Лекции по математике (стр. 2 из 4)

Вычисление определителей порядка n>3 сводится к вычислению определителей второго и третьего порядка с помощью теоремы 1 и свойства 5 определителя.

1.1.6. Обратная матрица

Определение 1. Квадратная матрица называется вырожденной, если ее определитель равен нулю, и невырожденной - в противном случае.

Определение 2. Матрица А^-1 называется обратной к квадратной матрице А n-го порядка, если А·А^-1= А^-1·А=Е.

Теорема 1. Для любой невырожденной квадратной матрицы существует единственная обратная матрица.

Дана матрица А =

, .

Построим обратную матрицу. Для этого совершим ряд действий:

1) заменим все элементы матрицы их алгебраическими дополнениями:

А*=

- матрица, присоединенная к матрице А;

2) транспонируем полученную матрицу:

(А*)^Т=

;

3) разделим все элементы на число ?А?

.

Проверим, будет ли полученная матрица обратной к исходной. Для этого умножим матрицу А на А^-1. Элемент, стоящий в i-й строке и j-м столбце матрицы произведения, будет равен

Элементы матрицы-результата совпадают с элементами единичной матрицы Е. Следовательно, А · А^-1=Е, т.е. А^-1 - обратная матрица к А.

Элементарные преобразования

над матрицей. Нахождение обратной матрицы

Определение 1. Элементарными преобразованиями над матрицей называются:

1) умножение любой строки на число, отличное от нуля;

2) прибавление к элементам одной строки соответствующих элементов другой, умноженных на одно и то же число;

3) перестановка строк;

4) отбрасывание строки из нулей.

Определение 2. Две матрицы называются эквивалентными (А~В), если от одной можно перейти к другой с помощью конечного числа элементарных преобразований.

Теорема. Любую невырожденную квадратную матрицу с помощью элементарных преобразований можно привести к единичной матрице того же порядка. Применяя ту же последовательность элементарных преобразований к единичной матрице, можно получить обратную матрицу к данной.

Обычно элементарные преобразования производят над данной матрицей и единичной одновременно. Для этого составляют расширенную матрицу, в левой части которой стоит исходная матрица, а в правой - единичная матрица того же порядка. С помощью элементарных преобразований в левой части создают единичную матрицу, параллельно в правой части автоматически создается обратная матрица.

1.1.7. Ранг матрицы

Пусть дана произвольная матрица размером

. Возьмем произвольные k строк и k столбцов, . Минором порядка k называют определитель порядка k, составленный из элементов, расположенных на пересечении выбранных k строк и k столбцов, и обозначают M_k.

Определение 1. Рангом матрицы называется максимальный порядок минора, отличного от нуля, и обозначается r(A).

Очевидно, что

.

Определение 2. Отличный от нуля минор порядка r=r(A) называется базисным минором матрицы А, а строки (столбцы), в которых он расположен, называют базисными строками (столбцами).

Теорема 1 (теорема о базисном миноре). Любой столбец (строка) матрицы А является линейной комбинацией ее базисных столбцов (строк).

Теорема 2. Ранг матрицы равен максимальному числу линейно независимых строк (столбцов) матрицы.

При элементарных преобразованиях ранг матрицы не меняется. Ранг треугольной матрицы равен числу ненулевых строк этой матрицы.

Для того чтобы найти ранг матрицы, необходимо с помощью элементарных преобразований привести ее к треугольному виду и найти ранг полученной матрицы. Рассмотрим схему таких преобразований подробно. Пусть дана матрица

А=

.

Предположим, что а₁₁ отличен от нуля (если а₁₁=0, то, переставив строки, этого можно добиться). Разделим первую строку на а₁₁, после чего на первом месте в первой строке будет стоять 1. Умножая последовательно первую строку на а₂₁, а_31, …, а_m1 и вычитая, соответственно, из второй, третьей, …, n-й, образуем в первом столбце все нулевые элементы.

А~

.

Преобразуем второй столбец, начиная с элемента а’₂₂. Если этот элемент отличен от нуля, то аналогично вышеизложенному получим на его месте единицу, а ниже расположенные элементы превратим в нули. Если а’₂₂=0, но ниже его в том же столбце есть элемент, отличный от нуля, то, поменяв местами строки, переставим его на место а’₂₂. Если в столбце не окажется ненулевых элементов, то можно поменять местами столбцы, пока на месте а’₂₂ не окажется ненулевой элемент. После второго цикла получим новую эквивалентную матрицу. А=

Выполняя последовательно несколько циклов подобных эквивалентных преобразований и отбросив нулевые строки, придем окончательно к матрице

А~

.

Буквой "а" условно обозначены элементы матрицы, которые могут принимать любые числовые значения. Очевидно, что r(A)=m1, так как минор, расположенный в первых m1 строках и первых m1 столбцах, равен единице

Вопросы для самопроверки.

1. Дайте понятие матрицы.

2. Перечислите линейные операции над матрицами.

3. Что представляет собой операция «транспонирование матрицы»?

4. Дайте понятие «ранг матрицы»

5. Что такое «определитель матрицы»?

6. Перечислите основные свойства определителя.

7. Что такое обратная матрица?

1.2. Решение систем линейных уравнений.(СЛУ)

Вопросы:

1.2.1.Определение СЛУ;

1.2.2.Матричная форма записи системы;

1.2.3. Решение СЛУ с помощью формул Крамера;

1.2.4.Решение СЛУ методом Гаусса;

1.2.1. Системы линейных уравнений

Определение 1. Система вида

называется системой m линейных уравнений с n неизвестными, где x₁, x₂, …, x_n - неизвестные, a_ij, i=

, j= - коэффициенты при неизвестных, b₁, b₂, …, b_m - свободные члены.

Определение 2. Если все свободные члены равны нулю, то система называется однородной, и неоднородной - в противном случае.

Определение 3. Решением системы называется совокупность из n чисел с₁, с₂, …, с_n, при подстановке которой в систему вместо неизвестных будет получено m числовых тождеств.

Определение 4. Система называется совместной, если она имеет хотя бы одно решение, и несовместной в противном случае.

Определение 5. Совместная система называется определенной, если она имеет единственное решение, и неопределенной - в противном случае.

При изучении систем исследуют три вопроса:

1) совместна система или нет;

2) если система совместна, то является ли она определенной или неопределенной;

3) нахождение единственного решения в случае определенной системы и всех решений в случае неопределенной.

1.2.2. Матричная форма записи системы

Пусть дана система

Рассмотрим матрицы

, , .

С помощью этих матриц систему можно записать в виде

.

,

.

1.2.3. Решение системы с помощью формул Крамера

Рассмотрим неоднородную системуn линейных уравнений с n неизвестными:

Теорема (теорема Крамера). Если определитель матрицы, составленной из коэффициентов при неизвестных, отличен от нуля (

), то система имеет единственное решение, которое можно найти по формулам Крамера:

, где - главный определитель, - j-й вспомогательный определитель, который получен из определителя заменой j-го столбца столбцом свободных членов.