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高斯消元法原理

高斯消元法是一種用於求解線性方程組的算法,其原理可以概括為以下幾點:

初等行變換:通過有限次的初等行變換,將增廣矩陣轉換為行階梯矩陣(row echelon form)。這些變換包括:

兩方程互換;

一方程乘以非零數k;

一方程乘以數k加上另一方程。

同解方程組:如果通過初等行變換將增廣矩陣轉換為另一種形式,則原方程組與新形成的方程組是同解的。這意味著兩個方程組有相同的解集。

回代求解:在將增廣矩陣轉換為行階梯矩陣後,可以通過回代(back substitution)的方法求解方程組。即從最簡化的行開始,逐步代入之前消元過程中得到的表達式,直至求得所有未知數的值。

高斯消元法不僅用於求解線性方程組,還可以用來計算矩陣的以及求出可逆方陣的逆矩陣。在處理大型線性系統時,尤其是當方程組規模非常大時,高斯消元法能夠顯著提高計算效率。