40.5 แก้ระบบสมการด้วยเมทริกซ์ งานกีฬาสีขายบัตรเข้าชมการแสดงสองแบบ บัตรผู้ใหญ่ใบละ 80 80 80 บาท บัตรเด็กใบละ 50 50 50 บาท ขายไป 120 120 120 ใบ ได้เงิน 7500 7500 7500 บาท ขายบัตรแต่ละแบบไปกี่ใบ ในบทที่ 27 เราแก้โจทย์แบบนี้ด้วยการกำจัดตัวแปรหรือการแทนค่า ซึ่งใช้ได้ดีกับสองตัวแปร แต่พอเป็นสามตัวแปรขึ้นไป ขั้นตอนจะยาวและสับสนง่าย
หน้านี้เขียนระบบสมการทั้งระบบเป็นสมการเมทริกซ์สมการเดียว แล้วใช้ผกผันจากหน้า 40.4 และดีเทอร์มิแนนต์จากหน้า 40.3 แก้ วิธีนี้ทำขั้นตอนเหมือนเดิมทุกครั้ง ไม่ว่าตัวเลขจะเป็นอะไร และยังบอกล่วงหน้าได้ว่าระบบมีคำตอบเดียวหรือไม่
เขียนระบบสมการเป็น AX = B
ระบบ a x + b y = u ax + by = u a x + b y = u และ c x + d y = v cx + dy = v c x + d y = v เขียนเป็น A X = B AX = B A X = B ได้ เมื่อ
A = [ a b c d ] X = [ x y ] B = [ u v ] A = \begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} \qquad X = \begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix} \qquad B = \begin{bmatrix} u \\ v \end{bmatrix} A = [ a c b d ] X = [ x y ] B = [ u v ]
ลองคูณ A X AX A X ดู แถวแรกได้ a x + b y ax + by a x + b y แถวสองได้ c x + d y cx + dy c x + d y ตรงกับด้านซ้ายของสมการทั้งสองพอดี A A A เรียกว่าเมทริกซ์สัมประสิทธิ์ X X X เป็นเมทริกซ์ตัวแปร และ B B B เป็นเมทริกซ์ค่าคงตัว
ก่อนเขียน ต้องจัดทุกสมการให้ตัวแปรเรียงลำดับเดียวกัน และย้ายค่าคงตัวไปไว้ทางขวา ถ้าสมการไหนไม่มีตัวแปรใด ให้ใส่สัมประสิทธิ์ 0 0 0 ในตำแหน่งนั้น เช่น y = 7 − 2 x y = 7 - 2x y = 7 − 2 x ต้องจัดเป็น 2 x + y = 7 2x + y = 7 2 x + y = 7 ก่อน แถวของ A A A จึงเป็น 2 , 1 2, 1 2 , 1 ไม่ใช่ 1 , − 2 1, -2 1 , − 2
แก้ด้วย X = A⁻¹B
ถ้า det A ≠ 0 \det A \ne 0 det A = 0 แล้ว A A A มีผกผัน คูณ A − 1 A^{-1} A − 1 ทางซ้ายทั้งสองข้างของ A X = B AX = B A X = B ได้ A − 1 A X = A − 1 B A^{-1}AX = A^{-1}B A − 1 A X = A − 1 B ซึ่งด้านซ้ายคือ I X = X IX = X I X = X จึงได้
X = A − 1 B X = A^{-1}B X = A − 1 B
ต้องคูณทางซ้ายเพราะ A A A อยู่ทางซ้ายของ X X X และมิติก็บังคับด้วย A − 1 A^{-1} A − 1 เป็น 2 × 2 2 \times 2 2 × 2 และ B B B เป็น 2 × 1 2 \times 1 2 × 1 จึงคูณ A − 1 B A^{-1}B A − 1 B ได้ 2 × 1 2 \times 1 2 × 1 พอดี
ตัวอย่าง 1
สมุดสองเล่มกับปากกาหนึ่งด้ามราคา 55 55 55 บาท สมุดหนึ่งเล่มกับปากกาหนึ่งด้ามราคา 35 35 35 บาท จงหาราคาแต่ละชนิด
ให้สมุดเล่มละ x x x บาท ปากกาด้ามละ y y y บาท ได้ 2 x + y = 55 2x + y = 55 2 x + y = 55 และ x + y = 35 x + y = 35 x + y = 35 จึงมี A = [ 2 1 1 1 ] A = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 1 \end{bmatrix} A = [ 2 1 1 1 ] และ B = [ 55 35 ] B = \begin{bmatrix} 55 \\ 35 \end{bmatrix} B = [ 55 35 ]
det A = 1 ≠ 0 \det A = 1 \ne 0 det A = 1 = 0 และจากหน้า 40.4 ได้ A − 1 = [ 1 − 1 − 1 2 ] A^{-1} = \begin{bmatrix} 1 & -1 \\ -1 & 2 \end{bmatrix} A − 1 = [ 1 − 1 − 1 2 ]
X = A − 1 B = [ 55 − 35 − 55 + 70 ] = [ 20 15 ] X = A^{-1}B = \begin{bmatrix} 55 - 35 \\ -55 + 70 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 20 \\ 15 \end{bmatrix} X = A − 1 B = [ 55 − 35 − 55 + 70 ] = [ 20 15 ]
สมุดเล่มละ 20 20 20 บาท ปากกาด้ามละ 15 15 15 บาท ตรวจ 2 ( 20 ) + 15 = 55 2(20) + 15 = 55 2 ( 20 ) + 15 = 55 และ 20 + 15 = 35 20 + 15 = 35 20 + 15 = 35
ตัวอย่าง 2
แก้โจทย์บัตรกีฬาสีตอนต้นหน้าด้วย X = A − 1 B X = A^{-1}B X = A − 1 B
ให้ขายบัตรผู้ใหญ่ p p p ใบ บัตรเด็ก q q q ใบ สมการจำนวนบัตร p + q = 120 p + q = 120 p + q = 120 สมการเงิน 80 p + 50 q = 7500 80p + 50q = 7500 80 p + 50 q = 7500
A = [ 1 1 80 50 ] A = \begin{bmatrix} 1 & 1 \\ 80 & 50 \end{bmatrix} A = [ 1 80 1 50 ] มี det A = 1 ( 50 ) − 1 ( 80 ) = − 30 ≠ 0 \det A = 1(50) - 1(80) = -30 \ne 0 det A = 1 ( 50 ) − 1 ( 80 ) = − 30 = 0
A − 1 = − 1 30 [ 50 − 1 − 80 1 ] A^{-1} = -\tfrac{1}{30}\begin{bmatrix} 50 & -1 \\ -80 & 1 \end{bmatrix} A − 1 = − 30 1 [ 50 − 80 − 1 1 ] คูณกับ B = [ 120 7500 ] B = \begin{bmatrix} 120 \\ 7500 \end{bmatrix} B = [ 120 7500 ] ได้ − 1 30 [ 6000 − 7500 − 9600 + 7500 ] = − 1 30 [ − 1500 − 2100 ] = [ 50 70 ] -\tfrac{1}{30}\begin{bmatrix} 6000 - 7500 \\ -9600 + 7500 \end{bmatrix} = -\tfrac{1}{30}\begin{bmatrix} -1500 \\ -2100 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 50 \\ 70 \end{bmatrix} − 30 1 [ 6000 − 7500 − 9600 + 7500 ] = − 30 1 [ − 1500 − 2100 ] = [ 50 70 ]
ขายบัตรผู้ใหญ่ 50 50 50 ใบ บัตรเด็ก 70 70 70 ใบ ตรวจ 50 + 70 = 120 50 + 70 = 120 50 + 70 = 120 และ 80 ( 50 ) + 50 ( 70 ) = 4000 + 3500 = 7500 80(50) + 50(70) = 4000 + 3500 = 7500 80 ( 50 ) + 50 ( 70 ) = 4000 + 3500 = 7500 จำนวนบัตรเป็นจำนวนเต็มบวก สมเหตุสมผล
ลองคิดก่อน
เพื่อนเขียนคำตอบเป็น X = B A − 1 X = BA^{-1} X = B A − 1 เพราะคิดว่าการคูณสลับลำดับแล้วได้ผลเท่ากัน ผิดตรงไหน
ดูคำตอบ B B B มีมิติ 2 × 1 2 \times 1 2 × 1 และ A − 1 A^{-1} A − 1 มีมิติ 2 × 2 2 \times 2 2 × 2 เรียง ( 2 × 1 ) ( 2 × 2 ) (2 \times 1)(2 \times 2) ( 2 × 1 ) ( 2 × 2 ) ด้านในเป็น 1 1 1 กับ 2 2 2 คูณไม่ได้ตั้งแต่ต้น ต่อให้มิติคูณได้ การคูณเมทริกซ์ก็ไม่สลับที่ ต้องคูณ A − 1 A^{-1} A − 1 ฝั่งเดียวกับที่ A A A อยู่ คือทางซ้าย จึงได้ X = A − 1 B X = A^{-1}B X = A − 1 B
กฎของคราเมอร์
ถ้าต้องการแค่ค่าของตัวแปร ไม่ต้องการ A − 1 A^{-1} A − 1 ทั้งเมทริกซ์ มีวิธีที่ใช้ดีเทอร์มิแนนต์อย่างเดียว ดูที่มาจากระบบ a x + b y = u ax + by = u a x + b y = u และ c x + d y = v cx + dy = v c x + d y = v คูณสมการแรกด้วย d d d สมการสองด้วย b b b แล้วลบกัน พจน์ y y y หายไป เหลือ ( a d − b c ) x = u d − b v (ad - bc)x = ud - bv ( a d − b c ) x = u d − b v ด้านซ้ายคือ det A \det A det A คูณ x x x ส่วนด้านขวาคือดีเทอร์มิแนนต์ของ A A A ที่เอาคอลัมน์ของ x x x ออกแล้วใส่ B B B แทน
กฎของคราเมอร์
ถ้า det A ≠ 0 \det A \ne 0 det A = 0 ระบบ A X = B AX = B A X = B มีคำตอบเดียว คือ
x = det A x det A y = det A y det A z = det A z det A x = \frac{\det A_x}{\det A} \qquad y = \frac{\det A_y}{\det A} \qquad z = \frac{\det A_z}{\det A} x = det A det A x y = det A det A y z = det A det A z เมื่อ A x A_x A x คือ A A A ที่แทนคอลัมน์ของ x x x ด้วย B B B และ A y A_y A y A z A_z A z ทำแบบเดียวกันกับคอลัมน์ของ y y y และ z z z
ตัวอย่าง 3
นักโภชนาการผสมข้าวกล้องกับถั่วเขียวเป็นอาหารหนึ่งชุด ข้าวกล้องทุก 100 100 100 กรัมมีโปรตีน 8 8 8 กรัม ใยอาหาร 3 3 3 กรัม ถั่วเขียวทุก 100 100 100 กรัมมีโปรตีน 24 24 24 กรัม ใยอาหาร 16 16 16 กรัม ต้องการโปรตีน 56 56 56 กรัม ใยอาหาร 28 28 28 กรัม ต้องใช้อย่างละกี่กรัม
ให้ใช้ข้าวกล้อง x x x ร้อยกรัม ถั่วเขียว y y y ร้อยกรัม สมการโปรตีน 8 x + 24 y = 56 8x + 24y = 56 8 x + 24 y = 56 สมการใยอาหาร 3 x + 16 y = 28 3x + 16y = 28 3 x + 16 y = 28
det A = ∣ 8 24 3 16 ∣ = 128 − 72 = 56 ≠ 0 \det A = \begin{vmatrix} 8 & 24 \\ 3 & 16 \end{vmatrix} = 128 - 72 = 56 \ne 0 det A = 8 3 24 16 = 128 − 72 = 56 = 0 จึงมีคำตอบเดียว
แทนคอลัมน์แรกด้วย B B B ได้ det A x = ∣ 56 24 28 16 ∣ = 896 − 672 = 224 \det A_x = \begin{vmatrix} 56 & 24 \\ 28 & 16 \end{vmatrix} = 896 - 672 = 224 det A x = 56 28 24 16 = 896 − 672 = 224 จึงได้ x = 224 56 = 4 x = \tfrac{224}{56} = 4 x = 56 224 = 4
แทนคอลัมน์สองด้วย B B B ได้ det A y = ∣ 8 56 3 28 ∣ = 224 − 168 = 56 \det A_y = \begin{vmatrix} 8 & 56 \\ 3 & 28 \end{vmatrix} = 224 - 168 = 56 det A y = 8 3 56 28 = 224 − 168 = 56 จึงได้ y = 56 56 = 1 y = \tfrac{56}{56} = 1 y = 56 56 = 1
ใช้ข้าวกล้อง 400 400 400 กรัม ถั่วเขียว 100 100 100 กรัม ตรวจ โปรตีน 32 + 24 = 56 32 + 24 = 56 32 + 24 = 56 ใยอาหาร 12 + 16 = 28 12 + 16 = 28 12 + 16 = 28
กฎของคราเมอร์คุ้มที่สุดกับระบบสามตัวแปร เพราะการหาผกผัน 3 × 3 3 \times 3 3 × 3 ด้วยมือยาวมาก ขณะที่คราเมอร์ใช้แค่ดีเทอร์มิแนนต์ 3 × 3 3 \times 3 3 × 3 สี่ตัว ซึ่งหาได้ด้วยวิธีของซาร์รัส
ตัวอย่าง 4
ร้านข้าวมันไก่ขายสามแบบ คือ ต้ม ทอด และผสม โต๊ะแรกสั่งต้ม 2 2 2 ทอด 1 1 1 ผสม 1 1 1 จ่าย 190 190 190 บาท โต๊ะที่สองสั่งต้ม 1 1 1 ทอด 2 2 2 ผสม 1 1 1 จ่าย 200 200 200 บาท โต๊ะที่สามสั่งต้ม 1 1 1 ทอด 1 1 1 ผสม 2 2 2 จ่าย 210 210 210 บาท หาราคาจานละของแต่ละแบบ
ให้ราคาต้ม ทอด ผสม เป็น x x x y y y z z z บาท ได้ A = [ 2 1 1 1 2 1 1 1 2 ] A = \begin{bmatrix} 2 & 1 & 1 \\ 1 & 2 & 1 \\ 1 & 1 & 2 \end{bmatrix} A = 2 1 1 1 2 1 1 1 2 และ B = [ 190 200 210 ] B = \begin{bmatrix} 190 \\ 200 \\ 210 \end{bmatrix} B = 190 200 210
det A \det A det A ด้วยวิธีของซาร์รัส เส้นลง 8 + 1 + 1 = 10 8 + 1 + 1 = 10 8 + 1 + 1 = 10 เส้นขึ้น 2 + 2 + 2 = 6 2 + 2 + 2 = 6 2 + 2 + 2 = 6 ได้ det A = 4 ≠ 0 \det A = 4 \ne 0 det A = 4 = 0
det A x \det A_x det A x แทนคอลัมน์แรกด้วย B B B กระจายตามแถวแรก 190 ( 4 − 1 ) − 1 ( 400 − 210 ) + 1 ( 200 − 420 ) = 570 − 190 − 220 = 160 190(4 - 1) - 1(400 - 210) + 1(200 - 420) = 570 - 190 - 220 = 160 190 ( 4 − 1 ) − 1 ( 400 − 210 ) + 1 ( 200 − 420 ) = 570 − 190 − 220 = 160 จึงได้ x = 160 4 = 40 x = \tfrac{160}{4} = 40 x = 4 160 = 40
det A y = 2 ( 400 − 210 ) − 190 ( 2 − 1 ) + 1 ( 210 − 200 ) = 380 − 190 + 10 = 200 \det A_y = 2(400 - 210) - 190(2 - 1) + 1(210 - 200) = 380 - 190 + 10 = 200 det A y = 2 ( 400 − 210 ) − 190 ( 2 − 1 ) + 1 ( 210 − 200 ) = 380 − 190 + 10 = 200 จึงได้ y = 50 y = 50 y = 50
det A z = 2 ( 420 − 200 ) − 1 ( 210 − 200 ) + 190 ( 1 − 2 ) = 440 − 10 − 190 = 240 \det A_z = 2(420 - 200) - 1(210 - 200) + 190(1 - 2) = 440 - 10 - 190 = 240 det A z = 2 ( 420 − 200 ) − 1 ( 210 − 200 ) + 190 ( 1 − 2 ) = 440 − 10 − 190 = 240 จึงได้ z = 60 z = 60 z = 60 ตรวจโต๊ะแรก 80 + 50 + 60 = 190 80 + 50 + 60 = 190 80 + 50 + 60 = 190 ถูก
ระบบนี้มีทางลัดด้วย ถ้าบวกสามสมการจะได้ 4 ( x + y + z ) = 600 4(x + y + z) = 600 4 ( x + y + z ) = 600 ดังนั้น x + y + z = 150 x + y + z = 150 x + y + z = 150 แล้วเอาไปลบแต่ละสมการก็ได้คำตอบเดียวกัน กฎของคราเมอร์ไม่ได้บังคับว่าทุกข้อต้องใช้ แต่เป็นวิธีที่ใช้ได้เสมอเมื่อ det A ≠ 0 \det A \ne 0 det A = 0 ส่วนระบบที่เป็นรูปสามเหลี่ยม เช่น x + y + z = 9 x + y + z = 9 x + y + z = 9 y + z = 5 y + z = 5 y + z = 5 z = 2 z = 2 z = 2 ไม่ต้องใช้วิธีไหนเลย อ่าน z = 2 z = 2 z = 2 จากแถวล่าง แทนขึ้นไปได้ y = 3 y = 3 y = 3 และ x = 4 x = 4 x = 4 ทันที เมทริกซ์สัมประสิทธิ์ของระบบนี้มีดีเทอร์มิแนนต์เป็นผลคูณแนวทแยง 1 ⋅ 1 ⋅ 1 = 1 1 \cdot 1 \cdot 1 = 1 1 ⋅ 1 ⋅ 1 = 1 จึงมีคำตอบเดียว
เมื่อ det A เป็นศูนย์
ทั้ง X = A − 1 B X = A^{-1}B X = A − 1 B และกฎของคราเมอร์ต้องหารด้วย det A \det A det A จึงใช้ไม่ได้เมื่อ det A = 0 \det A = 0 det A = 0 แต่นั่นไม่ได้แปลว่าระบบไม่มีคำตอบ ในบทที่ 27 สมการเชิงเส้นสองตัวแปรแต่ละสมการคือเส้นตรงหนึ่งเส้น det A = 0 \det A = 0 det A = 0 หมายถึงสองเส้นมีความชันเท่ากัน ซึ่งเป็นได้สองแบบ
เส้นขนานกันไม่ทับกัน ระบบไม่มีคำตอบ
เส้นทับกันเป็นเส้นเดียว ระบบมีคำตอบมากมายไม่จำกัด
ส่วนกรณี det A ≠ 0 \det A \ne 0 det A = 0 คือสองเส้นตัดกันที่จุดเดียว ระบบมีคำตอบเดียว วิธีแยกสองแบบแรกคือดูว่าด้านขวาเป็นสัดส่วนเดียวกับด้านซ้ายหรือไม่
ตัวอย่าง 5
ระบบ x + 2 y = 6 x + 2y = 6 x + 2 y = 6 และ 2 x + 4 y = 13 2x + 4y = 13 2 x + 4 y = 13 มีคำตอบหรือไม่ ถ้าเปลี่ยน 13 13 13 เป็น 12 12 12 จะเป็นอย่างไร
det [ 1 2 2 4 ] = 4 − 4 = 0 \det \begin{bmatrix} 1 & 2 \\ 2 & 4 \end{bmatrix} = 4 - 4 = 0 det [ 1 2 2 4 ] = 4 − 4 = 0 จึงใช้ผกผันหรือคราเมอร์ไม่ได้ ต้องดูสมการเอง
คูณสมการแรกด้วยสอง ได้ 2 x + 4 y = 12 2x + 4y = 12 2 x + 4 y = 12 แต่สมการที่สองบอกว่าด้านซ้ายเดียวกันเท่ากับ 13 13 13 ขัดแย้งกัน จึงไม่มีคำตอบ สองเส้นขนานกัน
ถ้าเปลี่ยนเป็น 2 x + 4 y = 12 2x + 4y = 12 2 x + 4 y = 12 สมการที่สองคือสมการแรกคูณสองทั้งสองข้าง เหลือสมการเดียว x + 2 y = 6 x + 2y = 6 x + 2 y = 6 ให้ y = s y = s y = s ได้ x = 6 − 2 s x = 6 - 2s x = 6 − 2 s ทุกจำนวนจริง s s s เป็นคำตอบ เช่น ( 6 , 0 ) (6, 0) ( 6 , 0 ) ( 4 , 1 ) (4, 1) ( 4 , 1 ) ( 2 , 2 ) (2, 2) ( 2 , 2 )
ลองคิดก่อน
เพื่อนเห็นว่า det A = 0 \det A = 0 det A = 0 แล้วตอบทันทีว่าระบบไม่มีคำตอบ ถูกไหม
ดูคำตอบ ไม่ถูกเสมอไป det A = 0 \det A = 0 det A = 0 บอกแค่ว่าไม่มีผกผันและไม่มีคำตอบเดียว ระบบอาจไม่มีคำตอบเลย หรือมีคำตอบมากมายไม่จำกัดก็ได้ ตัวอย่าง 5 ใช้ A A A ตัวเดียวกันทั้งสองกรณี ต่างกันแค่ด้านขวา ต้องกลับไปดูสมการว่าด้านขวาสอดคล้องกับความสัมพันธ์ของแถวหรือไม่
สรุป
จัดตัวแปรให้เรียงลำดับเดียวกันทุกสมการ แล้วเขียนเป็น A X = B AX = B A X = B
ถ้า det A ≠ 0 \det A \ne 0 det A = 0 ได้คำตอบเดียว X = A − 1 B X = A^{-1}B X = A − 1 B ต้องคูณ A − 1 A^{-1} A − 1 ทางซ้าย
กฎของคราเมอร์ x = det A x det A x = \dfrac{\det A_x}{\det A} x = det A det A x เมื่อ A x A_x A x คือ A A A ที่แทนคอลัมน์ของ x x x ด้วย B B B
ถ้า det A = 0 \det A = 0 det A = 0 ระบบไม่มีคำตอบ หรือมีคำตอบไม่จำกัด ต้องตรวจจากสมการ
ตรวจคำตอบโดยแทนในทุกสมการ และดูว่าเข้ากับความหมายของโจทย์