Определитель матрицы – это число, характеризующее квадратную матрицу А и тесно связанное с решением систем линейных уравнений. Определитель матрицы А обозначается или . Любой квадратной матрице А порядка n ставится в соответствие по определенному закону вычисленное некоторое число, называемое определителем, или детерминантом, n-го порядка этой матрицы. Рассмотрим определители второго и третьего порядков.

Пусть дана матрица

,

тогда ее определитель второго порядка вычисляется по формуле

.

Пример. Вычислить определитель матрицы А:

Ответ: -10.

Определитель третьего порядка вычисляется по формуле

Пример. Вычислить определитель матрицы В

.

Ответ: 83.

Вычисление определителя n-го порядка производится на основании свойств определителя и следующей теоремы Лапласа: определитель равен сумме произведений элементов любой строки (столбца) матрицы на их алгебраические дополнения:

Алгебраическое дополнение элемента равно , где - минор элемента , получаемый путем вычеркивания в определителе i-ой строки и j-го столбца.

Минором порядка элемента матрицы А называется определитель матрицы (n-1)-го порядка, полученный из матрицы А вычеркиванием i-ой строки и j-го столбца.

Пример . Найти алгебраические дополнения всех элементов матрицы А:

.

Ответ: .

Пример . Вычислить определитель матрицы треугольной матрицы:

Ответ: -15.

Свойства определителей:

1. Если какая-либо строка (столбец) матрицы состоит из одних нулей, то ее определитель равен 0.

2. Если все элементы какой-либо строки (столбца) матрицы умножить на число , то ее определитель умножится на это число.

3. При транспонировании матрицы ее определитель не изменится.

4. При перестановке двух строк (столбцов) матрицы ее определитель меняет знак на противоположный.

5. Если квадратная матрица содержит две одинаковые строки (столбца), то ее определитель равен 0.

6. Если элементы двух строк (столбцов) матрицы пропорциональны, то ее определитель равен 0.

7. Сумма произведения элементов какой-либо строки (столбца) матрицы на алгебраические дополнения элементов другой строки (столбца) этой матрицы равна 0.

8. Определитель матрицы не изменится, если к элементам какой-либо строки (столбца) матрицы прибавить элементы другой строки (столбца), предварительно умноженные на одно и то же число.

9. Сумма произведений произвольных чисел на алгебраические дополнения элементов любой строки (столбца) равна определителю матрицы, полученной из данной заменой элементов этой строки (столбца) на числа .

10. Определитель произведения двух квадратных матриц равен произведению их определителей.

Обратная матрица.

Определение. Матрица называется обратной по отношению к квадратной матрице А, если при умножении этой матрицы на данную как справа, так и слева получается единичная матрица:

.

Из определения следует, что только квадратная матрица имеет обратную; в этом случае и обратная матрица является квадратной того же порядка. Если определитель матрицы отличен от нуля, то такая квадратная матрица называется невырожденной.

Необходимое и достаточное условие существования обратной матрицы: Обратная матрица существует (и единственна) тогда и только тогда, когда исходная матрица невырожденная.

Первый алгоритм вычисления обратной матрицы:

1. Находим определитель исходной матрицы. Если определитель не равен нулю, то исходная матрица невырожденная и обратная матрица существует.

2. Находим матрицу , транспонированную к А.

3. Находим алгебраические дополнения элементов транспонированной матрицы и составляем из них присоединенную матрицу .

4. Вычисляем обратную матрицу по формуле: .

5. Проверяем правильность вычисления обратной матрицы, исходя из ее определения .

Пример.

.

Ответ: .

Второй алгоритм вычисления обратной матрицы:

Обратную матрицу можно вычислить на основании следующих элементарных преобразований над строками матрицы:

Перемена местами двух строк;

Умножение строки матрицы на любое число, отличное от нуля;

Прибавление к одной строке матрицы другой строки, умноженной на любое число, отличное от нуля.

Для того чтобы вычислить обратную матрицу для матрицы А, необходимо составить матрицу , затем путем элементарных преобразований привести матрицу А к виду единичной матрицы Е, тогда на месте единичной матрицы получим матрицу .

Пример. Вычислить обратную матрицу для матрицы А:

.

Составляем матрицу В вида:

.

Элемент = 1 и первую строку, содержащую данный элемент, назовем направляющими. Осуществим элементарные преобразования, в результате которых первый столбец преобразуется в единичный столбец с единицей в первой строке. Для этого ко второй и третьей строкам прибавим первую строку, соответственно умноженную на 1 и -2. В результате этих преобразований получим:

.

Окончательно получим

.

Откуда .

Ранг матрицы. Рангом матрицы А называется наивысший порядок отличных от нуля миноров этой матрицы. Ранг матрицы А обозначается rang(A) или r(A).

Из определения следует: а) ранг матрицы не превосходит меньшего из ее размеров, т.е. r(А) меньше или равен минимальному из чисел m или n; б) r(A)=0 тогда и только тогда, когда все элементы матрицы А равны нулю; в) для квадратной матрицы n-го порядка r(A)=n тогда и только тогда, когда матрица А - невырожденная.

Пример : вычислить ранги матриц:

.

Ответ: r(A)=1. Ответ: r(A)=2.

Назовем элементарными преобразованиями матрицы следующие:

1) Отбрасывание нулевой строки (столбца).

2) Умножение всех элементов строки (столбца) матрицы на число, не равное нулю.

3) Изменение порядка строк (столбцов) матрицы.

4) Прибавление к каждому элементу одной строки (столбца) соответствующих элементов другой строки (столбца), умноженных на любое число.

5) Транспонирование матрицы.

Ранг матрицы не изменяется при элементарных преобразованиях матрицы.

Примеры : Вычислить матрицу , где

; ;

Ответ: .

Пример : Вычислить матрицу , где

; ; ; E – единичная матрица.

Ответ: .

Пример : Вычислить определитель матрицы

.

Ответ : 160.

Пример : Определить, имеет ли матрица А обратную, и если имеет, то вычислить ее:

.

Ответ : .

Пример : Найти ранг матрицы

.

Ответ : 2.

2.4.2. Системы линейных уравнений.

Система m линейных уравнений с n переменными имеет вид:

,

где , - произвольные числа, называемые соответственно коэффициентами при переменных и свободными членами уравнений. Решением системы уравнений называется такая совокупность n чисел (), при подстановке которых каждое уравнение системы обращается в верное равенство.

Система уравнений называется совместной, если она имеет хотя бы одно решение, и несовместной, если она не имеет решений. Совместная система уравнений называется определенной, если она имеет единственное решение, и неопределенной, если она имеет более одного решения.

Теорема Крамера: Пусть - определитель матрицы А, составленной из коэффициентов при переменных “х”, а - определитель матрицы, получаемой из матрицы А заменой j-го столбца этой матрицы столбцом свободных членов. Тогда, если , то система имеет единственное решение, определяемое по формулам: (j=1, 2, …, n). Эти уравнения получили названия формул Крамера.

Пример. Решить системы уравнений по формулам Крамера:

Ответы : (4, 2, 1). (1, 2, 3) (1, -2, 0)

Метод Гаусса – метод последовательного исключения переменных, заключается в том, что с помощью элементарных преобразований система уравнений приводится к равносильной системе ступенчатого (или треугольного) вида, из которой последовательно, начиная с последних по номеру переменных, находятся все остальные переменные.

Пример : Решить системы уравнений методом Гаусса.

Ответы : (1, 1, 1). (1, -1, 2, 0). (1, 1, 1).

Для совместных систем линейных уравнений верны следующие утверждения:

· если ранг матрицы совместной системы равен числу переменных, т.е. r = n, то система уравнений имеет единственное решение;

· если ранг матрицы совместной системы меньше числа переменных, т.е. r

2.4.3. Технология выполнения операций над матрицами в среде EXCEL.

Рассмотрим некоторые аспекты работы с табличным процессором Excel, которые позволяют упростить расчеты, необходимые для решения оптимизационных задач. Табличный процессор – это программный продукт, предназначенный для автоматизации обработки данных табличной формы.

Работа с формулами. В программах электронных таблиц формулы служат для выполнения множества разнообразных расчетов. С помощью Excel можно быстро создать формулу. Формула состоит из трех основных частей:

Знак равенства;

Операторы.

Использование в формулах функций . Чтобы облегчить ввод формул, можно воспользоваться функциями Excel. Функции – это встроенные в Excel формулы. Для активизации той или иной формулы следует нажать кнопки Вставка , Функции. В появившемся окне Мастер функций слева содержится перечень типов функций. После выбора типа справа будет помещен список самих функций. Выбор функций осуществляется щелчком клавиши мыши на соответствующем названии.

При выполнении операций над матрицами, решении систем линейных уравнений, решении оптимизационных задач можно применять следующие функции Excel:

МУМНОЖ - умножение матриц;

ТРАНСП - транспонирование матрицы;

МОПРЕД - вычисление определителя матрицы;

МОБР - вычисление обратной матрицы.

Кнопка находится на панели инструментов. Функции для выполнения операций с матрицами находятся в категории Математические .

Умножение матриц с помощью функции МУМНОЖ . Функция МУМНОЖ возвращает произведение матриц (матрицы хранятся в массивах 1 и 2). Результатом является массив с таким же числом строк, как массив 1, и с таким же числом столбцов, как массив 2.

Пример. Найти произведение двух матриц А и В в среде Excel (см. рис 2.9):

; .

Введите матрицы А в ячейки А2:C3 и В в ячейки E2:F4.

Выделите диапазон ячеек для результата умножения – H2:I2.

Введите формулу умножения матриц =МУМНОЖ(A2:C3, E2:F4).

Нажмите клавиши CTRL+SHIFT+ENTER.

Вычисления обратной матрицы с помощью функции МОБР .

Функция МОБР возвращает обратную матрицу для матрицы, хранящейся в массиве. Синтаксис: МОБР(массив). На рис. 2.10 приведено решение примера в среде Excel.

Пример. Найти матрицу, обратную к данной:

.

Рисунок 2.9. Исходные данные для умножения матриц.

Определитель матрицы обозначается. Другими словами определитель матрицы -это сумма произведений из множества умноженная на знак, соответствующей подстановки.

Определитель второго порядка равен произведению элементов главной диагонали вычесть произведение элементов на побочной.

Получили правило треугольника:

Простейшие свойства определителей

Определитель матрицы с нулевой строкой (столбцом) равен нулю

Определитель треугольной матрицы равен произведению элементов, расположенных на главной диагонали

Это треугольная матрица если элементы под главной диагональю равны нулю.

Определитель диагональной матрицы равен произведению элементов, расположенных на главной диагонали. Матрица диагональная если все элементы, расположенные вне главной диагонали равны нулю.

Основные свойства определителей

поле скаляров,

Доказательство:

обозначим. Если «пробегает» все множество, то тоже «пробегает» все т.е.

При перестановке двух столбцов (строк) матрицы ее определитель изменит знак.

Доказательство:

I) Перестановка столбцов:

Пусть - это матрица, полученная из перестановкой двух столбцов с номерами, где. Рассмотрим транспозицию:

Транспозиция является нечетной подстановкой,

В доказательстве будем использовать равенство:

Если пробегает все множество значений, то тоже пробегает все значения и

II) Перестановка строк

Пусть получена из перестановкой двух строк, тогда получена из перестановкой двух столбцов, тогда

III) Определитель матрицы, имеющий две одинаковые строки (столбца) равных нулю

Доказательство:

Проведем для такого поля, где

Замечание

Доказательство для случая найди в учебнике Куликовой Алгебра и теория чисел

Пусть в есть две одинаковые строки с номерами и, где, поменяем местами строки и, получим матрицу

Если у два одинаковых столбца, то у транспонированной матрицы две одинаковые строки

IV) Если все элементы какой-либо строки (столбца) матрицы умножить на, то определитель умножиться на

Доказательство:

Пусть получена из умножением на строки

так как, то

Аналогичное доказательство для столбцов

V) Определитель матрицы у которой две строки (столбца) пропорциональны равны нулю

Доказательство:

Пусть в матрице, строки пропорциональны т.е. -строка равна произведению на -строку. Пусть

Для столбцов:

Пусть получена из, . Столбцы и пропорциональны и

VI) Если каждый элемент -строки(столбца) квадратной матрицы есть сумма двух элементов, то определитель равен сумме двух определителей. В матрице первого определителя в - строке (столбце), записаны первые слагаемые, а в матрице второго определителя вторые слагаемые. Остальные элементы матриц этих определителей такие же как у матрицы

Доказательство:

VII) Ели к какой либо строке (столбцу) матрице определителя прибавить другую строку (столбец), умноженный на, то определитель не изменится.

Доказательство:

Для столбцов аналогично.

VIII) Если какая либо строка (столбец) матрицы является линейной комбинацией других строк (столбцов) , то определитель

Доказательство:

Если какая то строка линейная комбинация других строк, то к ней можно прибавить другие строки, умноженные на скаляры так, чтобы получилась нулевая строка. Определитель такой матрицы равен нулю.

(сначала умножаем первую строку на -2 и складываем со второй, затем на -3 и складываем с третей). Такое правило приведения к треугольному виду используется для определителей - порядка:

так как определитель треугольной матрицы равен произведению элементов расположенных на главной диагонали.

Если квадратная матрица является произведением некоторых матриц (которые могут быть прямоугольными), то часто бывает важно иметь возможность выразить определитель произведения в терминах свойств множителей. Следующая теорема - мощный показатель этого.

Миноры и алгебраические дополнения.

Теоремы об определителях.

поле скаляров,

Опр. Минор элемента определителя порядка - определитель порядка, полученный из вычеркиванием -строки и -столбца.

Главные миноры определителя

Для главные миноры есть определители

Рассмотрим матрицу и вычислим ее миноры

Определение. Алгебраическим дополнением элемента обозначается называется число

Пример: Вычислим,

Доказательство:

(в сумме только те слагаемые ненулевые, где)

Тогда подстановка имеет вид: , где. К подстановке поставим в соответствие т.е.

Такое соответствие называется взаимооднозначным отображением множества подстановок на множество подстановок, . Очевидно, что и имеют одинаковые инверсии, значит имеют одинаковую четность и знаки

Если равны нулю все элементы какой-либо строки (столбца) матрицы за исключением быть может одного элемента, то определитель матрицы равен произведению этого элемента на его алгебраическое дополнение

Доказательство:

Пусть все элементы -строки матрицы за исключением элемента

перестановкой строк и столбцов переместили элемент в правый нижний угол, значит строк и -столбцов. Знак будет меняться раз, после этого получиться матрица у которой все элементы последней строки кроме может быть равны нулю. По Лемме 1 , т.к.

Теорема Лагранжа

равна сумме произведений элементов какого-либо столбца (строки) матрицы на их алгебраическое дополнение. Другими словами: разложение по -столбцу матрицы имеет вид: , а разложение по -строке матрицы:

Доказательство:

рассмотрим -столбец матрицы и запишем в виде: , по 6 свойству определителей:

определитель матрица лагранж математический

аналогично доказывается формула разложение по -строке матрицы.

Теорема 2

Справедливы равенства:

Рассмотрим матрицу, которая получена из матрицы следующим образом: все столбцы матрицы, кроме -го такие же как и у матрицы. -тый столбец матрицы совпадает с -столбцом, тогда у два одинаковых столбца, поэтому определитель матрицы равен нулю, разложим определитель матрицы по -тому столбцу.

Тогда. Формула (2) показывается аналогично.

Следствие:

Определитель произведение матриц

поле скаляров,

Пусть элементарная матрица порядка, тогда справедливо равенство:

1) ., т.е. получена из матрицы, умножением -строки на скаляр. Определитель матрицы.

Матрица получена из умножением -строки на скаляр, поэтому определитель

Матрица, полученная из прибавлением к -строке

• -элементарные матрицы
• 1) , доказательство следует из Леммы 1

2) , доказательство из утверждения (1) при условии

Теорема 1

Определитель произведения двух матриц равен произведению их определителей т.е.

Доказательство:

Пусть строки матрицы линейно независимы, тогда существует цепочка элементарных преобразований

тогда по Лемме 2 следует, что. Из того, что () имеем: , тогда

2) Строки линейно зависимы, тогда существует цепочка элементарных преобразований, которая переводит в ступенчатую матрицу, у которой есть нулевая строка т.е. , . Тогда

Из того, что, в произведении, тоже есть нулевая строка, потому

Необходимые и достаточные условия равенства определителя нулю

поле скаляров, - матрица над полем

Теорема 1

строки (столбцы) матрицы линейно зависимы

Достаточность:

Если строки (столбцы) матрицы линейно зависимы, то какая-то строка является линейной комбинацией других строк (по 8 свойсву определителей)

Необходимость:

Пусть. Докажем, что строки линейно зависимы. Предположим, что строки линейно независимы, тогда существует цепочка элементарных преобразований переводящее. Из доказанного в пункте II следует, что. Получили противоречье. Докажем, что если -строка матрицы линейно зависима, но (числа векторов столбца) линейно зависима.

Теорема 2

следующие условия равносильны:

• 2) -линейно зависимы
• 3) -обратима
• 4) представима в виде произведения элементарных матриц

Доказательство:

доказано в Теореме 1

Разбиение матриц

Если матрицу, матрицу, матрицу и матрицу записать в виде

То они, образуют некоторую матрицу. В таком случае могут быть названы блоками матрицы. И обозначены соответственно. Представление (1) называется разбиением матрицы.

Если матричное произведение существует и, разбиты на блоки, а разбиение по столбцам матрицы соответствует разбиению по строкам матрицы, то можно ожидать, что имеет блоки, задаваемые формулой

Таким образом, мы предполагаем, что произведение матриц в терминах блоков, полученных при соответствующих разбиениях сомножителей, формально совпадает с произведением этих матриц в терминах скалярных элементов. Покажем это на примере:

Упражнение1. Пусть

Это проверяется прямым вычислением

Теорема (1)

Пусть матрица из имеет блоки, где матрица, и матрица из с блоками размера. Тогда имеет блоки

Доказательство. Отметим, что каждое произведение существует и является матрицей. Следовательно, существует и будет матрицей. Для фиксированного каждое имеет столбцов и для фиксированного каждое имеет строк, откуда следует, что блоки некоторой матрицы.

Пусть некоторый элемент матрицы, расположенный в клетке блока. Так как, есть сумма элементов в клетках и матриц, . Но элемент матрицы в клетке является суммой произведений элементов в строке матрицы на элементы столбца матрицы. Далее, элементы строки матрицы совпадают с некоторыми элементами строки в, а именно, с, где индекс определяется неравенствами

Элементы столбца матрицы будут элементами в. Следовательно,

Мы определили миноры порядка для определителя. В общем случае, если из -матрицы выбросить все строки, кроме строк, и все столбцы, кроме столбцов, то определитель полученной в результате матрицы называется минором матрицы порядка, то

Миноры, для которых, называются главными для матрицы. Если - матрица, то и алгебраическое дополнение, например, есть

Если квадратная матрица является произведением некоторых матриц (которые могут быть прямоугольными), то иногда важно выразить определитель произведения в терминах свойств сомножителей. Следующая теорема - мощный результат этого рода.

Замечание. Операция перемножения матриц некоммутативна, т.е. Действительно, если существует произведение АВ, то ВА может вообще не существовать из-за несовпадения размерностей (см. предыдущий пример). Если существуют и АВ, и ВА, то они могут иметь разные размерности (если).

Для квадратных матриц одного порядка произведения АВ и ВА существуют и имеют одинаковую размерность, но их соответствующие элементы в общем случае не равны.

Однако в некоторых случаях произведения АВ и ВА совпадают.

Рассмотрим произведение квадратной матрицы А на единичную матрицу Е того же порядка:

Тот же результат получим и для произведения ЕА. Итак, для любой квадратной матрицы А АЕ = ЕА =А.

Обратная матрица.

Определение 3.7. Квадратная матрица А называется вырожденной, если, и невырожденной, если.

Определение 3.8. Квадратная матрица В называется обратной к квадратной матрице А того же порядка, если АВ = ВА = Е. При этом В обозначается.

Рассмотрим условие существования матрицы, обратной к данной, и способ ее вычисления.

Теорема 3.2. Для существования обратной матрицы необходимо и достаточно, чтобы исходная матрица была невырожденной.

Доказательство.

1) Необходимость: так как то (теорема 3.1), поэтому

2) Достаточность: зададим матрицу в следующем виде:

Тогда любой элемент произведения (или), не лежащий на главной диагонали, равен сумме произведений элементов одной строки (или столбца) матрицы А на алгебраические дополнения к элементам друго столбца и, следовательно, равен 0 (как определитель с двумя равными столбцами). Элементы, стоящие на главной диагонали, равны Таким образом,

*=. Теорема доказана.

Замечание. Сформулируем еще раз способ вычисления обратной матрицы: ее элементами являются алгебраические дополнения к элементам транспонированной матрицы А, деленные на ее определитель.

.
Лекция 6
4.6 Определитель произведения двух квадратных матриц.

Произведение двух квадратных матриц n -го порядка всегда определено. При этом важное значение имеет следующая теорема.

Теорема. Определитель матрицы-произведения равен произведению определителей матриц сомножителей:

Доказательство. Пусть

и
,

.

Составим вспомогательный определитель

.

По следствию теоремы Лапласа имеем:

.

Итак,
, покажем, что
. Для этого преобразуем определитель следующим образом. Сначала первые п
, прибавим к
-му столбцу. Затем первые п столбцов, умноженных соответственно на
, прибавим к
-му столбцу и т.д. На последнем шаге к
-му столбцу будут прибавлены первые п столбцов, умноженных соответственно на
. В результате получим определитель

.

Разлагая полученный определитель с помощью теоремы Лапласа по последним п столбцам, находим:

Итак, доказаны равенства и , из которых следует, что .
4.7.Обратная матрица

Определение 1 . Пусть дана квадратная матрица А п -го порядка. Квадратную матрицу
того же порядка называют обратной к матрице А , если , где Е -единичная матрица п -го порядка.

Утверждение. Если существует матрица, обратная к матрице А , то такая матрица единственная.

Доказательство. Допустим, что матрица является не единственной матрицей, обратной к матрице А . Возьмем другую обратную матрицу В. Тогда выполняются условия

Рассмотрим произведение
. Для него имеют место равенства

из которых вытекает, что
. Тем самым единственность обратной матрицы доказана.

При доказательстве теоремы о существовании обратной матрицы нам потребуется понятие «присоединенная матрица».

Определение 2 . Пусть дана матрица

элементами которой являются алгебраические дополнения элементов матрицы А , называется присоединенной матрицей к матрице А .

Обратим внимание на то, что для построения присоединенной матрицы С элементы матрицы А нужно заменить их алгебраическими дополнениями, а затем полученную матрицу транспонировать.

Определение 3. Квадратная матрица А называется невырожденной , если
.

Теорема. Для того чтобы матрица А имела обратную матрицу , необходимо и достаточно, чтобы матрица А была невырожденной. При этом матрица определяется формулой

, (1)

где - алгебраические дополнения элементов матрицы А .

Доказательство. Пусть матрица А имеет обратную матрицу . Тогда выполняются условия , из которых следует . Из последнего равенства получаем, что определители и
. Эти определители связаны соотношением
. Матрицы А и невырожденные, поскольку их определители отличны от нуля.

Пусть теперь матрица А невырожденная. Докажем, что матрица А имеет обратную матрицу и она определяется формулой (1). Дя этого рассмотрим произведение

матрицы А С .

По правилу умножения матриц элемент произведения
матриц А и С имеет вид: . Так как сумма произведений элементов i -й строки на алгебраические дополнения соответствующих элементов j - й строки равна нулю при
и определителю при
. Следовательно,

где Е – единичная матрица п -го порядка. Аналогично доказывается равенство
. Таким образом,
, а это означает, что
и матрица
является обратной к матрице А . Следовательно, невырожденная матрица А имеет обратную матрицу, которая определяется формулой (1).

Следствие 1 . Определители матриц А и связаны соотношением .

Следствие 2 . Основное свойство присоединенной матрицы С к матрице А выражается

равенствами
.

Следствие 3 . Определитель невырожденной матрицы А и присоединенной к ней матрицы

С связаны равенством
.

Следствие 3 вытекает из равенства
и свойства определителей, согласно которому при умножении на п- ю степень этого числа. В данном случае

откуда следует, что .

Пример. Найти матрицу, обратную к матрице А :

.

Решение. Определитель матрицы

отличен от нуля. Поэтому матрица А имеет обратную. Чтобы ее найти, сначала вычислим алгебраические дополнения:

,
,
,

,
,
,

,
.

Теперь по формуле (1) запишем обратную матрицу

.
4.8. Элементарные преобразования над матрицами. Алгоритм Гаусса.

Определение 1. Под элементарными преобразованиями над матрицей размера

понимают следующие действия.

1. 
   Умножение любой строки (столбца) матрицы на любое ненулевое число.
2. 
   Прибавление к любой i -й строке матрицы любой ее j - й строки, умноженной на произвольное число.
3. 
   Прибавление к любому i -му столбцу матрицы любого ее j - го столбца, умноженного на произвольное число.
4. 
   Перестановка строк (столбцов) матрицы.

Определение 2. Матрицы А и В будем называть эквивалентными , если одна из них может быть преобразована в другую с помощью элементарных преобразований. Будем писать
.

Эквивалентность матриц обладает следующими свойствами :


Определение 3 . Ступенчатой называется матрица А обладающая следующими свойствами:

1) если i -я строка нулевая, т.е. состоит из одних нулей, то
-я строка также нулевая;

2) если первые ненулевые элементы i -й и -й строк располагаются в столбцах с номерами k и l , то
.

Пример. Матрицы

и

являются ступенчатыми, а матрица

ступенчатой не является.

Покажем, как с помощью элементарных преобразований можно привести матрицу А к ступенчатому виду.

Алгоритм Гаусса . Рассмотрим матрицу А размера . Без ограничения общности можем считать, что
. (Если в матрице А имеется хотя бы отличный от нуля элемент, то перестановкой между собой строк, а затем столбцов можно добиться, чтобы этот элемент попал на пересечение первой строки и первого столбца.) Прибавим ко второй строке матрицы А первую, умноженную на
, к третьей строке – первую, умноженную на
и т.д.

В результате получим, что

.

Элементы в последних
строках определяются формулами:

,
,
.

Рассмотрим матрицу

.

Если все элементы матрицы равны нулю, то

и эквивалентная матрица ступенчатая. Если среди элементов матрицы хотя бы один отличен от нуля, то можно без ограничения общности можно считать, что
(этого можно добиться перестановкой строк и столбцов матрицы ). Преобразуя в этом случае матрицу так же как матрицу А , получим

соответственно,

.

Здесь
,
,
.

причем , , … ,
. В матрице А т строк и чтобы привести ее к А r , отличный от нуля, а все миноры порядка выше r равны нулю. Ранг матрицы будем обозначать символом
.

Вычисляется ранг матрицы методом окаймления миноров .


Пример. Методом окаймляющих миноров вычислить ранг матрицы

.

Решение.


Указанный выше способ не всегда бывает удобным, т.к. связан с вычислением большого

количества определителей.

Утверждение. Ранг матрицы не изменяется при элементарных преобразованиях ее строк и столбцов.

Сформулированное утверждение указывает второй способ вычисления ранга матрицы. Он называется методом элементарных преобразований . Для отыскания ранга матрицы нужно методом Гаусса привести ее к ступенчатому виду, а затем выделить максимальный ненулевой минор. Поясним это на примере.

Пример. С помощью элементарных преобразований вычислить ранг матрицы

.

Решение. Выполним в соответствии с методом Гаусса цепочку элементарных преобразований. В результате получим цепочку эквивалентных матриц:

Определение. Произведением двух матриц А и В называется матрица С , элемент которой, находящийся на пересечении i -й строки и j -го столбца, равен сумме произведений элементов i -й строки матрицы А на соответствующие (по порядку) элементы j -го столбца матрицы В .

Из этого определения следует формула элемента матрицы C :

Произведение матрицы А на матрицу В обозначается АВ .

Пример 1. Найти произведение двух матриц А и B , если

,

.

Решение. Удобно нахождение произведения двух матриц А и В записывать так, как на рис.2:

На схеме серые стрелки показывают, элементы какой строки матрицы А на элементы какого столбца матрицы В нужно перемножить для получения элементов матрицы С , а линиями цвета элемента матрицы C соединены соответствующие элементы матриц A и B , произведения которых складываются для получения элемента матрицы C .

В результате получаем элементы произведения матриц:

Теперь у нас есть всё, чтобы записать произведение двух матриц:

.

Произведение двух матриц АВ имеет смысл только в том случае, когда число столбцов матрицы А совпадает с числом строк матрицы В .

Эту важную особенность будет легче запомнить, если почаще пользоваться следующими памятками:

Имеет место ещё одна важная особенность произведения матриц относительно числа строк и столбцов:

В произведении матриц АВ число строк равно числу строк матрицы А , а число столбцов равно числу столбцов матрицы В .

Пример 2. Найти число строк и столбцов матрицы C , которая является произведением двух матриц A и B следующих размерностей:

а) 2 Х 10 и 10 Х 5;

б) 10 Х 2 и 2 Х 5;

Пример 3. Найти произведение матриц A и B , если:

.

A B - 2. Следовательно, размерность матрицы C = AB - 2 X 2.

Вычисляем элементы матрицы C = AB .

Найденное произведение матриц: .

Проверить решение этой и других подобных задач можно на калькуляторе произведения матриц онлайн .

Пример 5. Найти произведение матриц A и B , если:

.

Решение. Число строк в матрице A - 2, число столбцов в матрице B C = AB - 2 X 1.

Вычисляем элементы матрицы C = AB .

Произведение матриц запишется в виде матрицы-столбца: .

Проверить решение этой и других подобных задач можно на калькуляторе произведения матриц онлайн .

Пример 6. Найти произведение матриц A и B , если:

.

Решение. Число строк в матрице A - 3, число столбцов в матрице B - 3. Следовательно, размерность матрицы C = AB - 3 X 3.

Вычисляем элементы матрицы C = AB .

Найденное произведение матриц: .

Проверить решение этой и других подобных задач можно на калькуляторе произведения матриц онлайн .

Пример 7. Найти произведение матриц A и B , если:

.

Решение. Число строк в матрице A - 1, число столбцов в матрице B - 1. Следовательно, размерность матрицы C = AB - 1 X 1.

Вычисляем элемент матрицы C = AB .

Произведение матриц является матрицей из одного элемента: .

Проверить решение этой и других подобных задач можно на калькуляторе произведения матриц онлайн .

Программная реализация произведения двух матриц на С++ разобрана в соответствующей статье в блоке "Компьютеры и программирование".

Возведение матрицы в степень

Возведение матрицы в степень определяется как умножение матрицы на ту же самую матрицу. Так как произведение матриц существует только тогда, когда число столбцов первой матрицы совпадает с числом строк второй матрицы, то возводить в степень можно только квадратные матрицы. n -ая степень матрицы путём умножения матрицы на саму себя n раз:

Пример 8. Дана матрица . Найти A ² и A ³ .

Найти произведение матриц самостоятельно, а затем посмотреть решение

Пример 9. Дана матрица

Найти произведение данной матрицы и транспонированной матрицы , произведение транспонированной матрицы и данной матрицы.

Свойства произведения двух матриц

Свойство 1. Произведение любой матрицы А на единичную матрицу Е соответствующего порядка как справа, так и слева, совпадает с матрицей А, т.е. АЕ = ЕА = А.

Иными словами, роль единичной матрицы при умножении матриц такая же, как и единицы при умножении чисел.

Пример 10. Убедиться в справедливости свойства 1, найдя произведения матрицы

на единичную матрицу справа и слева.

Решение. Так как матрица А содержит три столбца, то требуется найти произведение АЕ , где

-
единичная матрица третьего порядка. Найдём элементы произведения С = АЕ :

Получается, что АЕ = А .

Теперь найдём произведение ЕА , где Е – единичная матрица второго порядка, так как матрица А содержит две строки. Найдём элементы произведения С = ЕА :

Похожие статьи