2021年6月5日 星期六

det & rank 指令之應用

 det & rank 指令之應用

源自於 https://bime-matlab.blogspot.com/2006/11/103.html

det & rank 指令

利用
左除法的求解過程甚為簡單,但有時並不一定有解,有時也可能有多組解
聯立方程式中,型式上其變數與方程式之數目相同,應可以得解。
但有些方程式是相依的,或者其中方程可能由其他兩式相互加減而得的結果,此時即無法無法獲得唯一解,因此過程上仍需先行檢驗。
行列式值與聯立方程式求解有密切的關係。其值若為零,所得之解可能為非唯一組解;若不為零,則可能得到一組解。在MATLAB中,可以使用位階指令rank檢驗。

舉例:


魔術函數造成之矩陣A,其行列值及位階分別由det & rank 指令進行檢驗:
>> A=magic(3);
>> A
A =
     8     1     6
     3     5     7
     4     9     2

>> det(A)
ans =
  -360

>> rank(A)
ans =
     3
===================
A=magic(4)

A =
    16     2     3    13
     5    11    10     8
     9     7     6    12
     4    14    15     1

>> det(A)

ans =
   5.1337e-13

>> rank(A)
ans =
     3
矩陣A雖為4x4,利用行列值檢視,其值為det(A)=0,表示無法獲得單一解。同樣利用rank位階指令檢查,其結果為3階,兩者均顯示與矩陣A相關之聯立方程式可能為多組解。

要檢測一組聯立方程式是否有解,使用上述rank的指令功能可以研判。
例如檢測AX=C這一組聯聯立方程式,先求rank(A)與 rand([A C])之階值,後者[A C]稱為增廣矩陣(Augrmented matrix)。
若所得兩個階值相同,且其階值等於變數個數時,應為有解且其解屬唯一。
階值小於變數個數時,其解應為多數解,其變數可用兩者之差數之線性組合

範例:

A X = C , X=A\C

>> A=[6 -3 5;10 4 -8;-6 2 3];
>> A
A =
     6    -3     5
    10     4    -8
    -6     2     3

>> C=[12 -20 15]';
>> C
C =
    12
   -20
    15

>> R1=rank(A),R2=rank([A C])

R1 =     3
R2 =     3

由於兩者之階值相同,表示其解存在且為唯一。

 >>X=A\C

X =
    0.0479
    2.1737
    3.6467

範例:

>> A=[3 2 1 ; 10 -25 5]

A =
     3     2     1
    10   -25     5

>> C=[5000 2000]'
C =
        5000
        2000

>> R1=rank(A),R2=rank([A C])
R1 =     2

R2 =     2

>> T=A\C

T =

   1.0e+03 *

    1.3579
    0.4632
         0

T =
    1357.9
    463.2
         0
顯然這組方程式應有解,但由於階數2小於變數個數3,故其解為多數解。
利用左除法亦可得到其中一解,即令T3等於零時,所得之答案。



範例六:


有一電路如圖,接於一電源V上。試求通過各電阻器上之電流。




根據克希荷夫Kirchhoff定律,可以選定三個迴圈建立屬於電壓降之三項聯立方程式,及電流經由A、B、C三點產生分流時所能建立之四個關係方程式得之:



整理此組聯立方程式,其電流變數I有五項,其方程式有五組,故應可得解。茲以矩陣[R][I]=[V]表示,利用左除法即為[I]=[R]\[V]。其各變數矩陣分別為:



   

程式內容



function Curr=ele_amp(v,r)
% Prog using Kirchihoff's law to find the currents in a circuit.
% Inputs:
% v: Voltage of generators. volts
% r: the resistances r=[r1 r2 r3 r4 r5 r6], in Kohms.
% Outputs:
% Curr: currents through resistors [c1 c2 c3 c4 c5 c6], in mA
% Example: current=ele_amp(100,[1 1 2 5 5 10])
V=[v 0 0 0 0 0]';
R=[r(1) 0 0 0 r(5) r(6);
0 r(2) r(3) 0 -r(5) 0;
0 0 -r(3) r(4) 0 -r(6);
1 0 -1 0 -1 0;
0 1 -1 -1 0 0;
-1 0 0 1 0 -1];
Current=R\V;Curr=Current';


>> current=ele_amp(100,[1 1 2 5 5 10])

Current =

    8.0338
   17.9704
    3.1712
   14.7992
    4.8626
    6.7653


Curr =

    8.0338   17.9704    3.1712   14.7992    4.8626    6.7653


current =

    8.0338   17.9704    3.1712   14.7992    4.8626    6.7653

>> 

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