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線形方程式のシステム

線形方程式
線形方程式とは、直線を表現する方程式のことを言います。通常、定数と変数が含まれており、それらは指数やルートを含むことはできません。以下のように書かれることが多いです:

点傾斜形式
yy1=m(xx1)
例: y9=2(x5)

傾斜切片形式
y=mx+b
例: y=2x1

標準形式
ax+by+c=0
例: 2x+y+1=0
重要:この形式では, ab が両方ともゼロになることはありません (a2+b20)。

これらの方程式は見た目は異なりますが、実際にはすべて同じ直線を表現しています。グラフィックカルキュレーターがある場合は、それぞれの方程式をグラフに描いて、結果を比較してみてください。グラフはすべて同じになります!

線形方程式の系
時には、二つ以上の方程式が同じ変数(あるいは変数群)によって真となるものが与えられます。
例えば、
2x4y10=0
5x+3y=12
これらの方程式は、x=3y=1のときに真となります。

これらは線形方程式の系と呼ばれ、その変数を消去法と代入法の二つの方法で求めることができます。

消去法による解法
線形方程式系を消去法で解く主要なステップ:

1. 方程式を同じ順序で書き直します:
2x4y10=0
5x+3y=12
となると
2x4y10=0
5x+3y12=0

2. 方程式のうちの1つ、または両方に、ゼロでない数をかけて加減すれば1つの項が消去できるようにします:
3(2x4y10=0)
4(5x+3y12=0)
となると
6x12y30=0
20x+12y48=0

3. 方程式を加算または減算して共通の変数を消去します:
(6x-12y-30)
+ (20x+12y-48)
= 26x-78=0


4. 残った変数を分離するために方程式を解きます:
26x78=0
26x=78
x=3

5. この変数をもとの方程式の一つに代入し、残った変数を分離するために単純化します:
2(3)4y10=0
64y10=0
4y4=0
4y=4
y=1

両方の方程式を満たす変数は x=3y=1、または (3,1)です。

6. 必要に応じて繰り返します。例えば、系には2つ以上の線形方程式がある場合などです。

代入法による解法
線形方程式系を代入法で解く主要なステップ:

1. 一つの方程式で xyのどちらかを分離し、解く:
2x4y10=0
2x=4y+10
x=2y+5

2. 結果とした変数を別の方程式に代入し、解く:
5(2y+5)+3y=12
10y+25+3y=12
13y=13
y=1

3. 結果とした変数をいずれかの最初の方程式に代入し、解く:
2x4(1)10=0
2x+410=0
2x6=0
2x=6
x=3

両方の方程式を満たす変数は x=3y=1、または (3,1)です。

4. 必要に応じて繰り返します。例えば、系には2つ以上の線形方程式がある場合などです。

線形方程式の系に対する解のタイプは三つあります:

無解 : 各方程式が全て真となるような変数が存在しない。グラフ上で、代表する直線が交わらない。これらが線形方程式であれば、これらの直線は互いに平行になります。

一組の解 : 各方程式が全て真となるような一組の変数が存在します。グラフ上では、方程式を代表する直線が一度交差します。交差する点が方程式の解となります。

無限解 : 全ての方程式が真となるような無数の変数が存在します。これは、全ての方程式が同じであるか、同じ方程式の変形であるときに起こり、したがって同じ直線を代表します。

他の関連用語:

整合する方程式 : 二つ以上の方程式が一つまたは無限に解を共有するとき、それらは整合します。例: 5x+3y=122x4y=10 は一つの解 (3,1) を共有しているため、整合します。

矛盾する方程式 :二つ以上の方程式が解を共有しないとき、それらは矛盾します。矛盾する方程式の直線は互いに平行になります。例:5x+3y=65x+3y=20 は矛盾する方程式で、xはそれぞれの方程式で異なる値となり、他の解を共有しない。

独立した方程式 : 二つ以上の方程式が異なる直線を表しているとき、それらは独立しています。

依存する方程式 : 二つ以上の方程式が同じ直線を表し、各方程式が無数の解を持つとき、それらは依存します。依存する方程式は、同じ方程式が異なる形式で書かれているときに発生します。例: 5x+3y=1210x+6y24=0 は同じ直線を表しているため、依存します。

線形方程式の系図

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