Квадратные системы
Наиболее часто встречающейся ситуацией является квадратная матрица коэффициентов A и одномерный вектор-столбец b справа, т.е. Ax = b. Решение x = A\b имеет при этом тот же ра-змер, что и вектор b. Например,
x = A\u
x =
10
-12
5
где матрица А есть приведенная выше матрица Паскаля. Легко удостовериться, что A*x в точности равно вектору u (численные значения этого вектора даны выше).
Если A и B являются квадратными и имеют одинаковый размер, то X = A\B имеет тот же ра-змер, например
X = A\B
X =
19 -3 -1
-17 4 13
6 0 -6
Легко убедиться, что A*X в точности равно B.
Оба этих примера имеют точное решение в виде целых чисел. Это связано с тем, что в каче-стве матрицы коэффициентов была выбрана матрица Паскаля pascal(3), чей детерминант равен единице. Далее будут рассмотрены примеры влияния ошибок округления, возникаю-щих в более реальных системах.
Квадратная матрица A является сингулярной, если ее столбцы не являются линейно незави-симыми. Если A – сингулярна, то решение AX = B или не существует, или не является един-ственным. Оператор \ , A\B, выдает предупреждающее сообщение, если матрица A близка к сингулярной и сообщение об ошибке, если определено равенство нулю детерминанта матри-цы А.
Переопределенные системы
Переопределенные системы совместных линейных уравнений часто встречаются в задачах аппроксимации экспериментальных данных при помощи различных эмпирических кривых. Рассмотрим следующий гипотетический пример. Величина y измеряется при различных зна-чениях времени t, что дает следующие результаты
t y
0.0 0.82
0.3 0.72
0.8 0.63
1.1 0.60
1.6 0.55
2.3 0.50
Эти данные могут быть введены в MATLAB при помощи выражений:
t = [0 .3 .8 1.1 1.6 2.3]';
y = [0.82 0.72 0.63 0.60 0.55 0.50]';
Данные могут быть аппроксимированы при помощи убывающей экспоненциальной функ-ции.
y(t) = c1 + c2 e-t
Это уравнение показывает, что вектор y может быть представлен в виде линейной комбина-ции двух векторов, один из которых является постоянным вектором, содержащим все едини-цы, а второй вектор имеет компоненты e-t. Неизвестные коэффициенты c1 и c2 могут быть найдены подгонкой кривых по методу наименьших квадратов, которая основана на миними-зации суммы квадратов отклонений экспериментальных данных от модели. Мы имеем шесть уравнений с двумя неизвестными, представленными 6х2 матрицей
E = [ones(size(t)) exp(-t)]
E =
1.0000 1.0000
1.0000 0.7408
1.0000 0.4493
1.0000 0.3329
1.0000 0.2019
1.0000 0.1003
Решение методом наименьших квадратов находится при помощи оператора \ :
c = E\y
c =
0.4760
0.3413
Иными словами, подгонка методом наименьших квадратов дает
y(t) = 0.476 + 0.3413 e-t
Следующие выражения оценивают модель при равномерно распределенных моментах време-ни (с шагом 0.1), а затем строят график вместе с результатами экспериментальных данных.
T = (0 : 0.1 : 2.5)';
Y = [ones(size(T)) exp(-T)]*c;
plot(T, Y, '-', t, y, 'o')
Можно видеть, что значения E*c не совсем точно совпадают со значениями эксперименталь-ных данных y, но эти отклонения могут быть сравнимы с ошибками измерений.
Прямоугольная матрица A называется матрицей неполного ранга, если ее столбцы линейно-независимы. Если матрица A имеет неполный ранг, то решение AX = B не является единст-венным. Оператор \ при этом выдает предупреждающее сообщение и определяет основное решение, которое дает минимально возможное число ненулевых решений.