与えられた二つの連立一次方程式を解き、解をベクトルを用いて表現します。一つ目の連立方程式は変数 $x, y, z, w$ に関する4つの式からなり、二つ目の連立方程式も同様に変数 $x, y, z, w$ に関する4つの式からなります。

代数学連立一次方程式行列ベクトル
2025/5/27

1. 問題の内容

与えられた二つの連立一次方程式を解き、解をベクトルを用いて表現します。一つ目の連立方程式は変数 x,y,z,wx, y, z, w に関する4つの式からなり、二つ目の連立方程式も同様に変数 x,y,z,wx, y, z, w に関する4つの式からなります。

2. 解き方の手順

(1)
まず、与えられた連立一次方程式を行列形式で表します。
[2120113131614292][xyzw]=[3246]\begin{bmatrix} 2 & 1 & -2 & 0 \\ 1 & 1 & -3 & 1 \\ 3 & 1 & -6 & 1 \\ 4 & 2 & -9 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 3 \\ 2 \\ 4 \\ 6 \end{bmatrix}
次に、この行列を簡約化します。
1行目と2行目を入れ替えます。
[1131212031614292][xyzw]=[2346]\begin{bmatrix} 1 & 1 & -3 & 1 \\ 2 & 1 & -2 & 0 \\ 3 & 1 & -6 & 1 \\ 4 & 2 & -9 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 \\ 3 \\ 4 \\ 6 \end{bmatrix}
2行目から1行目の2倍を引きます。3行目から1行目の3倍を引きます。4行目から1行目の4倍を引きます。
[1131014202320232][xyzw]=[2122]\begin{bmatrix} 1 & 1 & -3 & 1 \\ 0 & -1 & 4 & -2 \\ 0 & -2 & 3 & -2 \\ 0 & -2 & 3 & -2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 \\ -1 \\ -2 \\ -2 \end{bmatrix}
2行目に-1をかけます。
[1131014202320232][xyzw]=[2122]\begin{bmatrix} 1 & 1 & -3 & 1 \\ 0 & 1 & -4 & 2 \\ 0 & -2 & 3 & -2 \\ 0 & -2 & 3 & -2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ -2 \\ -2 \end{bmatrix}
3行目に2行目の2倍を足します。4行目に2行目の2倍を足します。
[1131014200520052][xyzw]=[2100]\begin{bmatrix} 1 & 1 & -3 & 1 \\ 0 & 1 & -4 & 2 \\ 0 & 0 & -5 & 2 \\ 0 & 0 & -5 & 2 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}
4行目から3行目を引きます。
[1131014200520000][xyzw]=[2100]\begin{bmatrix} 1 & 1 & -3 & 1 \\ 0 & 1 & -4 & 2 \\ 0 & 0 & -5 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}
3行目を-5で割ります。
[113101420012/50000][xyzw]=[2100]\begin{bmatrix} 1 & 1 & -3 & 1 \\ 0 & 1 & -4 & 2 \\ 0 & 0 & 1 & -2/5 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}
z=(2/5)wz = (2/5)w
y=1+4z2w=1+(8/5)w2w=1(2/5)wy = 1+4z-2w = 1+(8/5)w - 2w = 1 - (2/5)w
x=2y+3zw=2(1(2/5)w)+3(2/5)ww=1+(2/5)w+(6/5)ww=1+(3/5)wx = 2-y+3z-w = 2-(1-(2/5)w)+3(2/5)w-w = 1+(2/5)w+(6/5)w - w = 1 + (3/5)w
したがって、解は以下のようになります。
[xyzw]=[1100]+w[3/52/52/51]\begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} + w \begin{bmatrix} 3/5 \\ -2/5 \\ 2/5 \\ 1 \end{bmatrix}
(2)
[2242112133634484][xyzw]=[1051520]\begin{bmatrix} 2 & -2 & 4 & -2 \\ -1 & 1 & -2 & 1 \\ 3 & -3 & 6 & -3 \\ -4 & 4 & -8 & 4 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -10 \\ 5 \\ -15 \\ 20 \end{bmatrix}
2行目に-1をかけます。
[2242112133634484][xyzw]=[1051520]\begin{bmatrix} 2 & -2 & 4 & -2 \\ 1 & -1 & 2 & -1 \\ 3 & -3 & 6 & -3 \\ -4 & 4 & -8 & 4 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -10 \\ -5 \\ -15 \\ 20 \end{bmatrix}
1行目を2で割ります。3行目を3で割ります。4行目を-4で割ります。
[1121112111211121][xyzw]=[5555]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 2 & -1 \\ 1 & -1 & 2 & -1 \\ 1 & -1 & 2 & -1 \\ 1 & -1 & 2 & -1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -5 \\ -5 \\ -5 \\ -5 \end{bmatrix}
2行目、3行目、4行目から1行目を引きます。
[1121000000000000][xyzw]=[5000]\begin{bmatrix} 1 & -1 & 2 & -1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -5 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix}
xy+2zw=5x - y + 2z - w = -5
x=y2z+w5x = y - 2z + w - 5
解は以下のようになります。
[xyzw]=[5000]+y[1100]+z[2010]+w[1001]\begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -5 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} + y\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} + z\begin{bmatrix} -2 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} + w\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix}

3. 最終的な答え

(1) [xyzw]=[1100]+w[3/52/52/51]\begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} + w \begin{bmatrix} 3/5 \\ -2/5 \\ 2/5 \\ 1 \end{bmatrix}
(2) [xyzw]=[5000]+y[1100]+z[2010]+w[1001]\begin{bmatrix} x \\ y \\ z \\ w \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} -5 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} + y\begin{bmatrix} 1 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \end{bmatrix} + z\begin{bmatrix} -2 \\ 0 \\ 1 \\ 0 \end{bmatrix} + w\begin{bmatrix} 1 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{bmatrix}

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