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以線性代數求解車流量問題

以100年交大資工為例

最近在學習線性代數,很感謝自己當初高中選的是自然組( •̀ ω •́ )✧,至少還保留一點交戰記憶,還有剛好是中原有教微積分的最後一屆商學院(我記得之後的都是教財務數學),所以看到什麼導數、cosθ、之類的不至於太害怕。

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今天再寫的時候看到一題交大資工的考古題,覺得非常的實用,上網查了一下解法,順便當作個紀錄

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第一次看到的時候有點嚇到,看了一下解答之後還是不太清楚怎麼求出下面的聯立方程的

$$ \begin{align*} x_{1} &+ 10 = x_{2} \\
x_{2} &= 5 + x_{3}\\
x_{3} &= 10+ x_{4} \\
x_{4} &+20=x_{1} \end{align*} $$

後來看了一下國外的教學,發現概念很簡單,一個圓環,進來的車流量必定等於出去的流量,所以x₂就是x₁再加上10,而x₃就等於x₂再減去開出去的20輛車,也就就是x₂-20=x₃。於是就可以列出增廣矩陣

$$ \begin{bmatrix} -1 & 0 & 0 & 1 & | & -20 \\
1 & -1 & 0 & 0 & | & -10 \\
0 & 1 & -1 & 0 & | & 20 \\
0 & 0 & 1 & -1 & | & 10 \\
\end{bmatrix} $$

化成列梯陣 $$ \begin{bmatrix} 1 & -1 & 0 & 0 & | & -10 \\
0 & 1 & -1 & 0 & | & 20 \\
0 & 0 & 1 & -1 & | & 10 \\
0 & 0 & 0 & 0 & | & 0 \\
\end{bmatrix} $$

發現這個矩陣具有無窮多組解,Ax=B得x等於

$$ \begin{bmatrix} 20+t \\
30+t \\
10+t \\
t \\
\end{bmatrix} $$

那回頭來解題目

題目1說可以化為strictly triangular matrix,答案是不可以的,因為對角元素不是全零

嚴格三角矩陣定義:是三角矩陣,但對角項均為零

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題目二說可以化為那樣的簡化列梯陣,當然答案也是錯的

題目三說這個線性系統是Consistent的,所謂的Consistent(一致)代表至少有一組解,那這邊是對的

題目四,最大交通的是X2,因為它是30+t

題目五問說如果現在所有的方向全部倒過來,那答案會一樣嗎,答案是對的,因為只是方向換過來,其實就只是在等號兩邊同乘負號而已

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