Даны матрицы a b. Действия над матрицами

состоящая из т строк и п столбцов, называется матрицей размера n × m . Числа а 11 , а 12 , ..., а mn называются ее элементами. Таблицу, обозначающую матрицу, записывают в круглых скобках и обозначают А = (а ij ).

Если число строк матрицы равно числу ее столбцов, то матрица называется квадратной, а число ее строк, равное числу столбцов, - порядком квадратной матрицы.

Множество всех элементов квадратной матрицы, кото­рые лежат на отрезке, соединяющем левый верхний угол с правым нижним, называется главной диагональю, а на отрезке, соединяющем правый верхний угол с левым нижним -побочной диагональю.

Квадратная матрица называется диагональной, если все ее элементы, не лежащие на главной диагонали, равны нулю. Квадратная матрица, у которой элементы, стоящие по главной диагонали равны единице, а остальные – нули, называется единичной и обозначается Е.

Две матрицы и называются равными, если число их строк и столбцов равны и если равны элементы, стоящие на соответственных местах этих мат­риц.

Матрица, все элементы которой равны нулю, назы­вается нулевой и обозначается через Н .

По определению, чтобы умножить матрицу А на число r, нужно каждый элемент матрицы А умножить на r.

Пример. Дана матрица А =
, найти матрицу 3А .

3 А = 3
=

Суммой матриц А и В называется матрица С, элементы которой равны суммам соответственных элементов матриц А и В . Складывать можно только матрицы с одинаковым числом строк и столбцов.

Пример. Даны матрицы А =
иВ =
. Найти матрицуС = А + В.

С =

Свойства сложения матриц:

А+В=В+А

(А+ В ) + С = А+ (В + С)

А + Н = А

Произведение матрицы А на матрицу В определено только в том случае, когда число столбцов матрицы А равно числу строк матрицы В. В результате умножения получится матрица АВ, у которой столько же строк, сколько их в матрице А , и столько же столбцов, сколько их в матрице В.

Произведением двух матриц А (m × p ) и В (p × n ) называется матрица С (m × n ), элементы которой определены по правилу

С ij =

Замечание . Для того, чтобы перемножить две матрицы нужно элементы i -ой строки первой матрицы умножить на элементы j -ого столбца второй матрицы и сложить полученные произведения. Получим элемент новой матрицы с индексом ij .

Пример. Даны матрицы а и в. ;. Найти произведение матриц ав.

АВ=

=
=

Пример. Даны матрицы А и В . А =
иВ = .

Решение: А = (2X3), В = (3X2) => АВ = (2X2)

АВ=
=
=

Свойства умножения матриц:

АВ  ВА;

(АВ)С=А(ВС);

АЕ = ЕА = А

(АВ )k = (AB)k= A(Bk)

(A+B)C = AB +BC

A(B+C) = AB + AC/

Транспонированной матрицей А T называется матрица, у которой строки записаны вместо столбцов, а столбцы – вместо строк.

Пример. Пусть дана матрица А=
, тогда

А T =

Определители.

Определителем второго порядка, соответствующий матрице А =
, называется число
=а 11 а 22 - а 12 а 21 .

Пример. Вычислить определителем второго порядка.

= 1 · (-3) – 2 · 4 = -11.

Определителем третьего порядка, соответствующий матрице

А =
, называется число
=а 11 а 22 а 33 +а 12 а 23 а 31 + а 13 а 21 а 32 - а 13 а 22 а 31 - а 12 а 21 а 33 –а 11 а 23 а 32.

Чтобы запомнить какие произведения в правой части равенства следует брать со знаком «+», а какие со знаком «-», полезно правило названное правилом треугольника, изображенное на рис. 1.

« + » « - »

Рисунок 1.

Пример. Вычислить определитель

Второй способ вычисления определителей третьего порядка – это способ вычисления определителей третьего порядка, заключается в дописывании первых двух столбцов, в нахождении произведений по главной диагонали и параллелях к ней и по побочной диагонали и параллелях к ней.

= а 11 а 22 а 33 +а 12 а 23 а 31 + а 13 а 21 а 32 - а 13 а 22 а 31 - а 12 а 21 а 33 –а 11 а 23 а 32.

Свойства определителей :

Если в определителе поменять местами две строки (столбца), то его знак изменится на противоположный.

Если в определителе поменять местами строки и столбцы, то его знак и величина не изменится.

Если в определителе две строки пропорциональны (равны), то он равен нулю.

Если в определителе какую либо строку (столбец) умножить на некоторое число и сложить с другой строкой (столбцом), то его значение не изменится.

Если в определителе элементы какой либо строки (столбца) имеют общий множитель, то его можно вынести за знак определителя.

Если определитель содержит нулевую строку или столбец, то он равен нулю.

Минором М ij элемента определителя а ij называется определитель, получаемый из исходного путем вычеркивания i - ой строки и j -ого столбца на которых расположен этот элемент.

Алгебраическим дополнением А ij элемента определителя а ij называется минор умноженный на (-1) i + j .

Третий способ вычисления определителей – с помощью теоремы разложения.

Теорема разложения: Определитель равен сумме произведений элементов какой-либо строки (столбца) на их алгебраические дополнения.

Пример. Вычислить определитель третьего порядка, разложив определитель по элементам первой строки.

= 5· (-1) 1+1 · + 3 · (-1) 1+2 ·
+ 2·(-1) 1+3 ·
= 68.

Этот же определитель можно вычислить с помощью свойства 4), а затем применить теорему разложения. В нашем примере образуем нули в первом столбце. Для этого к элементам первой строки прибавим элементы второй строки, умноженной на 5, а к элементам третьей строки прибавим элементы второй строки, умноженной на 7. И полученную матрицу разложим по элементам первого столбца.

=
= 0
- (-1)
+0
=
=13 · 34 – 17 · 22 = 68.

Инструкция . Для онлайн решения необходимо задать матричное выражение. На втором этапе необходимо будет уточнить размерность матриц.

Допустимые операции: умножение (*), сложение (+), вычитание (-), обратная матрица A^(-1) , возведение в степень (A^2 , B^3), транспонирование матрицы (A^T).
Для выполнения списка операций используйте разделитель точка с запятой (;). Например, для выполнения трех операций:
а) 3А+4В
б) АВ-ВА
в) (А-В) -1
необходимо будет записать так: 3*A+4*B;A*B-B*A;(A-B)^(-1)

Матрица - прямоугольная числовая таблица, имеющая m строк и n столбцов, поэтому схематически матрицу можно изображать в виде прямоугольника.
Нулевой матрицей (нуль-матрицей) называют матрицу, все элементы которой равны нулю и обозначают 0.
Единичной матрицей называется квадратная матрица вида

Определим основные операции над матрицами .

Сложение матриц

Пример 6 . .
Операция сложения матриц распространяется на случай любого числа слагаемых. Очевидно, что A+0=A .
Еще раз подчеркнем, что складывать можно только матрицы одинакового размера; для матриц разных размеров операция сложения не определена.

Вычитание матриц

Умножение матриц

Пример 7 . Даны матрицы и . Найти матрицы C = A·B и D = B·A.
Решение. Прежде всего заметим, что произведение A·B существует, так как число столбцов A равно числу строк B.

Пример 8 . Дана матрица . Найти 3A 2 – 2A.
Решение.

.
; .
.
Отметим следующий любопытный факт.
Как известно, произведение двух отличных от нуля чисел не равно нулю. Для матриц подобное обстоятельство может и не иметь места, то есть произведение ненулевых матриц может оказаться равным нуль-матрице.

1. Общие указания. Контрольная работа должна быть выполнена в отдельной тетради в клетку с полями для пометок. Текст работы пишется разборчиво от руки чернилами одного цвета. При выполнении заданий необходимо полностью привести их условие. Задания, в которых даны лишь ответы без решений, будут считаться нерешенными. Контрольные работы другого варианта не засчитываются. Работа должна быть выполнена аккуратно, чисто, без помарок.

Контрольная работа должна быть выполнена, оформлена и сдана студентом для проверки до начала сессии.

Каждый студент выполняет свой вариант контрольной работы. Номер варианта определяется последней цифрой зачетной книжки или студенческого билета. Если последней цифрой является ноль, то выполняется десятый вариант.

2. Варианты заданий.

Задание 1

Найти произведение матриц А и В:

,
.

Решение:

Так как сомножители имеют размеры
и
, то их произведение определено и имеет размеры
. Следовательно,

Варианты задания 1

Найти произведение матриц А и В:

,
.

Задание 2

Дана матрица А. Найти матрицу А -1 и установить, что АА -1 =Е.

Решение:

, где

Для нахождения матрицы А -1 необходимо, прежде всего, вычислить определитель матрицы А и убедиться в том, что она существует. Для этого воспользуемся методом Саррюса.

Вычислим алгебраические дополнения к каждому элементу матрицы по формуле:

А -1 .

.

Выполним проверку:

Варианты задания 2

Дана матрица А. Найти матрицу А -1 и установить, что АА -1 =Е.

Задание 3

Найти решение системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) одним из предложенных методов:

метод Крамера

метод обратной матрицы

метод Гаусса

Сделать проверку решения.

Решение:

Выпишем матрицу коэффициентов системы

Решим систему методом Крамера.

Сначала рассмотрим условие совместимости, т.е.

Следовательно система совместна, т.е. имеет единственное решение.

где- получается из определителя заменой i -го столбца столбцом свободных элементов.

где
- точка пересечения прямых системы.

Итак


Сделаем проверку, подставив найденное решение в каждое уравнение системы.

Проверка:

;.

Итак, мы видим, что после подстановки в систему каждое уравнение обратилось в числовое тождество. Следовательно, решение системы найдено верно.

Решим систему методом обратной матрицы.

Запишем систему в матричном виде:

,,.

;
. Найдем обратную матрицуА -1 .

, где

Определитель найден в решении системы методом Крамера:

Для нахождения матрицы А -1 осталось вычислить алгебраические дополнения к каждому элементу матрицы по формуле:

Подставим найденные значения в исходную формулу для вычисления А -1 .

.

Выполним проверку:

Проверка подтвердила правильность найденной нами матрицы.

Найдем матрицу-столбец неизвестных:

.

Ответ совпадает с решением, найденным методом Крамера, поэтому проверку делать не будем.

Решим систему методом Гаусса.

Поскольку элементарные преобразования системы аналогичны элементарным преобразованиям матрицы, для решения системы выпишем расширенную матрицу системы:

.

Приведем расширенную матрицу системы к эквивалентной матрице системы в ступенчатом виде.

По теореме Кронекера-Капелли система имеет решение, если ранг расширенной матрицы равен рангу приведенной матрицы.

Найденный ответ совпадает с ответами, найденными предыдущими методами. Делать проверку нет необходимости, т.к. она сделана ранее.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТРИЦЫ. ВИДЫ МАТРИЦ

Матрицей размером m ×n называется совокупность m·n чисел, расположенных в виде прямоугольной таблицы из m строк и n столбцов. Эту таблицу обычно заключают в круглые скобки. Например, матрица может иметь вид:

Для краткости матрицу можно обозначать одной заглавной буквой, например, А или В .

В общем виде матрицу размером m ×n записывают так

.

Числа, составляющие матрицу, называются элементами матрицы . Элементы матрицы удобно снабжать двумя индексами a ij : первый указывает номер строки, а второй – номер столбца. Например, a 23 – элемент стоит во 2-ой строке, 3-м столбце.

Если в матрице число строк равно числу столбцов, то матрица называется квадратной , причём число ее строк или столбцов называется порядком матрицы. В приведённых выше примерах квадратными являются вторая матрица – её порядок равен 3, и четвёртая матрица – её порядок 1.

Матрица, в которой число строк не равно числу столбцов, называется прямоугольной . В примерах это первая матрица и третья.

Различаются также матрицы, имеющие только одну строку или один столбец.

Матрица, у которой всего одна строка , называется матрицей – строкой (или строковой), а матрица, у которой всего один столбец, матрицей – столбцом .

Матрица, все элементы которой равны нулю, называется нулевой и обозначается (0), или просто 0. Например,

.

Главной диагональю квадратной матрицы назовём диагональ, идущую из левого верхнего в правый нижний угол.

Квадратная матрица, у которой все элементы, лежащие ниже главной диагонали, равны нулю, называется треугольной матрицей.

.

Квадратная матрица, у которой все элементы, кроме, быть может, стоящих на главной диагонали, равны нулю, называется диагональной матрицей. Например, или .

Диагональная матрица, у которой все диагональные элементы равны единице, называется единичной матрицей и обозначается буквой E. Например, единичная матрица 3-го порядка имеет вид .

ДЕЙСТВИЯ НАД МАТРИЦАМИ

Равенство матриц . Две матрицы A и B называются равными, если они имеют одинаковое число строк и столбцов и их соответствующие элементы равны a ij = b ij . Так если и , то A=B , если a 11 = b 11 , a 12 = b 12 , a 21 = b 21 и a 22 = b 22 .

Транспонирование . Рассмотрим произвольную матрицу A из m строк и n столбцов. Ей можно сопоставить такую матрицу B из n строк и m столбцов, у которой каждая строка является столбцом матрицы A с тем же номером (следовательно, каждый столбец является строкой матрицы A с тем же номером). Итак, если , то .

Эту матрицу B называют транспонированной матрицей A , а переход от A к B транспонированием .

Таким образом, транспонирование – это перемена ролями строк и столбцов матрицы. Матрицу, транспонированную к матрице A , обычно обозначают A T .

Связь между матрицей A и её транспонированной можно записать в виде .

Например. Найти матрицу транспонированную данной.

Сложение матриц. Пусть матрицы A и B состоят из одинакового числа строк и одинакового числа столбцов, т.е. имеют одинаковые размеры . Тогда для того, чтобы сложить матрицы A и B нужно к элементам матрицы A прибавить элементы матрицы B , стоящие на тех же местах. Таким образом, суммой двух матриц A и B называется матрица C , которая определяется по правилу, например,

Примеры. Найти сумму матриц:

Легко проверить, что сложение матриц подчиняется следующим законам: коммутативному A+B=B+A и ассоциативному (A+B )+C =A +(B+C ).

Умножение матрицы на число. Для того чтобы умножить матрицу A на число k нужно каждый элемент матрицы A умножить на это число. Таким образом, произведение матрицы A на число k есть новая матрица, которая определяется по правилу или .

Для любых чисел a и b и матриц A и B выполняются равенства:

Примеры.

Умножение матриц. Эта операция осуществляется по своеобразному закону. Прежде всего, заметим, что размеры матриц–сомножителей должны быть согласованы. Перемножать можно только те матрицы, у которых число столбцов первой матрицы совпадает с числом строк второй матрицы (т.е. длина строки первой равна высоте столбца второй). Произведением матрицы A не матрицу B называется новая матрица C=AB , элементы которой составляются следующим образом:

Таким образом, например, чтобы получить у произведения (т.е. в матрице C ) элемент, стоящий в 1-ой строке и 3-м столбце c 13 , нужно в 1-ой матрице взять 1-ую строку, во 2-ой – 3-й столбец, и затем элементы строки умножить на соответствующие элементы столбца и полученные произведения сложить. И другие элементы матрицы-произведения получаются с помощью аналогичного произведения строк первой матрицы на столбцы второй матрицы.

В общем случае, если мы умножаем матрицу A = (a ij) размера m ×n на матрицу B = (b ij) размера n ×p , то получим матрицу C размера m ×p , элементы которой вычисляются следующим образом: элемент c ij получается в результате произведения элементов i -ой строки матрицы A на соответствующие элементы j -го столбца матрицы B и их сложения.

Из этого правила следует, что всегда можно перемножать две квадратные матрицы одного порядка, в результате получим квадратную матрицу того же порядка. В частности, квадратную матрицу всегда можно умножить саму на себя, т.е. возвести в квадрат.

Другим важным случаем является умножение матрицы–строки на матрицу–столбец, причём ширина первой должна быть равна высоте второй, в результате получим матрицу первого порядка (т.е. один элемент). Действительно,

.

Примеры.

Таким образом, эти простые примеры показывают, что матрицы, вообще говоря, не перестановочны друг с другом, т.е. A∙B ≠ B∙A . Поэтому при умножении матриц нужно тщательно следить за порядком множителей.

Можно проверить, что умножение матриц подчиняется ассоциативному и дистрибутивному законам, т.е. (AB)C=A(BC) и (A+B)C=AC+BC .

Легко также проверить, что при умножении квадратной матрицы A на единичную матрицу E того же порядка вновь получим матрицу A , причём AE=EA=A .

Можно отметить следующий любопытный факт. Как известно произведение 2-х отличных от нуля чисел не равно 0. Для матриц это может не иметь места, т.е. произведение 2-х не нулевых матриц может оказаться равным нулевой матрице.

Например , если , то

.

ПОНЯТИЕ ОПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ

Пусть дана матрица второго порядка – квадратная матрица, состоящая из двух строк и двух столбцов .

Определителем второго порядка , соответствующим данной матрице, называется число, получаемое следующим образом: a 11 a 22 – a 12 a 21 .

Определитель обозначается символом .

Итак, для того чтобы найти определитель второго порядка нужно из произведения элементов главной диагонали вычесть произведение элементов по второй диагонали.

Примеры. Вычислить определители второго порядка.

Аналогично можно рассмотреть матрицу третьего порядка и соответствующий ей определитель.

Определителем третьего порядка , соответствующим данной квадратной матрице третьего порядка, называется число, обозначаемое и получаемое следующим образом:

.

Таким образом, эта формула даёт разложение определителя третьего порядка по элементам первой строки a 11 , a 12 , a 13 и сводит вычисление определителя третьего порядка к вычислению определителей второго порядка.

Примеры. Вычислить определитель третьего порядка.

Аналогично можно ввести понятия определителей четвёртого, пятого и т.д. порядков, понижая их порядок разложением по элементам 1-ой строки, при этом знаки "+" и "–" у слагаемых чередуются.

Итак, в отличие от матрицы, которая представляют собой таблицу чисел, определитель это число, которое определённым образом ставится в соответствие матрице.