D 11 D D n1. D 12 D D n2. D 1n D 2n... D nn

Podobné dokumenty
[1] LU rozklad A = L U

Operace s maticemi. 19. února 2018

Základy matematiky pro FEK

P 1 = P 1 1 = P 1, P 1 2 =

Matematika B101MA1, B101MA2

Determinanty. Obsah. Aplikovaná matematika I. Pierre Simon de Laplace. Definice determinantu. Laplaceův rozvoj Vlastnosti determinantu.

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

0.1 Úvod do lineární algebry

Determinant matice řádu 5 budeme počítat opakovaným použitím rozvoje determinantu podle vybraného řádku nebo sloupce. Aby byl náš výpočet

Operace s maticemi

Soustavy lineárních rovnic

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

4. Trojúhelníkový rozklad p. 1/20

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Matematika (CŽV Kadaň) aneb Úvod do lineární algebry Matice a soustavy rovnic

Cvičení z Numerických metod I - 12.týden

Aplikovaná numerická matematika - ANM

ČTVERCOVÉ MATICE. Čtvercová matice je taková matice, kde počet řádků je roven počtu jejích sloupců. det(a) značíme determinant čtvercové matice A

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

0.1 Úvod do lineární algebry

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

[1] Determinant. det A = 0 pro singulární matici, det A 0 pro regulární matici

Kapitola 11: Vektory a matice:

1 Determinanty a inverzní matice

12. Determinanty. 12. Determinanty p. 1/25

Matematika 2 pro PEF PaE

Matice. Předpokládejme, že A = (a ij ) je matice typu m n: diagonálou jsou rovny nule.

Lineární algebra - I. část (vektory, matice a jejich využití)

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Determinanty. Determinanty. Přednáška MATEMATIKA č. 3. Jiří Neubauer

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

8 Matice a determinanty

Matematika 1 MA1. 2 Determinant. 3 Adjungovaná matice. 4 Cramerovo pravidlo. 11. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 29

a + b + c = 2 b + c = 1 a b = a 1 2a 1 + a a 3 + a 5 + 2a 2 + a 2 + a

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

Úvod do lineární algebry

Numerické metody a programování

SOUČIN MATIC A m n B n p = C m p, přičemž: a i1 b 1j +a i2 b 2j + +a in b nj = c ij, i=1 m, j=1 p. Např: (-2) = -3

1 0 0 u 22 u 23 l 31. l u11

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Co je obsahem numerických metod?

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Jedná se o soustavy ve tvaru A X = B, kde A je daná matice typu m n,

Číselné vektory, matice, determinanty

Uspořádanou n-tici reálných čísel nazveme aritmetický vektor (vektor), ā = (a 1, a 2,..., a n ). Čísla a 1, a 2,..., a n se nazývají složky vektoru

7. Lineární vektorové prostory

Soustavy lineárních rovnic

IB112 Základy matematiky

α 1 α 2 + α 3 = 0 2α 1 + α 2 + α 3 = 0

Univerzitní licence MATLABu. Pište mail na: se žádostí o nejnovější licenci MATLABu.

Čtvercové matice. Čtvercová matice je taková matice, jejíž počet řádků je roven počtu jejích sloupců

Soustavy linea rnı ch rovnic

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

Numerické metody a programování. Lekce 4

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Množinu všech matic typu m n nad tělesem T budeme označovat M m n (T ), množinu všech čtvercových matic stupně n nad T pak M n (T ).

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

1 Vektorové prostory.

Symetrické a kvadratické formy

A0M15EZS Elektrické zdroje a soustavy ZS 2011/2012 cvičení 1. Jednotková matice na hlavní diagonále jsou jedničky, všude jinde nuly

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

Vlastní čísla a vlastní vektory

maticeteorie 1. Matice A je typu 2 4, matice B je typu 4 3. Jakých rozměrů musí být matice X, aby se dala provést

0 0 a 2,n. JACOBIOVA ITERAČNÍ METODA. Ax = b (D + L + U)x = b Dx = (L + U)x + b x = D 1 (L + U)x + D 1 b. (i) + T J

2. Lineární algebra 2A. Matice a maticové operace. 2. Lineární algebra

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Vlastní čísla a vlastní hodnoty. študenti MFF 15. augusta 2008

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Hisab al-džebr val-muqabala ( Věda o redukci a vzájemném rušení ) Muhammada ibn Músá al-chvárizmího (790? - 850?, Chiva, Bagdád),

Determinant. Definice determinantu. Permutace. Permutace, vlastnosti. Definice: Necht A = (a i,j ) R n,n je čtvercová matice.

Cvičení 5 - Inverzní matice

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

Podobnost matic. Definice 8.6. Dány matice A, B M n (C). Jestliže existuje regulární matice P M n (C) tak,

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

Fakt. Každou soustavu n lineárních ODR řádů n i lze eliminací převést ekvivalentně na jednu lineární ODR

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

Všechno, co jste kdy chtěli vědět o maticích, ale báli jste se zeptat

Soustavy. Terminologie. Dva pohledy na soustavu lin. rovnic. Definice: Necht A = (a i,j ) R m,n je matice, b R m,1 je jednosloupcová.

AVDAT Vektory a matice

a vlastních vektorů Příklad: Stanovte taková čísla λ, pro která má homogenní soustava Av = λv nenulové (A λ i I) v = 0.

Vektory a matice. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

Základy matematiky pro FEK

Uzavřené a otevřené množiny

2. ZÁKLADY MATICOVÉ ALGEGRY 2.1. ZÁKLADNÍ POJMY

Transkript:

Inversní matice 1 Definice Nechť je čtvercová matice řádu n Čtvercovou matici B řádu n nazveme inversní maticí k matici, jestliže platí B=E n =B, kdee n jeodpovídajícíjednotkovámatice 2 Tvrzení Inversní matice ke čtvercové matici řádu n je určená jednoznačně Vědomi si toho, že nemohou k jedné matici existovat dvě různé inversní matice, můžeme nyní inversní matici kmaticioznačovat 1 Samozřejměpokudexistuje 3TvrzeníNechťječtvercovámaticeřádu n,nechťkníexistujeinversnímatice 1 Pokudexistuje maticeb,respctaková,žeb E n,resp C=E n,potomb= 1,respC= 1 4TvrzeníNechťjesingulárnímaticePotom 1 neexistuje Existence inversní matice, způsoby výpočtu 5VětaNechťjeregulárníčtvercovámaticeřádu npotom 1 existujeaplatí D 11 D 21 D n1 1 = 1 det D 12 D 22 D n2, D 1n D 2n D nn kde D ij jedoplněkkpozicii, j) 6 Poznámka Inversní matici můžeme spočítat tak, že převrácenou hodnotou determinantu původní matice násobíme tzv adjungovanou matici Je to matice, která vznikne transponováním matice, jejímiž členy jsou jednotlivé doplňky Tento postup má svá úskalí, protože těch determinantů se musí počítat opravdu hodně Proto je vhodný zejména pro matice malých rozměrů 7 Jiný způsob výpočtu využívá elementárních řádkových nebo sloupcových úprav Pomocí nich upravíme regulární matici na jednotkovou Tomu odpovídá násobení této matice zleva nebo zprava elementárními transformačními maticemi Násobíme jimi tak dlouho, až je výsledná matice jednotková Pokud děláme pouze řádkové úpravy, máme vlastně Označíme-liB=T s T s 1 T 2 T 1,platí toznamená,žebjeinversnímaticíkmatici T s T s 1 T 2 T 1 E B E, 8 nalogicky, když děláme pouze sloupcové úpravy, násobíme vlastně odpovídajícími elementárními transformačními maticemi zprava Máme tedy T 1 T 2 T r 1 T r =E asoučint 1 T 2 T r 1 T r jeinversnímaticíkmatici Postupu úpravy regulární matice na jednotkovou se říká Gauss-Jordanova eliminace Nejprve upravíme matici na horní trojúhelníkovou, jak jsme to dělali např při výpočtu determinantu Potom ji jakoby převrátíme,poslednířádekpřevezmeúlohuprvníhoabudeme nulovat prvkyvposlednímsloupci,potom v předposledním, nalogicky postupujeme při sloupcových úpravách, upravujeme vlastně transponovanou matici 9 Poznámka Při tomto způsobu výpočtu inversní matice musíme dávat pozor, abychom opravdu dělali buď pouze řádkové nebo pouze sloupcové úpravy Řádkovým úpravám totiž odpovídá násobení zleva, sloupcovým násobení zprava elementárními transformačními maticemi a násobení matic není komutativní Měli bychom sice T 1 T t S 1 S s =E,

kdet i jsoumatice,kteréodpovídajířádkovýmúpravámas i matice,kteréodovídajísloupcovýmúpravám, ale odtud nijak neplyne, že T 1 T t E S 1 S s = 1 Vlastnosti inversních matic, záporné mocniny matic 10 Tvrzení Pro libovolnou regulární matici platí 1 ) 1 = 11TvrzeníProlibovolnouregulárnímaticiplatí,že T jetakéregulárnía T ) 1 = 1 ) T 12TvrzeníNechťaBjsouregulárnímaticetéhožřáduPotomtakématice BaB jsouregulární aplatí B) 1 =B 1 1 a B ) 1 = 1 B 1 13 Definice Nechť je regulární matice Definujeme n = n ) 1 = 1) n 14 Tvrzení Nechť je regulární matice Potom platí, že det 1 = 1 det Maticové rovnice 15 Definice Maticovými rovnicemi rozumíme rovnice, ve kterých se vyskytuje jako neznámá nějaká matice Nejjednoduššími maticovými rovnicemi jsou rovnice typu X=B nebo Y B 16TvrzeníPokudjematiceregulární,majítytorovnicevždyjedinéřešeníato X= 1 B nebo Y=B 1 Pokud je matice singulární, musíme použít jiné postupy, o kterých se dozvíte v kapitole o řešení soustav lineárních rovnic

teď trochu praktického použití U zkoušky toto nebude LU rozklad LUrozkladlzepoužítk 1 řešení soustavy lineárních rovnic 2 výpočtu determinantu 3 výpočtu inversní matice 17DefiniceLUrozkladjerozkladregulárníčtvercovématicenasoučindvoumaticL U,kdematice L je dolní trujúhelníková a má na hlavní diagonále jedničky a U je horní trojúhelníková Jak jsme si již dříve ukázali, každou čtvercovou matici lze pomocí řádkových úprav převést na horní trojúhelníkovoumaticitomuto převádění odpovídánásobenítétomaticezlevaelementárnímitransformačními maticemi Pokud součin těchto ETM označíme B, upravenouhorní trojúhelníkovou) matici C a původní matici,platí,žeb 1 CPokudbymaticeB 1 byladolnítrojúhelníkováamělanahlavnídiagonále jedničky, byl by rozklad hotov Používejmejenjedentypúprav-ki-témuřádkupřičtěme α-násobek j-téhořádku,kde j < ipříslušná elementární transformační matice má na hlavní diagonále jedničky a na pozicii, j) číslo α Všude jinde jsou nuly Je tedy dolní trojúhelníková s jedničkami na hlavní diagonále 18TvrzeníNechťL 1 al 2 jsoudolnítrojúhelníkovématice,kterémajínahlavnídiagonálejedničkypotom imaticel 1 L 2,respL 2 L 1,jedolnítrojúhelníkováamánahlavnídiagonálejedničky 19 Tvrzení Nechť je L dolní trojúhelníková matice, které má na hlavní diagonále jedničky Potom i matice L 1 jedolnítrojúhelníkováamánahlavnídiagonálejedničky 20VětaNechťL 1,L 2,,L k jsouelementárnítransformačnímaticeodpovídajícípřičítáníreálnéhonásobku řádku k jinému řádku Potom je matice L=L k L k 1 L 1 ) 1 =L 1 1 L 1 2 L 1 k dolní trojúhelníková a má jedničky na hlavní diagonále 21 Poznámka Podobná tvrzení platí i pro horní trojúhelníkové matice, tedy součin dvou horních trojúhelníkových matic je horní trojúhelníková matice a inversní matice k horní trojúhelníkové matici je opět horní trojúhelníková matice Otázkou je, zda se nám pouze tímto jediným typem úprav podaří převést každou regulární matici na horní trojúhelníkovou Odpověď je záporná I při úpravě regulární matice se může stát, že se během eliminace na hlavní diagonále objeví nula Při běžné eliminaci si pomůžeme přehozením těchto řádků, případně přičtením násobkutoho dolního řádkukřádku hornímu Odpovídajícíelementárnítransformačnímaticepakale není dolní trojúhelníková Je tedy třeba prohodit řádky v původní matici, to znamená vynásobit matici zleva permutační maticí S,abymatice =S užtentoproblémnemělaadalaserozložitnal UMaticeSjejistěregulární součinetm),pokudoznačímepjejíinversi,můžemepsátp L UExistujetakovápermutačnímatice vždy? Odpověď je tentokrát kladná Vždy, když nastane tento problém, přehodíme řádky v původní matici a eliminujeme znovu Nakonec dostaneme matici, která bude mít LU rozklad 22PoznámkaVpraxisesamozřejměnepostupujemetodou pokus-omyl ),alerovnousepočítámatice LJakmilepřehazuemevupravovanématiciřádkyi-týza j-tý,kde i < j),přehodímeřádkytakévmatici L,alepouzeposloupec i 1 Místoprohozenířádkůmůžemeprohoditsloupce,potomdostávámerozkladL U P Shrnutí 23VětaKekaždéregulárnímaticiexistujímaticeL,kterájedolnítrojúhelníkováamájedničkyna hlavní diagonále, matice U, která je horní trojúhelníková, a permutační matice P tak, že P L U

24VětaKekaždéregulárnímaticiexistujímaticeL,kterájedolnítrojúhelníkováamájedničkyna hlavní diagonále, matice U, která je horní trojúhelníková, a permutační matice P tak, že L U P 25VětaPokudmáregulárnímaticeLUrozklad,jsoumaticeLaUurčenyjednoznačně Použití LU rozkladu 26Výpočetdeterminantu:Nechťjeregulárníčtvercovámaticeřádu naplatíl U,kdeLje dolní trojúhelníková a má jedničky na hlavní diagonále a U je horní trojúhelníková, potom je detdetl U=detL detu=1 detu=u 11 u 22 u nn 27Řešenísoustavlineárníchrovnic:Nechťjeregulárníčtvercovámaticeřádu naplatíl U, kde L je dolní trojúhelníková a má jedničky na hlavní diagonále a U je horní trojúhelníková Uvažujme soustavulineárníchrovnic x= b,tedy a 11 x 1 + a 12 x 2 + +a 1n x n = b 1 a 21 x 1 + a 22 x 2 + +a 2n x n = b 2 a n1 x 1 + a n2 x 2 + +a nn x n = b n PotomL U x)=l U) x= x= baoznačíme-liu x= y,dostávámevlastnědvěsoustavyrovnic strojúhelníkovýmimaticemi,totižl y= bau x= y SoustavuL y= břešímedopřednousubstitucínejprve y 1,potom y 2,, y n )ProtožejematiceLdolní trojúhelníková a má na hlavní diagonále jedničky, řešíme vlastně soustavu y 1 = b 1 l 21 y 1 + y 2 = b 2 jejímž řešením je l n1 y 1 + l n2 y 2 + +y n = b n, y 1 = b 1 y 2 = b 2 l 21 y 1 = b 2 l 21 b 1 y n = b n l n1 y 1 + +l n,n 1 y n 1 ) PotomřešímesoustavuU x= yzpětnousubstitucínejprvespočítáme x n,potom x n 1,, x 1 Protožeje matice U horní trojúhelníková, řešíme vlastně soustavu jejímž řešením je u 11 x 1 + u 12 x 2 + +u 1n x n = y 1 u 22 x 2 + +u 2n x n = y 2 u nn x n = y n, 1 x n = u nn y n 1 x n 1 = u n 1,n 1 y n 1 u n 1,n x n ) x 1 = 1 u 11 y 1 u 1n x n + +u 12 x 2 )) 28Výpočetinversnímatice:Přivýpočtuinversnímaticevlastněřešímematicovourovnici 1 =E, cožsimůžemepředstavitjakořešení nsoustav nlineárníchrovniconneznámých,kdenapravéstraněse objevují jednotlivé sloupce jednotkové matice, tedy sloupcové vektory, které mají na jednom místě jedničku a jinak samé nuly Řešení provádíme postupem popsaným v předchozím příkladu

29 Složitost SložitostLUrozkladujeOn 3 )Přiřešenísoustavyrovnicjenutnodopočítat ydopřednoua xzpětnou substitucíobojímásložitoston 2 ),celývýpočetmátedysložitoston 3 )ProtiklasickéGaussověeliminaci, kterámásložitoston 3 ),nicnezískávámetosevšakzmění,kdyžřešímesoustavysestejnoumaticíale různými pravými stranami Při výpočtu determinantu ani inversní matice zrychlení také nezískáme 30 Příklady 1 2 Nebo také 1 1 2 2 1 3 1 2 1 4 2 5 6 4 7 4 2 5 6 4 7 2 1 0 1 3 1 0 1 0 0 3 1 2 1 0 3 2 1 3 1 0 2 0 1 0 0 2 0 2 1 0 0 2 0 1 0