10 Линейное пространство. Основные понятия

Пусть множество элементов произвольной природы, для которых определены операции сложения и умножения на действительное число:

паре элементов множества ,  отвечает элемент , называемый суммой  и ;

паре ,  отвечает элемент , называемый произведением числа  и элемента .

Будем называть множество  линейным пространством, если для всех его элементов определены операции сложения и умножения на действительное число и для любых элементов  и произвольных чисел  справедливо:

1. , сложение коммутативно;

2. , сложение ассоциативно;

3. существует единственный нулевой элемент  такой, что ,  ;

4. для каждого элемента существует единственный противоположный элемент  такой, что , 

5. , умножение на число ассоциативно;

6. , ;

7. , умножение на число дистрибутивно относительно сложения элементов;

8. , умножение вектора на число дистрибутивно относительно сложения чисел.

 Сложение и вычитание матриц сводится к соответствующим операциям над их элементами. Самым главным свойством этих операций является то, что они определены только для матриц одинакового размера. Таким образом, возможно определить операции сложения и вычитания матриц:

Определение. Суммой (разностью) матриц является матрица, элементами которой являются соответственно сумма (разность) элементов исходных матриц.

c_ij = a_ij  b_ij

С = А + В = В + А.

             Операция умножения (деления) матрицы любого размера на произвольное число сводится к  умножению (делению) каждого элемента матрицы на это число.

 

 (А+В) =А  В

А() = А  А

 

Пример. Даны матрицы А = ; B = , найти 2А + В.

2А = ,                                 2А + В = .

 

Операция умножения матриц

Определение: Произведением матриц называется матрица, элементы которой могут быть вычислены по следующим формулам:

AB = C;

            Из приведенного определения видно, что операция умножения матриц определена только для матриц, число столбцов первой из которых равно числу строк второй.

 

Свойства операции умножения матриц.

 

1)Умножение матриц не коммутативно, т.е. АВ  ВА даже если определены оба произведения. Однако, если для каких – либо матриц соотношение АВ=ВА выполняется, то такие матрицы называютсяперестановочными.

Самым характерным примером может служить единичная матрица, которая является перестановочной с любой другой матрицей того же размера.

Перестановочными могут быть только квадратные матрицы одного и того же порядка.

АЕ = ЕА = А

            Очевидно, что для любых матриц выполняются следующее свойство:

AO = O;  OA = O,

где О – нулевая матрица.

            2) Операция перемножения матриц ассоциативна, т.е. если определены произведения АВ и (АВ)С, то определены ВС и А(ВС), и выполняется равенство:

(АВ)С=А(ВС). 

            3) Операция умножения матриц дистрибутивна по отношению к сложению, т.е. если имеют смысл выражения  А(В+С) и (А+В)С, то соответственно:

А(В + С) = АВ + АС

(А + В)С = АС + ВС.

            4) Если произведение АВ определено, то для любого числа  верно соотношение:

(AB) = (A)B = A(B).

            5) Если определено произведение АВ , то определено произведение В^ТА^Т и выполняется равенство:

(АВ)^Т = В^ТА^Т, где

индексом Т обозначается транспонированная матрица.

            6) Заметим также, что для любых квадратных матриц det (AB) = detAdetB.

11 Обра́тная ма́трица — такая матрица A⁻¹, при умножении на которую исходная матрица A даёт в результате единичную матрицу E:

Квадратная матрица обратима тогда и только тогда, когда она невырожденная, то есть её определитель не равен нулю. Для неквадратных матриц и вырожденных матриц обратных матриц не существует. Однако возможно обобщить это понятие и ввести псевдообратные матрицы, похожие на обратные по многим свойствам.

Свойства

• , где  обозначает определитель.

•  для любых двух обратимых матриц A и B.

•  где * ^T обозначает транспонированную матрицу.

•  для любого коэффициента  .

• Если необходимо решить систему линейных уравнений Ax = b, (b — ненулевой вектор) где x — искомый вектор, и если A ^{− 1}существует, то x = A ^{− 1}b. В противном случае либо размерность пространства решений больше нуля, либо их нет вовсе.

Нахождение

C^T — транспонированная матрица алгебраических дополнений;

Если обратная матрица существует, то она единственна.

        Доказательство.     Пусть две матрицы  и  являются обратными для матрицы  . Тогда

   и

Следовательно,  .      

12 Умноже́ние ма́триц — одна из основных операций над матрицами. Матрица, получаемая в результате операции умножения, называется произведе́нием ма́триц.

Пусть даны две прямоугольные матрицы A и B размерности  и  соответственно:

Тогда матрица C размерностью  называется их произведением:

где:

Операция умножения двух матриц выполнима только в том случае, если число столбцов в первом сомножителе равно числу строк во втором; в этом случае говорят, что форма матриц согласована. В частности, умножение всегда выполнимо, если оба сомножителя — квадратные матрицы одного и того же порядка.

Следует заметить, что из существования произведения AB вовсе не следует существование произведения BA.