Lineare-Systeme Rechner (Cramer, Gauss-Jordan)
Lineare-Systeme A x = b Rechner: Cramer-Regel, Gauss-Jordan-Elimination, LU-Zerlegung, Rouche-Capelli, unter- und überbestimmte Systeme mit Anwendungen.
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Lineare Systeme
System A x = b mit n Gleichungen in m Unbekannten. Matrixform: A (n x m), x (m x 1), b (n x 1). Lösen = x finden, das alle erfüllt. Fundamentale lineare Algebra.
Numerisches Beispiel
3x3-System: 2x_1 + x_2 - x_3 = 8, -3x_1 - x_2 + 2x_3 = -11, -2x_1 + x_2 + 2x_3 = -3. Lösung x_1 = 2, x_2 = 3, x_3 = -1.
Cramer-Regel
A quadratisch det != 0: x_i = det(A_i) / det(A). A_i ersetzt Spalte i durch b. Cramer 1750. O(n^4) ineffizient n > 4.
Gauss-Jordan
Zeilen-Operationen. [A|b] zu RREF reduzieren. O(n^3). Produktionsstandard.
LU-Zerlegung
A = LU. L untere Dreiecks, U obere. L y = b, U x = y. Multi-b: O(n^2) jeweils.
Rouche-Capelli-Theorem
- rank(A) < rank(A|b): inkompatibel.
- = m: eindeutig.
- < m: unendlich viele (m-rank) frei.
Unterbestimmte
n < m. Unendliche Lösungen. Min-Norm: Moore-Penrose-Pseudoinverse.
Überbestimmte
n > m. Keine exakte Lösung. Least Squares: min ||Ax - b||^2. Normalgleichungen.
Numerische Stabilität
cond(A) Empfindlichkeit. =1 gut. >>1 schlecht. Partielle Pivotsuche. SVD robust.
Iterative Verfahren
- Jacobi.
- Gauss-Seidel.
- SOR.
- Conjugate Gradient SPD.
- GMRES allgemein.
Anwendungen
- FEM Finite Elemente.
- Elektrische Netzwerke Kirchhoff.
- Lineare Programmierung Simplex.
- Neuronale Netze Backprop.
- Bildverarbeitung Filter.
- Quantenmechanik.
- Markov-Ketten.
- Polynomregression.
Rechnermodi
Fünf: Gauss-Jordan, Cramer, Verifikation, Rang Rouche-Capelli, unter/überbestimmt.
Geschichte
Antikes China 200 v. Chr. (Jiuzhang Suanshu): erste Methode ähnlich Gauss. Cramer 1750: explizite Formeln. Gauss 1809 (Theoria Motus): Eliminationsmethode für Bahnen. Jordan 1888: reduzierte Stufenform. Cholesky 1910: symmetrische Matrizen. Wilkinson 1960er: numerische Stabilitätsanalyse. LAPACK 1992: moderner Produktionsstandard.
Die Geometrie linearer Systeme: Schnitte im Raum
Jede lineare Gleichung stellt geometrisch ein flaches Objekt dar: eine Gerade in zwei Dimensionen, eine Ebene in drei, eine Hyperebene im Allgemeinen. Ein System zu losen bedeutet, die Punkte zu finden, die gleichzeitig zu all diesen Flachen gehoren, also ihren Schnitt. Diese geometrische Sicht erhellt sofort, warum ein System eine, unendlich viele oder keine Losung haben kann.
Kreuzen sich zwei Geraden in der Ebene in einem Punkt, hat das System eine eindeutige Losung. Fallen sie zusammen, ist jeder Punkt eine Losung und die Losungen sind unendlich. Sind sie parallel und verschieden, treffen sie sich nie und das System ist unmoglich. In hoheren Dimensionen erstreckt sich dieselbe Logik auf Ebenen und Hyperebenen. Der Satz von Rouche-Capelli ubersetzt diese Geometrie in Arithmetik: durch Vergleich des Rangs der Koeffizientenmatrix mit dem der erweiterten Matrix stellt man genau fest, welcher der drei Falle vorliegt, ohne visualisieren zu mussen.
Die Konditionierung: wenn kleine Fehler gross werden
Nicht alle linearen Systeme sind in der Praxis gleich leicht zu losen. Manche sind schlecht konditioniert: kleine Variationen in den Koeffizienten oder den konstanten Termen erzeugen enorme Variationen in der Losung. Geometrisch entspricht das nahezu parallelen Geraden, deren Schnittpunkt sich bei der kleinsten Steigungsanderung heftig verschiebt. In diesen Fallen konnen selbst die unvermeidlichen Rundungsfehler des Computers die numerische Losung vollig unzuverlassig machen.
Die Schwere des Problems misst man mit der Konditionszahl der Matrix: ein Wert nahe 1 zeigt ein gut gestelltes System an, riesige Werte signalisieren schlechte Konditionierung. Ein klassisches Beispiel ist die Hilbert-Matrix, deren Konditionszahlen exponentiell mit der Dimension wachsen und sie zu einem Prufstand fur Algorithmen machen. Schlechte Konditionierung zu erkennen und zu handhaben ist in Ingenieurwesen und wissenschaftlichem Rechnen wesentlich, wo Techniken wie Pivotierung, Regularisierung oder erhohte Genauigkeit fur zuverlassige Ergebnisse eingesetzt werden.
Aktualisiert im Juli 2026
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