widehat {\beta }}_{r}-{\widehat {\alpha }}_{rj_{r+1}}x_{j_{r+1}}-\ldots -{\widehat {\alpha }}_{rj_{n}}x_{j_{n}}\\\end{array}}\right.,\qquad {\widehat {\beta }}_{i}={\frac {\beta _{i}}{\alpha _{ij_{i}}}},\quad {\widehat {\alpha }}_{ij_{k}}={\frac {\alpha _{ij_{k}}}{\alpha _{ij_{i}}}}\quad (2)$ ,

где $i=1,\ldots ,r,\quad k=i+1,\ldots ,n.$

Если свободным переменным системы (2) придавать все возможные значения и решать новую систему относительно главных неизвестных снизу вверх (то есть от нижнего уравнения к верхнему), то мы получим все решения этой СЛАУ. Так как эта система получена путём элементарных преобразований над исходной системой (1), то по теореме об эквивалентности при элементарных преобразованиях системы (1) и (2) эквивалентны, то есть множества их решений совпадают.

Следствия:
1: Если в совместной системе все переменные главные, то такая система является определённой.

2: Если количество переменных в системе превосходит число уравнений, то такая система является либо неопределённой, либо несовместной.

Упомянутое выше условие $\beta _{i}=0$ для всех $i>r$ может быть сформулировано в качестве необходимого и достаточного условия совместности:

Напомним, что рангом совместной системы называется ранг её основной матрицы (либо расширенной, так как они равны).

Теорема Кронекера — Капелли.
Система совместна тогда и только тогда, когда ранг её основной матрицы равен рангу её расширенной матрицы.

Следствия:

Количество главных переменных равно рангу системы и не зависит от её решения.
Если ранг совместной системы равен числу переменных данной системы, то она определена.

Блок-схема представлена на рисунке. Данный рисунок — адаптированный для написания программы на языке C/C++, где a — расширенная матрица, последний столбец в которой — столбец свободных членов. Количество строк — n.

Алгоритм решения СЛАУ методом Гаусса подразделяется на два этапа.

На первом этапе осуществляется так называемый прямой ход, когда путём элементарных преобразований над строками систему приводят к ступенчатой или треугольной форме, либо устанавливают, что система несовместна. Для этого среди элементов первого столбца матрицы выбирают ненулевой, перемещают содержащую его строку в крайнее верхнее положение, делая эту строку первой. Далее ненулевые элементы первого столбца всех нижележащих строк обнуляются путём вычитания из каждой строки первой строки, домноженной на отношение первого элемента этих строк к первому элементу первой строки. После того, как указанные преобразования были совершены, первую строку и первый столбец мысленно вычёркивают и продолжают, пока не останется матрица нулевого размера. Если на какой-то из итераций среди элементов первого столбца не нашёлся ненулевой, то переходят к следующему столбцу и проделывают аналогичную операцию.
На втором этапе осуществляется так называемый обратный ход, суть которого заключается в том, чтобы выразить все получившиеся базисные переменные через небазисные и построить фундаментальную систему решений, либо, если все переменные являются базисными, то выразить в численном виде единственное решение системы линейных уравнений. Эта процедура начинается с последнего уравнения, из которого выражают соответствующую базисную переменную (а она там всего одна) и подставляют в предыдущие уравнения, и так далее, поднимаясь по «ступенькам» наверх. Каждой строчке соответствует ровно одна базисная переменная, поэтому на каждом шаге, кроме последнего (самого верхнего), ситуация в точности повторяет случай последней строки.

Метод Гаусса требует $O(n^{3})$ арифметических операций.

Этот метод опирается на:

Теорема (о приведении матриц к ступенчатому виду).
Любую матрицу путём элементарных преобразований только над строками можно привести к ступенчатому виду.

В простейшем случае алгоритм выглядит так:

$\left\{{\begin{array}{lcc}a_{11}\cdot x_{1}+a_{12}\cdot x_{2}+\ldots +a_{1n}\cdot x_{n}&=b_{1}&(1)\\a_{21}\cdot x_{1}+a_{22}\cdot x_{2}+\ldots +a_{2n}\cdot x_{n}&=b_{2}&(2)\\\ldots &&\\a_{m1}\cdot x_{1}+a_{m2}\cdot x_{2}+\ldots +a_{mn}\cdot x_{n}&=b_{m}&(m)\end{array}}\right.$

Прямой ход:

${\begin{array}{ccc}(2)\to (2)-(1)\cdot ({\frac {a_{21}}{a_{11}}})&:&a_{22}^{\prime }\cdot x_{2}+a_{23}^{\prime }\cdot x_{3}+\ldots +a_{2n}^{\prime }\cdot x_{n}=b_{2}^{\prime }\\(3)\to (3)-(1)\cdot ({\frac {a_{31}}{a_{11}}})&:&a_{32}^{\prime }\cdot x_{2}+a_{33}^{\prime }\cdot x_{3}+\ldots +a_{3n}^{\prime }\cdot x_{n}=b_{3}^{\prime }\\\ldots &&\\(m)\to (m)-(1)\cdot ({\frac {a_{m1}}{a_{11}}})&:&a_{m2}^{\prime }\cdot x_{2}+a_{m3}^{\prime }\cdot x_{3}+\ldots +a_{mn}^{\prime }\cdot x_{n}=b_{n}^{\prime }\\(3)\to (3)-(2)\cdot ({\frac {a_{32}^{\prime }}{a_{22}^{\prime }}})&:&a_{33}^{\prime \prime }\cdot x_{3}+\ldots +a_{3n}^{\prime \prime }\cdot x_{n}=b_{3}^{\prime \prime }\\\ldots &&\\(m)\to (m)-(m-1)\cdot ({\frac {a_{m,n-1}^{(m-2)}}{a_{m-1,n-1}^{(m-2)}}})&:&a_{mm}^{(m-1)}\cdot x_{m}+\ldots +a_{mn}^{(m-1)}\cdot x_{n}=b_{m}^{(m-1)}\end{array}}$

Обратный ход. Из последнего ненулевого уравнения выражаем базисную переменную через небазисные и подставляем в предыдущие уравнения. Повторяя эту процедуру для всех базисных переменных, получаем фундаментальное решение.

Покажем, как методом Гаусса можно решить следующую систему:

$\left\{{\begin{array}{ccc}2x+y-z&=&8\\-3x-y+2z&=&-11\\-2x+y+2z&=&-3\end{array}}\right.$

Обнулим коэффициенты при $x$ во второй и третьей строчках. Для этого прибавим к ним первую строчку, умноженную на $\textstyle {\frac {3}{2}}$ и $1$ , соответственно:

$\left\{{\begin{array}{rcc}2x+y-z&=&8\\{\frac {1}{2}}y+{\frac {1}{2}}z&=&1\\2y+z&=&5\end{array}}\right.$

Теперь обнулим коэффициент при $y$ в третьей строке, вычтя из неё вторую строку, умноженную на $4$ :

$\left\{{\begin{array}{rcc}2x+y-z&=&8\\{\frac {1}{2}}y+{\frac {1}{2}}z&=&1\\-z&=&1\\\end{array}}\right.$

В результате мы привели исходную систему к треугольному виду, тем самым закончив первый этап алгоритма.

На втором этапе разрешим полученные уравнения в обратном порядке. Имеем:

$z=-1$ из третьего;

$y=3$ из второго, подставив полученное $z$

$x=2$ из первого, подставив полученные $z$ и $y$ .

Таким образом, исходная система решена.

В случае, если число уравнений в совместной системе получилось меньше числа неизвестных, ответ будет записываться в виде фундаментальной системы решений.

namespace Gauss_Method
{
    class Maths
    {
        /// <summary>
        /// Метод Гаусса (Решение СЛАУ)
        /// </summary>
        /// <param name="Matrix">Начальная матрица</param>
        /// <returns></returns>
        public static double[] Gauss(double[,] Matrix)
        {
            int n = Matrix.GetLength(0); //Размерность начальной матрицы (строки)
            double[,] Matrix_Clone = new double[n, n + 1]; //Матрица-дублер
            for (int i = 0; i < n; i++)
                for (int j = 0; j < n + 1; j++)
                    Matrix_Clone[i, j] = Matrix[i, j];

            // Прямой ход (Зануление нижнего левого угла)
            for (int k = 0; k < n; k++) //k-номер строки
            {
                for (int i = 0; i < n + 1; i++) //i-номер столбца
                    Matrix_Clone[k, i] = Matrix_Clone[k, i] / Matrix[k, k]; //Деление k-строки на первый член !=0 для преобразования его в единицу
                for (int i = k + 1; i < n; i++) //i-номер следующей строки после k
                {
                    double K = Matrix_Clone[i, k] / Matrix_Clone[k, k]; //Коэффициент
                    for (int j = 0; j < n + 1; j++) //j-номер столбца следующей строки после k
                        Matrix_Clone[i, j] = Matrix_Clone[i, j] - Matrix_Clone[k, j] * K; //Зануление элементов матрицы ниже первого члена, преобразованного в единицу
                }
                for (int i = 0; i < n; i++) //Обновление, внесение изменений в начальную матрицу
                    for (int j = 0; j < n + 1; j++)
                        Matrix[i, j] = Matrix_Clone[i, j];
            }

            // Обратный ход (Зануление верхнего правого угла)
            for (int k = n - 1; k > -1; k--) //k-номер строки
            {
                for (int i = n; i > -1; i--) //i-номер столбца
                    Matrix_Clone[k, i] = Matrix_Clone[k, i] / Matrix[k, k];
                for (int i = k - 1; i > -1; i--) //i-номер следующей строки после k
                {
                    double K = Matrix_Clone[i, k] / Matrix_Clone[k, k];
                    for (int j = n; j > -1; j--) //j-номер столбца следующей строки после k
                        Matrix_Clone[i, j] = Matrix_Clone[i, j] - Matrix_Clone[k, j] * K;
                }
            }

            // Отделяем от общей матрицы ответы
            double[] Answer = new double[n];
            for (int i = 0; i < n; i++)
                Answer[i] = Matrix_Clone[i, n];

            return Answer;
        }
    }
}

Помимо аналитического решения СЛАУ, метод Гаусса также применяется для:

Для матриц ограниченного размера — менее трудоёмкий по сравнению с другими методами.
Позволяет однозначно установить, совместна система или нет, и если совместна, найти её решение.
Позволяет найти максимальное число линейно независимых уравнений — ранг матрицы системы^[3].

Метод Гаусса для плохо обусловленных матриц коэффициентов является вычислительно неустойчивым. Например, для матриц Гильберта метод приводит к очень большим ошибкам даже при небольшой размерности этих матриц. Уменьшить вычислительную ошибку можно с помощью метода Гаусса с выделением главного элемента, который является условно устойчивым^[4]. Широкое применение метода Гаусса связано с тем, что плохо обусловленные матрицы встречаются на практике относительно редко.

В 1969 году Штрассен доказал, что большие матрицы можно перемножить за время $O(n^{\log _{2}{7}})\approx O(n^{2{,}81})$ ^[5]. Отсюда вытекает, что обращение матриц и решение СЛАУ можно осуществлять алгоритмами асимптотически более быстрыми по порядку, чем метод Гаусса. Таким образом, для больших СЛАУ метод Гаусса не оптимален по скорости.

↑ Н. Ш. Кремер, 2.3. «Метод Гаусса», стр. 44
↑ Такого расположения минора можно добиться перестановкой столбцов основной матрицы и соответствующей перенумерацией переменных.
↑ Н. Ш. Кремер, 2.4. «Система m линейных уравнений с n переменными», стр. 49
↑ УСТОЙЧИВОСТЬ И ТОЧНОСТЬ ПРЯМЫХ МЕТОДОВ (недоступная ссылка)
↑ Strassen V. Gaussian Elimination is not Optimal (англ.) // Numerische Mathematik / F. Brezzi — Springer Science+Business Media, 1969. — Vol. 13, Iss. 4. — P. 354—356. — ISSN 0029-599X; 0945-3245 — doi:10.1007/BF02165411

И. М. Виноградов. Гаусса метод // Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. — 1977—1985.
Ильин В. А., Позняк Э. Г. Линейная алгебра: Учебник для вузов. — 6-е изд., стер. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. — 280 с.
Амосов А. А., Дубинский Ю. А., Копченова Н. П. Вычислительные методы для инженеров. — М.: Мир, 1998.
Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. Г. Численные методы. — 8-е изд. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
Волков Е. А. Численные методы. — М.: Физматлит, 2003.
Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1970. — С. 575—576.
Кремер Н. Ш., Путко Б. А., Тришин И. М., Фридман М. Н. Высшая математика для экономистов / Под ред. Н. Ш. Кремера. — 3-е изд. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2007. — 479 с. — ISBN 5-238-00991-7.

Press, WH; Teukolsky, SA; Vetterling, WT; Flannery, BP (2007), "Section 2.2", Numerical Recipes: The Art of Scientific Computing (3rd ed.), New York: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88068-8