04

שתי תמונות לאותה מערכת

משוואות לינאריות ומטריצות הפוכות

Linear Equations and Inverse Matrices

כאן האלגברה הליניארית נכנסת לבמה מן היסוד. אותה מערכת Ax=b היא אוסף אילוצים, צירוף של עמודות ופעולה גאומטרית; אלימינציה, כפל והופכי הם דרכים שונות להבין ולחשב את אותו מבנה.

מפת הפרק

5 תחנות בדרך

5 יחידות לימוד עצמאיות · כ־5 שעות ו־10 דקות לשיעורים ולתרגול

  1. 4.1
    יחידת לימוד55 דקות

    שתי התמונות של משוואות לינאריות

    שאלה 1: מה ננסה להבין?

    בונים את הכתיב Ax=b וקוראים אותו גם כחיתוך אילוצים בתמונת השורות וגם כצירוף שמייצר את b בתמונת העמודות.

    לשיעור
  2. 4.2
    יחידת לימוד65 דקות

    פתרון באמצעות אלימינציה

    שאלה 2: מה ננסה להבין?

    הופכים מערכת למשולשת באמצעות פעולות שורה, pivots והחלפות; אחר כך אורזים את החישוב בפירוק PA=LU.

    לשיעור
  3. 4.3
    יחידת לימוד60 דקות

    כפל מטריצות

    שאלה 3: מה ננסה להבין?

    מחשבים AB בארבע זוויות ורואים מדוע זו הרכבת פעולות שבה B פועלת ראשונה.

    לשיעור
  4. 4.4
    יחידת לימוד65 דקות

    מטריצות הפוכות

    שאלה 4: מה ננסה להבין?

    מגדירים מתי אפשר לבטל פעולה, בונים A⁻¹ באמצעות Gauss–Jordan ומקשרים הפיכות לפתרון יחיד לכל b.

    לשיעור
  5. 4.5
    יחידת לימוד65 דקות

    מטריצות סימטריות ואורתוגונליות

    שאלה 5: מה ננסה להבין?

    לומדים טרנספוזיציה, מכפלה פנימית ואורתונורמליות, ומוכיחים שמטריצה אורתוגונלית משמרת אורכים וזוויות.

    לשיעור

ביד, שלב אחר שלב

אותה מערכת בארבע שפות

נתונה המערכת 2x+y=7,‏ x−y=1. פתרו אותה וקראו את התוצאה כתמונה, כצירוף עמודות, באלימינציה ובעזרת הופכי.

  1. 1

    בתמונת השורות, כל משוואה היא ישר במישור. הפתרון הוא הנקודה היחידה שמונחת על שני הישרים.

  2. 2

    בתמונת העמודות מחפשים משקלים x,y כך ש־x(2,1)+y(1,−1)=(7,1). אותם משקלים הם הנעלמים של המערכת.

  3. 3

    מחברים את שתי המשוואות ומבטלים את y: מתקבל 3x=8, ולכן x=8/3. הצבה ב־x−y=1 נותנת y=5/3.

  4. 4

    האלימינציה מצאה pivot לכל נעלם, ולכן אפשר לבטל את הפעולה של A. בשיעור 4.4 נבנה את A⁻¹ ונראה שכפל A⁻¹b נותן שוב (8/3,5/3).

  5. 5

    בדיקת הסיום היא כפל חזרה: A(8/3,5/3)=(7,1). הבדיקה מחברת את כל ארבע השפות לאותו פתרון.

תוצאהx=(8/3,5/3),‏ Ax=b, וכל ארבע דרכי הקריאה מסכימות.

ניבוי, ניסוי והסבר

מעבדת חקר: משתי תמונות לאלימינציה, הרכבה והופכי

התחילו מתחנה אחת, נבאו את התוצאה ורק אז שנו פרמטר. בכל תחנה תקבלו משוב וקישור לשיעור שעליו היא בנויה.

פרק 4 · ארבע תחנות חקר

מ־Ax=b לפעולה שאפשר להרכיב ולבטל

נבאו, בדקו והסבירו: שתי תמונות של מערכת, אלימינציה ופירוק, סדר הכפל, הופכי ושימור גאומטרי.

המעבדה עוברת מן הגאומטריה אל האלגוריתם: שתי תמונות של מערכת, אלימינציה מתועדת, כפל כהרכבה ולבסוף בדיקות של הפיכות ושימור גאומטרי. בכל תחנה מנבאים לפני שמשנים לכל היותר שלושה פרמטרים.

תחנה 1 מתוך 4

שתי תמונות של אותה מערכת

המטרה
לזהות כי נקודת החיתוך בתמונת השורות היא בדיוק וקטור המקדמים שבונה את b בתמונת העמודות.
המשימה
בחרו מבנה מערכת, נבאו את מספר הפתרונות, ואז שנו רק את אגף ימין ובדקו את שתי התמונות יחד.

ניבוי

אם שתי שורות A תלויות אך b אינו מקיים אותה תלות, מה יראו שתי התמונות?
2
3
1x₁ + 0x₂ = 2
1x₁ + 1x₂ = 3

דרגה (rank) היא כאן מספר האילוצים העצמאיים — ובתמונת העמודות מספר הכיוונים העצמאיים. את ההגדרה הפורמלית נבנה בפרק 5.

סיווג
פתרון יחיד
det(A)
1
rank(A)
2
rank([A|b])
2

x=(2, 1), Ax=(2, 3)

דרגת A היא 2 ודרגת [A|b] היא 2; לכן פתרון יחיד. נקודת החיתוך ומקדמי העמודות הם (2, 1).

תמונת השורות ותמונת העמודות של מערכת שתי משוואות. דרגת A היא 2 ודרגת [A|b] היא 2; לכן פתרון יחיד. נקודת החיתוך ומקדמי העמודות הם (2, 1).
  • שורה או עמודה 1
  • שורה או עמודה 2
  • היעד b
  • מרחב העמודות במצב סינגולרי
דרגת A היא 2 ודרגת [A|b] היא 2; לכן פתרון יחיד. נקודת החיתוך ומקדמי העמודות הם (2, 1).

סיווג המערכת: פתרון יחיד.

בדיקת הבנה

מדוע ישר אנכי אינו מקרה מיוחד מבחינה אלגברית?

עכשיו בקוד

אותו רעיון, כאלגוריתם

הקוד קצר בכוונה: כל שורה מקבילה לצעד בחישוב הידני.

מהרעיון אל הקוד

מימוש חישובי

function solve2x2([[a, b], [c, d]], [u, v], eps = 1e-10) {
  const det = a * d - b * c;
  const detScale = Math.abs(a * d) + Math.abs(b * c);
  if (det !== 0) {
    return {
      determinant: det,
      status: "unique",
      numericallyReliable: Math.abs(det) > eps * detScale,
      solution: [(u * d - b * v) / det, (a * v - u * c) / det],
    };
  }
  const coefficientsAreZero = a === 0 && b === 0 && c === 0 && d === 0;
  const firstMinorScale = Math.abs(a * v) + Math.abs(c * u);
  const secondMinorScale = Math.abs(b * v) + Math.abs(d * u);
  const consistent = coefficientsAreZero
    ? u === 0 && v === 0
    : Math.abs(a * v - c * u) <= eps * firstMinorScale
      && Math.abs(b * v - d * u) <= eps * secondMinorScale;
  return {
    determinant: det,
    status: consistent ? "infinite" : "none",
    numericallyReliable: true,
  };
}

const examples = [
  { A: [[2, 1], [1, -1]], b: [7, 1] },
  { A: [[1, 1], [2, 2]], b: [3, 6] },
  { A: [[1, 1], [2, 2]], b: [3, 7] },
];
console.table(examples.map(({ A, b }) => ({ b: b.join(","), ...solve2x2(A, b) })));

בדיקת שליטה מצטברת

האם כל פרק 4 יושב במקום?

חמש שאלות קצרות בודקות את הרצף כולו — משתי התמונות של Ax=b ועד כפל, הופכי ושימור גאומטרי. לאחר הבדיקה תקבלו הסבר וקישור לשיעור המדויק שכדאי לחזור אליו.

0 מתוך 5 נענו0/5
  1. אם A=[a₁ a₂], מה פירוש המשוואה Ax=b בתמונת העמודות?
  2. במהלך אלימינציה מתקבלת השורה [0 0 | 5]. מה מסיקים?
  3. כאשר (AB)x=A(Bx), איזו מטריצה פועלת ראשונה על x?
  4. מה אומר pivot חסר במטריצה ריבועית, גם לאחר החלפות שורה?
  5. איזו תכונה מובטחת כאשר QᵀQ=I?

יש לענות על כל השאלות לפני הבדיקה.

מקורות להעמקה בלבד — הפרק באתר עומד בפני עצמו

מדריך המרצים: עמ׳ 99–130. הפניות מדויקות לספר מופיעות בתחתית כל שיעור.