Умножение матриц

Определение 14.4 Произведением матрицы размеров на матрицу размеров называется матрица размеров , элементы которой вычисляются по формуле

(14.5)

где , .

Во-первых, в этом определении нужно обратить внимание на то, что важен порядок сомножителей, нужно знать, какой сомножитель первый, а какой -- второй.

Во-вторых, нужно отметить, что произведение определено только в том случае, если число столбцов первого сомножителя равно числу строк второго. Если это условие не выполняется, то произведение не определено.

В-третьих, размеры результата умножения определяются следующим образом: число строк результата равно числу строк первого сомножителя, а число столбцов результата равно числу столбцов второго сомножителя.

Правило вычисления элементов произведения можно сформулировать следующим образом.

Для того, чтобы вычислить элемент произведения, стоящий в -ой строке и -ом столбце, нужно взять -ую строку первого сомножителя и -ый столбец второго сомножителя, попарно перемножить их элементы, стоящие на одинаковых местах, и результаты сложить. (Точно так же мы поступаем, когда находим скалярное произведение двух векторов по их координатам, см. формулу (14.2).)

Пример 14.3 Даны матрицы , . Найдите произведения и .

Решение. Рассмотрим произведение . Число столбцов в первом сомножителе равно 3, число строк во втором сомножителе тоже равно 3. Числа совпали, следовательно, произведение определено.

Результатом умножения будет матрица , , у которой строк столько, сколько их в первом сомножителе, то есть 3, а столбцов столько, сколько их во втором сомножителе, то есть 2. Итак, матрица имеет размеры .

Находим элемент . В его вычислении участвует первая строка первого сомножителя и первый столбец второго сомножителя :

Находим элемент . В его вычислении участвует первая строка первого сомножителя и второй столбец второго сомножителя :

Все элементы первой строки матрицы вычислены. Находим элемент . В его вычислении участвует вторая строка первого сомножителя и первый столбец второго сомножителя :

Находим элемент . В его вычислении участвует вторая строка первого сомножителя и второй столбец второго сомножителя :

Вычислены все элементы второй строки матрицы . Аналогично находим элементы третьей строки:

Итак, .

Рассмотрим произведение . Число столбцов в первом сомножителе равно 2, число строк во втором сомножителе равно 3. Числа не совпали, следовательно, произведение не определено.

Ответ: , произведение не определено.

Замечание 14.3 Легко проверить, что произведение квадратных матриц одного порядка всегда существует (определено).

У читателя может возникнуть законный вопрос: "Зачем так сложно определять произведение матриц? Нельзя ли его определить попроще, например, как произведение элементов матриц-сомножителей, стоящих на одинаковых местах?" Ответ на этот вопрос мы увидим позже, когда будем рассматривать системы линейных уравнений, правило изменения координат векторов при изменении базиса и такие неизвестные пока читателю объекты как линейные преобразования и квадратичные формы. Тогда мы увидим, что введенное определение умножения матриц используется очень эффективно, что оно "похоже" на умножение чисел. Если же произведение матриц определить по-другому, то его не удается разумно использовать ни в математике, ни в прикладных науках.

Рассмотрим, какими свойствами обладает операция умножения матриц.

Прежде всего отметим, что умножение матриц -- некоммутативная операция. Это означает, что существуют такие матрицы и , что

Для прямоугольных матриц мы убедились в этом в примере 14.3. В нем произведение существует, а произведение -- нет. Для квадратных матриц это видно из следующего примера. Пусть , . Тогда

то есть .

Предложение 14.4 Умножение матриц обладает следующими свойствами: -- ассоциативность умножения; , где -- число; , -- дистрибутивность умножения; , , где -- единичная матрица соответствующего порядка. Предполагается, что все указанные произведения имеют смысл.

Доказательство. На протяжении всего доказательства предполагается, что -- матрица размеров .

Докажем свойство ассоциативности. Чтобы произведение было определено, матрица должна иметь размеры . Произведение обозначим буквой . Тогда матрица имеет размеры . Чтобы произведение было определено, матрица должна иметь размеры . Матрицу обозначим , матрицу обозначим , матрицу обозначим . Покажем, что элементы, стоящие в -ой строке и -ом столбце матриц и , равны друг другу, то есть что .

По определению

Подставив из второго равенства в первое, получим

В силу предложения 14.1

В силу предложения 14.3

(14.6)

С другой стороны

откуда

Применим предложение 14.1

Сравнивая этот результат с (14.6), заключаем, что . Ассоциативность умножения доказана.

Свойство 2 предоставляем читателю доказать самостоятельно.

Докажем дистрибутивность умножения. Чтобы произведение было определено, матрицы и должны иметь размеры . Положим , , , , . Для доказательства равенства , нужно доказать, что , , .

Так как , то

По определению суммы матриц, . Следовательно,

(14.7)

С другой стороны,

Тогда

Сравнивая полученный результат с (14.7), получаем . Первое равенство в свойстве дистрибутивности доказано. Второе равенство доказывается аналогично.

Докажем первое равенство в свойстве 4. Чтобы произведение было определено, матрица должна иметь порядок . Пусть . Тогда

где -- символ Кронекера. Сумма справа имеет вид

Таким образом , первое равенство в свойстве 4 доказано. Второе равенство доказывается аналогично.

Замечание 14.4 Из ассоциативности умножения матриц следует, что если произведение содержит три и более сомножителей, то его можно записывать без использования скобок. Например, или . Эта кажущаяся очевидной запись произведения верна не для всяких математических объектов. Действительно, в силу предложения 10.23, для векторного произведения векторов запись неприемлема, так как результат вычисления этого произведения зависит от расстановки скобок.

Замечание 14.5 Свойство дистрибутивности позволяет раскрывать скобки в матричных выражениях. Но нужно обратить внимание, что, раскрывая скобки, нельзя менять порядок сомножителей.

Замечание 14.6 Свойство 4 объясняет происхождение названия "единичная" матрица. В умножении матриц единичная матрица ведет себя так же, как число 1 при умножении чисел.