Lineares Gleichungssystem
Ein lineares Gleichungssystem (LGS) ist eine Menge von linearen Gleichungen mit mehreren Unbekannten. Lineare Gleichungssysteme treten in vielen mathematischen und insbesondere betriebswirtschaftlichen Fragestellungen auf, z.B. bei Produktionsplanung, Kostenrechnung oder Stoffstromanalysen. Häufig werden lineare Gleichungssysteme mithilfe von Matrizen dargestellt und gelöst.
Definition
Ein lineares Gleichungssystem mit [math]\displaystyle{ m }[/math] Gleichungen und [math]\displaystyle{ n }[/math] Unbekannten hat die Form
- [math]\displaystyle{ \begin{aligned} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 + \dots + a_{1n}x_n &= b_1 \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 + \dots + a_{2n}x_n &= b_2 \\ \vdots \qquad & \vdots \\ a_{m1}x_1 + a_{m2}x_2 + \dots + a_{mn}x_n &= b_m \end{aligned} }[/math]
mit Koeffizienten [math]\displaystyle{ a_{ij} \in \mathbb{R} }[/math] und rechten Seiten [math]\displaystyle{ b_i \in \mathbb{R} }[/math].
Die Matrizengleichung des Systems lautet
- [math]\displaystyle{ A \cdot x = b }[/math],
wobei [math]\displaystyle{ A }[/math] die Koeffizientenmatrix, [math]\displaystyle{ x }[/math] der Unbekanntenvektor und [math]\displaystyle{ b }[/math] der Ergebnisvektor ist. Die erweiterte Koeffizientenmatrix lautet [math]\displaystyle{ (A|b) }[/math].
Homogene und inhomogene lineare Gleichungssysteme
- Ein homogenes lineares Gleichungssystem liegt vor, wenn [math]\displaystyle{ b = 0 }[/math] gilt, also [math]\displaystyle{ A \cdot x = 0 }[/math]. Es besitzt immer mindestens die triviale Lösung [math]\displaystyle{ x = 0 }[/math].
- Ein inhomogenes lineares Gleichungssystem liegt vor, wenn [math]\displaystyle{ b \neq 0 }[/math] gilt. Es kann keine, genau eine oder unendlich viele Lösungen besitzen.
Lösungskriterien
Die Lösbarkeit eines linearen Gleichungssystems hängt vom Rang der Koeffizientenmatrix [math]\displaystyle{ A \in \mathbb{R}^{m \times n} }[/math] und der erweiterten Koeffizientenmatrix [math]\displaystyle{ (A|b) }[/math] mit [math]\displaystyle{ b \in \mathbb{R}^{m} }[/math] ab:
- Das System ist lösbar, wenn [math]\displaystyle{ \operatorname{rang}(A) = \operatorname{rang}(A|b) }[/math].
- Die Lösung ist eindeutig, wenn zusätzlich [math]\displaystyle{ \operatorname{rang}(A) = n }[/math] gilt.
- Es gibt unendlich viele Lösungen, wenn [math]\displaystyle{ \operatorname{rang}(A) = \operatorname{rang}(A|b) \lt n }[/math].
- Es gibt keine Lösung, wenn [math]\displaystyle{ \operatorname{rang}(A) \neq \operatorname{rang}(A|b) }[/math].
Bei unendlich vielen Lösungen werden diese häufig mithilfe von Parametern dargestellt.
Betriebswirtschaftliche Anwendungen
In der Betriebswirtschaft werden lineare Gleichungssysteme unter anderem verwendet zur
- Produktions- und Kapazitätsplanung,
- Kosten- und Erlösrechnung,
- Analyse von Stoff- und Warenströmen,
- Modellierung von Stücklisten und Produktionsprozessen.
Beispiele
Homogenes lineares Gleichungssystem
- [math]\displaystyle{ \begin{aligned} x_1 + 2x_2 - x_3 &= 0 \\ 2x_1 + 4x_2 - 2x_3 &= 0 \end{aligned} }[/math]
Dieses System besitzt unendlich viele Lösungen, da die Gleichungen linear abhängig sind.
Inhomogenes lineares Gleichungssystem
- [math]\displaystyle{ \begin{aligned} 2x_1 + x_2 &= 5 \\ x_1 - x_2 &= 1 \end{aligned} }[/math]
Die eindeutige Lösung lautet [math]\displaystyle{ x_1 = 2 }[/math], [math]\displaystyle{ x_2 = 1 }[/math].
Betriebswirtschaftliches Beispiel
Ein Unternehmen produziert zwei Produkte. Für Produkt 1 werden 2 Maschinenstunden, für Produkt 2 werden 3 Maschinenstunden benötigt. Insgesamt stehen 120 Maschinenstunden zur Verfügung. Zusätzlich sollen insgesamt 50 Produkte hergestellt werden. [math]\displaystyle{ \begin{aligned} x_1 + x_2 &= 50 \\ 2x_1 + 3x_2 &= 120 \end{aligned} }[/math] Die Lösung gibt an, wie viele Einheiten der beiden Produkte gefertigt werden können.