Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними

Опредление 4.1.Матрицей размера Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru называется прямоугольная таблица чисел, состоящая из m строк и n столбцов

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Числа, составляющие таблицу, называются элементами матрицы. Матрицы обозначаются большими латинскими буквами A, B, C ... , а их элементы ‑ малыми латинскими буквами a, b, c ....

Каждый элемент матрицы нумеруется двумя числами, которые называются индексами или указателями:

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

первый индекс указывает на номер строки, а второй ‑ на номер столбца. Если элементы матрицы состоят из вещественных или комплексных чисел, то матрица называется соответственно вещественной или комплексной.

Нулевая матрица ‑ матрица, состоящая из нулевых элементов, обозначается 0.

Квадратная матрица ‑ матрица размера Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Треугольная матрица ‑ квадратная матрица, у которой все элементы, расположенные ниже или выше главной диагонали, равны нулю.

Диагональная матрица ‑ квадратная матрица, у которой все элементы, расположенные вне главной диагонали равны нулю.

Единичная матрица ‑ диагональная матрица, диагональные элементы которой равны единице.

Над матрицами определены следующие действия: сложение, вычитание, умножение на число и на матрицу.

Опредление 4.2.Матрица C есть сумма матриц A и B, если все три матрицы одинакового размера и

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Тогда пишут Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru . Сложение матриц подчиняется двум законам

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ‑ коммутативный закон сложения,

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ‑ ассоциативный закон сложения.

Доказательство. Пусть Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru . Тогда Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Опредление 4.3.Матрица C есть разность матриц A и B, если все три матрицы одинакового размера и

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Тогда пишут Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Опредление 4.4.Матрица C есть произведение числа a на матрицу A, если обе матрицы одинакового размера и

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Тогда пишут Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru . Легко доказать следующие равенства

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Доказательство.

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Конец доказательства.

Пример 4.1. Вычислить матричное выражение Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru , где

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Конец примера.

Для дальнейшего изложения нам потребуется знак суммирования Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru для сокращенного обозначения суммы чисел Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Докажем следующие свойства операции суммирования, основанные на переместительном, сочетаельном и распределительном законах сложения и умножения, то есть на возможности как угодно переставлять слагаемые и выносить общие множители за скобки:

1) Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ,

2) Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ,

3) Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Доказательство.

1)

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

2)

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

3)

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Сгрупперуем теперь слогаемые, собирая сначала члены, содержащие общие множители Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Опредление 4.5.Матрица C размером Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru называется произведением матриц A и B, если две последние имеют согласованные размеры Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru соответственно и

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru (4.1)

Тогда пишут Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru . В формуле (4.1) используются элементы i строки матрицы A и элементы j столбца матрицы B, то есть строки первой матрицы "перемножаются" на столбцы второй матрицы. Из определения произведения матриц следует, что перемножать можно матрицы, у которых число столбцов первой матрицы равно числу строк второй матрицы.

Матричное умножение подчиняется следующим законам:

1) Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ‑ ассоциативный закон произведения,

2) Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ‑ дистрибутивный закон умножения относительно сложения.

Доказательство.

1) Пусть даны матрицы A, B и С соответственно размеров Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru , Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru . Тогда

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Поменяв местами порядок суммирования, получим

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ,

откуда следует равенство Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

2) Пусть даны матрицы A, B и С соответственно размеров Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru , Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru . Тогда

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Конец доказательства.

Внимание! Матричное произведение не коммутативно, то есть матричные множители нельзя в общем случае менять местами.

Опредление 4.6.Квадратные матрицы Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru одинакового размера называются коммутирующими, если Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Опредление 4.7.Коммутатором квадратных матриц Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru одинакового размера называется разность Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Очевидно, что если коммутатор Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru , то матрицы Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru коммутируют и обратно, если матрицы Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru коммутирующиеся, то их коммутатор равен нулю Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Пример 4.2. Вычислить произведения AB и BA, если

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru и Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ,

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru ,

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Конец примера.

Опредление 4.8.Транспонированием матрицы называется операция замены строк на столбцы. Будем обозначать символом Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru транспонированную матрицу A. Тогда элементы этих матриц связаны равенством

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Если матрица квадратная, то транспонирование сводится к вращению матрицы на 180 градусов относительно главной диагонали. Операция транспонирования обладает следующими свойствами

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Доказательство.

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Конец доказательства.

Опредление 4.9. Матрица Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru называется сопряженной (реже эрмитово сопряженной) к матрице A, если она получена из матрицы A путем транспонирования и комплексного сопряжения ее элементов

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Операция сопряжения обладает следующими свойствами

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Доказательство.

Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru

Конец доказательства.

Опредление 4.10. Квадратная вещественная матрица A называется симметричной, если она равна своей транспонированной Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Из определения следует, что у симметричной матрицы элементы, расположенные симметрично относительно главной диагонали равны Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Опредление 4.11. Квадратная комплексная матрица A называется самосопряженной (реже эрмитовой), если она равна своей сопряженной Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Из определения следует, что у самосопряженной матрицы элементы, расположенные симметрично относительно главной диагонали комплексно сопряжены Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru , а элементы, стоящие на главной диагонали, вещественны Вопрос 4.1. Матрицы и действия над ними - student2.ru .

Наши рекомендации