Свойства обратной матрицы

1. Определитель обратной матрицы A-1 равен обратной величине определителя матицы A: det(A-1) = 1/detA

2. Обратная матрица произведения двух матриц равна произведению их обратных матриц: (A×B)-1 = B-1×A-1

3. При перестановке операций транспонирования и нахождения обратной матрицы результат не изменяется: (A-1)T = (AT)-1.

Буква T означает операция транспонирования – операция замены строк столбцами и наоборот. В частности, при транспонировании вектор-столбец превращается в вектор-строку.

§1.5. Векторы

Понятие вектора

Отрезок на прямой определяется двумя равноправными точками – его концами. Различают также направленный отрезок, т.е. отрезок, относительно концов которого известно какой из них первый (начало), а какой – второй (конец).

Определение: Направленный отрезок (или упорядоченная пара точек) называется вектором.

свойства обратной матрицы - student2.ru

Вектор обычно обозначается символом свойства обратной матрицы - student2.ru , где А – начало, а В – конец направленного отрезка, либо одной буквой свойства обратной матрицы - student2.ru (в некоторых учебниках буква выделяется полужирным шрифтом; при этом стрелка опускается a). На чертеже вектор изображается стрелкой. Начало вектора называют точкой его приложения.

Расстояние между началом и концом вектора называется его длиной. Для обозначения длины вектора (его абсолютной величины) пользуются символом модуля. Так свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru обозначают длины соответствующих векторов.

Вектор единичной длины называют ортом.

К векторам будем относить и так называемый нулевой вектор, у которого начало и конец совпадают. Считается, что нулевой вектор не имеет определенного направления и имеет длину равную нулю. Это позволяет обозначать нулевой вектор вещественным числом 0 (нуль).

Векторы расположенные либо на одной прямой, либо на параллельных прямых называются коллинеарными. Нулевой вектор считается коллинеарным любому вектору. Среди коллениарных векторов различают одинаково направленные (сонаправленные) и противоположно направленные векторы.

Векторы называются компланарными, если они лежат, либо на одной плоскости, либо на прямых, параллельных одной и той же плоскости.

свойства обратной матрицы - student2.ru

Определение: Два вектора называются равными, если они: 1) коллинеарны; 2) равны по длине; 3) одинаково направлены.

Следствие: Для любого вектора свойства обратной матрицы - student2.ru и для любой точки А, существует, и притом единственная, точка B такая, что свойства обратной матрицы - student2.ru .

Мы не будем различать двух равных векторов, имеющих разные точки приложения. Такие векторы называются свободными (в отличие от скользящих и связанных векторов, встречающихся в других науках).

Понятие равенства векторов обладает следующими свойствами:

1. свойства обратной матрицы - student2.ru (рефлексивность).

2. Из того, что свойства обратной матрицы - student2.ru , следует свойства обратной матрицы - student2.ru (симметричность).

3. Из того, что свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru , следует свойства обратной матрицы - student2.ru (транзитивность).

Операции над векторами

Определение: Суммой свойства обратной матрицы - student2.ru двух векторов и называется вектор, имеющий начало в начале вектора свойства обратной матрицы - student2.ru , а конец – в конце вектора свойства обратной матрицы - student2.ru , при условии, что вектор свойства обратной матрицы - student2.ru приложен к концу вектора свойства обратной матрицы - student2.ru .

В соответствии с определением слагаемые свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru и их сумма свойства обратной матрицы - student2.ru образуют треугольник (рис.3). Поэтому данное правило сложения двух векторов называют «правилом треугольника».

Операция сложения векторов обладает свойствами:

1. свойства обратной матрицы - student2.ru (коммутативность);

2. свойства обратной матрицы - student2.ru , (ассоциативность);

3. свойства обратной матрицы - student2.ru для любого вектора свойства обратной матрицы - student2.ru (особая роль нулевого вектора);

4. для каждого вектора свойства обратной матрицы - student2.ru существует противоположный ему вектор свойства обратной матрицы - student2.ru такой, что свойства обратной матрицы - student2.ru (для получения свойства обратной матрицы - student2.ru достаточно поменять местами начало и конец вектора свойства обратной матрицы - student2.ru ).

Вектор противоположный вектору свойства обратной матрицы - student2.ru обозначают свойства обратной матрицы - student2.ru .

Определение: Разностью свойства обратной матрицы - student2.ru векторов свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru называется сумма вектора свойства обратной матрицы - student2.ru и вектора противоположного вектору свойства обратной матрицы - student2.ru , т.е. свойства обратной матрицы - student2.ru свойства обратной матрицы - student2.ru .

Разность свойства обратной матрицы - student2.ru получается из вектора свойства обратной матрицы - student2.ru сдвигом его начала в конец вектора свойства обратной матрицы - student2.ru , при условии, что векторы свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru имеют общее начало (рис.3). Очевидно, что свойства обратной матрицы - student2.ru для любого вектора свойства обратной матрицы - student2.ru .

Замечание: Существует еще одно правило сложения векторов, называемое «правилом параллелограмма»: векторы свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru прикладываются к общему началу О, и на них строится параллелограмм. Суммой свойства обратной матрицы - student2.ru будет вектор свойства обратной матрицы - student2.ru , расположенный на диагонали параллелограмма. Разностью свойства обратной матрицы - student2.ru здесь будет вектор свойства обратной матрицы - student2.ru , расположенный на второй диагонали.

свойства обратной матрицы - student2.ru Векторная алгебра имеет дело с двумя типами величин: векторами и числами. Числа обычно называют скалярными величинами или скалярами.

Определение: Произведением свойства обратной матрицы - student2.ru вектора свойства обратной матрицы - student2.ru на вещественное число λ (скаляр) называется вектор свойства обратной матрицы - student2.ru , такой, что 1) свойства обратной матрицы - student2.ru ; 2) вектор свойства обратной матрицы - student2.ru коллинеарен вектору свойства обратной матрицы - student2.ru ; 3) векторы свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru имеют одинаковое (противоположное) направление, если λ > 0 (λ < 0).

Замечание: В случае, когда λ = 0 или свойства обратной матрицы - student2.ru произведение свойства обратной матрицы - student2.ru является нулевым вектором.

Операция умножения вектора на число обладает следующими свойствами:

1. свойства обратной матрицы - student2.ru (ассоциативное свойство сомножителей);

свойства обратной матрицы - student2.ru

Действительно, заметим, что векторы, стоящие обеих частях равенства, имеют одну и ту же длину свойства обратной матрицы - student2.ru . Кроме того, они коллинеарны и одинаково направлены, так как их направление совпадает с направлением свойства обратной матрицы - student2.ru , если λ и μ одного знака, и противоположно направлению свойства обратной матрицы - student2.ru , если λ и μ имеют разные знаки. Если же λ или μ равны нулю, то обе части равенства равны нулю. Свойство доказано.

свойства обратной матрицы - student2.ru

2. свойства обратной матрицы - student2.ru (свойства дистрибутивности).

свойства обратной матрицы - student2.ru

свойства обратной матрицы - student2.ru

Построим треугольник OAB где свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru . Построим далее треугольник SPQ, где свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru . Так как стороны SP, PQ треугольника SPQ параллельны и пропорциональны сторонам OA, AB треугольника OAB, то эти треугольники подобны. Поэтому сторона SQ также параллельна стороне OB и отношение их длин также равно |λ|. Ясно, далее, что свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru одинаково направлены, если λ > 0. Отсюда следует, что свойства обратной матрицы - student2.ru . Но свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru , а отсюда вытекает первое свойство дистрибутивности.

Очевидно, что векторы стоящие в обеих частях второго свойства дистрибутивности коллинеарны. Допустим сначала, что знаки λ и μ одинаковы. Тогда векторы свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru направлены одинаково и длина их суммы равна сумме их длин, т. е. свойства обратной матрицы - student2.ru . Но свойства обратной матрицы - student2.ru и следовательно, в этом случае векторы свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru равны по длине. Направление их совпадает с направлением вектора свойства обратной матрицы - student2.ru , если общий знак λ и μ положителен, и противоположно ему, если отрицателен. Допустим теперь, что знаки λ и μ различны, и для определенности будем считать |λ| > |μ|. В этом случае длина суммы равна разности длин, точнее свойства обратной матрицы - student2.ru . Но свойства обратной матрицы - student2.ru . Следовательно, и в этом случае длина вектора свойства обратной матрицы - student2.ru равна длине вектора свойства обратной матрицы - student2.ru . Очевидно, что оба эти вектора направлены так же, как свойства обратной матрицы - student2.ru . Если же |λ| = |μ| и знаки λ и μ противоположны, то обе части равенства равны нулю. То же обстоятельство имеет место, если равен нулю вектор свойства обратной матрицы - student2.ru или оба скаляра одновременно.

свойства обратной матрицы - student2.ru

Теорема: Если вектор свойства обратной матрицы - student2.ru коллинеарен ненулевому вектору свойства обратной матрицы - student2.ru , то существует вещественное число λ такое, что свойства обратной матрицы - student2.ru = λ свойства обратной матрицы - student2.ru .

Проекция вектора

Под углом между векторами понимается угол между векторами равными данным и имеющими общее начало. Если направление отсчета угла не указано, то углом между векторами считается тот из углов, который не превосходит π. Если один из векторов нулевой то угол считается равным нулю. Если угол между векторами прямой то векторы называются ортогональными.

Определение: Ортогональной проекцией свойства обратной матрицы - student2.ru вектора свойства обратной матрицы - student2.ru на направление вектора свойства обратной матрицы - student2.ru называется скалярная величина свойства обратной матрицы - student2.ru , φ – угол между векторами.

Модуль этой скалярной величины равен длине отрезка OA0.

Если угол φ острый проекция является положительной величиной, если угол φ тупой – проекция отрицательна, если угол φ прямой – проекция равна нулю.

При ортогональной проекции угол между отрезками OA0 и AA0 прямой. Существуют проекции, у которых этот угол отличен от прямого.

Проекции векторов обладают следующими свойствами:

1. свойства обратной матрицы - student2.ru (проекция суммы равна сумме проекций);

2. свойства обратной матрицы - student2.ru (проекция произведения вектора на число равна произведению проекции вектора на число).

Базис называется ортогональным, если его векторы попарно ортогональны.

свойства обратной матрицы - student2.ru

Ортогональный базис называется ортонормированным, если его векторы по длине равны единице. Для ортонормированного базиса в пространстве часто используют обозначения свойства обратной матрицы - student2.ru .

Теорема: В ортонормированном базисе координаты векторов есть соответствующие ортогональные проекции этого вектора на направления координатных векторов.

Пример: Пусть вектор свойства обратной матрицы - student2.ru единичной длины свойства обратной матрицы - student2.ru образует с вектором свойства обратной матрицы - student2.ru ортонормированного базиса свойства обратной матрицы - student2.ru на плоскости угол φ, тогда свойства обратной матрицы - student2.ru свойства обратной матрицы - student2.ru .


Пример: Пусть вектор свойства обратной матрицы - student2.ru единичной длины свойства обратной матрицы - student2.ru образует с векторами свойства обратной матрицы - student2.ru , свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru ортонормированного базиса в пространстве углы α, β, γ, соответственно (рис. 5), тогда свойства обратной матрицы - student2.ru . Причем свойства обратной матрицы - student2.ru . Величины cosα, cosβ, cosγ называются направляющими косинусами вектора свойства обратной матрицы - student2.ru

Скалярное произведение
Определение: Скалярным произведением двух векторов называется число, равное произведению длин этих векторов на косинус угла между ними. Если один из векторов нулевой скалярное произведение считается равным нулю.

Скалярное произведение векторов свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru обозначается через свойства обратной матрицы - student2.ru [или свойства обратной матрицы - student2.ru ; или свойства обратной матрицы - student2.ru ]. Если φ - угол между векторами свойства обратной матрицы - student2.ru и свойства обратной матрицы - student2.ru , то свойства обратной матрицы - student2.ru .

Скалярное произведение обладает следующими свойствами:

1. свойства обратной матрицы - student2.ru (коммутативность).

2. свойства обратной матрицы - student2.ru (скалярный квадрат вектора равен квадрату его длины).

3. Скалярное произведение равно нулю тогда и только тогда, когда сомножители ортогональны или хотя бы один из них нулевой.

4. свойства обратной матрицы - student2.ru .

5. свойства обратной матрицы - student2.ru .

6. свойства обратной матрицы - student2.ru .

Наши рекомендации