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Untersuchen Sie das reelle lineare Gleichungs-$$ \begin{aligned} x_{1}-x_{2}+x_{3}-2 x_{4} &=-2 \\ -2 x_{1}+3 x_{2}+a x_{3} &=4 \\ -x_{1}+x_{2}-x_{3}+a x_{4} &=a \\ a x_{2}+b^{2} x_{3}-4 a x_{4} &=1 \end{aligned} $$ in Abh盲ngigkeit der beiden Parameter \(a, b \in \mathbb{R}\) auf L枚sba keit bzw. eindeutige L枚sbarkeit und stellen Sie die entsprg chenden Bereiche f眉r \((a, b) \in \mathbb{R}^{2}\) grafisch dar.

Short Answer

Expert verified
Question: Based on the given real linear system of equations with two parameters a and b, analyze the solvability or unique solvability of the system, and represent the corresponding regions for (a, b) in 鈩澛 graphically. Given system: $$ x_1 - x_2 + x_3 - 2x_4 = -2 \\ -2x_1 + 3x_2 + ax_3 = 4 \\ -x_1 + x_2 - x_3 + ax_4 = a \\ ax_2 + b^2x_3 - 4ax_4 = 1 \\ $$

Step by step solution

01

Write the augmented matrix

Write the given linear system as an augmented matrix: $$ \left[\begin{array}{cccc|c} 1 & -1 & 1 & -2 & -2 \\ -2 & 3 & a & 0 & 4 \\ -1 & 1 & -1 & a & a \\ 0 & a & b^2 & -4a & 1 \end{array}\right] $$
02

Perform Gaussian elimination

Perform Gaussian elimination to transform the matrix into row echelon form: Swap Row 1 and Row 3: $$ \left[\begin{array}{cccc|c} -1 & 1 & -1 & a & a \\ -2 & 3 & a & 0 & 4 \\ 1 & -1 & 1 & -2 & -2 \\ 0 & a & b^2 & -4a & 1 \end{array}\right] $$ Add Row 3 to Row 1 and Multiply Row 1 by -1: $$ \left[\begin{array}{cccc|c} 1 & -1 & 1 & -2 & -2 \\ -2 & 3 & a & 0 & 4 \\ 0 & 0 & 2 & a-2 & -a \\ 0 & a & b^2 & -4a & 1 \end{array}\right] $$ Add two times Row 1 to Row 2: $$ \left[\begin{array}{cccc|c} 1 & -1 & 1 & -2 & -2 \\ 0 & 1 & a+2 & -4 & 8 \\ 0 & 0 & 2 & a-2 & -a \\ 0 & a & b^2 & -4a & 1 \end{array}\right] $$ Divide Row 3 by 2: $$ \left[\begin{array}{cccc|c} 1 & -1 & 1 & -2 & -2 \\ 0 & 1 & a+2 & -4 & 8 \\ 0 & 0 & 1 & \dfrac{a-2}{2} & -\dfrac{a}{2} \\ 0 & a & b^2 & -4a & 1 \end{array}\right] $$
03

Identify conditions for solvability

Consider the last row, for solvability, we need to have: $$b^2 + 4a \neq 0$$ For unique solvability, we need the system to have no free variables and consistent rows, which means the last row should be: $$0 \cdot x_1 + 0 \cdot x_2 + 0 \cdot x_3 + 0 \cdot x_4 = 0$$ which results in: $$a = 0, \; b^2 \neq 0$$
04

Graph the solution regions

Based on our analysis, the system is solvable when \(b^2 + 4a \neq 0\), and uniquely solvable when \(a = 0\) and \(b^2 \neq 0\). To graph these regions in the (a, b) plane, we first draw the parabola \(b^2 = -4a\). The region that does not lie on the curve represents the solvable cases, and the intersection of the line \(a=0\) and the region where \(b^2 \neq 0\) represents the uniquely solvable cases. The resulting graph of the (a, b) plane will show the regions that are solvable and those that are uniquely solvable.

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Key Concepts

These are the key concepts you need to understand to accurately answer the question.

Parametrische Abh盲ngigkeit
Wenn wir von parametrischer Abh盲ngigkeit in einem linearen Gleichungssystem sprechen, meinen wir, dass die L枚sung des Systems von einem oder mehreren Parametern abh盲ngt. In unserem Fall sind das die Parameter a und b, die in den Koeffizienten der Variablen enthalten sind. Diese Parameter bestimmen die Natur der L枚sungen und ihre Existenz. Beispielsweise h盲ngt die eindeutige L枚sbarkeit des oben genannten Systems von den spezifischen Werten von a und b ab.

Ein System ist parametrisch abh盲ngig, wenn bestimmte Bedingungen an die Parameter erf眉llt sind, die Einfluss darauf haben, wie viele L枚sungen existieren. So f眉hrt beispielsweise das Setzen von a = 0 und b^2 eq 0 zu einer eindeutigen L枚sung, w盲hrend andere Werte von a und b ein System mit unendlich vielen L枚sungen oder gar keiner L枚sung erzeugen k枚nnen. Dies macht deutlich, dass das Verstehen der parametrischen Abh盲ngigkeit entscheidend ist, um die L枚sbarkeit eines Gleichungssystems zu charakterisieren.
Gau脽sches Eliminationsverfahren
Das Gau脽sche Eliminationsverfahren, auch bekannt als Gau脽-Jordan-Verfahren, ist eine Methode zur L枚sung linearer Gleichungssysteme. Ziel ist es, das System in eine obere Dreiecksform zu 眉berf眉hren, um dann durch R眉ckw盲rtseinsetzen die L枚sungen zu ermitteln. Dieser Prozess involviert das Vertauschen von Zeilen, das Multiplizieren von Zeilen mit Nichtnullskalaren und das Addieren von Vielfachen einer Zeile zu einer anderen, um zu erreichen, dass jede f眉hrende Koeffizient (das erste Nichtnull-Element einer Zeile in der Matrix) eine 1 ist und alle Elemente darunter Null sind.

Durch das Gau脽sche Eliminationsverfahren konvertieren wir eine unhandliche Serie von Gleichungen in eine Form, die leichter zu interpretieren ist und schreiben das lineare Gleichungssystem in eine Matrixdarstellung um. Im vorliegenden Fall erfolgt die Umformung schrittweise, indem Zeilen getauscht und multipliziert werden, bis eine obere Dreiecksmatrix entsteht, aus der die 尝枚蝉产补谤办别颈迟蝉产别诲颈苍驳耻苍驳en extrahiert werden k枚nnen.
尝枚蝉产补谤办别颈迟蝉产别诲颈苍驳耻苍驳
Die 尝枚蝉产补谤办别颈迟蝉产别诲颈苍驳耻苍驳 eines linearen Gleichungssystems sagt uns, unter welchen Umst盲nden das System eine oder mehrere L枚sungen hat. In unserem Beispiel ist die Bedingung f眉r eine L枚sbarkeit, dass b^2 + 4a eq 0 sein muss. Diese Bedingung stellt sicher, dass die Matrix nicht singul盲r ist, also eine nichtverschwindende Determinante hat, was wiederum die Existenz mindestens einer L枚sung impliziert.

Die eindeutige L枚sbarkeit tritt auf, wenn es genau eine L枚sung gibt. Daf眉r muss das System von Gleichungen konsistent sein und darf keine freien Variablen enthalten. Im obigen Beispiel wird die Matrix einen Rangverlust erleiden, falls a und b bestimmte Werte annehmen, was dazu f眉hren w眉rde, dass keine eindeutige L枚sung existiert. Die graphische Darstellung dieser 尝枚蝉产补谤办别颈迟蝉产别诲颈苍驳耻苍驳 kannzeigen, welche Parameterkonstellationen zu einer eindeutigen L枚sung f眉hren und welche nicht.
Matrixdarstellung
In der Matrixdarstellung werden die Koeffizienten und Konstanten eines Systems von linearen Gleichungen in eine kompakte rechteckige Anordnung gebracht. Diese Darstellung erleichtert es, Methoden wie das Gau脽sche Eliminationsverfahren anzuwenden, um die L枚sbarkeit eines Systems zu untersuchen. Die Augmented Matrix ist hier ein zentraler Aspekt, da sie die Koeffizienten sowie die Konstanten auf der rechten Seite der Gleichungen beinhaltet.

Die erw盲hnte Augmented Matrix spielt bei der Bestimmung der L枚sbarkeit des Systems und bei der graphischen Darstellung der L枚sungsbereiche eine Schl眉sselrolle. Die Umformungen, die wir an dieser Matrix vornehmen, beeinflussen nicht die L枚sungen des Systems, sondern dienen dazu, die Struktur des Systems klarer zu machen und dessen L枚sungsverhalten zu analysieren. Die Matrixdarstellung bietet somit ein starkes Werkzeug f眉r die systematische Untersuchung linearer Gleichungssysteme.

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genden reellen linearen Gleichungssysteme und untersuchen Sie deren geometrische Interpretationen: $$ \begin{array}{r} 2 x_{1}+3 x_{2}=5 \\ x_{1}+x_{2}=2 \\ 3 x_{1}+x_{2}=1 \\ 2 x_{1}-x_{2}+2 x_{3}=1 \\ x_{1}-2 x_{2}+3 x_{3}=1 \\ 6 x_{1}+3 x_{2}-2 x_{3}=1 \\ x_{1}-5 x_{2}+7 x_{3}=2 \end{array} $$

chungssystem 眉ber dem K枚rper \(\mathbb{K}\) mit den beiden L枚sungen \(l=\left(l_{1}, \ldots, l_{n}\right)\) und \(l^{*}=\left(l_{1}^{*}, \ldots, l_{n}^{*}\right)\) gleichzeitig auch \(\lambda l+(1-\lambda) l^{*}\), also \(\left(\lambda l_{1}+(1-\lambda) l_{1}^{*}, \ldots, \lambda l_{n}+(1-\lambda) l_{n}^{*}\right)\) eine L枚sung ist, und zwar f眉r jedes \(\lambda \in \mathbb{K}\).

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xen linearen Gleichungssysteme: a) $$ \begin{aligned} x_{1}+\mathrm{i} x_{2}+x_{3} &=1+4 \mathrm{i} \\ x_{1}-x_{2}+\mathrm{i} x_{3} &=1 \\ \mathrm{i} x_{1}-x_{2}-x_{3} &=-1-2 \mathrm{i} \end{aligned} $$ b) $$ \begin{aligned} 2 x_{1}+\mathrm{i} x_{3} &=\mathrm{i} \\ x_{1}-3 x_{2}-\mathrm{i} x_{3} &=2 \mathrm{i} \\ \mathrm{i} x_{1}+x_{2}+x_{3} &=1+\mathrm{i} \end{aligned} $$ c) $$ \begin{array}{r} \left(1+\text { i) } x_{1}-\quad \text { i } x_{2}-x_{3}=0\right. \\ 2 x_{1}+\left(2-3 \text { i) } x_{2}+2 \text { i } x_{3}=0\right. \end{array} $$

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