background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

24 

12 

Macierz odwrotna 

 

 

Macierz  kwadratowa 

A  jest  odwracalna,  gdy  istnieje  jej  element  odwrotny  wzgl dem  mno enia  macierzy,  czyli  gdy 

istnieje macierz 

1

 taka,  e

E

A

A

A

A

=

=

1

1

.  

Macierz 

1

 nazywa si  

macierz  odwrotn

 macierzy A

 

Fakt.  

Macierz 

T

d

)

(

det

1

1

A

A

A

=

  jest  macierz   odwrotn   macierzy 

A  (T  oznacza  transponowanie  macierzy);  Macierz 

=

nn

n

n

n

n

d

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

2

1

2

22

21

1

12

11

nazywamy 

macierz  doł czon

 macierzy A

 
 

1. Zadanie

  

Obliczymy macierz odwrotn  macierzy 

=

1

0

0

2

1

0

3

2

1

A

Rozwi zanie 

1

det

=

A

 

=

=

=

+

+

+

+

+

+

+

+

+

1

2

1

0

1

2

0

0

1

1

0

2

1

)

1

(

2

0

3

1

)

1

(

2

1

3

2

)

1

(

0

0

2

1

)

1

(

1

0

3

1

)

1

(

1

0

3

2

)

1

(

0

0

1

0

)

1

(

1

0

2

0

)

1

(

1

0

2

1

)

1

(

3

3

2

3

1

3

3

2

2

2

1

2

3

1

2

1

1

1

33

32

31

23

22

21

13

12

11

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A

d

Zatem 

=

=

1

0

0

2

1

0

1

2

1

1

0

0

2

1

0

3

2

1

1

1

1

T

A

Uzyskany wynik mo na sprawdzi . Wystarczy w tym celu wykona  mno enie 

A

−1

. Je li otrzymamy macierz jed-

nostkow , to wynik jest dobry. 

 

Bezwyznacznikowa metoda znajdowania macierzy odwrotnej polega na wykonaniu tych samych operacji elementarnych 
na wierszach danej macierzy oraz macierzy jednostkowej: 

• 

zamiana wierszy

np.

3

2

w

w

; 

• 

mno enie wiersza przez niezerow  liczb

np.

4

2

1

w

; 

• 

pomno enie wiersza przez liczb  i dodanie do innego wiersza

, np. 

1

2

)

2

(

w

w

+

×

.  

Celem  tych  operacji  jest  sprowadzenie  danej  macierzy  do  macierzy  jednostkowej.  Macierz  jednostkowa  przechodzi 
wtedy na macierz odwrotn  do danej macierzy. 
W praktyce post pujemy nast puj co: piszemy macierz blokow , której pierwszym blokiem jest dana macierz, za  dru-
gim blokiem jest macierz jednostkowa. Na wierszach macierzy blokowej wykonujemy operacje elementarne a  do mo-
mentu, gdy pierwszy blok staje si  macierz  jednostkow . Wówczas drugi blok jest macierz  odwrotn .  

[

]

E

A

 

 [operacje elementarne na wierszach]→ 

]

[

1

A

E

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

25 

Wykonuj c te same operacje na wierszach danej macierzy oraz macierzy jednostkowej otrzymamy kolejno 

1

1

0

1

0

0

0

1

0

2

1

0

0

0

1

3

2

1

 

1

2

)

2

(

w

w

+

1

1

0

1

0

0

0

1

0

2

1

0

0

2

1

1

0

1

 

2

3

1

3

)

2

(

)

1

(

w

w

w

w

+

+

→ 

1

1

0

1

0

0

2

1

0

0

1

0

1

2

1

0

0

1

Zatem  

=

1

0

0

2

1

0

1

2

1

1

A

 

2. Zadanie

 

Obliczy  macierz odwrotn  macierzy 

=

0

1

0

1

0

0

2

0

1

0

0

0

4

0

0

2

A

.

 

Rozwi zanie  

Wykonuj c te same operacje na wierszach danej macierzy oraz macierzy jednostkowej otrzymamy kolejno 

1

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

0

2

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

1

4

0

0

2

1

4

w

w

+

→ 

1

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

0

2

0

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

0

1

4

1

0

1

 

4

1

w

w

+

→ 

2

0

0

1

4

2

0

0

0

1

0

0

0

0

2

0

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

0

1

4

1

0

1

 

3

2

w

w

→ 

2

0

0

1

4

2

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

2

0

1

0

0

1

4

1

0

1

 

2

2

1

w

→ 

2

0

0

1

4

2

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

4

1

0

1

2

1

 

4

2

1

w

→ 

1

0

0

2

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

4

1

0

1

2

1

2

1

 

3

4

w

w

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

0

2

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

4

1

0

1

2

1

2

1

 

1

3

)

1

(

w

w

+

×

→ 

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

0

2

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

2

0

0

1

2

1

2

1

2

1

 

3

4

1

4

)

2

(

)

2

(

w

w

w

w

+

×

+

×

0

0

1

0

1

0

0

0

1

0

2

2

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

2

0

0

0

1

2

1

2

1

2

1

Zatem  

=

=

0

0

1

0

1

0

2

0

0

0

0

0

2

0

1

0

1

0

0

2

0

1

0

0

0

4

0

0

2

2

1

2

1

2

1

1

1

A

Uzyskany wynik mo na sprawdzi . Wystarczy w tym celu wykona  mno enie 

A

−1

. Je li otrzymamy macierz jed-

nostkow , to wynik jest dobry. 
 
 
 
 
 
 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

26 

13 

Równania macierzowe 

 

Dane jest równanie macierzowe 

m

n

m

n

n

n

B

X

A

×

×

×

=

.  

Je li spełniony jest warunek 

0

det

A

, to mno c lewostronnie to równanie przez macierz 

1

, otrzymamy 

B

A

AX

A

1

1

=

a nast pnie 

B

A

X

1

=

Dane jest równanie macierzowe 

n

m

n

n

n

m

B

A

X

×

×

×

=

.  

Je li spełniony jest warunek 

0

det

A

, to mno c prawostronnie to równanie przez macierz 

1

, otrzymamy 

1

1

=

A

B

A

A

X

E

a nast pnie 

1

=

A

B

X

Dane jest równanie macierzowe 

m

n

m

m

m

n

n

n

C

B

X

A

×

×

×

×

=

.  

Je li spełnione s  warunki 

0

det

A

0

det

B

 to mno c lewostronnie to równanie przez macierz 

1

 i mno c pra-

wostronnie to równanie przez macierz 

1

 otrzymamy 

1

1

1

1

=

CB

A

BB

X

A

A

E

E

a nast pnie 

1

1

=

CB

A

X

 

 

3. Zadanie

  

Wyznaczymy macierz 

A z równania 

=

3

1

9

3

1

1

4

3

1

1

4

3

1

A

.

 

Rozwi zanie 

Mno c  obie  strony  równania  lewostronnie  przez  macierz 

=

3

1

4

1

1

1

4

3

1

  oraz  prawostronnie  przez  macierz 

1

1

4

3

 otrzymamy 

=

=

=

0

0

1

0

1

1

4

3

3

1

9

3

3

1

4

1

1

1

4

3

3

1

9

3

1

1

4

3

1

A

 

 

4. Zadanie

  

Wyznaczymy macierz 

A z równania 

=

3

2

2

0

0

1

3

2

1

2

2

1

1

1

1

A

Rozwi zanie 

Mno c obie strony równania lewostronnie przez macierz

1

3

2

1

2

2

1

1

1

1

 otrzymamy 

=

=

=

1

2

1

1

2

2

3

2

2

0

0

1

1

1

0

1

2

1

0

1

2

3

2

2

0

0

1

3

2

1

2

2

1

1

1

1

1

A

 

5. Zadanie

  

Wyznaczymy macierz 

A z równania 

=

3

1

0

1

0

2

1

2

3

1

2

2

1

1

1

A

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

27 

Rozwi zanie 

Mno c obie strony równania prawostronnie przez macierz

1

1

2

3

1

2

2

1

1

1

 otrzymamy 

=

=

=

1

5

7

2

3

2

0

1

2

1

2

1

1

1

0

3

1

0

1

0

2

1

2

3

1

2

2

1

1

1

3

1

0

1

0

2

1

A

 

 

 

 

 

 

14

 

 

Układy równa  liniowych 

 

 
Od układu równa  mo na przej  do postaci macierzowej tego układu: 

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

m

n

mn

m

m

n

n

n

n

b

x

a

x

a

x

a

b

x

a

x

a

x

a

b

x

a

x

a

x

a

...

........

..........

..........

..........

...

...

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

1

1

2

12

1

11

   

↔   

=

m

n

mn

m

m

n

n

b

b

b

x

x

x

a

a

a

a

a

a

a

a

a

2

1

2

1

2

1

2

22

21

1

12

11

 

 

=

+

=

+

=

+

4

4

3

5

0

2

2

3

2

3

z

y

x

z

y

x

z

y

x

 

↔ 

=

4

0

2

4

3

5

2

1

1

3

2

3

z

y

x

  

 

=

+

=

+

=

+

=

+

+

0

3

2

1

2

2

1

3

3

c

b

a

c

b

a

c

b

a

c

b

a

 

↔ 

=

0

1

1

3

3

2

1

2

1

2

3

1

1

1

1

1

c

b

a

 

 

 

• 

Układ równa  nazywamy 

rozwi zalnym

, je li ma co najmniej jedno rozwi zanie. Układy rozwi zalne dzielimy na: 

Oznaczone

 – maj  dokładnie jedno rozwi zanie, 

Nieoznaczone –

 maj  niesko czenie wiele rozwi za .  

 

• 

Układ równa  nazywamy 

sprzecznym, je li nie ma rozwi zania. 

 

• 

Dla macierzy wyznaczonych przez układ równa  przyjmujemy poni sze okre lenia: 

a

rozszerzon

macierz

wolnych

wyrazów

macierz

glówna

macierz

m

mn

m

m

n

n

m

mn

m

m

n

n

b

a

a

a

b

a

a

a

b

a

a

a

b

b

b

a

a

a

a

a

a

a

a

a

2

1

2

2

22

21

1

1

12

11

2

1

2

1

2

22

21

1

12

11

,

,

 

• 

Dwa układy równa  liniowych nazywamy 

równowa nymi

 wtedy i tylko wtedy, gdy maj  te same rozwi zania albo 

s  sprzeczne. 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

28 

15

 

Wzory Cramera 

 

Układ  równa   liniowych 

1

1

×

×

×

=

n

n

n

n

B

X

A

,  w  którym 

A  jest  macierz   kwadratow   odwracaln ,  tzn.  spełniaj c   warunek 

0

det

A

, nazywa si  

układem Cramera

 

 
Fakt.  

Układ Cramera 

1

1

×

×

×

=

n

n

n

n

B

X

A

 ma dokładnie jedno rozwi zanie  

=

n

A

A

A

X

det

det

det

2

1

det

1

A

,  

gdzie

j

, 1 ≤ j ≤ n, powstaje z macierzy A przez zast pienie j−tej kolumny kolumn  wyrazów wolnych. 

 

6. Zadanie 

Dla jakich warto ci parametru p układ równa  

=

+

+

=

+

+

=

+

=

+

+

,

1

3

,

3

2

,

0

2

,

pt

z

y

x

p

t

z

y

t

z

x

p

z

y

x

 jest układem Cramera?  

 Rozwi zanie 

Układ równa  postaci 

B

AX = jest układem Cramera, gdy macierz A tego układu jest macierz  kwadratow  nieosobliw  

(o wyznaczniku ró nym od zera). 
Wyznacznik macierzy tego układu jest równy 

p

p

=

=

2

3

1

1

3

1

2

0

2

1

0

1

0

1

1

1

det 

A

Zatem dany układ jest układem Cramera dla 

2

p

 

 

7. Zadanie 

Rozwi za  metod  wzorów Cramera układ równa  

=

=

+

.

4

,

7

2

3

y

x

y

x

 

 

Rozwi zanie 

Mamy  

5

1

1

2

3

det 

=

=

A

15

1

4

2

7

det 

1

=

=

A

5

4

1

7

3

det 

2

=

=

A

wi c rozwi zaniem tego układu jest  

3

5

15

det 

det 

1

=

=

=

A

A

x

1

5

5

det 

det 

2

=

=

=

A

A

y

 
 

8. Zadanie

 

Rozwi za  metod  wzorów Cramera układ równa  

=

+

=

+

=

+

2

3

5

4

2

0

3

2

z

y

x

z

y

x

z

y

x

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

29 

Rozwi zanie 

Poniewa  

10

)

4

4

9

(

)

6

24

1

(

1

1

3

4

1

2

3

2

1

det

=

+

+

=

=

A

5

)

10

6

(

)

15

16

(

1

1

2

4

1

5

3

2

0

det

1

=

=

=

A

20

)

8

45

(

)

12

5

(

1

2

3

4

5

2

3

0

1

det

2

=

+

=

=

A

,

15

)

8

5

(

)

30

2

(

2

1

3

5

1

2

0

2

1

det

3

=

+

+

=

=

A

wi c rozwi zaniem tego układu jest 

=

=

=

=

2

3

10

15

10

20

2

1

10

5

2

z

y

x

 

 

16

 

Metoda macierzy odwrotnych 

 

 

 

Układ równa  piszemy w postaci równania macierzowego

1

1

×

×

×

=

n

n

n

n

B

X

A

 i je li spełniony jest warunek 

0

det

A

, to mno-

c lewostronnie to równanie przez macierz 

1

, otrzymamy 

B

A

AX

A

1

1

=

, a nast pnie

B

A

X

1

=

 

 

9. Zadanie  

Rozwi za  metod  macierzy odwrotnych układ równa  

=

=

+

.

4

,

7

2

3

y

x

y

x

 

Rozwi zanie 

Zapisuj c układ w postaci macierzowej otrzymamy

=

4

7

1

1

2

3

X

, gdzie 

=

y

x

X

. Zatem 

=

=

=

=

1

3

5

15

5

1

4

7

3

1

2

1

5

1

4

7

1

1

2

3

1

X

St d odczytujemy,  e 

3

=

x

1

=

y

 

10. Zadanie  

Rozwi za  metod  macierzy odwrotnych układ równa  

=

+

+

=

+

+

=

+

+

.

5

2

2

,

14

3

5

,

2

2

z

y

x

z

y

x

z

y

x

 

Rozwi zanie 

Układ ten piszemy w postaci

 

=

5

14

2

2

1

2

3

1

5

1

1

2

z

y

x

,

 a nast pnie znajdujemy macierz rozwi za  

=

=

=

=

=

3

5

2

9

15

6

3

1

5

14

2

3

0

3

1

2

4

2

1

1

3

1

5

14

2

2

1

2

3

1

5

1

1

2

1

z

y

x

X

St d odczytujemy,  e 

3

,

5

,

2

=

=

=

z

y

x

 

11. Zadanie 

Rozwi za  metod  macierzy odwrotnych układ równa  

=

+

+

=

+

=

=

+

+

+

.

4

3

2

,

6

3

2

,

4

2

3

,

1

3

2

t

z

y

x

t

z

y

x

t

z

y

x

t

z

y

x

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

30 

Rozwi zanie 

Układ  ten  piszemy  w  postaci

 

=

4

6

4

1

1

3

2

1

1

1

3

2

2

1

1

3

3

2

1

1

t

z

y

x

,

  a  nast pnie  znajdujemy  macierz  odwrotn   macierzy 

głównej (metod  bezwyznacznikow ). 

1

0

0

0

1

3

2

1

0

1

0

0

1

1

3

2

0

0

1

0

2

1

1

3

0

0

0

1

3

2

1

1

 

 

4

1

3

1

2

1

)

1

(

)

2

(

)

3

(

w

w

w

w

w

w

+

×

+

×

+

×

  

1

0

0

1

4

1

1

0

0

1

0

2

7

5

1

0

0

0

1

3

11

7

4

0

0

0

0

1

3

2

1

1

  

2

4

w

w

→ 

0

0

1

3

11

7

4

0

0

1

0

2

7

5

1

0

1

0

0

1

4

1

1

0

0

0

0

1

3

2

1

1

 

4

2

3

2

1

2

4

)

1

(

)

1

(

w

w

w

w

w

w

+

×

+

×

+

×

 

4

0

1

7

27

3

0

0

1

1

0

1

3

6

0

0

1

0

0

1

4

1

1

0

1

0

0

2

7

1

0

1

 

 

)

(

6

1

3

×

w

 

4

0

1

7

27

3

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

4

1

1

0

1

0

0

2

7

1

0

1

6

1

6

1

6

1

2

1

  

 

4

3

2

3

1

3

3

)

1

(

)

1

(

w

w

w

w

w

w

+

×

+

×

+

×

 

2

9

2

1

2

13

2

51

6

1

6

1

6

1

2

1

6

5

6

1

6

7

2

9

6

7

6

1

6

11

2

13

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

 

)

(

51

2

4

×

w

 

51

9

51

1

51

2

51

13

6

1

6

1

6

1

2

1

6

5

6

1

6

7

2

9

6

7

6

1

6

11

2

13

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

 

3

2

1

4

2

2

9

4

1

2

13

4

)

(

)

(

w

w

w

w

w

w

+

×

+

×

+

×

 

51

9

51

1

51

2

51

13

51

13

51

9

51

1

51

2

2

1

51

2

51

13

51

9

51

1

51

1

51

2

51

13

51

9

1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

.

 

Znajdujemy rozwi zanie 

=

=

=

=

1

0

1

1

4

6

4

1

9

1

2

13

13

9

1

2

2

13

9

1

1

2

13

9

51

1

4

6

4

1

1

3

2

1

1

1

3

2

2

1

1

3

3

2

1

1

1

t

z

y

x

X

St d odczytujemy,  e 

1

,

0

,

1

,

1

=

=

=

=

t

z

y

x

 

 

17

 

Metoda eliminacji Gaussa 

 

 

Jest ona zbli ona do znanej z kursu szkolnego metody rugowania niewiadomych. Główn  zalet  tej metody jest jej przy-
datno  do rachunków komputerowych. Jednocze nie metoda ta pozwala automatycznie stwierdzi , czy dany układ ma 
rozwi zania. 
 

Rozwi zywanie dowolnego liniowego układu równa  metod  eliminacji Gaussa polega na wykonywaniu nast puj cych 
operacje na równaniach: 

− zamiana mi dzy sob  i−tego oraz j−tego równania (oznaczenie 

j

i

r

r

), 

− mno enie i−tego równania przez liczb  α ró n  od zera (oznaczenie 

i

r

α

), 

− dodanie do j−tego równania i−tego równania pomno onego przez liczb  α (oznaczenie 

j

i

r

r

+

α

). 

Celem post powania jest doprowadzenie układu do układu równowa nego wyj ciowemu. 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

31 

12. Zadanie 

 Rozwi za  metod  eliminacji Gaussa układ równa  

=

=

+

.

4

,

7

2

3

y

x

y

x

 

Rozwi zanie 

Etap 1. Normujemy pierwsz  zmienn  (zmienn  x) w pierwszym równaniu oraz eliminujemy j  z pozostałych 

równa :  

=

=

+

,

4

,

7

2

3

y

x

y

x

  

2

1

r

r

→ 

=

+

=

,

7

2

3

,

4

y

x

y

x

  

2

1

)

3

(

r

r

+

×

→ 

=

=

,

5

5

,

4

y

y

x

  

 

Etap 2. Normujemy drug  zmienn  (zmienn  y) w drugim równaniu oraz eliminujemy j  z pozostałych równa : 

2

5

1

1

5

1

2

r

r

r

+

×

→ 

=

=

1

,

3

y

x

 

 

13. Zadanie

 

Rozwi za  układ równa  

=

+

=

+

=

+

=

+

+

1

3

2

0

2

2

1

3

3

3

2

1

3

2

1

3

2

1

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

Rozwi zanie 

 

Wykonuj c na równaniach tego układu poni sze operacje elementarne: 

1.

 

2

1

)

1

(

r

r

+

×

 - pierwsze równanie pomno one przez (

−1) dodajemy do drugiego równania, 

2.

 

3

1

)

2

(

r

r

+

×

 - pierwsze równanie pomno one przez (

−2) dodajemy do trzeciego równania, 

3.

 

4

1

)

1

(

r

r

+

×

 - pierwsze równanie pomno one przez (

−1) dodajemy do czwartego równania, 

zachowamy pierwsz  zmienn  w pierwszym równaniu i wyeliminujemy j  z pozostałych równa . Sam układ zostanie 
przekształcony na   

=

=

=

=

+

+

2

4

6

4

4

4

3

3

2

3

2

3

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

Po zamianie równania drugiego z czwartym równaniem, czyli po wykonaniu operacji 

4

2

r

r

↔  dostajemy 

=

=

=

=

+

+

4

4

6

4

2

4

3

3

3

2

3

2

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

Wykonuj c na równaniach tego układu poni sze operacje elementarne: 

1

2

)

1

(

r

r

+

×

 - drugie równanie pomno one przez (

−1) dodajemy do pierwszego równania, 

3

2

r

r

+  - drugie równanie  dodajemy do trzeciego równania, 

zachowamy drug  zmienn  w drugim równaniu i wyeliminujemy j  z pozostałych równa , za  układ przekształcimy na  

=

=

=

=

+

4

4

8

8

2

4

5

5

3

3

3

2

3

1

x

x

x

x

x

x

 

 

Po wymno eniu trzeciego równania przez (

8

1

− ) dostajemy 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

32 

=

=

=

=

+

4

4

1

2

4

5

5

3

3

3

2

3

1

x

x

x

x

x

x

 

 

Wykonuj c na równaniach tego układu poni sze operacje elementarne: 

1

3

)

5

(

r

r

+

×

 - trzecie równanie pomno one przez (

−5) dodajemy do pierwszego równania, 

2

3

r

r

+

×

 - trzecie równanie pomno one przez 4 dodajemy do drugiego równania, 

4

3

r

r

+

×

 - trzecie równanie pomno one przez 4 dodajemy do czwartego równania, 

zachowamy trzeci  zmienn  w trzecim równaniu i wyeliminujemy j  z pozostałych równa . Układ zostaje przekształcony 
na 

układ normalny

 (pomijamy równania 0 = 0): 

=

=

=

1

2

0

3

2

1

x

x

x

 

14. Zadanie

  

Rozwi emy układ równa  

=

+

=

+

=

+

5

1

2

3

3

2

z

y

y

x

z

y

x

 

Rozwi zanie 
 

=

+

=

+

=

+

5

1

2

3

3

2

z

y

y

x

z

y

x

    

1

2

)

1

(

r

r

+

×

=

+

=

+

=

+

5

1

2

4

z

y

y

x

z

y

x

 

2

1

)

1

(

r

r

+

×

=

+

=

+

=

+

5

5

4

z

y

z

y

z

y

x

  

3

2

1

2

)

1

(

)

1

(

r

r

r

r

+

×

+

×

→ 

=

=

+

=

0

0

5

9

2

z

y

z

x

 

Uzyskali my 

układ normalny

Te zmienne, które „nie dały si  wyeliminowa ” traktujemy jako 

parametry (czyli zmienne przyjmuj ce wszystkie war-

to ci z zadanego zbioru). W praktyce stosujemy zmiany oznacze , przyjmuj c nowe nazwy dla parametrów. Rozwi za-
niem rozpatrywanego układu jest 

=

=

+

=

t

z

t

y

t

x

5

2

9

t

R

Jest to układ nieoznaczony. 

15. Zadanie

  

Rozwi za  układ równa  

=

+

=

+

=

+

+

=

+

+

1

3

2

2

0

2

2

3

2

3

2

4

3

2

4

3

2

1

4

3

2

1

4

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

Rozwi zanie 

=

+

=

+

=

+

+

=

+

+

1

3

2

2

0

2

2

3

2

3

2

4

3

2

4

3

2

1

4

3

2

1

4

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

  

3

1

2

1

)

1

(

)

2

(

r

r

r

r

+

×

+

×

 

→ 

=

+

=

+

=

+

=

+

+

1

3

2

2

3

3

3

3

3

3

3

3

3

2

4

3

2

4

3

2

4

3

2

4

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

2

4

r

r

+

×

→  

=

+

=

+

=

+

=

+

+

1

3

2

2

3

3

3

3

1

3

3

2

4

3

2

4

3

2

4

3

2

4

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

4

2

3

2

1

2

)

2

(

3

)

1

(

r

r

r

r

r

r

+

×

+

×

+

×

 

→ 

=

=

=

+

=

+

+

3

3

6

6

1

3

3

2

4

4

4

3

2

4

3

1

x

x

x

x

x

x

x

x

 

3

6

1

)

(

r

→  

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

33 

=

=

=

+

=

+

+

3

3

1

1

3

3

2

4

4

4

3

2

4

3

1

x

x

x

x

x

x

x

x

 

4

3

2

3

1

3

)

3

(

3

)

2

(

r

r

r

r

r

r

+

×

+

×

+

×

 

=

=

=

+

=

+

0

0

1

2

2

4

3

2

3

1

x

x

x

x

x

  

Uzyskali my układ normalny. Obieraj c zmienn  

3

 jako parametr piszemy odpowied

=

=

=

=

.

1

,

,

2

,

2

4

3

2

1

x

t

x

t

x

t

x

 

 

 

 

18

 

Posta  normalna macierzy 

 

 

Przekształceniom elementarnym układu równa  odpowiadaj  nast puj ce przekształcenia elementarne wierszy 

macierzy (oznaczamy je tymi samymi symbolami): 

1. 

j

i

w

w

 

− przestawienie wiersza i−tego z j−tym, 

2. 

i

w

α

 

− pomno enie i−tego wiersza przez element 

0

α

3

. 

j

i

w

w

+

α

 

− pomno enie i−tego wiersza przez element α i dodanie do j−tego wiersza. 

 

Dowoln  macierz mo na za pomoc  przekształce  elementarnych sprowadzi  do 

postaci normalnej

. (po an-

gielsku row echelon form). 
 

Macierz 

A wyst puje w 

postaci normalnej

, je li 

1.  

pierwszym niezerowym elementem wiersza jest 1 (

jedynka wiod ca), 

2.  

je li w kolumnie wyst puje jedynka wiod ca, to pozostałe elementy tej kolumny s  zerami, 

3.  

jedynka wiod ca „przesuwa si  schodkowo w prawo” (wiersz z numerem wy szym ma jedynk  wiod c  pó niej od 
wiersza z ni szym numerem porz dkowym), 

4.  

wiersze zerowe wyst puj  po wierszach niezerowych. 

 

Macierz 

0

0

0

0

0

0

0

3

1

0

0

0

0

5

0

2

1

0

jest w postaci normalnej. 

 

16. Zadanie

  

Sprowadzimy do postaci normalnej macierz 

=

1

3

2

1

1

2

1

2

1

3

1

1

3

1

1

1

A

Rozwi zanie  

Przedstawiamy sko czony ci g przekształce  elementarnych przeprowadzaj cych macierz 

A w posta  normaln  

 

=

1

3

2

1

1

2

1

2

1

3

1

1

3

1

1

1

A

  

− 

4

1

3

1

2

1

)

1

(

)

2

(

)

1

(

w

w

w

w

w

w

+

+

+

 

→ 

2

4

1

0

5

4

1

0

4

4

0

0

3

1

1

1

2

3

)

1

(

w

w

+

 

 

2

4

1

0

5

4

1

0

1

0

1

0

3

1

1

1

 

4

2

3

2

1

2

)

1

(

)

1

(

w

w

w

w

w

w

+

+

+

  

→ 

3

4

0

0

4

4

0

0

1

0

1

0

2

1

0

1

 

3

4

1

)

(

w

 

→ 

3

4

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

2

1

0

1

 

1

3

1

3

4

)

1

(

w

w

w

w

+

+

 

→ 

1

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

 

3

4

2

4

1

4

)

1

(

)

1

(

)

1

(

w

w

w

w

w

w

+

+

+

 

→  

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

34 

=

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

N

A

E

 

Uzyskali my posta  normaln  macierzy 

A. Jest ni  macierz jednostkowa E

 

 

   

17. Zadanie

  

Sprowadzimy do postaci normalnej macierz 

=

5

1

1

0

1

0

2

1

3

1

3

2

B

Rozwi zanie 

 

Przedstawiamy sko czony ci g przekształce  elementarnych przeprowadzaj cych macierz 

B w posta  normaln  

 

5

1

1

0

1

0

2

1

3

1

3

2

3

1

w

w

 

5

1

1

0

3

1

3

2

1

0

2

1

2

1

)

2

(

w

w

+

5

1

1

0

5

1

1

0

1

0

2

1

1

2

2

1

2

)

1

(

2

w

w

w

w

w

+

+

 

→ 

0

0

0

0

5

1

1

0

9

2

0

1

 

Postaci  normaln  macierzy 

B jest macierz 

0

0

0

0

5

1

1

0

9

2

0

1

 

 

18. Zadanie

  

Sprowadzimy do postaci normalnej macierz 

4

4

3

5

0

2

1

1

2

3

2

3

Rozwi zanie 

4

4

3

5

0

2

1

1

2

3

2

3

2

1

w

w

 

4

4

3

5

2

3

2

3

0

2

1

1

3

1

2

1

)

5

(

)

3

(

w

w

w

w

+

+

4

6

2

0

2

3

1

0

0

2

1

1

3

2

1

2

)

2

(

w

w

w

w

+

+

 

→ 

0

0

0

0

2

3

1

0

2

1

0

1

 

   

19

 

Metoda eliminacji Gaussa (2) 

 

 

Je li zastosujemy nast puj cy schemat: 

Układ równa  liniowych 

↓↓↓↓ 

Macierz rozszerzona tego układu 

↓↓↓↓ 

Posta  normalna tej macierzy 

↓↓↓↓ 

Układ równa  liniowych (normalny) 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

35 

to do rozwi zywania układów równa  liniowych metod  eliminacji Gaussa mo na wykorzysta  komputer. 

 

 

19. Zadanie

  

Rozwi emy układ równa  

=

+

=

+

=

+

=

+

+

1

3

2

0

2

2

1

3

3

3

2

1

3

2

1

3

2

1

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

Rozwi zanie 

Zastosujemy praktyczn  wersj  metody eliminacji Gaussa. Rozwi zywanie dowolnego liniowego układu równa  postaci 

B

X

A

=

 polega na przekształcaniu macierzy rozszerzonej 

]

|

[

B

A

 tego układu. Celem post powania jest doprowadze-

nie macierzy 

]

|

[

B

A

 do macierzy 

N

B

]

|

[

; na tym etapie do oblicze  mo na zastosowa  komputer. 

   

]

|

[

B

A

=

1

3

2

1

0

2

1

2

1

3

1

1

3

1

1

1

                                              

N

B

]

|

[

   

0

0

0

0

1

1

0

0

2

0

1

0

0

0

0

1

 
Je li napiszemy układ równa  odpowiadaj cy macierzy 

N

B

]

|

[

, to uzyskujemy układ w postaci normalnej (równowa -

ny wyj ciowemu układowi). 

=

=

=

1

2

0

3

2

1

x

x

x

 

 

 

20. Zadanie

  

Rozwi emy układ równa  

=

+

=

+

=

+

5

1

2

3

3

2

z

y

y

x

z

y

x

 

 

Rozwi zanie 

Macierz rozszerzon  układu sprowadzamy do postaci normalnej. 
 

]

|

[

B

A

=

5

1

1

0

1

0

2

1

3

1

3

2

                                              

N

B

]

|

[

  

0

0

0

0

5

1

1

0

9

2

0

1

 

Je li  napiszemy  układ  równa   odpowiadaj cy  macierzy 

N

B

]

|

[

,,  to  uzyskujemy  układ  w  postaci  normalnej  (równo-

wa ny wyj ciowemu układowi). 

=

=

+

=

0

0

5

9

2

z

y

z

x

 

Po wprowadzeniu parametrów otrzymujemy 

=

=

+

=

,

,

5

,

2

9

t

z

t

y

t

x

 gdzie t

R.. 

 

21. Zadanie

  

Rozwi emy układ równa  

=

+

=

+

=

+

=

+

+

.

1

3

2

,

1

2

2

,

1

3

,

3

3

2

1

3

2

1

3

2

1

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

 

Rozwi zanie 

Macierz rozszerzon  układu sprowadzamy do postaci normalnej. 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

36 

N

B

]

|

[

=

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

Je li napiszemy układ równa  odpowiadaj cy macierzy 

N

B

]

|

[

, to uzyskujemy układ w postaci normalnej (równowa -

ny wyj ciowemu układowi). 

=

=

=

=

1

0

0

0

0

3

2

1

x

x

x

 

Jest to układ sprzeczny. 

 

 

22. Zadanie

  

Rozwi za  metod  eliminacji Gaussa układ równa  

=

+

+

=

+

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

.

12

10

5

6

2

,

17

5

7

4

2

,

5

8

2

4

2

,

1

9

2

5

6

3

,

6

2

3

2

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1

5

3

2

1

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

Rozwi zanie 

   

N

B

]

|

[

=

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

1

0

0

4

0

1

0

2

1

2

1

2

7

To oznacza,  e postaci  normaln  naszego układu równa  jest  

=

=

=

+

+

.

,

,

4

2

2

1

5

2

7

4

3

4

2

1

x

x

x

x

x

x

 

Układ  ten  ma  niesko czenie  wiele  rozwi za   z  dwoma  parametrami.  Przyjmuj c  niewiadome 

2

  i 

4

  za  parametry 

otrzymujemy rozwi zanie układu równa  

=

=

+

=

=

=

,

,

,

,

,

2

4

2

1

5

4

2

7

3

2

1

x

s

x

s

x

t

x

s

t

x

 

gdzie 

R

s

t

,

 

23. Zadanie

  

Rozwi za  metod  eliminacji Gaussa układ równa  

=

+

+

+

=

+

+

=

+

+

+

+

+

=

+

=

+

+

+

+

.

1

8

7

9

3

2

,

1

2

6

7

2

3

,

6

13

2

3

2

14

,

5

15

4

2

9

3

11

,

2

6

2

5

6

5

3

2

1

6

5

4

3

2

1

6

5

4

3

2

1

6

5

4

3

2

1

6

5

4

3

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

Rozwi zanie 

]

|

[

B

A

=

1

8

7

0

9

3

2

1

2

6

1

7

2

3

6

13

2

3

2

1

14

5

15

4

2

9

3

11

2

6

1

1

2

1

5

→ 

N

B

]

|

[

=

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

27

7

27

1

9

1

27

1

27

20

27

55

9

26

27

1

9

4

9

7

3

1

9

2

 

To oznacza,  e postaci  normaln  naszego układu równa  jest  

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

37 

=

+

+

=

=

+

+

+

.

,

,

27

7

6

27

1

5

9

1

4

27

1

3

27

20

6

27

55

5

9

26

4

27

1

2

9

4

6

9

7

5

3

1

4

9

2

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

Układ ten ma niesko czenie wiele rozwi za  z trzema parametrami. Przyjmuj c niewiadome 

4

,

5

 i 

6

 za parametry 

otrzymujemy rozwi zanie układu równa  

=

=

=

+

+

=

+

+

+

=

=

,

,

,

,

,

,

6

5

4

27

1

9

1

27

1

27

7

3

27

55

9

26

27

1

27

20

2

9

7

3

1

9

2

9

4

1

u

x

s

x

t

x

u

s

t

x

u

s

t

x

u

s

t

x

 

gdzie 

R

u

s

t

,

,

 

 

24. Zadanie

  

 

Rozwi za  metod  eliminacji Gaussa układ równa  

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

.

1

3

4

4

,

8

3

2

3

,

3

2

,

2

2

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1

5

4

2

1

5

4

3

1

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

Rozwi zanie 

1

3

4

4

1

1

8

1

3

2

1

3

3

1

2

0

1

1

2

1

1

2

0

1

 

→   

N

B

]

|

[

=

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

3

1

2

0

0

1

2

1

2

3

 

To oznacza,  e postaci  normaln  naszego układu równa  jest  

=

+

=

=

+

.

,

0

,

3

2

2

1

5

4

2

3

3

2

5

4

1

x

x

x

x

x

x

x

 

Układ  ten  ma  niesko czenie  wiele  rozwi za   z  dwoma  parametrami.  Przyjmuj c  niewiadome 

4

x

5

x

  za  parametry 

otrzymujemy rozwi zanie układu równa  

=

=

+

=

=

+

=

.

,

,

,

0

,

2

3

5

4

2

3

2

1

3

2

1

s

x

t

x

s

t

x

x

s

t

x

 

gdzie 

R

s

t

,

20

 

Rz d macierzy  

 

 

Przy okazji sprowadzania macierzy do postaci normalnej mo emy zdefiniowa  bardzo wa ne poj cie, a mia-

nowicie

 

rz d macierzy

.  

 

Liczb   niezerowych  wierszy  (jedynek  wiod cych)  w  postaci  normalnej  macierzy 

A  nazywamy 

rz dem  macierzy

 

(dokładniej: 

rz dem wierszowym

) i oznaczamy rank

A

 

25. Przykład

  

 

2

5

1

1

0

1

0

2

1

3

1

3

2

=

rank

, gdy  postaci  normaln  tej macierzy jest 

0

0

0

0

5

1

1

0

9

2

0

1

 (zobacz zadanie 17). 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

38 

 

26. Zadanie

  

Obliczymy rz d macierzy 

=

6

2

1

3

2

1

1

1

1

4

1

1

Q

Rozwi zanie  

Przekształcamy macierz 

Q do postaci normalnej (operacje elementarne na wierszach macierzy nie zmieniaj  rz du tej 

macierzy

): 

1

3

2

3

3

2

2

1

3

1

)

1

(

)

1

(

)

2

(

)

1

(

)

3

(

1

0

0

0

1

5

2

0

1

4

1

1

3

10

4

0

1

5

2

0

1

4

1

1

6

2

1

3

2

1

1

1

1

4

1

1

w

w

w

w

w

w

w

w

w

w

+

+

+

+

+

=

=

=

rank

rank

rank

 

3

1

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

4

1

1

1

0

0

0

0

5

2

0

0

4

1

1

2

5

2

3

)

1

(

2

5

)

(

1

2

2

2

1

=

=

=

+

rank

rank

rank

w

w

w

 

   

27. Przykład

  

Z zadania 16 wynika,  e 

4

1

3

2

1

1

2

1

2

1

3

1

1

3

1

1

1

=

rank

 

Zdefiniowane poprzednio poj cie rz du macierzy mo e by  równie  wyra one przy pomocy wyznacznika.  

 

Macierz 

n

m

×

A

 jest rz du r (r 

≤ mr ≤ n) wtedy i tylko wtedy, gdy w macierzy tej istnieje niezerowy minor stopnia r, ale 

nie istnieje niezerowy minor stopnia wy szego od r

 

28. Przykład

  

Obliczymy metod  wyznacznikow  rz d macierzy

=

3

5

1

4

1

3

1

3

2

A

Rozwi zanie 

 

Poniewa  

35

3

5

1

4

1

3

1

3

2

det

=

=

A

wi c w macierzy 

A istnieje niezerowy minor stopnia 3 i nie istnieje niezerowy minor stopnia wy szego od 3. Dlatego 

rank

= 3. 

 

29. Przykład

  

Obliczymy metod  wyznacznikow  rz d macierzy

=

5

0

1

2

3

2

1

0

1

1

0

1

A

Rozwi zanie 

Poniewa  

0

0

1

2

2

1

0

1

0

1

=

,

0

5

1

2

3

1

0

1

0

1

=

0

5

0

2

3

2

0

1

1

1

=

0

5

0

1

3

2

1

1

1

0

=

wi c w macierzy 

A nie istnieje niezerowy minor stopnia 3 (minory te powstały po wykre leniu jednej kolumny) i nie 

istnieje niezerowy minor stopnia wy szego od 3. Dlatego rank

A<3. Badamy minory drugiego stopnia i stwierdzamy,  e 

minor powstały przez odrzucenie trzeciego wiersza i dwu ostatnich kolumn jest ró ny od zera. Zatem rank

A=2. 

 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

39 

Twierdzenie (Kroneckera−−−−Capellego) 

 

Układ równa

=

+

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

m

n

mn

m

m

n

n

n

n

b

x

a

x

a

x

a

b

x

a

x

a

x

a

b

x

a

x

a

x

a

...

........

..........

..........

..........

...

...

2

2

1

1

2

2

2

22

1

21

1

1

2

12

1

11

ma rozwi zanie wtedy i tylko wtedy, gdy  

=

m

mn

m

m

n

n

mn

m

m

n

n

b

a

a

a

b

a

a

a

b

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

2

1

2

2

22

21

1

1

12

11

2

1

2

22

21

1

12

11

rank

rank

Dowód 

Warunek 

]

|

[

B

A

rank

rank

=

zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy w postaci normalnej macierzy 

]

|

[

B

A

 jedynka 

wiod ca wyst puje w ostatniej kolumnie. Je li teraz powrócimy do układu równa , to w łatwy sposób mo-

emy stwierdzi ,  e warunek ten zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy 

układ równa , równowa ny układowi wyj-

ciowemu, zawiera równanie 

1

0

=

, czyli wtedy i tylko wtedy, gdy jest sprzeczny. 

 
1. 

n

=

=

]

rank[

rank

B

|

A

A

  

     istnieje dokładnie jedno rozwi zanie układu. 

2. 

n

r

<

=

=

]

rank[

rank

B

|

A

A

       istnieje niesko czenie wiele rozwi za  zale nych od 

− r parametrów

 

21

 

Wielomian charakterystyczny macierzy 

 

30. Zadanie

  

Znajdziemy P(

A), je li 

;

16

12

)

(

3

+

=

x

x

x

P

=

1

6

3

2

2

2

1

2

3

A

.

 

Rozwi zanie 

P(

A) =

=

+

=

+

1

0

0

0

1

0

0

0

1

16

1

6

3

2

2

2

1

2

3

12

28

72

36

24

40

24

12

24

20

16

12

3

I

A

A

0

0

0

0

0

0

0

0

0

 

Zatem mo emy stwierdzi ,  e 

macierz A jest miejscem zerowym wielomianu P(x). Okazuje si ,  e dla ka dej 

macierzy kwadratowej istnieje wielomian, którego dana macierz jest miejscem zerowym. Jednym z takich wielomianów 
jest 

wielomian charakterystyczny macierzy

 
Dla  danej  macierzy  kwadratowej 

A  wielomian 

)

det(

)

(

E

A

A

λ

=

λ

ω

nazywa  si  

wielomianem  charakterystycznym 

macierzy

 

A

 

31. Zadanie

  

Obliczymy wielomian charakterystyczny macierzy

=

1

6

3

2

2

2

1

2

3

A

Rozwi zanie  

16

12

1

6

3

2

2

2

1

2

3

)

(

3

λ

+

λ

=

λ

λ

λ

=

λ

ω

A

.

 

Obliczanie wielomianów charakterystycznych macierzy na podstawie definicji staje si  kłopotliwe w przypadku macierzy 
wy szych stopni. Trudno  t  pozwala omin  nast puj cy 

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

40 

Fakt.  

n

n

n

n

n

A

µ

+

λ

µ

+

+

λ

µ

+

λ

µ

+

λ

=

λ

ω

)

(

...

)

(

)

(

)

(

)

(

1

2

2

1

1

gdzie 

k

µ  jest sum  minorów głównych stopnia k (minorów zawieraj cych wiersze i kolumny o takich samych wska ni-

kach). 

 

32. Zadanie

  

Obliczymy wielomian charakterystyczny macierzy

=

1

6

3

2

2

2

1

2

3

A

 

Rozwi zanie 

Minory główne pierwszego stopnia s  elementami głównej przek tnej (ich suma nazywa si  te  

ladem macie-

rzy). By otrzyma  minory główne drugiego stopnia nale y kolejno skre li : 
− pierwszy wiersz oraz pierwsz  kolumn , 
− drugi wiersz oraz drug  kolumn ,  
− trzeci wiersz i trzeci  kolumn . 

+

λ

+

+

+

λ

+

λ

=

λ

ω

)

)(

2

2

2

3

1

3

1

3

1

6

2

2

(

)

)(

1

2

3

(

)

(

)

(

2

0

10

2

3

A

=

−16

1

6

3

2

2

2

1

2

3

16

12

3

λ

+

λ

.

 

Fakt.

(Cayley

1

, Hamilton

2

Ka da macierz kwadratowa jest miejscem zerowym swego wielomianu charakterystycznego. 

 
Definicja.  

Miejsca zerowe wielomianu charakterystycznego macierzy s  

warto ciami własnymi

 tej

 macierzy. 

 

33. Przykład

  

Dla macierzy 

=

1

2

2

2

6

3

2

3

6

A

, wielomianem charakterystycznym jest  

)

24

5

)(

24

5

)(

3

(

3

31

13

)

(

2

3

λ

+

λ

λ

=

+

λ

λ

+

λ

=

λ

A

w

Dlatego warto ciami własnymi tego endomorfizmu s : 

24

5

,

24

5

,

3

3

2

1

+

=

λ

=

λ

=

λ

Definicja.  

Je li 

λ jest warto ci  własn  macierzy kwadratowej A, to niezerowy wektor  (macierz kolumnowa) spełniaj cy równa-

nie 

x

x

A

λ

=

 nazywa si  

wektorem własnym

 odpowiadaj cym warto ci własnej 

λ. 

Symbolem 

)

(

λ

V

 oznaczamy zbiór takich wektorów własnych. 

 

34. Przykład

  

Wyznaczymy wektory własne macierzy 

=

4

4

6

4

5

4

3

2

5

A

.  

Rozwi zanie  

 

Wielomianem charakterystycznym macierzy 

A jest 

                                                           

1

 Arthur Cayley (1821 – 1895), wybitny matematyk angielski. 

2

 Wiliam Rowan Hamilton (1805 – 1865), wybitny matematyk irlandzki.  

background image

Stanisław Kowalski, 

Wykłady z matematyki – 

Elementy algebry liniowej

 – 

wykład 3

41 

=

+

λ

λ

+

λ

=

λ

λ

λ

=

λ

=

λ

ω

6

11

6

4

4

6

4

5

4

3

2

5

)

det(

)

(

2

3

E

A

A

)

3

)(

2

)(

1

(

λ

λ

λ

. 

i dlatego jej warto ciami własnymi s : 1, 2, 3. 

Wektory własne macierzy 

A, odpowiadaj ce warto ci własnej 

1

=

λ

, s  rozwi zaniami równania

x

x

A

=

, czyli równa-

nia 

=

z

y

x

z

y

x

4

4

6

4

5

4

3

2

5

 
Po wymno eniu i porównaniu macierzy dostajemy 

=

+

=

+

=

+

,

4

4

6

,

4

5

4

,

3

2

5

z

z

y

x

y

z

y

x

x

z

y

x

 

a nast pnie (po uporz dkowaniu zmiennych)  

=

+

=

+

=

+

.

0

5

4

6

,

0

4

4

4

,

0

3

2

4

z

y

x

z

y

x

z

y

x

 

Rozwi zanie  

α

=

α

=

α

=

2

z

y

x

α≠0, 

tego układu zapisujemy w postaci 

}

0

{

\

,

2

1

1

R

z

y

x

α

α

=

Tworzy  ono  przestrze   jednowymiarow   (bez  wektora  zerowego).  Zatem 

)

2

1

1

(

)

1

(

= Lin

V

jest  przestrzeni   wektorów 

własnych macierzy 

A, odpowiadaj cych warto ci własnej 

1

=

λ

. W analogiczny sposób wyliczamy przestrzenie wekto-

rów własnych odpowiadaj cych pozostałym warto ciom własnym:  

)

1

0

1

(

)

2

(

= Lin

V

)

2

2

1

(

)

3

(

= Lin

V