Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Теорема (необходимое и достаточное условие существования обратной матрицы).Лекция 6. МАТРИЦЫ Матрицы. Основные понятия. Виды матриц. Равенство матриц Вспомним определения и обозначения из предыдущей лекции. Прямоугольная таблица m·n чисел, расположенных в m строках и n столбцах называется прямоугольной (m,n) матрицей или просто матрицей. Будем обозначать матрицы заглавными буквами — A, элементы матриц — , столбцы матрицы — , а строки — , транспонированная матрица — . Некоторые часто встречающиеся виды матриц имеют собственные названия: квадратная матрица, , матрица, у которой одинаковое число строк и столбцов; матрица-строка, , матрица, у которой одна строка; матрица-столбец, , матрица, у которой один столбец; диагональная матрица, квадратная матрица, у которой все внедиагональные элементы раны нулю; единичная матрица, диагональная матрица, у которой все диагональные элементы — единицы нулю; нулевая матрица, , матрица, все элементы которой — нули; верхняя треугольная матрица, , квадратная матрица, у которой все элементы, расположенные ниже диагонали — нули; нижняя треугольная матрица, , квадратная матрица, у которой все элементы, расположенные выше диагонали — нули. В дальнейшем важную роль будет играть ступенчатая матрица: , т.е. существует такое число r, , что для всех , и для всех при . Важно понимать, то у ступенчатой матрицы первые r диагональных элементовотличны от нуля: . Пример. Ступенчатые матрицы:
Определение. Две матрицы называются равными, если они имеют одинаковую размерность и равные соответственные элементы: Линейные операции с матрицами. Линейными операциями называются операции сложения и умножения на число. Определение. Суммой двух матриц одинаковой размерности называется матрица той же размерности, каждый элемент которой равен сумме соответствующих элементов слагаемых: . Определение. Произведением матрицы на число называется матрица той же размерности, каждый элемент которой равен произведению соответствующего элемента на число: . Для операций сложения и умножения матрицы на число справедливо: 1. A+B = B+A, 2. A+ (B+C) = (A+B)+C, 3. α(A+B) = αA+αB, 4. α (βA) = (αβ) A, 5. (α+β) A=αA+βA, 6. 1·A=A, 7. 0 · A = Q. Здесь A, B, C — произвольные матрицы одинаковой размерности, Q — нулевая матрица той же размерности (читается «тэта»), a и b — произвольные числа.
Умножение матриц Операция умножения матрицы на матрицу определяется более сложным образом. Определение. Пусть заданы две матрицы A и B, причем число столбцов первой из них равно числу строк второй. Если то произведением матриц A и B называется матрица , элементы которой вычисляются по формуле , ; произведение матриц A и B обозначается AB: C=AB. Пример. . Для произведения матриц соответствующих порядков справедливо: 1. A·B ≠ B·A, 2. (A + B) · C = A·C + B·C, 3. C·(A + B) = C·A + C·B, 4. α(A·B) = (αA) ·B, 5. (A·B) ·C = A·(B·C), 6. (AB)T = B TA T, 7. , A, B — квадратные матрицы одинаковой размерности. 8. AE=EA=A, A — квадратная матрица, E — единичная матрица соответствующей размерности. Если AB = BA, то матрицы A и B называются перестановочными. Непосредственным вычислением легко проверить основное свойство единичной матрицы Обратная матрица Определение. Если существует квадратная матрица X той же размерности, что и матрица A, удовлетворяющая соотношениям A·X=X·A=E, то матрица A называется обратимой, а матрица X называется обратной к матрице A и обозначается A-1. Здесь E — единичная матрица соответствующей размерности.Т.е. A·A-1= A-1·A=E. Пример.
Теорема о существовании обратной матрицы. Если , то матрицаA обратима и . Здесь — алгебраическое дополнение элемента матрицы A. Доказательство теоремы. Докажем, что для матрицы (транспонировали матрицу из алгебраических дополнений) справедливо: . Вычислим . Если , то — сумма произведений элементов i -й строки матрицы A на их алгебраические дополнения. Если же Если , то — сумма произведений элементов i -й строки матрицы A на алгебраические дополнения другой (j -й строки, ). Отсюда следует, что диагональные () элементы матрицы равны единице, а внедиагональные () — равны нулю, т.е. . Равенство доказывается совершенно аналогично. Докажите самостоятельно. Теорема (необходимое и достаточное условие существования обратной матрицы). Для того, чтобы матрица A была обратима, необходимо и достаточно, чтобы . Доказательство теоремы. Необходимость. Дано: матрица A обратима. Докажем, что . Действительно, поскольку A — обратима, то и , и, следовательно, . Отсюда, в частности, следует, что окажем, что . Достаточность. Дано: . Но тогда обратимость матрицы A следует из теоремы о существовании обратной матрицы. Теорема доказана. Теорема о единственности обратной матрицы. Обратная матрица единственна. Доказательство. Докажем «от противного». Пусть это не так, и пусть и , . Из определения обратной матрицы следует: , . Тогда из ассоциативности умножения матриц и свойств единичной матрицы следует: Выполним некоторые вычисления: , т.е. . Противоречие с предположением доказывает утверждение теоремы. Аналогичными вычислениями можно доказать следующие свойства обратной матрицы:
Действительно: , и совершенно аналогично, , т.е. .
. Нетрудно также доказать, что матрица, обратная к диагональной матрице — диагональная, обратная к треугольной — треугольная, обратная к симметричной матрице — симметрична. Докажите эти утверждения самостоятельно. Ниже приведен порядок операций при вычислении обратной матрицы. Пример. Вычислим : ; составим матрицу из алгебраических дополнений: ,
,
, ; транспонируем полученную матрицу: ; разделив каждый элемент последней матрицы на , получим обратную матрицу: Проверим:
Матричная запись системы линейных алгебраических уравнений. Рассмотрим систему линейных алгебраических уравнений Обозначим: , , , A — матрица системы, B — правая часть, X — матрица-столбец неизвестных. Тогда: тогда и только тогда, когда для элементов матрицы X справедливы равенства рассмотренной системы. Т.е. система эквивалентна матричному уравнению A·X = B, в том смысле, что если числа являются решением рассмотренной системы, то соответствующая матрица X является решением матричного уравнения; и наоборот, если матрица X является решением матричного уравнения, то ее элементы являются решением рассмотренной системы. Матричные уравнения. Рассмотрим матричное уравнение A·X = B. Если m=n и матрица A обратима, то , т.е. получили выражение для решения системы матричного уравнения A·X = B. Ясно, что по этой формуле можно вычислить решение системы n линейных алгебраических уравнений относительно n неизвестных (см. запись системы в матричной форме). Аналогично, если соответствующие матрицы обратимы, имеем: X·A = B, X = B·A-1, A·X·B = C, X = A-1·C· B-1, A·X+B = 0, A·X = - B, X = - A-1·B. Пример. Решим матричное уравнение : . Проверим: Формулы Крамера. Рассмотрим систему n линейных алгебраических уравнений относительно n неизвестных Обозначим: — определитель матрицы системы, и — определитель матрицы, полученной из матрицы системы заменой j- го столбца столбцом правых частей. Если определитель матрицы системы отличен от нуля, , то решение системы определяется равенствами: . Докажем это утверждение. Пусть . Обозначим и покажем, что Вычислим Вычислим определитель разложением по первому столбцу, определитель — по второму, …, — по n- му: , поскольку определитель отличается от только j- м столбцом. Тогда поскольку Т.е. Формулы Крамера доказаны. Замечание. Нетрудно, показать, что выражения и — две формы записи одного и того же равенства. Действительно,
Пример. Решим по формулам Крамера систему: , , , , , , Проверим: Элементарные преобразования матриц Помимо операций с матрицами определены операции с элементами матриц, операции со столбцами и строками матрицы — так называемые элементарные преобразования матриц. Определение. Элементарными преобразованиями матрицы называют следующие операции: 1. перестановка любых двух строк (столбцов) матрицы; 2. умножение любой строки (столбца) на произвольное, отличное от нуля, число; 3. сложение любой строки (столбца) с другой строкой (столбцом), умноженной (умноженным) на произвольное, отличное от нуля, число. 4. к элементарным преобразованиям иногда относят и операцию транспонирования матрицы. Приведение матрицы к ступенчатому виду Гауссовым исключением Утверждение. Любую прямоугольную матрицу можно с помощью элементарных преобразований привести к ступенчатой форме. Это утверждение на лекции доказано. Пример. Приведем к ступенчатой форме матрицу . Алгоритм приведения матрицы к ступенчатой форме с помощью элементарных преобразований называют Гауссовым исключением или методом Гаусса.
|