في هذه الصفحة سوف نكتشف ما هي نظرية روشيه فروبينيوس وكيفية حساب رتبة المصفوفة بها. ستجد أيضًا أمثلة وتمارين تم حلها خطوة بخطوة باستخدام نظرية روشيه-فروبينيوس.
ما هي نظرية روشيه-فروبينيوس؟
نظرية روشيه فروبينيوس هي طريقة لتصنيف أنظمة المعادلات الخطية. بمعنى آخر، يتم استخدام نظرية روشيه-فروبينيوس لمعرفة عدد الحلول الموجودة في نظام المعادلات دون الحاجة إلى حلها.
هناك 3 أنواع من أنظمة المعادلات:
- تحديد توافق النظام (SCD): يتمتع النظام بحل فريد.
- نظام متوافق غير محدد (ICS): النظام لديه حلول لا حصر لها.
- النظام غير متوافق (SI): لا يوجد حل للنظام.
بالإضافة إلى ذلك، ستسمح لنا نظرية روشيه-فروبينيوس لاحقًا بحل الأنظمة باستخدام قاعدة كرامر .
بيان نظرية روشيه-فروبينيوس
تقول نظرية روشيه-فروبينيوس ذلك
هي المصفوفة التي تتكون من معاملات المجهولة لنظام المعادلات. والبطن
أو المصفوفة الموسعة هي المصفوفة المكونة من معاملات المجهول لنظام المعادلات والمصطلحات المستقلة:
تتيح لنا نظرية روشيه-فروبينيوس معرفة نوع نظام المعادلات الذي نتعامل معه وفقًا لرتبة المصفوفتين A و A’:
- إذا كانت الرتبة (A) = الرتبة (A’) = عدد المجهولين ⟶ تحديد النظام المتوافق (SCD)
- إذا كانت الرتبة (A) = الرتبة (A’) < عدد العناصر المجهولة ⟶ نظام متوافق غير محدد (SCI)
- إذا كان النطاق (أ)
النطاق (A’) ⟶ نظام غير متوافق (SI)
بمجرد أن نعرف ما تقوله نظرية روشيه-فروبينيوس، سنرى كيفية حل تمارين نظرية روشيه-فروبينيوس. فيما يلي 3 أمثلة: تمرين تم حله باستخدام نظرية كل نوع من أنظمة المعادلات.
مثال على النظام المتوافق المحدد (SCD)
المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام هما:
نحسب الآن رتبة المصفوفة A. للقيام بذلك، نتحقق مما إذا كان محدد المصفوفة بأكملها مختلفًا عن 0:
بما أن المصفوفة لها محدد 3×3 يختلف عن 0، فإن المصفوفة A لها المرتبة 3:
بمجرد أن نعرف رتبة A، نحسب رتبة A’، والتي ستكون على الأقل المرتبة 3 لأننا رأينا للتو أنها تحتوي على محدد من الرتبة 3 يختلف عن 0. علاوة على ذلك، لا يمكن أن تكون من الرتبة 4، نظرًا لأنه لا يمكننا إنشاء أي محدد للرتبة 4. لذلك، فإن المصفوفة A’ هي أيضًا من المرتبة 3:
وبالتالي، بما أن رتبة المصفوفة A تساوي رتبة المصفوفة A’ وعدد مجاهيل النظام (3)، فإننا نعرف من خلال نظرية روش فروبينيوس أنه نظام محدد متوافق (SCD). :
مثال على نظام متوافق غير محدد (ICS)
المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام هما:
نحسب الآن رتبة المصفوفة A. للقيام بذلك، نتحقق مما إذا كان محدد المصفوفة بأكملها مختلفًا عن 0:
محدد المصفوفة A بأكملها يعطي 0، لذا فهي ليست من الرتبة 3. لمعرفة ما إذا كانت من الرتبة 2، يجب أن نجد مصفوفة فرعية في A محددها مختلف عن 0. على سبيل المثال، ذلك من الزاوية اليسرى العليا :
نظرًا لأن المصفوفة لها محدد 2 × 2 يختلف عن 0، فإن المصفوفة A لها المرتبة 2:
بمجرد أن نعرف رتبة “أ”، فإننا نحسب رتبة “أ”. نحن نعلم بالفعل أن محدد الأعمدة الثلاثة الأولى يعطي 0، لذلك جربنا المحددات الأخرى الممكنة 3×3:
جميع المحددات 3×3 للمصفوفة A’ هي 0، وبالتالي فإن المصفوفة A’ لن تكون في المرتبة 3 أيضًا. ومع ذلك، بداخله محددات للترتيب 2 تختلف عن 0. على سبيل المثال:
وبالتالي فإن المصفوفة A’ ستكون من المرتبة 2 :
مدى المصفوفة A يساوي مدى المصفوفة A’ لكن هذه أقل من عدد المجهولات في النظام (3). لذلك، وفقًا لنظرية روشيه-فروبينيوس، فهو نظام متوافق غير محدد (ICS):
مثال لنظام غير متوافق (IS)
المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام هما:
نحسب الآن رتبة المصفوفة A. للقيام بذلك، نتحقق مما إذا كان محدد المصفوفة بأكملها مختلفًا عن 0:
محدد المصفوفة A بأكملها يعطي 0، لذا فهي ليست من الرتبة 3. لمعرفة ما إذا كانت من الرتبة 2، يجب أن نجد مصفوفة فرعية في A محددها مختلف عن 0. على سبيل المثال، ذلك من الزاوية اليسرى العليا :
بما أن المصفوفة لها محدد من الرتبة 2 يختلف عن 0، فإن المصفوفة A من الرتبة 2:
بمجرد أن نعرف رتبة “أ”، فإننا نحسب رتبة “أ”. نحن نعلم بالفعل أن محدد الأعمدة الثلاثة الأولى يعطي 0، لذلك نحاول الآن، على سبيل المثال، مع محدد الأعمدة الثلاثة الأخيرة:
من ناحية أخرى، تحتوي المصفوفة A’ على محدد نتيجته مختلفة عن 0، وبالتالي فإن المصفوفة A’ سيكون لها المرتبة 3 :
لذلك، بما أن رتبة المصفوفة A أصغر من رتبة المصفوفة A’، فإننا نستنتج من نظرية Rouché-Frobenius أنه نظام غير متوافق (SI) :
حل مسائل نظرية روشيه-فروبينيوس
التمرين 1
حدد نوع نظام المعادلات التالي ذو الثلاثة مجاهيل باستخدام نظرية روشيه-فروبينيوس:
![حل تمرين على نظرية روش - فروبينيوس](https://mathority.org/wp-content/uploads/2023/07/exercice-resolu-du-theoreme-de-rouche-8211-frebenius-1.webp)
نقوم أولاً بإنشاء المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام:
يجب علينا الآن العثور على رتبة المصفوفة A. للقيام بذلك، نتحقق مما إذا كان محدد المصفوفة مختلفًا عن 0:
المصفوفة التي لها محدد من الدرجة الثالثة يختلف عن 0، المصفوفة A لها المرتبة 3:
بمجرد أن نعرف رتبة “أ”، فإننا نحسب رتبة “أ”. سيكون هذا على الأقل من الرتبة 3، لأننا رأينا للتو أنه يحتوي داخل محدد من الرتبة 3 يختلف عن 0. علاوة على ذلك، لا يمكن أن يكون من الرتبة 4، لأننا لا نستطيع عدم إنشاء محدد 4×4. ولذلك، فإن المصفوفة A’ هي أيضًا من المرتبة 3:
وبالتالي، وبفضل نظرية روشيه-فروبينيوس، نعلم أنه نظام متوافق محدد (SCD)، لأن مدى A يساوي نطاق A’ وعدد المجهولين.
تمرين 2
صنف نظام المعادلات التالي ذو الثلاثة مجاهيل باستخدام نظرية روشيه-فروبينيوس:
![حل تمرين على نظرية روش-فروبينيوس](https://mathority.org/wp-content/uploads/2023/07/exercice-resolu-du-theoreme-de-rouche-8211-frebenius-2.webp)
نقوم أولاً ببناء المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام:
الآن دعونا نحسب مدى المصفوفة A:
إذن المصفوفة A لها المرتبة 2:
بمجرد أن نعرف رتبة “أ”، فإننا نحسب رتبة “أ”. نحن نعلم بالفعل أن محدد الأعمدة الثلاثة الأولى يعطي 0، لذلك جربنا المحددات الأخرى الممكنة 3×3:
جميع المحددات 3×3 للمصفوفة A’ هي 0، وبالتالي فإن المصفوفة A’ لن تكون في المرتبة 3 أيضًا. إلا أن بداخله محددات كثيرة للترتيب 2 تختلف عن 0. على سبيل المثال:
وبالتالي فإن المصفوفة A’ ستكون من المرتبة 2 :
رتبة المصفوفة A تساوي رتبة المصفوفة A’ لكن هاتين الرتبتين أقل من عدد المجهولات في النظام (3). لذلك، من خلال نظرية Rouché-Frobenius نعلم أنه نظام متوافق غير محدد (ICS):
التمرين 3
حدد نوع النظام الذي يستخدم فيه نظام المعادلات التالي نظرية روشيه-فروبينيوس:
![تمرين تم حله خطوة بخطوة لنظرية روش - فروبينيوس](https://mathority.org/wp-content/uploads/2023/07/exercice-resolu-du-theoreme-de-rouche-8211-frebenius-3.webp)
نقوم أولاً بإنشاء المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام:
الآن دعونا نحسب مدى المصفوفة A:
إذن المصفوفة A لها المرتبة 2:
بمجرد أن نعرف رتبة “أ”، فإننا نحسب رتبة “أ”. نحن نعلم بالفعل أن محدد الأعمدة الثلاثة الأولى يعطي 0، ولكن ليس محدد الأعمدة الثلاثة الأخيرة:
لذلك فإن المصفوفة A’ لها المرتبة 3 :
رتبة المصفوفة A أصغر من رتبة المصفوفة A’، وبالتالي يمكننا أن نستنتج من نظرية Rouché-Frobenius أنه نظام غير متوافق (SI) :
التمرين 4
حدد نوع نظام المعادلات التالي ذو الثلاثة مجاهيل باستخدام نظرية روشيه-فروبينيوس:
![روش - حل تمرين بنظرية فروبينيوس مع 3 مجاهيل و3 معادلات](https://mathority.org/wp-content/uploads/2023/07/exercice-resolu-du-theoreme-de-rouche-8211-frobenius-3-inconnues-3-equations.webp)
نقوم أولاً بإنشاء المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام:
يجب علينا الآن حساب رتبة المصفوفة A. وللقيام بذلك، نحل محدد المصفوفة باستخدام قاعدة ساروس:
المصفوفة التي لها محدد من الدرجة الثالثة يختلف عن 0، المصفوفة A لها المرتبة 3:
لذلك، فإن المصفوفة A’ هي أيضًا من الرتبة 3 ، نظرًا لأنها دائمًا على الأقل من الرتبة A ولا يمكن أن تكون من الرتبة 4 لأننا لا نستطيع حل أي محدد 4×4.
وهكذا، وبفضل تطبيق نظرية روشيه-فروبينيوس، نعلم أن النظام هو نظام محدد متوافق (SCD)، لأن مدى A يساوي نطاق A’ وعدد المجهولين.
التمرين 5
حدد نوع النظام الذي يستخدم فيه نظام المعادلات التالي نظرية روشيه-فروبينيوس:
![مثال على نظرية روش - فروبينيوس](https://mathority.org/wp-content/uploads/2023/07/exemple-du-theoreme-de-rouche-8211-frebenius.webp)
نقوم أولاً بإنشاء المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام:
الآن دعونا نحسب مدى المصفوفة A:
وبالتالي فإن المصفوفة A هي في المرتبة 2:
بمجرد أن نعرف رتبة “أ”، فإننا نحسب رتبة “أ”. محدد الأعمدة الثلاثة الأولى التي نعرفها بالفعل يعطي 0، لكن محدد الأعمدة الثلاثة الأخيرة لا يعطي:
وبالتالي فإن المصفوفة A’ لها المرتبة 3 :
وأخيرًا، نطبق المجال على نظرية روشيه-فروبينيوس: مجال المصفوفة A أصغر من مجال المصفوفة A’، وبالتالي فهو نظام غير متوافق (SI) :
التمرين 6
صنف نظام المعادلات التالي من الرتبة 3 باستخدام نظرية روشيه-فروبينيوس:
نقوم أولاً ببناء المصفوفة A والمصفوفة الموسعة A’ للنظام:
الآن دعونا نحسب مدى المصفوفة A:
إذن المصفوفة A لها المرتبة 2:
بمجرد أن نعرف رتبة “أ”، نقوم بحساب رتبة “أ”. نحن نعلم بالفعل أن محدد الأعمدة الثلاثة الأولى يعطي 0، لذلك جربنا المحددات الأخرى الممكنة 3×3:
جميع المحددات 3×3 للمصفوفة A’ هي 0، وبالتالي فإن المصفوفة A’ لن تكون في المرتبة 3 أيضًا. ومع ذلك، بداخله محددات للترتيب 2 تختلف عن 0. على سبيل المثال:
وبالتالي فإن المصفوفة A’ ستكون من المرتبة 2 :
أخيرًا، من خلال تطبيق نظرية روشيه-فروبينيوس، نعلم أنه نظام متوافق غير محدد (ICS)، لأن مدى المصفوفة A يساوي مدى المصفوفة A’ لكن هاتين المصفوفتين أصغر من عدد المجهولات في النظام (3):