Матрицы. Основные определения
Матрицей А размера т x п называется прямоугольная таблица чисел или выражений, состоящая из т - строк и n - столбцов. Для обозначения матриц используют следующие записи:
А= ; А=;
Число или выражение, расположенное на пересечении i - ой строки и j - го столбца называется элементом матрицы (aij). Если все элементы матрицы -действительные числа, то матрица называется числовой.
Порядком квадратной матрицы называется число ее строк (или столбцов).
Матрица, состоящая из одной строки называется матрицей-строкой или строчной матрицей. Она имеет вид:
[a11 а12 ... а1n]. Пример: [2 9 7 4 5 3].Размер этой матрицы 1х6.
Матрица, состоящая из одного столбца, называется матрицей-столбцом или столбцевой матрицей. Она имеет вид:
Пример: Размер этой матрицы 6х1.
Строки и столбцы матрицы называют ее рядами. Под двумя параллельными рядами понимаются две строки или два столбца матрицы.
Две матрицы А и В называются равными, если они одинаковых размеров и элементы одной матрицы равны соответствующим элементам другой, для всех i и j aij=bij.
Матрица, у которой число строк равно числу столбцов (m = n), называется квадратной.
Матрицы , , ,
являются квадратными матрицами соответственно первого, второго и третьего порядков.
Элементы а11, а22,..., аnn составляют главную диагональ, а элементы а1n, а2n-1,..., аn1- побочную диагональ.
Типы квадратных матриц:
1. Диагональная - матрица, у которой все элементы, стоящие не на главной диагонали, равны нулю, т. е. матрица вида
Пример:
2. Единичная - диагональная матрица, у которой каждый элемент главной диагонали равен единице, т.е. матрица вида
3. Треугольная - матрица, все элементы которой расположенные по одну сторону от главной диагонали, равны нулю, т.е. матрицы вида
Верхняя треугольная Нижняя треугольная
Пример:
4. Нулевая - матрица, все элементы которой равны нулю, имеет вид
Прямоугольная матрица называется трапециевидной, если она имеет вид
Пример:
Симметрической называется матрица, элементы которой, симметричные относительно главной диагонали (а11, а22, . . ., аnn) равны между собой, то есть для любых i,j=1,2,..., n aij=aji.
Операции над матрицами.
Линейные операции над матрицами: сложение матриц, умножение матрицы на число.
Операция сложения возможна только для матриц одинаковых размеров.
Суммой двух матриц А = [аij] и В = [bij] одинаковой размерности называется матрица С=[cij] той же размерности, каждый элемент которой равен сумме соответствующих элементов матриц А и В; т.е. cij=aij +bij.
А + В= + =
Пример:
А = В = А + В =
Произведением матрицы А на действительное числоλ называется матрица λ А той же размерности, полученная из А умножением всех ее элементов на число λ:
λ∙А= λ∙ =
Пример: 1) Произведение матрицы А на число λ= 2 есть матрица
А = 2А =
2) Произведение матрицы В на число λ = 2 есть матрица
В = 2В =
Матрица (-1)∙А называется матрица, противоположная матрице А и обозначается -А.
Свойства линейных операций:
1. А+В = В+А( коммутативность).
2. (А + В) +С = А + (В + С) (ассоциативность).
3. А+0 = А.
4. А + (-А)=0.
5. 1·А=А.
6. λ·(μ·А ) = ( λ·μ)·А ( ассоциативность относительно умножения чисел).
7. λ·(В+А ) =λ·А+ λ·В ( дистрибутивность умножения на число относительно сложения матриц).
8. (λ+μ)·А = λ·А+ μ·А( дистрибутивность умножения на матрицу относительно сложения чисел).
( А, В, С, 0 - матрицы одинаковой размерности λ,μ R)
Разность матриц А - В определяется следующим образом: А + (-В).
При рассмотрении операции умножения матриц необходимо ввести определение согласованности матриц.
Матрица А называется согласованной с матрицей В, если число столбцов матрицы А равно числу строк матрицы В. Пример: Даны матрицы
А4x2 = , В2x4 = , С3x4= .
Матрица А согласована с матрицей В, так как число столбцов матрицы А равно числу строк матрицы В. Матрица В также согласована с матрицей С, так как число столбцов матрицы А равно числу строк матрицы В. Матрица В также согласована с матрицей С, так как число столбцов матрицы В равно числу строк матрицы С. Матрица А не согласована с матрицей С, так как число столбцов матрицы А равно 2, а число строк матрицы С равно 3. Матрица В не согласована с матрицей А, так как матрица В имеет 3 столбца, а матрица А имеет 4 строки. Матрица С не согласована с матрицей В, так как матрица С имеет 3 столбца, а матрица В имеет 2 строки. Матрица С не согласована с матрицей А, так как матрица С содержит 3 столбца, а матрица А имеет 4 строки.
Если А и В - квадратные матрицы одного порядка, то матрица А согласована с матрицей В и матрица В согласована с матрицей А.
Произведением матрицы Аm×n=(aij) на матрицу Bn×k=(bij)называется матрица Cm×k=(cij) такая, что cij= = ai1b1j +ai2b2j ai3b3j +… +aipbpj .
Из определения следует, что элемент матрицы С, находящийся на пересечении i-ой строки и j-го столбца равен сумме произведений элементов i-ой строки матрицы А на соответствующие элементы j-го столбца матрицы В.
Замечание. Если матрицу А можно умножить на матрицу В, то отсюда не следует, что матрицу В можно умножить на матрицу А, так как из согласованности матрицы А с матрицей В не следует согласованность матрицы В с матрицей А, то есть в общем случае А ·В ≠·В ·А. Если А·В=В·А, то матрицы называются перестановочными или коммутативными.
Примеры:
1) Найти произведение АВ, если
A3×2= B2×5= .
Решение: А имеет размеры 3х2, В имеет размеры 2х5, следовательно АВ будет иметь размер 3х5
A3×2·B2×5= =
= =
2) Найти произведения А·В и В·А, если
A= , B=
Решение:
A·B= =
B·A= =
Таким образом, результаты умножения матриц А·В и В ·А получились разными, в данном случае А ·В ≠В ·А.
Из определения операции умножения матриц следует, что
А·Е=Е·А=А, А ·0=0·А=0
Свойства операции умножения матриц.
Для матриц А, В, С, 0, Е согласованных размерностей:
1) А·(В+С) = А·В + А·С 4) А·0 = 0
2) (А+В)·С = А·С + В·С 5) 0·В = 0
3) (А·В) ·С = А·(В·С) 6) А·Е = А
7) Е·В = В
Целой положительной степенью Аn ( п > 1 ) квадратной матрицы А называется произведение п матриц, каждая из которых равна А. По определению,
Аn=
Матрица Аn имеет тот же порядок, что и матрица А.
Нулевой степенью А0 квадратной матрицы А ( А ≠ 0 ) называется единичная матрица того же порядка ,что и А, то есть А0 = Е.
Первой степенью А1 матрицы А называется сама матрица А, то есть А1 = А.
Произведением степени Ар на степень Аq матрицы А называется сумма степеней Аp+q матрицы А, а именно аp·аq = Аp+q ( (Ар)q= Аp·q).
Транспонированием называется операция преобразования матрицы А, заключающаяся в замене строк матрицы столбцами с теми же номерами. Матрица, транспонированная к матрице А обозначается А´ или АТ. Таким образом, по определению для матрицы
A = , AT = .
A= = , где i=1,2,....n; j=1,2,...,m.
Пример: А = , АТ =
Свойства операции транспонирования:
1) (λ·А)т =λ·АТ, λ R.
2) (А + В)Т = АТ + ВТ.
3) (АТ)Т = А.
4) (А ∙В )Т = Вт · ат.
5) Если А - симметрическая, то А = АТ.
6) Для любой матрицы А (АТ·А) и (А·АТ) всегда симметрические.
7) Если X - n - мерный вектор размера n×1, то
хT· X = X12 + Х22 + ... + Хn2, где X =
Задачи для самостоятельного решения.
1. Вычислить линейные комбинации матриц ЗА +2В, если
A = B = . Ответ:
2. Вычислить А·В-В·А:
А = В = Ответ:
3. Вычислить:
3.1 Ответ:
3.2 Ответ:
4. Найти значение многочлена ƒ (А) от матрицы А:
4.1.ƒ(х)=x2-3·х+1, А = Ответ:
4.2. ƒ(х) = Зх2-2х+5, А = Ответ:
5. Вычислить А∙АТ и АТ∙А для заданных матриц А:
5.1. А = Ответ:
5.2. А = Ответ:
Задание
Согласованы ли матрицы?
Найти произведения: АВ, СА,