الرئيسية / LA 101 / الوحدة 3 / الدرس 1
وضع القصص

إعداد الأنظمة الخطية

كل مسألة هندسية تبحث عن مجاهيل يمكن في الغالب كتابتها على الشكل Ax = b. تعلّم كيفية إعداد الأنظمة الخطية وتفسيرها هو الخطوة الأولى نحو حلّها.

~11 دقيقة قراءة M3 · L1 متوسط

من المسائل اللفظية إلى الصورة المصفوفية

الهندسة مليئة بالمسائل التي تتمحور حول إيجاد قيم مجهولة. دائرة كهربائية تحتاج إيجاد تيارات الفروع. هيكل إنشائي يحتاج معرفة قوى المفاصل. مسألة ملاءمة بيانات تحتاج معاملات متعددة الحدود. في كل هذه الحالات، القيود التي يجب أن تحققها المجاهيل يمكن كتابتها كمجموعة من المعادلات الخطية — وأي مجموعة من المعادلات الخطية يمكن كتابتها بشكل مختصر في صورة مصفوفية.

الكيان المحوري هو المعادلة Ax = b. المصفوفة A تُشفّر العلاقات بين المجاهيل، المتجه x يحمل المجاهيل أنفسها، والمتجه b يحمل قيم الطرف الأيمن المعلومة. إدراك هذه البنية هو البوابة نحو حل — وفهم — أي مسألة خطية تقريبًا.

الصورة المصفوفية
Ax = b
A هي مصفوفة m×n (m معادلة، n مجهول)، x متجه المجاهيل بحجم n×1، b متجه الطرف الأيمن بحجم m×1. معًا تُشفّر كل نظام خطي.

بناء مصفوفة المعاملات

المهارة العملية الأولى هي ترجمة مجموعة من المعادلات إلى الصورة المصفوفية. القاعدة بسيطة: كل صف من A يقابل معادلة واحدة، وكل عمود من A يقابل مجهولًا واحدًا. العنصر Aij هو معامل المجهول j في المعادلة i.

لنأخذ النظام الثنائي البسيط:

قراءة المعاملات صفًّا صفًّا تعطينا المصفوفة A = [[2، 3]، [1، −1]]، ومتجه المجاهيل x = [x₁، x₂]ᵀ، ومتجه الطرف الأيمن b = [5، 1]ᵀ. في الصورة المصفوفية:

مثال على نظام
\begin{pmatrix}2&3\\1&-1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}x_1\\x_2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}5\\1\end{pmatrix}
الصف الأول يُشفّر المعادلة 2x₁ + 3x₂ = 5؛ والصف الثاني يُشفّر x₁ − x₂ = 1. كل عمود يقابل مجهولًا واحدًا: العمود 1 للمجهول x₁، العمود 2 للمجهول x₂.

التفسير الهندسي

بعيدًا عن الجبر، لكل معادلة خطية معنى هندسي واضح. في الفضاء الثنائي الأبعاد، المعادلة ax₁ + bx₂ = c تُعرّف خطًا مستقيمًا في المستوى (x₁، x₂). حل نظام ثنائي الأبعاد يعني إيجاد نقطة تقاطع الخطين.

في الفضاء الثلاثي الأبعاد، كل معادلة ax₁ + bx₂ + cx₃ = d تُعرّف مستوًى. حل نظام ثلاثي الأبعاد يعني إيجاد نقطة تقاطع المستويات الثلاثة. نفس المنطق يتعمم للأبعاد الأعلى: كل معادلة تُعرّف فضاءً مقيِّدًا، والحل هو تقاطع جميع هذه الفضاءات.

هذه الصورة الهندسية تتنبأ مباشرة بالأنواع الثلاثة من النتائج الممكنة للنظام — ولماذا تنشأ كل منها.

الوجود والتفرد

الهندسة تكشف ثلاث حالات مختلفة جوهريًا:

أي حالة تنطبق يحددها رتبة A مقارنةً برتبة المصفوفة المعززة [A|b]. هذا سيتضح حين ندرس الحذف الغاوسي.

المصفوفة المعززة

طريقة مريحة لتمثيل النظام بالكامل هي المصفوفة المعززة [A|b]، وتُكوَّن بإضافة b عمودًا جديدًا إلى يسار A. هذا الكيان الواحد يحتوي على كل المعلومات حول النظام — بنية المعاملات والطرف الأيمن — وهو المدخل المباشر للحذف الغاوسي في الدرس القادم.

المصفوفة المعززة
\left[\begin{array}{cc|c}2&3&5\\1&-1&1\end{array}\right]
الشريط العمودي يفصل A عن b. عمليات الصفوف على [A|b] تُحوّل نصفيها معًا في آنٍ واحد، محافظةً على مجموعة الحلول مع تبسيط النظام.

أنواع الأنظمة الخطية

الحجم النسبي لـ m (المعادلات) وn (المجاهيل) يُشكّل السلوك المتوقع للنظام قبل أن ننظر في القيم المحددة:

نظام مربع
m = n
معادلات ومجاهيل متساوية — عادةً يعطي حلًّا وحيدًا إذا كانت A قابلة للعكس. هذه هي "الحالة الجيدة" الأكثر شيوعًا في الهندسة.
منظومة زائدة التحديد
m > n
معادلات أكثر من المجاهيل — عادةً لا يوجد حل دقيق. أفضل حل تقريبي يُوجَد بطريقة المربعات الصغرى. شائع في ملاءمة البيانات.
منظومة ناقصة التحديد
m < n
معادلات أقل من المجاهيل — حلول لا نهائية إذا كان النظام متسقًا. قيود إضافية (مثل الحد الأدنى للمعيار) مطلوبة لاختيار حل واحد.

أمثلة من الواقع

تظهر الأنظمة الخطية في كل مجالات الهندسة والعلوم التطبيقية. إدراك بنية Ax = b هو الخطوة الأولى لحل أي من هذه المسائل:


الخلاصة الرئيسية

أي نظام من المعادلات الخطية يمكن كتابته في الصورة المصفوفية Ax = b، حيث A تحمل المعاملات، وx يحمل المجاهيل، وb يحمل الطرف الأيمن. هندسة النظام — فضاءات مقيِّدة متقاطعة — تحدد هل توجد حلول: حل وحيد حين يكون النظام ذا رتبة كاملة، لا حل حين يكون غير متسق، وحلول لا نهائية حين تكون المعادلات تابعة. المصفوفة المعززة [A|b] تُشفّر كل ما يلزم لحل النظام. سواء تساوى m وn أو تجاوز أحدهما الآخر يُشكّل نوع الحل المتوقع. التالي: الحذف الغاوسي يُحوّل [A|b] إلى الصورة الدرجية، كاشفًا الحل بصورة منهجية.