macierze i wyznaczniki notatki z wykladu

background image

Józef Szymczak
Politechnika Opolska

MACIERZE I WYZNACZNIKI (notatki z wykładu)

I. Macierze.

Niech

}

,...,

3

,

2

,

1

{

},

,...,

3

,

2

,

1

{

2

1

n

N

m

N

=

=

. Iloczyn kartezjański tych zbiorów oznaczamy symbolem

2

1

N

N

×

i definiujemy w następujący sposób:

}

,

:

)

,

{(

2

1

2

1

N

j

N

i

j

i

N

N

=

×

. Odwzorowanie iloczynu

kartezjańskiego

2

1

N

N

×

na pewien zbiór A nazywamy macierzą i zapisujemy ją w postaci prostokątnej tablicy

składającej się z m wierszy i n kolumn:

mn

m

m

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

A

...

.

...

.

.

...

...

=

2

1

2

22

21

1

12

11

.

Elementami macierzy mogą być liczby rzeczywiste, zespolone bądź funkcje.

Macierz możemy też zapisać w skróconej formie:

n

m

ij

a

A

×

=

]

[

,

gdzie indeks

n

m

×

oznacza wymiar (typ) macierzy. Zapis

ij

a

oznacza element macierzy należący do i-tego

wiersza oraz j-tej kolumny. Jeśli

n

m

=

, to mówimy, że macierz jest macierzą kwadratową n-tego stopnia.

Definicja 1. Dwie macierze są równe gdy mają ten sam wymiar i na tych samych miejscach te

same elementy, tzn.:

b

a

B

A

ij

ij

=

=

dla każdej pary

2

1

)

,

(

N

N

j

i

×

.

Przykłady macierzy:

[

]

n

n

... a

a

a

A

1

12

11

1

=

×

– macierz wierszowa (mająca jeden wiersz i n kolumn);

=

×

1

21

11

1

.

m

m

a

.

.

a

a

A

– macierz kolumnowa (mająca jedną kolumnę i m wierszy);

n

m

...

.

...

.

.

...

...

×

=

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Θ

– macierz zerowa wymiaru

n

m

×

,

Macierz diagonalna to macierz kwadratowa, której elementy poza główną przekątną są zerami:

nn

a

...

.

...

.

.

...

a

...

a

0

0

0

0

0

0

22

11

.

Główną przekątną tej macierzy stanowią elementy o równych indeksach pierwszym i drugim.

background image

Macierz jednostkowa to macierz diagonalna, która na głównej przekątnej ma same jedynki. Oznaczamy ją

symbolem I

n

, gdzie indeks n oznacza stopień tej macierzy:

=

1

...

0

0

.

...

.

.

0

...

1

0

0

...

0

1

n

I

.



=

1,2,...,

=

,

,

dla

0

dla

1

n

j

i

j

i

i=j

a

ij

.

Macierz transponowana do macierzy A wymiaru m

×

n to macierz wymiaru n

×

m, która powstaje z danej

macierzy przez zamianę wierszy z kolumnami (bez zmiany ich kolejności). Oznaczamy ją symbolem

T

A

. Na

przykład:

jeśli

f

e

d

c

b

a

A=

, to

=

f

c

e

b

d

a

T

A

.

Jeżeli spełniona jest równość

T

A

A

=

, to macierz A jest kwadratową macierzą symetryczną (w takiej

macierzy mamy

ji

ij

a

a

=

). Na przykład:

=

3

4

5

4

0

2

5

2

1

,

3

4

5

4

0

2

5

2

1

-

-

-

-

=

T

A

A

.

Zachodzi oczywista równość:

( )

A

A

T

T

=

.

Jeśli dla macierzy A zachodzi równość

A

A

T

=

, to mówimy, że A jest macierzą antysymetryczną.

II. Działania na macierzach.

Dodawanie macierzy jest określone tylko dla macierzy tego samego wymiaru:

n

m

ij

ij

n

m

ij

n

m

ij

b

a

b

a

A+B=

×

×

×

+

=

+

]

[

]

[

]

[

.

Na przykład

=

+

0

1

1

5

2

3

1

0

1

3

1

-

2

1

-

1

0

2

3

1

.

Dodawanie macierzy ma następujące własności:

jest działaniem łącznym:

C

B

A

C

B

A+

+

+

=

+

)

(

)

(

,

jest działaniem przemiennym:

A

B

A+B

+

=

,

elementem neutralnym dodawania macierzy jest macierz zerowa danego wymiaru:

A

A+Θ

=

,

do każdej macierzy A istnieje macierz przeciwna

A

tego samego wymiaru taka, że

Θ

A

A+

=

)

(

.

Na przykład

=

+

0

0

0

0

0

0

1

1

0

2

3

1

1

1

0

2

3

1

-

-

-

-

-

.

Mówimy, że ze względu na powyższe własności zbiór wszystkich macierzy danego wymiaru

n

m

×

M

z

działaniem dodawania stanowi

grupę przemienną.

Mnożenie macierzy przez liczbę (rzeczywistą lub zespoloną) polega na wymnożeniu przez tę liczbę

każdego elementu macierzy:

n

m

n

m

ij

ij

ka

a

k

A

k

×

×

=

=

]

[

]

[

.

Na przykład

background image

=

15

-

20

0

30

5

-

10

3

-

4

0

6

1

-

2

5

.

Mnożenie macierzy przez liczbę ma następujące własności:

1

o

.

B

A

B

A

+

+

α

α

α

=

)

(

,

2

o

.

(

)

A

A

A

+

+

β

α

β

α

=

,

3

o

.

( )

(

)

A

A

β

α

αβ

=

,

4

o

. 1

A = A.

Ć

wiczenie 1. Obliczyć

B

A 4

3

jeśli

1

0

1

2

1

-

i

, B=

i

-i

i

A=

.

Mnożenie macierzy przez macierz.

Działanie to jest wykonalne tylko wtedy, gdy liczba kolumn pierwszej macierzy jest równa liczbie wierszy

drugiej macierzy. W wyniku mnożenia tych macierzy otrzymujemy macierz mającą tyle samo wierszy co
pierwsza macierz i tyle kolumn, ile ma druga macierz:

p

m

ij

p

n

ij

n

m

ij

c

C

B

A

b

B

a

A

×

×

×

=

=

=

=

]

[

]

[

]

[

,

,

,

gdzie elementy

ij

c

iloczynu wyznaczane są według wzoru:

nj

in

b

a

b

a

b

a

b

a

c

j

i

j

i

kj

n

k

ik

def

ij

+

+

+

=

=

=

...

2

2

1

1

1

,

a więc element

ij

c

otrzymujemy sumując iloczyny odpowiednich elementów i-tego wiersza macierzy A i j-tej

kolumny macierzy B.

Przy mnożeniu macierzy wygodnie jest stosować tzw. schemat Falka, sporządzając prostą tabelę.

W lewym dolnym polu tabeli wpisujemy macierz A, a w prawym górnym
polu wpisujemy macierz B. Wynik otrzymujemy w prawym dolnym polu
tabeli, mając zawsze element

ij

c

na przedłużeniu

i

-tego wiersza macierzy A

oraz

j

-tej kolumny macierzy B.

Przykład. Pomnóżmy macierze







=

4

1

3

-

2

-

0

2

1

-

3

1

5

4

1

-

3

2

=

,

B

A

.

Stosując schemat Falka mamy:

4

11

8

13

16

2

11

-

11

-

12

7

11

-

0

1

5

4

1

-

3

2

4

1

3

-

2

-

0

2

1

-

3

B

A

, a więc



4

11

8

13

16

2

11

-

11

-

12

7

11

-

0

=

B

A

.

Przykład. Niech









=

3

-

2

-

3

2

4

2

-

6

-

3

=

,

B

A

. Wtedy





18

-

12

-

27

18

=

B

A

background image

(sprawdzić). Zauważmy ponadto, że w tym przypadku możemy też wyznaczyć iloczyn B

A. Otrzymamy tutaj





0

0

0

0

=

A

B

(zauważmy, że iloczyn dwóch niezerowych macierzy może być macierzą zerową).

Uwaga. Mnożenie macierzy jest na ogół działaniem

nieprzemiennym.

Ć

wiczenie 2. Obliczyć A

B i B

A jeśli

[

]

6

5

4

,

3

2

1

=

=

B

A

.

Jeśli macierz A ma wymiar m

×

n, wtedy

A

A

I

I

A

=

m

n

=

(macierz jednostkowa jest elementem neutralnym mnożenia macierzy).

Iloczyn macierzy przy założeniu jego wykonalności ma własność łączności oraz własność rozdzielności

względem dodawania:

(

)

(

)

(

)

(

)

C .

B

C

C=A

A+B

C ,

A

B

A

B+C

A

,

C

B

C=A

B

A

+

+

=

Ć

wiczenie 3. Sprawdzić na wybranych przykładach, że zachodzą wzory:

(

)

(

)

.

T

T

T

T

T

T

,

A

B

B

A

B

A+B

A

=

+

=

Sprawdzić, że macierz

T

A+A jest symetryczna, a macierz

T

A

A

jest antysymetryczna, w przypadku, gdy

A jest macierzą kwadratową.

III. Wyznacznik macierzy kwadratowej.

Definicja 2.

Wyznacznikiem macierzy kwadratowej A (o elementach rzeczywistych lub zespolonych)

nazywamy funkcję, oznaczoną symbolem

A

A

lub

det

, przypisującą danej macierzy liczbę (rzeczywistą

lub zespoloną) w następujący sposób:

o

1

jeśli

[ ]

11

=

a

A

, to

11

det

a

A

=

,

o

2

jeśli A jest stopnia

2

n

, to

n

n

n

A

a

A

a

A

a

A

1

1

1

12

12

2

1

11

11

1

1

det

(-1)

...

det

(-1)

det

(-1)

=

det

+

+

+

+

+

+

gdzie

k

A

1

oznacza macierz otrzymaną z macierzy A przez skreślenie 1-go wiersza i k-tej kolumny.

W szczególności, gdy





d

c

b

a

A=

, to

ad-bc

A

d

c

b

a

=

=

det

.

background image

Gdy

33

32

31

23

22

21

13

12

11

=

a

a

a

a

a

a

a

a

a

A

, to

32

31

22

21

13

33

31

23

21

12

33

32

23

22

11

=

det

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

A

+

.

Na przykład: a)

23

4

)

2

(

5

3

5

2

4

3

=

=

,

b)

29

4

15

40

)

2

)(

2

(

5

3

10

4

4

3

2

1

-2)

(

5

3

0

1

3

5

4

0

2

4

5

4

3

0

2

1

2

-

3

4

=

+

=

+

=

+

=

.

c) Dla wyznacznika stopnia trzeciego, wygodną do obliczeń jest też tzw. metoda Sarrusa.

Definicja 3.

Dopełnieniem algebraicznym elementu

ij

a

macierzy kwadratowej

A stopnia

2

n

nazywamy liczbę:

ij

i+j

A

ij

D

det

-1)

(

=

,

gdzie

ij

A jest macierzą stopnia n-1 powstałą z macierzy A przez skreślenie i-tego wiersza oraz j-tej

kolumny.

Jeżeli więc macierz A jest macierzą kwadratową stopnia n

2, wtedy jej wyznacznik możemy obliczać

według wzoru:

(1)

=

det

2

2

1

1

in

in

i

i

i

i

D

a

...

D

a

D

a

A

+

+

+

lub według wzoru:

(2)

=

det

2

2

1

1

D

...+a

D

a

D

a

A

nj

nj

j

j

j

j

+

+

Wzór (1) nazywamy rozwinięciem Laplace’a wyznacznika względem

i-tego wiersza, a wzór (2) rozwinięciem

Laplace’a wyznacznika względem

j-tej kolumny.

Obliczymy przykładowo wyznacznik stopnia 3 dokonując rozwinięcia Laplace’a względem drugiego

wiersza:

29

52

23

5

3

2

-

4

2

+

2

-1)

(

2

5

4

2

-

3

1

2

)

1

-

(

1

5

4

3

0

2

1

2

-

3

4

=

+

=

+

+

=

.

Własności wyznaczników:

1.

A

A

det

det

T

=

.

2.

B

A

B

A

det

det

)

det(

=

.

3. Jeśli w macierzy kwadratowej przestawimy dwa dowolne wiersze (lub kolumny), to wartość jej wyznacznika
zmieni się na przeciwną.

Na przykład

1

3

2

2

2

0

0 - 1 2

-

= −

2

2

0

1

3

2

0

1 2

(zamieniono tu miejscami wiersze I oraz II).

4. Wspólny czynnik występujący w pewnym wierszu (lub kolumnie) można wyłączyć przed wyznacznik.

background image

Na przykład

1

3 4

2

6

4

0

1

2

2

1

3 4

1

3 2

0 1 2

2 2

1

3 2

1

3 1

0 1

1

1

3

2

1

3

1

0

4

4

= ⋅

= ⋅ ⋅

=

.

5. Wyznacznik jest równy zero jeżeli:

a) elementami pewnego wiersza (kolumny) są same zera,
b) dwa wiersze (dwie kolumny) są identyczne,
c) dwa wiersze (dwie kolumny) mają odpowiednie elementy proporcjonalne.

Na przykład

2

1

3

0

0

0

1

2

4

0,

0,

4

0

=

=

=

1

2

7

4

3

2

1

2

7

- 4

- 3

2

4

3

- 2

8

6

-

.

6. Jeżeli w wyznaczniku do elementów pewnego wiersza dodamy odpowiednie elementy innego wiersza
pomnożone przez liczbę różną od zera, to wartość wyznacznika nie zmieni się (to samo dotyczy kolumn).

Na przykład

)

k

(k

))

2

-

(

w

w

(

.

1

0

1

1

2

(-1)

=

1

-

0

0

2

-

0

1

1

1

2

=

1

-

0

0

2

-

1

1

1

3

2

=

1

2

2

3

5

-

2

2

2

-

1

1

1

3

2

+

=

7. Jeżeli w wyznaczniku wszystkie elementy znajdujące się pod główną przekątną są równe zero, to wartość
wyznacznika jest równa iloczynowi wyrazów z głównej przekątnej.

Na przykład

2

5

1

7

0

3 2

4

0

0

1

2 3 1 2

12

- 8

0

0

0

2

= ⋅ ⋅ ⋅ =

.

Uwaga. Korzystając z przedstawionych własności wyznaczników, a szczególnie z własności (6), możemy
uprościć ich obliczanie przez uzyskanie w wybranym wierszu (lub kolumnie) możliwie jak największej ilości
zer.

Jeżeli detA = 0, to macierz kwadratową A nazywamy osobliwą. Jeżeli natomiast detA

0, to mówimy, że

macierz A jest nieosobliwa.

IV. Macierz odwrotna.

Definicja 4. Niech macierz A będzie kwadratową macierzą nieosobliwą stopnia n. Macierzą odwrotną
do macierzy A nazywamy taką macierz B, która spełnia warunek:

n

A

B

B

A

I

=

=

.

Macierz odwrotną do

A

oznaczamy symbolem

A

-1

.

Istnieje kilka sposobów wyznaczania macierzy odwrotnej. Jeden z nich określa następujący wzór:

T

=

nn

n

n

n

n

D

...

D

D

.

...

.

.

D

...

D

D

D

...

D

D

A

A

2

1

2

22

21

1

12

11

det

1

1

-

,

gdzie elementy

ij

D

oznaczają dopełnienia algebraiczne elementów

ij

a

macierzy A. Aby więc wyznaczyć

macierz odwrotną do A należy utworzyć macierz dopełnień algebraicznych macierzy A, następnie ją
transponować i pomnożyć przez odwrotność wyznacznika macierzy A.

background image

Przykład. Niech

1

2

-

1

-

0

1

2

1

1

0

=

A

. Zauważmy, że

5

det

=

A

. Oznaczmy przez

]

[

ij

D

macierz dopełnień

algebraicznych macierzy

A. Mamy zatem:

[ ]

,

,

2

-

1

-

3

-

2

1

2

-

1

-

3

-

1

2

-

2

1

-

1

-

1

3

-

3

-

2

-

1

1

2

1

0

0

2

1

0

0

1

1

1

2

-

1

-

1

0

1

1

-

1

0

1

2

-

1

1

2

-

1

-

1

2

1

1

-

0

2

1

2

-

0

1

T

-

-

-

-

]

[





=

=

=

ij

ij

D

D

[ ]

=

=

=

0,4

0,2

0,6

0,4

-

0,2

-

0,4

0,2

0,6

0,2

-

2

-

1

-

3

-

2

1

2

-

1

-

3

-

1

5

1

-

det

1

1

-

T

ij

D

A

A

.

Poprawność obliczeń sprawdzamy wymnażając otrzymaną macierz odwrotną przez macierz A. Powinniśmy
otrzymać macierz jednostkową.

Dla macierzy nieosobliwych drugiego stopnia można łatwo zapamiętać procedurę jej odwracania:

jeżeli





=

d

c

b

a

A

, to





=

a

c

b

d

A

A

-

-

det

1

-

1

Dla macierzy nieosobliwych zachodzi równość:

(

)

1

1

1

-

-

A

B

B

A

=

.

Sprawdzić tę równość na przykładzie macierzy:

.

1

1

2

0

1

2

3

1

=

i









=

B

A

Definicja 5.

Przekształceniami elementarnymi macierzy są

1. Pomnożenie dowolnego wiersza (kolumny) przez liczbę różną od zera.

2. Zamiana miejscami dwóch dowolnych wierszy (kolumn).

3. Dodanie do dowolnego wiersza (kolumny) elementów innego wiersza (innej kolumny)

pomnożonych przez liczbę różną od zera.


Macierz B otrzymaną z macierzy A przez wykonanie skończonej ilości przekształceń elementarnych

nazywamy macierzą

równoważną macierzy A, co zapisujemy symbolicznie: A

B.

W każdej macierzy A wymiaru m

×

n możemy wyodrębnić pewną liczbę tzw.

minorów, czyli

podwyznaczników stopnia s

min(m, n). Na przykład w macierzy wymiaru 3

×

4 możemy wyodrębnić 4 minory

stopnia trzeciego (wykreślając za każdym razem inną kolumnę), 18 minorów stopnia drugiego i 12 minorów
stopnia pierwszego (są to poszczególne elementy tej macierzy).

s

r

q

p

h

g

f

e

d

c

b

a

background image

Definicja 6. Rzędem macierzy A wymiaru m

×

n nazywamy liczbę równą maksymalnemu ze stopni

minorów danej macierzy różnych od zera.

Rząd macierzy A będziemy zapisywali symbolicznie:

)

( A

r

(lub też

)

( A

rank

).

Na przykład jeśli

3

0

0

5

2

0

1

3

2

=

A

, to

3

)

(

=

A

r

, ponieważ

0

12

det

=

A

(jest niezerowy minor stopnia

trzeciego i nie ma niezerowych minorów wyższego stopnia). Łatwo zauważyć z kolei, że

[

]

1

4,

1,

1,

,

2

0

0

0

0

0

1

2

3

2

0

0

0

1

2

0

0

1

2

3

0

1

2

2

2

5

0

2

1

4

3

2

1

0

0

1

=

=

=

=

=











r

r

r

r

r

Uwaga. Przekształcenia elementarne nie zmieniają rzędu macierzy, stąd też macierze równoważne mają ten

sam rząd.

W celu wyznaczenia rzędu dowolnej macierzy, dogodnie jest przekształcić ją do postaci diagonalnej w

pierwszym najwyższym stopniem minorze. Robimy to za pomocą przekształceń elementarnych, nie
zmieniających rzędu macierzy.

Przykładowo wyznaczmy rząd macierzy

6

-

3

-

0

1

-

3

0

6

2

3

1

2

1

=

A

.

Przekształcając ją, mamy:

)

y w

(wykreslam

)

w

(w

)

w

,

2

(w

0

0

0

0

3

-

2

-

2

0

3

1

2

1

3

-

2

-

2

0

3

-

2

-

2

0

3

1

2

1

6

-

3

-

0

1

-

3

0

6

2

3

1

2

1

3

2

3

1

3

1

2

=

=

=

=

)

(

+

w

w

r

r

A

r

r

/2)

(w

)

w

(w

.

1,5

-

1

-

1

0

6

3

0

1

3

-

2

-

2

0

6

3

0

1

3

-

2

-

2

0

3

1

2

1

2

2

1

2

=

=

=













=

r

r

r

(W ostatniej macierzy, równoważnej poprzednim, pierwszy minor

1

0

0

1

jest niezerowym minorem stopnia

drugiego, stąd r(A) = 2).

Uwaga.

Wykorzystując przekształcenia elementarne macierzy, możemy w dość prosty sposób wyznaczyć macierz

odwrotną do każdej macierzy nieosobliwej. Należy po prostu po napisaniu danej macierzy dopisać jeszcze obok
niej macierz jednostkową tego samego stopnia. Będziemy mieli więc blokową macierz wymiaru

n

n 2

×

.

Następnie wykonujemy na takiej macierzy przekształcenia elementarne –

tylko na wierszach – postępując w

ten sposób, aby daną macierz doprowadzić do postaci jednostkowej. Wówczas pierwotny blok jednostkowy
przekształci się do macierzy odwrotnej względem wyjściowej macierzy.

[ ]

⇒⇒⇒⇒⇒⇒

1

-

A

I

I

A

ch

na wiersza

wykonywane

e

elementarn

cenia

przeksztal

background image

Zadanie. Rozwiązać dane równanie macierzowe:

.

1

3

5

2

1

1

2

0

1

2

3

4

T

X





=

+

Rozwiązanie: Na początek wykonujemy transponowanie po obu stronach równości i otrzymujemy













+





=

=

1

5

3

2

1

3

5

2

1

1

2

0

1

2

3

4

T

X

. Z kolei przenosimy na prawą stronę wolną macierz znajdującą się po

lewej stronie równości i odejmujemy od macierzy znajdującej się z prawej strony:

















=

=

0

4

1

2

1

1

2

0

1

5

3

2

1

2

3

4

X

. Mamy zatem równanie









=

0

4

1

2

1

2

3

4

X

z niewiadomą macierzą X,

która jest macierzą wymiaru

2

2

×

i którą w tym przypadku wyliczymy mnożąc obie strony równania przez

macierz odwrotną do macierzy znajdującej się przy X. Mnożenie to należy wykonać z prawej strony po obu

stronach równania ze względu na nieprzemienność mnożenia macierzy. Macierzą odwrotną do macierzy





1

2

3

4

jest macierz









=

2

-

1

5

,

1

5

,

0

-

4

2

-

3

-

1

2

1

-

.









=

0

4

1

2

1

2

3

4

X

,

















=

0

4

1

2

2

-

1

5

,

1

5

,

0

-

1

2

3

4

2

-

1

5

,

1

5

,

0

-

X

,













+

+

=

=

0

1

8

-

2

0

0,5

-

6

1

-

0

4

1

2

2

-

1

5

,

1

5

,

0

-

X

I

,





=

1

6

-

0,5

-

5

X

.


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
macierze i wyznaczniki, wyklad Nieznany
Macierze wyznaczniki Wykład 3
2 Zadania do wykladu Macierze wyznaczniki
2 Zadania do wykladu Macierze wyznaczniki
Prawo cywilne notatki z wykładów prof Ziemianin
macierze i wyznaczniki lista nr Nieznany
prof łaszczyca przwo administracyjne notatki z wykładów5
Filozofia Notatki z wykładów Zdrenka
Teoria kultury - Socjologiczna teoria kultury, Kulturoznawstwo, Teoria kultury - notatki z wykładów
Marketing społeczny notatki z wykładów, notatki - pedagogika, edukacja
Wykład 4 ewolucja, EWOLUCJA, notatki wykład
Macierze i wyznaczniki, Politechnika Poznańska, Elektrotechnika, Matematyka, semestr 2
szacka notatki z wykładów, socjologia
Podstawy marketingu notatki z wykładów
etyka w rachunkowości notatki z wykładu 1
Notatki wykład 1
Marketing w turystyce notatki z wykładów

więcej podobnych podstron