Jeroen's Studie Archief
Lineaire algebra 19 september 2024

Voorbeelden van Gauss-Jordan-eliminatie

We kijken naar twee voorbeelden van Gauss-Jordan-eliminatie.

Voorbeeld 1

Gegeven is het algemene stelsel:

{x12x2=12x1+4x2=a(aR) \begin{cases} x_1 - 2x_2 = 1 \\ -2x_1 + 4x_2 = a \quad (a\in\R) \end{cases}

Dit kunnen we in een uitgebreide coëfficiëntematrix zetten en Gauss-eliminatie toepassen:

[12124a]r2r2+2r1[12100a+2] \left[ \begin{array}{cc|c} 1 & -2 & 1 \\ -2 & 4 & a \end{array} \right] \stackrel{r_2 \to r_2 + 2r_1}{\sim} \left[ \begin{array}{cc|c} 1 & -2 & 1 \\ 0 & 0 & a+2 \end{array} \right]

Pivot-elementen en Jordan-eliminatie

De pivot-elementen in deze matrix zijn blauw gekleurd:

[12100a+2] \left[ \begin{array}{cc|c} \colorbox{cyan}1 & -2 & 1 \\ 0 & 0 & a+2 \end{array} \right]

Omdat x1x_1 een pivot-element in zijn kolom heeft, is x1x_1 een pivot-variabele. Daarentegen is x2x_2 geen pivot-variabele.

Merk op dat deze matrix volledig rijgereduceerd is, wat betekent dat we geen Jordan-eliminatie meer kunnen toepassen.

Oplossingen

We beschouwen twee gevallen: (1) a2a\neq-2 en (2) a=2a=-2.

Voor geval (1) met a2a\neq-2 zien we dat het stelsel geen oplossingen heeft, het stelsel is strijdig. De oplossingsverzameling is hier \emptyset.

Voor geval (2) kunnen we x2x_2 vrij kiezen, omdat x2x_2 geen pivot-variabele is. We kiezen x2=tx_2=t met tRt\in\R. De eerste rij geeft x12x2=1x_1-2x_2=1, dus x1=2t+1x_1=2t+1. Dit geeft als oplossingsverzameling:

{[2t+1t]:tR}={[10]+t[21]:tR} \left\{ \begin{bmatrix} 2t+1 \\ t \end{bmatrix} : t\in\R \right\} = \left\{ \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \end{bmatrix} + t \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \end{bmatrix} : t\in\R \right\}

Hierin herkennen we de parametervoorstelling van een lijn. We hebben hier dus een hele lijn aan oplossingen.

Voorbeeld 2

Gegeven is het algemene stelsel:

{x1+2x2+x4=12x1+4x2+x3+4x4=1x12x2+x3+x4=2 \begin{cases} x_1 + 2x_2 + x_4 = 1 \\ 2x_1 + 4x_2 + x_3 + 4x_4 = 1 \\ -x_1 - 2x_2 + x_3 + x_4 = -2 \end{cases}

We stellen een uitgebreide coëfficiëntematrix op en passen Gauss-eliminatie toe:

[120112414112112]r2r22r1,r3r3+r1[120110012100121]r3r3r2[120110012100000] \left[ \begin{array}{cccc|c} 1 & 2 & 0 & 1 & 1 \\ 2 & 4 & 1 & 4 & 1 \\ -1 & -2 & 1 & 1 & -2 \end{array} \right] \stackrel{r_2 \to r_2 - 2r_1, r_3 \to r_3 + r_1}{\sim} \left[ \begin{array}{cccc|c} 1 & 2 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 2 & -1 \\ 0 & 0 & 1 & 2 & -1 \end{array} \right] \stackrel{r_3 \to r_3 - r_2}{\sim} \\ \left[ \begin{array}{cccc|c} 1 & 2 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 2 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array} \right]

Merk op dat hier zowel Gauss-eliminatie als Jordan-eliminatie klaar is; de matrix is volledig rijgereduceerd.

Pivot-elementen en oplossingen

De pivot-elementen in deze matrix zijn blauw gekleurd:

[120110012100000] \left[ \begin{array}{cccc|c} \colorbox{cyan}1 & 2 & 0 & 1 & 1 \\ 0 & 0 & \colorbox{cyan}1 & 2 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \end{array} \right]

De pivot-variabelen zijn hier x1x_1 en x3x_3, dus x2x_2 en x4x_4 mogen we vrij kiezen. We kiezen x2=sx_2=s en x4=tx_4=t voor s,tRs,t\in\R.

Er geldt x1+2x2+x4=1x_1+2x_2+x_4=1, dus x1=12stx_1=1-2s-t. Verder x3+2x4=1x_3+2x_4=-1, dus x3=12tx_3=-1-2t. Dit geeft de oplossingsverzameling:

{[12sts12tt]:s,tR}={[1010]+s[2100]+t[1021]:s,tR} \left\{ \begin{bmatrix} 1-2s-t \\ s \\ -1-2t \\ t \end{bmatrix} : s,t\in\R \right\} = \left\{ \begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ -1 \\ 0 \end{bmatrix} + s \begin{bmatrix} -2 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} + t \begin{bmatrix} -1 \\ 0 \\ -2 \\ 1 \end{bmatrix} : s,t\in\R \right\}

Hierin herkennen we de parametervoorstelling van een vlak in R4\R^4. We hebben hier dus een heel vlak aan oplossingen.

Gemaakt door Jeroen van Rensen.