2-1.doc

(1390 KB) Pobierz
ALGEBRA LINIOWA (MACIERZE)

1

 

Algebra liniowa

 

Definicja. Strukturę

nazywamy macierzą o m wierszach i n kolumnach.

              Uwagi. Zdefiniowaną wyżej macierz zapisujemy krótko lub  lub (jeśli znany jest zakres indeksów i,j). Jeśli to macierz jest kwadratowa. Wówczas elementy tworzą przekątną tej macierzy. Rozważać będziemy również macierze jednokolumnowe i jednowierszowe postaci:

,     .

Macierz, w której wszystkie elementy są zerami, nazywa się macierzą zerową. Macierz kwadratowa jest trójkątna górna [dolna], jeśli wszystkie jej elementy leżące pod [nad]  przekątną są zerowe. Macierz kwadratową nazywamy macierzą jednostkową, jeżeli . Macierz jednostkową wymiaru oznaczamy przez :

.

Transpozycją macierzy A nazywamy macierz powstałą z A przez zamianę wierszy na kolumny (lub kolumn na wiersze), bez zmiany ich kolejności. Zatem jeśli

to   .

 

Definicja. Jeśli , , , to:

1. ;

2. ;

3. .

 

Mnożenie macierzy A i B jest określone tylko wtedy, gdy liczba kolumn macierzy A jest równa liczbie wierszy macierzy B.

Definicja. Niech , . Wtedy iloczynem A i B nazywamy macierz taką, że dla .

 

Przykłady.

1. Obliczyć iloczyn macierzy

i .

Mnożenie AB jest wykonalne (ale BA – nie).

 

.

 

2. Następujący przykład dowodzi, że mnożenie macierzy nie jest przemienne:

, .

 

3. .

 

              Twierdzenie (własności działań na macierzach).

1. Prawo przemienności dodawania: .

2. A + [0] = A.

3. Prawo łączności dodawania: .

4. i .

5. Prawo rozdzielności mnożenia względem dodawania: i .

6. Prawo łączności mnożenia: .

7.

(zakładamy tu, że odpowiednie działania na macierzach są wykonalne).

Uwagi. Zwróćmy uwagę, że macierz zerowa gra rolę elementu neutralnego względem dodawania macierzy, a macierz jednostkowa – elementu neutralnego względem mnożenia macierzy.

 

              Definicja (rekurencyjna wyznacznika macierzy). Niech . Wyznacznikiem  z macierzy A  nazywamy liczbę |A| określoną następująco:

1. Jeśli , to |A|:=.

2. Jeśli , to |A|:= (jest to tzw. rozwinięcie wg. 1. wiersza), gdzie: nazywamy dopełnieniem algebraicznym elementu macierzy A, jest wyznacznikiem z podmacierzy macierzy A powstałej przez usunięcie z A wiersza i kolumny zawierających element

 

              Uwagi. Wyznacznik |A| oznaczamy także przez ( z ang. „determinant”=”wyznacznik”).  Bezpośrednio z definicji obliczamy, że .

 

Twierdzenie Laplace’a. Wyznacznik jest równy sumie iloczynów elementów dowolnego wiersza lub dowolnej kolumny przez dopełnienia algebraiczne tych elementów, tzn.

  dla (rozwinięcie wyznacznika według i-tego wiersza),

  dla (rozwinięcie wyznacznika według i-tej kolumny).

 

Przykłady.

1a. .

1b. Metoda Sarrusa:

=20+6-6+2+15+24=61.
 

2.

 

 

Twierdzenie. Wartość wyznacznika nie ulega zmianie, jeśli:

1. wspólny czynnik występujący we wszystkich elementach jakiejś kolumny [wiersza] wyłączymy przed wyznacznik;

2. do elementów jakiegoś wiersza [kolumny] dodamy odpowiednie elementy innego wiersza [kolumny], pomnożone przez dowolną liczbę.

              Wniosek. Jeśli wyznacznik zawiera dwie kolumny [wiersze] identyczne to jest zerowy.

 

Twierdzenie. .

 

Przykłady.

1. Obliczyć .

Wykonujemy równocześnie kilka przekształceń: pierwszą kolumnę odejmujemy (tzn. mnożymy przez -1 i dodajemy) od kolumny drugiej, trzeciej i czwartej. Dostajemy

. Ostatni wyznacznik obliczono metodą Sarrusa.

 

2. .

Od trzeciego wiersza odjęliśmy drugi wiersz, a od drugiego – pierwszy.

 

3. Obliczyć .

Ostatnią kolumnę odejmujemy kolejno od pierwszej, drugiej i trzeciej, a następnie wyłączamy wspólne czynniki przez wyznacznik. Otrzymujemy

.

Dodając do ostatniego wiersza wszystkie pozostałe i rozwijając według ostatniego wiersza, dostajemy

.

 

             

Definicja. Macierzą odwrotną do macierzy kwadratowej A nazywa się macierz kwadratową tego samego stopnia taką, że .

 

              Twierdzenie. .

              Twierdzenie. Jeśli to .

 

              Przykłady.

1. . Obliczyć .

Sposób 1 (ze wzoru). Mamy tu , zatem szukana macierz istnieje. Obliczamy wszystkie dopełnienia algebraiczne:

Zatem

i .

Sprawdzenie: . Sprawdź, że (ZD).

Sposób 2 (eliminacja Gaussa). Dopisujemy do A macierz . Cel : za pomocą dodawania wierszy mnożonych przez odpowiednie stałe dostać na miejscu A macierz jednostkową. Wtedy na miejscu dostaniemy .

Krok 1.- zera na miejscach (2,1), (3,1) (odejmujemy 1. wiersz od 3-go):

.

Krok 2.- 1 na miejscu (2,2) (mnożymy 2. wiersz przez 1/2):

,

zera na miejscach (1,2), (3,2) (dodajemy 2. wiersz do 1-go, 2. wiersz pomnożony przez -2 dodajemy do 3. wiersza):

.

Krok 3.- 1 na miejscu (3,3) (mnożymy 3. wiersz przez -1):

,

zera na miejscach (1,3), (2,3) (3. wiersz pomnożony przez 1/2 dodajemy do 1. i 2. wiersza):

.

 

              Układ równań liniowych z kwadratową macierzą główną

 

              Definicja. Układ

             

nazywamy układem równań liniowych o n niewiadomych .

              Uwagi. Jeżeli wprowadzimy macierz wyrazów wolnych , wektor rozwiązań

oraz macierz główną , to układ ten można zapisać w postaci macierzowej:

. Przy założeniu, że rozwiązaniem tego równania jest .

 

              Twierdzenie (Cramera). Jeśli , to , gdzie jest wyznacznikiem z macierzy powstałej z A przez zamianę k-tej kolumny kolumną B.

 

              Uwagi. Jeśli B=0 to układ nazywamy jednorodnym. Układ taki zawsze posiada rozwiązanie zerowe. Jeśli dodatkowo wyznacznik główny jest niezerowy, to istnieje tylko rozwiązanie zerowe (w przeciwnym wypadku układ jest nieoznaczony, a więc oprócz zerowego ma także rozwiązania niezerowe).

 

              Przykłady. Rozwiązać układ

.

Sposób 1 (wzory Cramera). Obliczamy , skąd x=y=z=1.

Sposób 2 (metoda macierzowa). Korzystamy ze wzoru (macierz była już wcześniej obliczona):

.

Sposób 3 ...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin