матрицы и операции

высшая математикалекция

в окне печати выбери «сохранить как pdf».

что было

оглавление
оглавление

Размеры и виды матриц, поэлементные операции, произведение строк на столбцы и транспонирование.

Перед любой операцией сначала проверяют размеры. Сложение идёт по одинаковым позициям, а каждый элемент произведения получается из строки первой матрицы и столбца второй.

размер и специальные матрицы

Матрица A=(aij)A=(a_{ij}) размера m×nm\times n содержит mm строк и nn столбцов. Индекс ii указывает строку, jj — столбец.

Часто встречающиеся матрицы

вид

как узнать

пример

квадратная

m=nm=n

2×22\times2

нулевая

все элементы равны 0

OO

диагональная

aij=0a_{ij}=0 при i≠ji\ne j

diag⁡(2,−1)\operatorname{diag}(2,-1)

единичная

на диагонали 1, вне её 0

EE

верхнетреугольная

под главной диагональю нули

aij=0a_{ij}=0 при i>ji>j

равенство матриц

Матрицы равны, только если у них одинаковый размер и равны элементы в каждой соответствующей позиции.

сложение, число и транспонирование

Складывать можно лишь матрицы одного размера. При умножении на число меняется каждый элемент. Транспонирование меняет строки и столбцы местами, поэтому размер m×nm\times n превращается в n×mn\times m.

(A+B)ij=aij+bij,(λA)ij=λaij,(AT)ij=aji(A+B)_{ij}=a_{ij}+b_{ij},\qquad (\lambda A)_{ij}=\lambda a_{ij},\qquad (A^{T})_{ij}=a_{ji}

  • A+B=B+AA+B=B+A

  • (A+B)+C=A+(B+C)(A+B)+C=A+(B+C)

  • (A+B)T=AT+BT(A+B)^T=A^T+B^T

  • (AB)T=BTAT(AB)^T=B^TA^T

умножение матриц

Произведение ABAB определено, когда число столбцов AA равно числу строк BB. Если AA имеет размер m×nm\times n, а BB — n×pn\times p, то ABAB имеет размер m×pm\times p.

Умножение ассоциативно и дистрибутивно, но обычно AB≠BAAB\ne BA. Иногда одно из этих произведений вообще не определено.

cij=∑k=1naikbkjc_{ij}=\sum_{k=1}^{n}a_{ik}b_{kj}

Элемент cijc_{ij} — скалярное произведение строки ii и столбца jj

строка на столбец

Для каждого места результата повторяется одна и та же операция.

  1. Выберите строку ii матрицы AA
  2. Выберите столбец jj матрицы BB
  3. Перемножьте элементы попарно
  4. Сложите произведения и запишите в cijc_{ij}
описание схемы словами

Схема вычисления элемента произведения двух матриц как суммы попарных произведений

полный расчёт 2×22\times2

условие: Найти ABAB, если A=(1234)A=\begin{pmatrix}1&2\\3&4\end{pmatrix} и B=(20−15)B=\begin{pmatrix}2&0\\-1&5\end{pmatrix}.

ход решения

  1. c11=1⋅2+2⋅(−1)=0c_{11}=1\cdot2+2\cdot(-1)=0

  2. c12=1⋅0+2⋅5=10c_{12}=1\cdot0+2\cdot5=10

  3. c21=3⋅2+4⋅(−1)=2c_{21}=3\cdot2+4\cdot(-1)=2

  4. c22=3⋅0+4⋅5=20c_{22}=3\cdot0+4\cdot5=20

ответ: AB=(010220)AB=\begin{pmatrix}0&10\\2&20\end{pmatrix}

проверка: Размер результата 2×22\times2; вычисление BA=(241418)BA=\begin{pmatrix}2&4\\14&18\end{pmatrix} подтверждает, что порядок множителей важен.

что запомнить

  • Размер матрицы записывают как число строк × число столбцов.

  • Сложение требует одинаковых размеров.

  • Для ABAB внутренние размеры должны совпасть: (m×n)(n×p)(m\times n)(n\times p).

  • В общем случае AB≠BAAB\ne BA, а при транспонировании произведения порядок меняется.

самопроверка

  • Какой размер имеет произведение матриц 3×23\times2 и 2×52\times5?

  • Почему нельзя сложить матрицы 2×32\times3 и 3×23\times2?

  • Как вычисляется элемент c23c_{23} произведения ABAB?

  • Почему формула (AB)T=BTAT(AB)^T=B^TA^T меняет порядок множителей?

источники

  • материал занятия: Матрицы и операции — исходный конспект — /materials/lectures/calculus-02.pdf

  • редакционная сверка: MIT OpenCourseWare: Multiplication and Inverse Matrices — https://ocw.mit.edu/courses/18-06sc-linear-algebra-fall-2011/pages/ax-b-and-the-four-subspaces/multiplication-and-inverse-matrices/

что сделать

Перемножьте две матрицы из примера в обратном порядке и сравните ABAB и BABA.

благодарность

Евгения Прохорова (1-45) и Никита Козлов (1-48)

материалы

предложить дополнение или исправлениекак оцифровать конспект