Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
algebra(theory).doc
Скачиваний:
27
Добавлен:
07.06.2015
Размер:
1.74 Mб
Скачать

Матрицы

  1. Матрицы и их типы

Матрица – это совокупность чисел или объектов другой природы, расположенных в виде прямоугольной таблицы.

.

mстрок nстолбцов

Размер матрицы .

.

Мы будем рассматривать конечные матрицы с числовыми элементами.

Классификация по размеру

1) – матрица-столбец.

2) – матрица-строка.

3) , т.е.– квадратная матрица.

Элементы , где– образуют главную диагональ.

4) Квадратная матрица, все элементы которой вне главной диагонали равны нулю, называется диагональной.

.

5) Если в диагональной матрице все , то такая матрица называетсяединичной.

.

Единичную матрицу удобно обозначать с помощью символа Кронекера

.

6) Нулеваяматрица

.

У нее все элементы равны нулю.

Транспонированиематрицы – это преобразование, состоящее в замене строк столбцами. Получим транспонированную матрицу.

Например.

.

Очевидно свойство

.

Если , то матрица называетсясимметричной. И у нее

,

т.е. равны элементы, симметричные относительно главной диагонали.

Если , то матрица называетсякососимметричной. У нее

.

Очевидно, что у такой матрицы элементы главной диагонали равны нулю.

Для равенстваматриц необходимо и достаточно, чтобы они были одинакового размера и чтобы элементы, стоящие на одинаковых местах были равными.

  1. Операции над матрицами

  1. Сумма матриц.

Матрицы одинаковых размеров можно складывать, при этом получаем матрицу того же размера, что и слагаемые, а элементы ее образуются сложением элементов, стоящих на одинаковых местах

.

Пример.

.

Эта операция обладает свойствами:

    1. Коммутативность

.

    1. Ассоциативность

.

    1. .

    2. ,;

,.

  1. Произведение матрицы на число.

Любую матрицу можно умножить на число (скаляр), при этом получаем матрицу того же размера, а элементы ее получаются умножением на заданное число всех элементов данной матрицы.

.

Пример.

.

Свойства этой операции:

  1. Дистрибутивность относительно матричной суммы

.

  1. Дистрибутивность относительно скалярной суммы

.

  1. Ассоциативность относительно произведения скаляров

.

  1. Существование элемента нейтрального относительно умножения на скаляр

.

  1. Умножение матриц.

а) Умножение строки на столбец.

Это возможно, если число элементов в строке равно числу элементов в столбце.

.

Пример.

.

б) Умножение произвольных матриц.

Произведением матрицы на матрицуявляется матрицаразмера, элементкоторой равен результату умноженияiойстроки матрицыАнаkыйстолбец матрицыВ

.

Пример.

.

Ясно, что умножать матрицы можно не всегда, а с точки зрения их размеров.

Правило размеров:

.

Поэтому в общем случае произведение матриц не коммутативно.

.

Если же , то такие матрицы называютсякоммутирующими. Однако, если операция произведения осуществима, то будут справедливы следующие свойства:

  1. Ассоциативность

.

  1. Дистрибутивность.

или

.

Рассмотрим выполнение заданий на действие с матрицами.

Задание 1

Найти матрицу C= 3A+ 4B, если

.

Решение

Используя свойства сложения и умножения матриц на число, получим

Задание 2

Показать, что матрица S= 3A– 2B – симметрическая, если

.

Решение

Используя свойства сложения и умножения матриц на число, получим

Полученная матрица S– симметрическая, так как при транспонировании она не изменяется.

Задание 3

Показать, что матрица K= 5AB – кососимметрическая, если

.

Решение

Используя свойства сложения и умножения матриц на число, получим

Полученная матрица K– кососимметрическая, так как при транспонировании она меняет знак на противоположный:

Задание 4

Найти матрицу C=AB, если

.

Решение

Данные матрицы удовлетворяют правилу размеров (4), а следовательно, их можно перемножить. Найдем элементы первой строки матрицы С, используя формулу (3) и схему:

===

===

===

Аналогично находим все остальные элементы матрицы С:

Следовательно, матрица Симеет вид:

Задание 5

Найти матрицу C=AB, если

.

Решение

Данные матрицы удовлетворяют правилу размеров (4), а следовательно, их можно перемножить. Умножая по очереди строки матрицы Ана столбцы матрицыВ, получим матрицу

Задание 6

Показать, что произведение матрицы на транспонированную является симметрической матрицей.

Решение

Транспонируем матрицу A:

.

Матрицы AиATудовлетворяют правилу размеров (4), а следовательно, их можно перемножить. Умножая по очереди строки матрицыАна столбцы матрицыAT, получим матрицу

Матрица S является симметрической, так как при транспонировании она не меняется, т.е.S = SТ, что и требовалось доказать.

Задание 7

Показать, что матрицы A и B перестановочны.

.

Решение

Данные матрицы удовлетворяют правилу размеров (4), а, следовательно, их можно перемножить в любом порядке.

Найдем произведение АВ. Умножая по очереди строки матрицыАна столбцы матрицыВ, получим матрицу

Теперь перемножим эти же матрицы в другом порядке, т.е. найдем произведение ВА:

Так как АВ=ВА, то исходные матрицы перестановочны, что и требовлось показать.

Задание 8

Выполнить действия:

.

Решение

Данные матрицы удовлетворяют правилу размеров (4), а следовательно, их можно перемножить и затем сложить:

Следующее задание выполните самостоятельно:

Задание 9

Выполнить действия

.

Если у Вас получился результат отличный от матрицы

, то рассмотрите решение этого задания.

Решение задания 9.

Данные матрицы удовлетворяют правилу размеров (4), а, следовательно, их можно перемножить и затем сложить:

  1. Ранг матрицы

Для квадратной матрицы Аможно записать определитель, состоящий из тех же элементов. Обозначается

detA.

Если , то матрица называетсянеособенной(вырожденной). Есливырожденная (особенная).

Пусть дана прямоугольная матрица размера . Образуем минорkгопорядка этой матрицы. Для этого возьмемkстрок иkстолбцов и выберем элементы, стоящие на их пересечениях. Из этих элементов составим определитель. Порядок его будетk. Это и есть минорkгопорядка матрицыА.

Например.

;;

.

Ясно, что таких миноров можно образовать несколько.

Будем образовывать такие миноры, начиная с порядка , затеми т.д. При некотором порядкехотя бы один из миноров этого порядка не равен нулю, а при, т.е. повышении порядка на единицу, уже все миноры будут равны нулю.

Такое число rи называется рангом матрицыА.

или

.

Минор порядка r, который отличен от нуля, называетсябазисным минором, а строки и столбцы, на пересечении которых стоит базисный минор, называются базисными строками или столбцами.

Естественно, что таких базисных миноров может быть несколько.

Пример.

. Найти ранг этой матрицы.

Решение. Среди всех миноров 1гопорядка (отдельные элементы) есть ненулевые. Значит ранг не меньше 1.

Среди всех миноров 2гопорядка есть ненулевые. Например.

Значит ранг не меньше 2.

Переберем все миноры третьего порядка.

;;;.

Все миноры третьего порядка нулевые.

Ранг равен 2.

Для вычисления ранга матрицы очень часто пользуются приемом проведения ее к виду, позволяющему дать ответ о ранге исследуемой матрицы. Для этого применяют операции, не изменяющие ранг матрицы, но упрощающие ее вид.

Эти операции называются элементарными, и они вытекают из свойств определителей:

    1. Транспонирование матрицы.

    2. Перестановка строк (столбцов).

    3. Умножение всех элементов строки (столбца) на какое-либо число.

    4. Прибавление к одному столбцу (строке) другого, умноженного на отличное от нуля число.

Пример. Найти ранг матрицы.

~~

~~

.

Каноническойназывается матрица, у которой в начале главной диагонали стоят несколько единиц, а все остальные равны нулю.

Например

.

Очевидно .

При помощи элементарных преобразований любую матрицу можно привести к канонической. Ранг канонической матрицы равен числу единиц на ее главной диагонали.

Рассмотрим выполнение заданий на нахождение ранга матрицы.

Задание 1

Вычислить ранг матрицы .

Решение

Все элементы данной матрицы, т.е. миноры первого порядка, отличны от нуля. Следовательно, ранг матрицы Ане меньше 1.

Вычислим определитель данной матрицы (единственный минор второго порядка):

Так как определитель матрицы А, т.е. ее минор второго порядка, отличен от нуля, то ранг данной матрицыr(A) = 2. Определитель матрицыАбудет ее единственным базисным минором.

Ответ: r(A) = 2.

Задание 2

Вычислить ранг матрицы .

Решение

Все элементы матрицы А, т.е. миноры первого порядка, отличны от нуля. Следовательно, ранг матрицыАне меньше 1. Однако определитель ее, т.е. ее минор второго порядка, равен нулю:

Следовательно, ранг данной матрицы r(A) = 1. Данная матрица имеет четыре базисных минора :

Ответ: r(A) = 1.

Задание 3

Вычислить ранг матрицы .

Решение

Один элемент матрицы А, т.е. один минор первого порядка, отличен от нуля. Следовательно, ранг матрицыАне меньше 1. Однако определитель ее, т.е. ее минор второго порядка, равен нулю:

Следовательно, ранг данной матрицы r(A) = 1. Данная матрица имеет один базисный минор

Ответ: r(A) = 1.

Задание 4

Вычислить ранг матрицы.

Решение

Так как все элементы матрицы А, т.е. миноры первого порядка, равны нулю, то ранг данной матрицыr(A) = 0.

Ответ: r(A) = 0.

Задание 5

Вычислить ранг матрицы .

Решение

Все элементы данной матрицы, т.е. миноры первого порядка, отличны от нуля. Следовательно, ранг матрицы Ане меньше 1.

Среди миноров второго порядка есть ненулевые. Например, .

Значит, ранг не меньше 2.

Вычислим определитель данной матрицы (единственный минор третьего порядка):

Так как определитель матрицы А, т.е. ее минор третьего порядка, отличен от нуля, то ранг данной матрицыr(A) = 3. Определитель данной матрицыАбудет так же ее единственным базисным минором.

Ответ: r(A) = 3.

Задание 6

Вычислить ранг матрицы .

Решение

Все элементы данной матрицы, т.е. миноры первого порядка, отличны от нуля. Следовательно, ранг матрицы Ане меньше 1.

Среди миноров второго порядка есть ненулевые. Например, .

Значит, ранг не меньше 2.

Вычислим определитель данной матрицы (единственный минор третьего порядка):

Определитель матрицы А, ее минор третьего порядка, равен нулю. Значит ранг данной матрицыr(A) = 2. Данная матрица имеет шесть базовых миноров:

Ответ: r(A) = 2.

Задание 7

Найти ранг матрицы .

Решение

Посредством последовательных элементарных преобразований над данной матрицей получим следующую систему эквивалентных матриц:

~~~

~ ~~~.

Следовательно, ранг данной матрицы равен двум.

Ответ:r(A)= 2.

Задание 8

Найти ранг матрицы .

Решение

Посредством последовательных элементарных преобразований над данной матрицей получим следующую систему эквивалентных матриц:

~~~

~ ~~.

Следовательно, ранг данной матрицы равен двум.

Ответ:r(A)= 2.

Задание 9

Найти ранг матрицы .

Решение

Посредством последовательных элементарных преобразований над данной матрицей получим следующую систему эквивалентных матриц:

~~

~~~

~ ~~

~ ~~

~ ~.

Следовательно, ранг данной матрицы равен двум.

Ответ:r(A)= 2.

Следующее задание выполните самостоятельно

Задание 10

Найти ранг матрицы .Если у Вас получился иной результат чем r(A)= 3, то рассмотрите решение задания 10.

Решение задания 10.

Посредством последовательных элементарных преобразований над данной матрицей получим следующую систему эквивалентных матриц:

~~

~ ~~

~ ~~

~ ~.

Следовательно, ранг данной матрицы равен трем.

Ответ:r(A)= 3.

  1. Матричная запись систем линейных уравнений. Обратная матрица

Первоначально матрицы были введены для упрощения записи систем линейных уравнений. Это и обусловило определение основных матричных операций.

Пусть дана система тлинейных уравнений сnнеизвестными.

(1)

В матричной форме:

(2)

|| || ||

А ∙ Х = В

А– матрица системы;

Х– матрица неизвестных;

В– матрица свободных членов.

Получим сокращенную запись системы:

(3)

Будем рассматривать систему n-линейных уравнений сnнеизвестными. В этом случаеА– квадратная матрица размера. Если эта матрица невырожденная, то ее ранг равенn.

Введем понятие обратной матрицы.

В алгебре два числа, произведение которых равно 1, называются взаимно обратными.

.

Имеет место некоторая аналогия и для матричной алгебры.

Определение.

Две квадратные матрицы, произведение которых равно единичной матрице, называются взаимно обратными.

Обозначение .

По определению

.

Теперь, используя обратную матрицу, решим матричное уравнение (3). Для этого умножим обе части (3) на .

;

;

. (4)

Это и есть матричное решение системы уравнений.

Значит решение системы сводится к отысканию обратной матрицы и ее умножению на матрицу свободных членов.

Теорема(существования и единственности обратной матрицы).

Если А– квадратная невырожденная матрица, т.е., то для нее существует единственная обратная матрица.

Доказательство.

Будем рассматривать для простоты матрицу .

.

  1. Запишем для Атранспонированную матрицу

.

  1. Запишем в каждый элемент дополнением. Получим так называемую союзную (присоединенную) матрицу.

.

  1. Вычислим произведение .

0

0

0

0

0

0

где .

Аналогично проверим и другое произведение

.

Итак, имеем

,

откуда, т.к. ,

.

Сравнивая это равенство с определением обратной матрицы, можем сказать, что

.

Мы доказали существование обратной матрицы при условии, что . Покажем ее единственность.

От противного:

Предположим, что существуют две различные обратные матрицы для матрицы А. Этои.

Тогда

.

Умножаем обе части на

.

Применяя сочетательное свойство, получим

,

откуда

.

Что противоречит предположению о том, что имеются две различные обратные матрицы.

Из доказанной теоремы следует алгоритм построения обратной матрицы:

  1. Вычисляем . Если, то.

  2. Транспонируем .

  3. Строим заменой.

  4. .

Пример. Найти для.

Решение: 1) .

2) .

3) .

4) .

Проверка.

.

Обратная матрица обладает свойствами:

1с) .

Доказательство:

.

2с) .

3с) .

4с) .

Эти свойства доказываются аналогично свойству 1с) и путем вычисления.

Существует и другой способ вычисления обратной матрицы, основанный на элементарных преобразованиях вспомогательной матрицы, которая получается путем приписывания к данной матрице единичной матрицы того же размера.

.

Пример.

.

  1. Теорема Кронекера-Капелли

Рассмотрим систему mлинейных уравнений сnнеизвестными:

Матрица системы:

.

Расширенная матрица системы:

.

Очевидно .

Теорема Кронекера-Капелли утверждает, что

1)система имеет единственное решение (определенна).

2)система имеет бесконечное множество решений (неопределенна)

3)система не имеет решений (несовместна)

Примеры.

1)

~.

А

определенна.

Решение ,,.

2)

.

,.

.

3)

.

,.

бесконечное множество решений.

.

,,.

Рассмотрим выполнение заданий на нахождение обратной матрицы и решение систем линейных уравнений с помощью обратной матрицы.

Задание1

Найти матрицу, обратную матрице .

Решение

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]