Свойства, связанные с суммированием матриц непосредственно вытекают из определения суммы матриц.
A + (– A) = A – A = 0, где 0 – матрица, составленная из нулевых элементов.
Свойства, связанные с умножением матриц.
Свойства, связанные с суммой и произведением матриц
Предположим, что размерности матриц таковы, что соответствующие операции сложения и умножения матриц определены. A (B + C) = AB + AC. Доказательство.
Предположим, что размерности матриц таковы, что соответствующие операции сложения и умножения матриц определены. (A + B) C = A C + B C. Доказательство.
|
Умножение матриц
Определение
Пусть даны две прямоугольные матрицы и размерности и соответственно:
Тогда матрица размерностью называется их произведением:
где:
Операция умножения двух матриц выполнима только в том случае, если число столбцов в первом сомножителе равно числу строк во втором; в этом случае говорят, что форма матриц согласована. В частности, умножение всегда выполнимо, если оба сомножителя — квадратные матрицы одного и того же порядка.
Следует заметить, что из существования произведения вовсе не следует существование произведения
Иллюстрация
Произведение матриц AB состоит из всех возможных комбинаций скалярных произведений вектор-строк матрицы A и вектор-столбцов матрицы B. Элемент матрицы AB с индексами i, j есть скалярное произведение i -ой вектор-строки матрицы A и j -го вектор-столбца матрицы B.
Иллюстрация справа демонстрирует вычисление произведения двух матриц A и B, она показывает как каждые пересечения в произведении матриц соответствуют строкам матрицы A и столбцам матрицы B. Размер результирующей матрицы всегда максимально возможный, то есть для каждой строки матрицы A и столбца матрицы B есть всегда соответствующее пересечение в произведении матрицы.
Значения на пересечениях отмеченных кружочками будут:
В общем случае, произведение матриц не является коммутативной операцией. К примеру:
Элемент произведения матриц, приведённых выше, вычисляется следующим образом
Первая координата в обозначении матрицы обозначает строку, вторая координата — столбец; этот порядок используют как при индексации, так и при обозначении размера. Элемент на пересечении строки и столбца результирующей матрицы является скалярным произведением -й строки первой матрицы и -го столбца второй матрицы. Это объясняет почему ширина и высота умножаемых матриц должны совпадать: в противном случае скалярное произведение не определено.
Элементарными преобразованиями матрицы называют следующие операции:
перестановка любых двух строк матрицы;
умножение любой строки на произвольное, отличное от нуля, число;
сложение любой строки с другой строкой, умноженной на произвольное число;
транспонирование матрицы.
Матрица A T называется транспонированной по отношению к матрице A = { aij }, если AT= {a ji }:
Иными словами, матрица, получающаяся из матрицы A заменой строк столбцами, называется транспонированной по отношению к матрице A и обозначается A T.
Элементарные преобразования не меняют ранга матрицы.
Элементарные преобразования матрицы — это такие преобразования матрицы, в результате которых сохраняется эквивалентность матриц, то есть, элементарные преобразования не изменяют множество решений системы линейных алгебраических уравнений, которую представляет эта матрица.
Определение.
Матрица называется обратной для матрицы , определитель которой отличен от нуля , если справедливы равенства , где E – единичная матрица порядка n на n.
матрицы, минора матрицы и алгебраического дополнения элемента матрицы.
Определение.
Минор k-ого порядка матрицы A порядка m на n – это определитель матрицы порядка k на k, которая получается из элементов матрицы А, находящихся в выбранных k строках и k столбцах. (k не превосходит наименьшего из чисел m или n).
Минор (n-1)-ого порядка, который составляется из элементов всех строк, кроме i-ой, и всех столбцов, кроме j-ого, квадратной матрицы А порядка n на n обозначим как .
Иными словами, минор получается из квадратной матрицы А порядка n на n вычеркиванием элементов i-ой строки и j-ого столбца.
Для примера запишем, минор 2-ого порядка, который получаетсся из матрицы выбором элементов ее второй, третьей строк и первого, третьего столбцов . Также покажем минор, который получается из матрицы вычеркиванием второй строки и третьего столбца . Проиллюстрируем построение этих миноров: и .
Определение.
Алгебраическим дополнением элемента квадратной матрицы называют минор (n-1)-ого порядка, который получается из матрицы А, вычеркиванием элементов ее i-ой строки и j-ого столбца, умноженный на .
Алгебраическое дополнение элемента обозначается как . Таким обрзом, .
Например, для матрицы алгебраическое дополнение элемента есть .
Во-вторых, нам пригодятся два свойства определителя, которые мы разобрали в разделе вычисление определителя матрицы:
·
·
На основании этих свойств определителя, определения операции умножения матрицы на число и понятия обратной матрицы справедливо равенство , где - транспонированная матрица, элементами которой являются алгебраические дополнения .
Матрица действительно является обратной для матрицы А, так как выполняются равенства . Покажем это
Составим алгоритм нахождения обратной матрицы с использованием равенства .
1. Вычисляем определитель матрицы А и убеждаемся, что он отличен от нуля (в противном случае матрица А необратима).
2. Строим - матрицу из алгебраических дополнений элементов .
3. Транспонируем матрицу , тем самым получаем .
4. Умножаем каждый элемент матрицы на число . Этой операцией завершается нахождение обратной матрицы .
5. Проводим проверку результата, вычисляя произведения и . Если , то обратная матрица найдена верно, в противном случае где-то была допущена ошибка.