Transcript Matice
Matice Matice typu n m m, n jsou přirozená čísla aijR pro každé i = 1, …, n a každé j = 1, …, m a11 a12 ... a1m a 21 a 22 ... a 2m ... ... ... ... (aij) = a a ... a n2 nm n1 m n obdélníková matice typu n m m = n čtvercová matice řádu n prvek aij stojí v matici na místě ij Totožné matice říkáme, že se rovnají mají stejný typ jejich prvky na odpovídajících místech jsou stejné řádek matice a sloupec matice termíny používáme v obvyklém smyslu matice typu n m má tedy n řádků a m sloupců hlavní diagonála - prvky a11, a22, …, ann Součet dvou matic A = (aij) a B = (bij) obě matice jsou typu n m A + B = (aij + bij) je typu n m na místě ij má součet prvků stojících v maticích A a B na místě ij matice sčítáme po složkách Příklad A= B= C= 1 2 1 0 1 3 3 1 0 1 3 1 1 2 1 1 2 2 A+B= 1 0 1 1 2 3 3 1 0 B + C, A + C není definováno Součin matic A, B (v tomto pořadí) A = (ais) je matice typu n m B = (bsj) matice typu m k m a isb sj AB = s 1 typu n k na místě ij je skalární součin i-tého řádku matice A a j-tého sloupce matice B řádky matice A mají stejný počet prvků jako sloupce matice B (m) Příklad 1 2 1 0 1 3 A= AC = = C= 1 0 1 1 2 3 3 1 0 1.1 2.2 1.3 1.0 2.3 1.1 1. 1 2.1 1.0 0.1 1.2 3.3 0.0 1.3 3.1 0. 1 1.1 3.0 2 5 1 11 6 1 Příklad C= CA 1 0 1 1 2 3 3 1 0 není definováno A= 1 2 1 0 1 3 Pro dané matice A, B může být definován součin AB a nemusí být definován součin BA. Jsou-li definovány oba součiny, jsou AB a BA čtvercové matice, které nemusí mít stejný řád. Oba součiny existují a mají stejný řád právě tehdy, když jsou A a B čtvercové matice stejného řádu. Pokud je potom AB = BA, mluvíme o tzv. komutujících maticích. Matice A a B mají definovaný součet právě tehdy, mají-li matice A a B stejný typ. Součet A + B má potom stejný typ jako matice A a B. Součin AB matic A, B je definován jen tehdy, má-li matice A stejný počet sloupců jako matice B řádků; součin AB má pak stejný počet řádků jako matice A a stejný počet sloupců jako matice B. Pro sčítání a násobení matic platí: 1. A+B = B +A 2. A + (B + C) = (A + B) + C 3. AB BA 4. A(BC) = (AB)C 5. A(B + C) = AB + AC (A + B)C = AC + BC Nulová matice typu n m matice O = (aij), kde aij = 0 pro každé i = 1, …, n a j = 1, …, m 0 0 O= 0 0 0 0 0 0 0 Opačná matice k matici A = (aij) typu m n matice –A = (–aij) stejného typu a11 a12 a1n a 21 a 22 a 2n –A = a m1 a m 2 a mn O je nulová matice typu n m A je matice typu n m A+O=O+A=A A + (–A) = (–A) + A = O Jednotková matice řádu n matice E = (ij), kde ij = 1 pro ij = 0 pro 1 0 E= 0 0 0 1 0 0 1 i, j = 1, …, n, i = j i, j = 1, …, n, i j E je jednotková matice řádu n m je přirozené číslo pro každou matici A typu n m EA = A pro každou matici B typu m n BE = B pro každou čtvercovou matici C řádu n CE = EC = C Násobení matic skaláry A = (aij) je matice typu n m c je reálné číslo cA = (c.aij) c-násobek matice A cA je typu n m na místě ij má c-násobek prvku, který v matici A stojí na místě ij Příklad 4 1 0 2 A = 0 1 2 1 8 2 0 4 –2A = 2 4 2 0 A, B jsou matice, které je možno sečíst, resp. vynásobit; c, d R Potom platí: 1. c(A + B) = cA + cB 2. (c + d)A = cA + dA 3. (cd)A = c(dA) 4. c(AB) = (cA)B = A(cB) Transponovaná matice k matici A A = (aij) je matice typu n m AT = (bji) typu m n , kde pro každé i = 1, …, n a j = 1, …, m bji = aij Příklad 1 2 5 2 1 A = 0 3 2 4 1 1 0 1 2 1 AT = 1 2 5 2 1 0 1 3 0 2 1 4 2 1 1 A, B jsou matice, které je možno sečíst, resp. vynásobit, cR Potom platí: 1. (A + B)T = AT + BT 2. (AB)T = BTAT 3. (cA)T = cAT 4. (AT)T = A Hodnost matice Elementární úpravy Diagonální matice každá matice, která má mimo hlavní diagonálu samé nuly Př.: 0 0 0 1 0 5 0 0 0 0 2 0 odstupňovaná matice každý nenulový řádek začíná větším počtem nul než řádek předcházející (pokud tento existuje) druhý řádek (pokud existuje) začíná alespoň jednou nulou třetí řádek začíná alespoň dvěmi nulami i-tý řádek alespoň (i – 1) nulami Odstupňované matice 1 3 1 2 0 0 1 2 0 0 0 3 1 2 3 4 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 horní trojúhelníková A = (aij) je čtvercová matice řádu n pro každé i, j = 1, ..., n, i > j, je aij = 0 Př.: 1 0 0 0 0 2 0 1 3 2 2 3 1 0 1 1 0 0 0 1 2 0 0 0 3 dolní trojúhelníková A = (aij) je čtvercová matice řádu n pro každé i, j = 1, ..., n, i < j, je aij = 0 Př.: 1 1 3 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 2 1 0 0 1 2 1 0 3 0 0 3 Hodnost matice A Maximální počet lineárně nezávislých řádků matice A Značíme h(A) Hodnost matice AT h(A) = h(AT) Transponováním se hodnost matice nemění. Maximální počet lineárně nezávislých řádků matice AT Maximální počet lineárně nezávislých sloupců matice A Řádkové elementární úpravy matice Výměna dvou řádků. Vynásobení některého řádku nenulovým číslem. Přičtení c-násobku jednoho řádku k jinému řádku (c R). Podobně definujeme sloupcové elementární úpravy. ekvivalentní matice A, B jednu z nich lze převést v druhou konečným počtem elementárních úprav Označujeme: A B h(A) = h(B) Provádění řádkových a sloupcových elementárních úprav nemění hodnost matice. Hodnost matice A typu n m h(A) min(n, m) Regulární matice čtvercová matice řádu n h(A) = n Singulární matice čtvercová matice řádu n h(A) < n Praktický výpočet hodnosti matice: Pomocí elementárních úprav převedeme danou matici na odstupňovaný tvar. Vynecháme nulové řádky. Počet nenulových řádků v této matici je roven její hodnosti (řádky v odstupňované matici jsou lineárně nezávislé). Praktický výpočet hodnosti matice: Jestliže je hodnost h matice A stejná jako počet řádků matice n (h = n), jsou řádky matice A lineárně nezávislé. Jestliže h < n, jsou řádky lineárně závislé a lze mezi nimi vybrat nejvýše h lineárně nezávislých řádků. Inverzní matice Pro dané matice A, B může být definován součin AB a nemusí být definován součin BA. Jsou-li definovány oba součiny, jsou AB a BA čtvercové matice, které nemusí mít stejný řád. Oba součiny existují a mají stejný řád právě tehdy, když jsou A a B čtvercové matice stejného řádu. Pokud je potom AB = BA, mluvíme o tzv. komutujících maticích. Je-li navíc AB = BA = E, říkáme, že matice B je inverzní k matici A a značíme ji A-1. Inverzní matice Inverzní maticí k matici A budeme rozumět matici A-1, pro kterou je AA-1 = A-1A = E. Matice A, ke které inverzní matice existuje, se nazývá invertibilní. Inverzní matice k invertibilní matici A je maticí A určena jednoznačně. Invertibilní matice A= 2 1 1 1 2 1 1 1 2 1 2 B = 3 4 3 1 1 1 A-1 = 4 1 3 1 1 1 3 1 2 2 1 -1 B = 2 3 Invertibilní matice čtvercová řádu n regulární h(A) = n Matice není invertibilní: obdélníková singulární h(A) < n (AB)-1 = B-1 A-1 A, B jsou invertibilní matice řádu n. Potom rovněž matice AB je invertibilní a je (AB)-1 = B-1 A-1 Důkaz: (AB).(B-1 A-1) = A(BB-1)A-1 = AEA-1 = AA-1 = E a podobně (B-1 A-1).AB = E Matice AB a B-1 A-1 jsou tedy navzájem inverzní. (AT)-1 = (A-1)T Jestliže je A čtvercová invertibilní matice, T potom je matice A rovněž invertibilní a je (AT)-1 = (A-1)T Praktický výpočet inverzní matice: Převedeme-li řádkovými elementárními úpravami matici A v jednotkovou matici E, pak tytéž elementární úpravy převedou jednotkovou matici E v matici inverzní A-1. Praktický výpočet inverzní matice: Zapíšeme vedle sebe danou matici A a matici jednotkovou E. Postupně provádíme takové řádkové elementární úpravy, které nám převedou matici A na jednotkovou matici E. Každou úpravu, kterou provedeme v matici A, provedeme také v matici E. Nejprve postupujeme směrem shora dolů a snažíme se, abychom v matici A na hlavní diagonále dostali samé jedničky a pod hlavní diagonálou samé nuly. Poté postupujeme zdola nahoru tak, aby i nad hlavní diagonálou byly samé nuly. Takto získáme na místě matice A jednotkovou matici E. Na místě původní jednotkové matice E je potom hledaná inverzní matice A-1. K matici A najděte matici inverzní 1 0 2 A 3 1 0 0 2 3 1 0 2 1 0 0 1 0 2 1 0 0 3 1 0 0 1 0 0 1 6 3 1 0 0 2 3 0 0 1 0 2 3 0 0 1 0 0 1 0 2 1 0 0 1 0 2 1 0 1 6 3 1 0 0 1 6 3 1 0 0 2 3 0 0 1 0 0 15 6 2 1 1 0 2 1 0 1 6 3 0 0 1 6 15 0 1 2 15 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 15 4 2 3 1 1 A 9 3 6 15 6 2 1 3 15 9 15 6 15 4 15 3 15 2 15 2 15 6 15 1 15 maticová rovnice AX = B AX = B A-1AX = A-1B AXA-1= BA-1 EX = A-1B X = A-1B zkouška: l = AA-1B = EB = B p=B maticová rovnice XA = B XA = B XAA-1 = BA-1 A-1XA= A-1B XE = BA-1 X = BA-1 zkouška: l = BA-1A = BE = B p=B Určete matici X, která vyhovuje rovnici XA = B, kde A = 1 1 1 1 3 0 B = 2 1 XA = B X = B A-1 A-1 = 1 2 1 1 1 1 3 0 1 1 1 2 = X = 2 1 1 1 1 2 3 3 1 3