Задачи линейной алгебры
Реферат подготовил учащийся 1КД гр. Сергей Шрам
Министерство науки и образования Украины
ДГМА
Краматорск
2003
При решении различных задач математики очень часто приходится иметь дело с таблицами чисел, называемых матрицами. С помощью матриц удобно решать системы линейных уравнений, выполнять многие операции с векторами, решать различные задачи компьютерной графики и другие инженерные задачи.
Матрицей называется прямоугольная таблица из чисел, содержащая некоторое количество m строк и некоторое количество п столбцов. Числа т и п называются порядками матрицы. В случае, если т = п, матрица называется квадратной, а число m = n — ее порядком.
В дальнейшем для записи матриц будут применяться либо сдвоенные черточки, либо круглые скобки:
или
Для краткого обозначения матрицы часто будет использоваться либо одна большая латинская буква (например, A), либо символ a ij
, а иногда с разъяснением: А = a ij
= ( a ij
), где (i = 1, 2, ..., т, j=1, 2, ..., n).
Числа a ij
, входящие в состав данной матрицы, называются ее элементами. В записи a ij
первый индекс i означает номер строки, а второй индекс j — номер столбца. В случае квадрат-ной матрицы
(1. 1)
вводятся понятия главной и побочной диагоналей. Главной диагональю матрицы (1. 1) называется диагональ а11
а12
… ann
идущая из левого верхнего угла этой матрицы в правый нижний ее угол. Побочной диагональю той же матрицы называется диагональ аn1
а(n-1)2
… a1n
, идущая из левого нижнего угла в правый верхний угол.
Основные операции над матрицами и их свойства.
Прежде всего, договоримся считать две матрицы равными, если эти матрицы имеют одинаковые порядки и все их соответствующие элементы совпадают.
Перейдем к определению основных операции над матрицами.
Сложение матриц. Суммой двух матриц A = a ij
, где (i = 1, 2, ..., т, j=1, 2, ..., n) и В = b ij
, где (i = 1, 2, ..., т, j=1, 2, ..., n) одних и тех же порядков т и п называется матрица С = c ij
(i =1,2, ..., т; j = 1, 2, ...., п) тех же порядков т и п, элементы сij
которой определяются по формуле
, где (i = 1, 2, ..., т, j=1, 2, ..., n) (1. 2)
Для обозначения суммы двух матриц используется запись С = А + В. Операция составления суммы матриц называется их сложением. Итак, по определению:
+ =
2) сочетательным свойством: (A + B) + С = А + (В + С).
Эти свойства позволяют не заботиться о порядке следования слагаемых матриц при сложении двух или большего числа матриц.
Умножение матрицы на число. Произведением матрицы A = a ij
, где (i = 1, 2, ..., m, j=1, 2, ..., n) на вещественное число l, называется матрица С = c ij
(i =1,2, ..., m; j = 1, 2, ...., n), элементы которой определяются по формуле:
, где (i = 1, 2, ..., т, j=1, 2, ..., n) (1. 3)
Непосредственно из формулы (1. 3) ясно, что умножение матрицы на число обладает следующими свойствами:
3) распределительным свойством относительно суммы чисел: (l + m) A = l A + m A
Замечание. Разностью двух матриц А и В одинаковых порядков т и п естественно назвать такую матрицу С тех же порядков т и п, которая в сумме с матрицей B дает матрицу A. Для обозначения разности двух матриц используется естественная запись: С = A — В.
Очень легко убедиться в том, что разность С двух матриц А и В может быть получена по правилу С = A + (–1) В.
Произведение матриц или перемножение матриц.
ij
, где (i = 1, 2, ..., m, j = 1, 2, ..., n) имеющей порядки, соответственно равные т и n, на матрицу В = b ij ij
(i =1,2, ..., m; j = 1, 2, ...., р), имеющая порядки, соответственно равные т и р элементы которой определя-ются по формуле:
× В. Операция составления произведения матрицы А на матрицу В называется перемножением этих матриц.
Формула (1. 4) представляет собой правило составления элементов матрицы С, являющейся произведением матрицы А на матрицу В. Это правило можно сформулировать и словесно: элемент ci j
стоящий на пвресечении i-й строки и j-го столбца матрицьi С = А В, равен сумме попарных произведений соответствующих элементов i-й строки матрицы А и j-го столбца матрицы В.
В качестве примера применения указанного правила приведем формулу перемножения квадратных матриц второго порядка.
× =
2) распределительное относительно суммы матриц свойство:
( A + B ) С = А С + В С или A ( В + С ) = A В + А С.
Приведем важные частные случаи матриц, для которых справедливо и переста-новочное свойство. Две матрицы для произведения которых справедливо перестановочное свойство, принято називать коммутирующими.
Среди квадратных матриц выделим класс так называемых диагональных матриц, у каждой из которых элементы, расположенные вне главной диагонали, равны нулю. Каждая диа-гональная матрица порядка п имеет вид
D = (1. 5)
где d1
, d2
, …, dn
—какие угодно числа. Легко видеть, что если все эти числа равны между собой, т. е. d1
= d2
= … = dn
Среди всех диагональных матриц (1. 5) с совпадающими элементами d1
= d2
= … = dn нулевой матрицей n-го порядка и обозначается символом O. Таким образом,
E = O =
В силу доказанного выше А Е = Е А и А О = О А. Более того, легко показать, что
А Е = Е А = А, А О = О А = 0. (1. 6)
Первая из формул (1. 6) характеризует особую роль единичной матрицы Е, аналогичную той роли, которую играет число 1 при перемножений вещественных чисел. Что же касается особой роли нулевой матрицы О, то ее выявляет не только вторая из формул (1. 7), но и элементарно проверяемое равенство
В заключение заметим, что понятие нулевой матрицы можно вводить и для неквадрат-ных матриц (нулевой называют любую матрицу, все элементы которой равныї нулю).
Блочные матрицы
Предположим, что некоторая матрица A = a ij случае возникает возможность рассмотрения исходной матрицы А как некоторой новой (так называемой б л о ч н о й) матрицыi А = A ab элементы) снабжаем двумя индексами, первый из которых указывает номер «блочной» строки, а второй — номер «блочного» столбца.
Например, матрицу
можно рассматривать как блочную матрицу
элементами которой служат следующие блоки:
блоки.
Рассмотрим произвольную квадратную матрицу любого порядка п:
A = (1. 7)
Если порядок n матрицы (1. 7) равен единице, то эта матрица состоит из одного элемен-та аi j
определителем первого порядка соответствующим такой матрице, мы назовем величину этого элемента.
Если далее порядок п матрицы (1. 7) равен двум, т. е. если эта матрица имеет вид
A = (1. 8)
то определителем второго порядка, соответствующим такой матрице, назовем число, равное а11
а22
— а12
а21
и обозначаемое одним из символов:
Итак, по определению
(1. 9)
Формула (1. 9) представляет собой правило составления определителя второго порядка по элементам соответствующей ему матрицы. Словесная формулировка этого правила такова: определитель второго порядка, соответствующий матрице (1. 8), равен разности произведения элементов, стоящих на главной диагонали этой матрицы, и произведения элементов, стоящих на побочной ее диагонали. Определители второго и более высоких порядков находят широкое применение при решении систем линейных уравнений.
Рассмотрим, как выполняются операции с матрицами в системе MathCad. Простейшие операции матричной алгебры реализованы в MathCad в виде операторов. Написание операторов по смыслу максимально приближено к их математическому действию. Каждый оператор выражается соответствующим символом. Рассмотрим матричные и векторные операции MathCad 2001. Векторы являются частным случаем матриц размерности n x 1, поэтому для них справедливы все те операции, что и для матриц, если ограничения особо не оговорены (например, некоторые операции применимы только к квадратным матрицам n x n). Какие-то действия допустимы только для векторов (например, скалярное произведение), а какие-то, несмотря на одинаковое написание, по-разному действуют на векторы и матрицы.
Рис. 1 Панель инструментов Матрицы
введите имя матрицы и знак присваивания (двоеточие)
После нажатия кнопки OK открывается поле для ввода элементов матрицы. Для того, чтобы ввести элемент матрицы, установите курсор в отмеченной позиции и введите с клавиатуры число или выражение.
Для того, чтобы выполнить какую-либо операцию с помощью панели инструментов, нужно:
выделить матрицу и щелкнуть в панели по кнопке операции,
или щелкнуть по кнопке в панели и ввести в помеченной позиции имя матрицы.
Меню “Символы” содержит три операции - транспонирование, инвертирование, определитель.
Это означает, например, что вычислить определитель матрицы можно, выполнив команду Символы/Матрицы/Определитель.
Номер первой строки (и первого столбца) матрицы MathCAD хранит в переменной ORIGIN. По умолчанию отсчет ведется от нуля. В математической записи чаще принято вести отсчет от 1. Для того, чтобы MathCAD вел отсчет номеров строк и столбцов от 1, нужно задать значение переменной ORIGIN:=1.
из этих функций будут описаны позже.
Транспонирование
Сложение
Умножение
При умножении следует помнить, что матрицу размерности m x n допустимо умножать только на матрицу-размерности n x p (р может быть любым). В результате получается матрица размерности m х р.
Обратите внимание, что попытка перемножить матрицы A и B несоответствующего (одинакового 2х3) размера оказалась безрезультатной: после введенного знака равенства находится пустой местозаполнитель, а само выражение в редакторе MathCad выделяется красным цветом. При установке курсора на это выражение, появляется сообщение о несовпадении числа строк первой матрицы числу столбцов второй матрицы.
Рис. 7
Умножение вeктopa и строки |
|
Определитель квадратной матрицы
Matrix (Матрица) (рис. 1) или набрать на клавиатуре <> (нажав клавиши <Shift>+<\>). В результате любого из этих действий появляется местозаполнитель, в который следует поместить матрицу. Чтобы вычислить определить уже введенной матрицы, нужно выполнить следующие действия:
Переместить курсор в документе таким образом, чтобы поместить матрицу между линиями ввода (напоминаем, что линии ввода — это вертикальный и горизон-тальный отрезки синего цвета, образующие уголок, указывающий на текущую область редактирования).
Ввести оператор нахождения определителя матрицы.
Рис. 9
Поиск определителя квадратной матрицы |
|
Модуль вектора
Рис. 10
Поиск модуля вектора |
|
Скалярное произведение векторов
Никогда не применяйте для обозначения скалярного произведения символ который является общеупотребительным символом векторного произведения.
Рис. 11
Скалярное произведение векторов |
|
умножения см. в листинге на рис. 12.
Рис. 12
Особенности скалярного произведения векторов |
|
Векторное произведение векторов |
|
Задание 1.
Ответ:
|