Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Линейная алгебра

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
09.04.2015
Размер:
321 Кб
Скачать

Министерство образования и науки РФ

Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина

Кафедра высшей математики

С.И. ВАСИН

ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА

Учебно-методическое пособие для студентов

Москва 2010

В пособии изложены вводные разделы из курса линейной алгебры. Опре-

делены операции над матрицами и рассмотрены основные методы решений систем линейных уравнений: метод Крамера, матричный и Гаусса. Представле-

ны четкие алгоритмы решений задач. Теоретическое изложение материала со-

провождается множеством примеров. В пособие включены разделы, предна-

значенные для самостоятельного изучения, что позволит сделать внеаудитор-

ную работу студента более эффективной.

Отзывы и замечания просьба отправлять автору по адресу s.vasin@rambler.ru

Рецензенты:

Ролдугин В. И., зав. лабораторией института физической химии и электрохи-

мии им. А.Н. Фрумкина РАН, доктор ф-м. наук, профессор;

Скугорев В. П., доцент кафедры ВиПМ МГУПП, канд. техн. наук, доцент

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1.

Матрицы, действия над ними ................................................................................

3

2.

Определитель матрицы. Миноры и алгебраические дополнения .....................

5

3.

Обратная матрица..................................................................................................

11

4.

Понятие линейной зависимости. Базисный минор. Ранг матрицы .................

12

5.

Система линейных алгебраических уравнений.................................................

15

 

Метод Крамера ......................................................................................................

16

 

Матричный метод .................................................................................................

17

 

Метод Гаусса .........................................................................................................

18

6.

Однородная система линейных уравнений........................................................

23

7.

Собственные значения и собственные векторы матрицы................................

27

8.

Упражнения ...........................................................................................................

30

Список литературы ...................................................................................................

32

МАТРИЦЫ, ДЕЙСТВИЯ НАД НИМИ

1. МАТРИЦЫ, ДЕЙСТВИЯ НАД НИМИ

Определение. Таблица чисел, состоящая из m строк и n столбцов, называ-

ется матрицей размерности m × n .

 

 

 

 

 

a

a

a

 

 

 

 

 

11

12

1n

Обозначения матрицы: A = A

m× n

= (a

ij

)

= a21

a22

a2n .

 

 

m× n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am1 am2

amn

Числа aij называются элементами матрицы. Первый индекс i указывает номер

строки, в которой стоит элемент, а второй индекс j – номер столбца.

Определение. Матрицы А и В равны, если они имеют одинаковую размер-

ность и их соответствующие элементы равны.

Определение. Матрица A m×1 , состоящая из одного столбца, называется матрицей-столбцом.

Определение. Матрица An , состоящая из одной строки, называется мат-

рицей-строкой.

Определение. Матрица A n × n у которой число строк равняется числу столб-

цов называется квадратной размерности n.

Определение. Диагональ a11 , a22 , a33... – называется главной диагональю

матрицы.

Определение. Квадратная матрица, у которой ниже (выше) главной диаго-

нали расположены только нулевые элементы, называется верхней (нижней)

треугольной матрицей и обозначается T(T), т.е.

 

a

a

a

a

0

0

 

 

 

 

11

12

1n

11

 

 

 

 

T =

 

0 a22

a2n

 

 

a21

a22

0

 

.

 

 

 

 

. T =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

an2

 

 

 

 

 

ann

an1

ann

 

Определение. Квадратная матрица, у которой все элементы вне главной диагонали равны нулю, называется диагональной матрицей и обозначается D.

3

МАТРИЦЫ, ДЕЙСТВИЯ НАД НИМИ

Определение. Диагональная матрица, у которой все элементы на главной диагонали равны 1, называется единичной матрицей и обозначается Е.

Определение. Матрица, все элементы которой равны нулю, называется ну-

левой и обозначается О.

Операции над матрицами

1) Сложение и вычитание

Матрицы одинаковой размерности складывают и вычитают по правилу:

(aij )m× n ± (bij )m× n = (aij ± bij )m× n ,

т.е. при сложении матриц соответствующие элементы складываются.

Роль нулевой матрицы: А+О = А.

2) Умножение матрицы на скаляр (число)

Матрицу умножают на скаляр по правилу: λ(aij )m× n = (λaij )m× n ,

т.е. при умножении матрицы на скаляр каждый элемент умножается на скаляр.

Пример 1. Дано

 

2

6

 

− 9

7

 

Вычислить 2А-3В.

A =

− 5

 

,

B =

 

− 10

.

 

 

10

 

 

14

 

 

 

2 2 + 3 9

2 6 − 3 7

 

31

− 9

Решение. 2 A − 3 B =

 

=

 

 

.

 

− 2 5 − 3 14 2

10 + 3 10

 

− 52

50

Свойства линейных операций:

1.A + B = B + A – переместительный закон.

2.( A + B ) + C = A + ( B + C ) – сочетательный закон.

3.λ( A + B ) = λA + λB – распределительный закон относительно матриц.

4.A(λ+β) = λAA – распределительный закон относительно чисел.

Доказательство свойств следует из определений линейных операций. 3) Умножение матриц

Произведением матрицы Am× n

= (aij ) на матрицу Bn × p = (bij ) называется

n

 

матрица Cm× p = (cij ), где cij = aik

bkj , т.е. элемент сij матрицы С=АВ равен

k =1

 

сумме попарных произведений соответствующих элементов i-й строки матри-

цы А и j-го столбца матрицы В.

4

МАТРИЦЫ, ДЕЙСТВИЯ НАД НИМИ

Из определения произведения матриц следует, что матрицу А можно ум-

ножить не на всякую матрицу В: необходимо, чтобы количество столбцов в матрице А было равно количеству строк в матрице В. В результате получится матрица С, количество строк которой равно количеству строк в матрице А, а

количество столбцов – количеству столбцов в матрице В.

 

2

3

1

 

2

1

Пример 2. Дано: A =

 

− 5

,

B =

 

. Вычислить произведения АВ, ВА.

4

2

3

4

Решение. Матрицу А2×3 умножить на матрицу B 2×2 нельзя, т.к. количество столбцов матрицы А 3 неравно количеству строк матрицы В–2.

В

 

А

 

2

1 2

3 1

 

2 2 +1 4 2 3 1 5 2 1+1 2

8 1 4

 

2×2

2×3

=

 

 

 

=

 

=

.

 

 

3

4

4

5 2

3 2 + 4 4 3 3 4 5 3 1+ 4 2

 

22 11 11

2×3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства произведений:

1.AB BA – некоммутативность.

2.(AB)C = A(BC) – сочетательный закон.

3.С(A + B) = СA + СB – распределительный закон.

4.(λА)В=λ(АВ).

Доказательство свойств следует из определения произведения матриц.

Роль единичной и нулевой матриц: АЕ=ЕА=А, АО=ОА=О.

 

 

1

2

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

Пример 3. Дано: A =

 

 

, E

=

 

 

. Вычислить АЕ, ЕА.

 

 

 

 

3

4

 

0

1

 

 

 

 

 

 

1

2

1

0

1

2

 

 

1

0 1

2 1

2

 

Решение. AE =

 

0

 

=

3

 

= A; EA =

0

 

=

4

= A.

3

4

1

4

 

 

1 3

4 3

 

2. ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МАТРИЦЫ.

МИНОРЫ И АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ДОПОЛНЕНИЯ

Для квадратных матриц определена числовая характеристика, которая

называется определителем матрицы.

Обозначения определителя матрицы А: det А, А, |A|.

Определение. Определителем матрицы размерности 1х1 называется число её составляющее.

5

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МАТРИЦЫ. МИНОРЫ И АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ДОПОЛНЕНИЯ

Определение. Определителем матрицы второго порядка называется выра-

жение A =

a11

a12

= a

a

22

a a

21

.

 

a21

a22

11

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема для вычисления определителя 2-го порядка

A =

 

 

 

 

− +

Определение. Определителем матрицы третьего порядка называется выра-

 

 

a11

a12

a13

 

жение

A =

a21

a22

a23

= a11a22 a33 + a12 a23a31 + a13a21a32

 

 

a31

a32

a33

a13a22 a31 a11a23a32 a12 a21a33 .

Схема для вычисления определителя 3-го порядка (правило треугольни-

ков). Три слагаемых со знаком плюс и три – со знаком минус представляют со-

бой произведения элементов матрицы, взятых по три, как указано различными линиями на нижеприводимых схемах.

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства определителей

Определение. Транспонированием матрицы называется операция, в ре-

зультате которой меняются местами строки и столбцы с сохранением порядка их следования. Транспонированная матрица А обозначается АТ.

Свойство 1(о равноправности строк и столбцов). При транспонирова-

нии величина определителя сохраняется, т.е. |A|=|AТ|.

Пример 4.

 

1

 

8

6

 

 

 

det A =

3

 

12

4

 

= 120 + 64 + 90 − 144 − 20 − 240 = −130,

 

2

 

5

10

 

 

 

3

 

2

 

 

1

 

 

det A T =

8

12

 

5

= 120 + 90 + 64 − 144 − 240 − 20 = −130 = det A.

 

6

4

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойство 2. Если в определителе поменять местами две строки или два

столбца, то определитель изменит знак.

6

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МАТРИЦЫ. МИНОРЫ И АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ДОПОЛНЕНИЯ

 

 

 

 

1

 

3

8

 

 

Пример 5. det A =

6

 

2

4

= 14 + 240 + 120 − 160

− 20 − 126 = 68.

 

 

 

 

10

5

7

 

 

Поменяем местами 1 и 2 строки и вычислим определитель получившейся

~

 

2

 

4

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

=

1

3

 

8

= 126

+ 160 + 20 − 120 − 240

− 14 = −68 = − det A.

матрицы: det A

 

 

 

10

5

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойство 3. Если в определителе две одинаковых строки или два одина-

ковых столбца, то он равен нулю.

 

6

3

9

 

Пример 6.

6

3

9

= 180 + 216 + 54 − 54 − 216 − 180 = 0.

 

2

4

10

 

 

 

 

 

 

Свойство 4. Если в определителе есть нулевая строка (столбец) то он ра-

вен нулю.

 

0

0

0

 

0

2

7

 

Пример 7.

1

3

9

= 0;

0

6

3

= 0.

 

4

5

7

 

0

4

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойство 5. Если строку (столбец) в определителе умножить на число λ ,

то определитель тоже умножится на число λ , т.е. общий множитель всех эле-

ментов некоторой строки (столбца) определителя можно вынести за знак опре-

делителя

~

1

6

3

 

1

6

3

 

2

5

1

= 3

2

5

1

= 3 (15 + 12 + 24 − 60 − 2 − 36) = −141.

Пример 8. det A =

 

12

6

9

 

4

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Множитель 3 из третьей строки перед вычислением был вынесен за знак опре-

делителя.

Свойство 6. Если элементы двух строк (столбцов) определителя пропор-

циональны, то определитель равен нулю.

7

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МАТРИЦЫ. МИНОРЫ И АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ДОПОЛНЕНИЯ

Пример 9.

2 4 5 4 8 9 = 112 + 40 + 36 − 40 − 36 − 112 = 0, столбцы1 и 2 пропорциональны. 1 2 7

Свойство 7. При сложении двух определителей, различающихся только одной строкой (столбцом), соответствующие элементы этой строки (столбца)

складываются.

Пример 10. Проиллюстрируем свойство 7 на примере.

1

4

2

 

1

4

2

 

1

4

2

 

1

4

2

 

3

− 2

3

+

1

− 1 0

=

3 + 1 − 2 − 1 3 + 0

=

4

− 3

3

;

2

0

1

 

2

0

1

 

2

0

1

 

2

0

1

 

(-2+24+0+8-12-0)+(-1+0+0+4-4)= -3+24+0+12-16;

 

 

18-1=17;

17=17; верно.

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойство 8. Если к какой-нибудь строке (столбцу) прибавить другую

строку (столбец), умноженную на число λ , то определитель не изменится.

Свойство 9. Определитель треугольной матрицы равен произведению эле-

ментов главной диагонали.

Используя свойства 8 и 9 определители можно вычислять следующим об-

разом: с помощью свойства 8 привести определитель к треугольному виду и

вычислить его, как произведение элементов главной диагонали (свойство 9).

 

1

3

5

 

Пример 11. Вычислить det A =

2

1

4

.

 

3

1

2

 

 

 

 

 

 

Приведем матрицу к треугольному виду, используя свойство 8. Обнулим элементы а21 и а31, для этого вычтем из второй строки 2 первые строки, а из третьей строки 3 первые:

~

1

3

5

 

0

− 5

− 6

.

det A =

 

0

− 8

− 13

 

 

 

 

 

 

8

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МАТРИЦЫ. МИНОРЫ И АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ДОПОЛНЕНИЯ

Обнулим элемент а32, для этого вычтем из третьей строки вторую, умноженную

 

1

3

5

 

 

 

 

 

 

 

 

на (-8/5): det A =

0

−5

−6

.

 

0

0

−17

/ 5

 

 

 

 

 

 

 

Мы привели матрицу к треугольному виду, определитель которой равен произ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ведению элементов главной диагонали:

det A = 1 (−5) (−17 / 5) = 17 = det A .

Свойство 10. Определитель произведения квадратных матриц одинаковой

размерности

равен

произведению

определителей

этих

матриц, т.е.

det(A n×n B n×n ) = det A det B.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − 2

 

B

4

3

 

 

1 − 2

4 3

 

− 6 − 1

Пример 12. A =

 

 

,

=

 

.

A B =

 

=

.

 

 

 

3 4

 

 

5

2

 

 

3 4

5 2

 

32 17

 

− 2

 

 

 

4

3

 

 

 

det A =

1

= 4 + 6 = 10.

det B =

= 8 − 15 = −7.

 

 

 

3

4

 

 

 

 

 

 

 

5

2

 

 

 

 

 

− 1

 

 

 

 

 

 

det(A B) =

− 6

 

= −102 + 32

= −70 = det A det B.

 

 

 

 

 

 

32

17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение. Минором к-го порядка матрицы А называется определитель

к-го порядка с элементами, лежащими на пересечении любых к строк и к столб-

цов матрицы А. Обозначения минора M

j1 j2 ... jk , где i i

...i

 

– выбранные строки,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i1i2 ...ik

1 2

 

k

 

а j1 j2 ... jk – столбцы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

5

 

 

 

−1

 

4

 

 

 

 

 

 

 

Пример 13. A3×4

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

7

2

 

3

 

;

 

 

 

 

 

 

 

9

2

 

 

 

4

−6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 4

 

 

 

4

 

 

 

 

 

Минор 2 − го порядка

M

=

5

 

= −30 − 8 = −38;

 

 

 

 

 

 

1 3

 

 

2

− 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 3 4

 

− 1

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

Минор 3 − го порядка

M

=

7

2

 

 

3

= −72 + 112 − 27 − 72 − 72 − 42 = −173;

1 2 3

 

 

 

 

 

 

 

 

9

4

 

− 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание. Минор (n-1)-го порядка квадратной матрицы A n×n n-го по-

рядка будем обозначать M ij , где i – номер строки, а j – номер столбца матрицы

не входящих в минор.

9

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ МАТРИЦЫ. МИНОРЫ И АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ДОПОЛНЕНИЯ

 

 

 

 

 

 

2

− 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 14. А =

1

6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Миноры первого порядка M11=6, M12=1, M21= -3, M22=2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

− 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 15. A =

4

1

0 . Миноры 2-го порядка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 0

 

 

 

 

 

4 0

 

 

 

 

 

4 1

 

M 11 =

 

 

= −1 − 0 = −1; M 12

=

= −4 − 0 = −4;

 

M 13 =

 

= 8 − 1 = 7;

 

2

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

− 1

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

2 − 3

 

 

1 − 3

 

 

 

 

1 2

 

 

 

M 21 =

= −2 + 6 = 4; M 22

=

= −1 + 3 = 2;

 

M 23 =

 

 

= 2 − 2 = 0;

 

2

− 1

 

 

 

 

 

 

1

 

− 1

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

2

− 3

 

 

 

 

1

− 3

 

 

 

1

2

 

 

M 31 =

 

= 0 + 3 = 3;

 

M 32 =

= 0 + 12 = 12;

 

M 33 =

 

= 1 − 8 = −7.

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

4

0

 

 

 

 

 

4

1

 

 

 

Определение. Алгебраическим дополнением элемента aij квадратной мат-

рицы A = (a

) называется выражение Aij = (–1)i + j Mij , где Mij

– минор.

 

 

ij

n×n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 16. Найдем алгебраические дополнения матрицы А из примера 14.

A = (− 1)1+1 * 6 = 6, A = (− 1)1+2 *1 = −1, A = (− 1)2+1

* (− 3) = 3, A = (− 1)2+2 * 2 = 2.

11

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

22

 

 

 

 

Пример 17. Найдем алгебраические дополнения матрицы А из примера 15.

A = (−1)1+1 * (− 1) = −1;

A = (−1)1+2 * (− 4) = 4;

A = (−1)1+3 * 7 = 7;

11

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

 

 

 

 

 

 

A = (−1) 2+1 * 4 = −4;

A = (−1) 2+2 * 2 = 2; A = (−1) 2+3 * 0 = 0;

21

 

 

 

 

 

 

22

 

 

 

 

 

 

 

 

23

 

 

 

 

 

 

 

 

A

= (−1)3+1 * 3 = 3;

A

 

= (−1)3+2 *12 = −12;

A

 

= (−1)3+3

 

* (− 7) = −7.

31

 

 

 

 

 

 

32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

 

 

 

 

 

 

 

Свойство 11 (разложение определителя по строке или столбцу). Опреде-

литель можно разложить по любой строке или столбцу по формулам:

 

 

n

aij

n×n

= aik Aik – разложение по i-ой строке;

 

 

k =1

 

 

n

aij

n×n

= akj Akj – разложение по j-ому столбцу,

 

k =1

 

 

т.е. сумма произведений всех элементов какой-либо строки (столбца) на соот-

ветствующие им алгебраические дополнения равна значению определителя.

Пример 18. Разложим определитель матрицы А 4-го порядка по первой строке:

10