3. Matice a determinanty



Podobné dokumenty
1. Základy logiky a teorie množin

Matice. Přednáška MATEMATIKA č. 2. Jiří Neubauer. Katedra ekonometrie FEM UO Brno kancelář 69a, tel

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

Soustavy lineárních rovnic

Jazyk matematiky Matematická logika Množinové operace Zobrazení Rozšířená číslená osa

KATEDRA INFORMATIKY UNIVERZITA PALACKÉHO LINEÁRNÍ ALGEBRA 1 OLGA KRUPKOVÁ VÝVOJ TOHOTO UČEBNÍHO TEXTU JE SPOLUFINANCOVÁN

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

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Skalár- veličina určená jedním číselným údajem čas, hmotnost (porovnej životní úroveň, hospodaření firmy, naše poloha podle GPS )

Gymnázium, Brno. Matice. Závěrečná maturitní práce. Jakub Juránek 4.A Školní rok 2010/11

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

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

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

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

Operace s maticemi. 19. února 2018

1 Determinanty a inverzní matice

Regulární matice. Věnujeme dále pozornost zejména čtvercovým maticím.

Součin matice A a čísla α definujeme jako matici αa = (d ij ) typu m n, kde d ij = αa ij pro libovolné indexy i, j.

2.2. SČÍTÁNÍ A NÁSOBENÍ MATIC

5. Maticová algebra, typy matic, inverzní matice, determinant.

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:

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

Základy maticového počtu Matice, determinant, definitnost

Matematika B101MA1, B101MA2

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

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

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

1 Vektorové prostory.

Kapitola 11: Vektory a matice:

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

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

8 Matice a determinanty

10. DETERMINANTY " # $!

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

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Matice. študenti MFF 15. augusta 2008

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

Vybrané problémy lineární algebry v programu Maple

Lineární algebra a analytická geometrie sbírka úloh a ř ešených př íkladů

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

Číselné vektory, matice, determinanty

MATEMATIKA PRO PŘÍRODNÍ VĚDY LINEÁRNÍ ALGEBRA, DIFERENCIÁLNÍ POČET MPV, LADP TUL, ZS 2009/10

Maticový a tenzorový počet

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

Poznámky z matematiky

Matematika 2 pro PEF PaE

2.3. DETERMINANTY MATIC

Operace s maticemi Sčítání matic: u matic stejného typu sečteme prvky na stejných pozicích: A+B=(a ij ) m n +(b ij ) m n =(a ij +b ij ) m n.

Matematika pro studenty ekonomie

Lenka Zalabová. Ústav matematiky a biomatematiky, Přírodovědecká fakulta, Jihočeská univerzita. zima 2012

předmětu MATEMATIKA B 1

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

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

5. Lokální, vázané a globální extrémy

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

Operace s maticemi

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

KATEDRA INFORMATIKY UNIVERZITA PALACKÉHO DAGMAR SKALSKÁ VÝVOJ TOHOTO UČEBNÍHO TEXTU JE SPOLUFINANCOVÁN

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Několik poznámek na téma lineární algebry pro studenty fyzikální chemie

Matematický ústav Slezské univerzity v Opavě Učební texty k přednášce ALGEBRA I, zimní semestr 2000/2001 Michal Marvan. 7.

Lineární algebra II. Adam Liška. 9. února Zápisky z přednášek Jiřího Fialy na MFF UK, letní semestr, ak. rok 2007/2008

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

0.1 Úvod do lineární algebry

a m1 a m2 a mn zobrazení. Operaci násobení u matic budeme definovat jiným způsobem.

Matice se v některých publikacích uvádějí v hranatých závorkách, v jiných v kulatých závorkách. My se budeme držet zápisu s kulatými závorkami.

11 Soustavy rovnic a nerovnic, Determinanty a Matice

7. Lineární vektorové prostory

0.1 Úvod do lineární algebry

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

GRAFY A GRAFOVÉ ALGORITMY

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

2. Matice, soustavy lineárních rovnic

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

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

Skalární součin je nástroj, jak měřit velikost vektorů a úhly mezi vektory v reálných a komplexních vektorových prostorech.

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

Kapitola 11. Vzdálenost v grafech Matice sousednosti a počty sledů

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

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

0. Lineární rekurence Martin Mareš,

Symetrické a kvadratické formy

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

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 ).

Základy matematiky pro FEK

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.

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

Kapitola 1. Tenzorový součin matic

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

Úvod do lineární algebry

Soustavy lineárních rovnic

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Základy teorie funkcí více proměnných. študenti MFF 15. augusta 2008

Y36BEZ Bezpečnost přenosu a zpracování dat. Úvod. Róbert Lórencz. lorencz@fel.cvut.cz

Vektory a matice. Matice a operace s nimi. Hodnost matice. Determinanty. . p.1/12

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

ALGEBRA. Téma 4: Grupy, okruhy a pole

Soustavy lineárních rovnic

1. LINEÁRNÍ ALGEBRA Vektory Operace s vektory... 8 Úlohy k samostatnému řešení... 8

Transkript:

. Matice a determinanty Teorie matic a determinantů představuje úvod do lineární algebry. Nejrozsáhlejší aplikace mají matice a determinanty při řešení systémů lineárních rovnic. Pojem determinantu zavedl již v roce 169 německý matematik W. G. Leibniz (1646 1716, ale jeho objev upadl v zapomenutí. V roce 170 dospěl znovu k pojmu determinantu švýcarský matematik G. Cramer (1704 172. Všeobecně se začalo v matematice používat determinantů až koncem 18. století. Zasloužili se o to zejména matematici A.-T. Vandermonde (17 1796 a A. L. Cauchy (1789 187. Současně s teorií determinantů se rozvíjela teorie matic, jejímž zakladatelem je anglický matematik A. Cayley (1821 189. Na dalším rozvoji teorie matic se podíleli zejména G. Frobenius (1849 1917, J. J. Sylvester (1814 1897 a K. Weierstrass (181 1897. A. Základní maticové pojmy Definice.1. Matice A = (a ij typu m/n nad množinou X je schema složené z m n prvků množiny X zapsaných do m řádků a n sloupců. Přesněji matice A typu m/n nad X je zobrazení množiny {1,..., m} {1,..., n} do množiny X. Množina X bývá často číselná, tj. X {N, Z, Q, R, C}. Prvky matic mohou být ale i komplikovanější objekty, například algebraické výrazy, nebo funkce. Poznámka.2. Matici A typu m/n budeme zapisovat ve tvaru a 11... a 1n A =..., a m1... a mn nebo jen krátce A = (a ij, kde i je řádkový index a j sloupcový index. Příklad.. Matice A = ( 1 7 2 6 4 je příkladem matice typu 2/ nad množinou N. Platí například, že a 2 = 4, protože prvek a 2 leží ve druhém řádku a třetím sloupci matice A. Definice.4. a Je-li m = n, nazývá se matice čtvercová; b V obecném případě m n obdélníková; c Množina všech prvků se stejným řádkovým a sloupcovým indexem se nazývá hlavní diagonála matice; d Nulová matice O je matice, jejíž všechny prvky jsou nuly; e Jednotková matice E je čtvercová matice, jejíž prvky mimo hlavní diagonálu jsou nuly a prvky na hlavní digonále jsou rovny jedné; f Matice A se nazývá trojúhelníková matice, (přesněji horní trojúhelníková, pokud pro libovolné dva indexy i, j platí i > j a ij = 0. Horní trojúhelníková matice má nuly pod hlavní diagonálou; g Analogicky definujeme dolní trojúhelníkovou matici; h Dvě matice A, B se rovnají, když mají stejný typ a pro libovolné indexy i, j platí a ij = b ij. Pak píšeme A = B. ÚM FSI VUT v Brně 12

Maticová algebra je jednoduchá. B. Operace s maticemi Definice.. (Sčítání matic Matice A, B lze sečíst, když mají stejný typ m/n. Pak výsledek A + B je matice C = (c ij typu m/n, kde c ij = a ij + b ij. (.1 Definice.6. (Násobení matice číslem Každou matici A typu m/n lze vynásobit prvkem c X. Výsledkem ca je matice C = (C ij typu m/n, kde c ij = c a ij. (.2 Definice.7. (Odečítání matic Odečítání matic A, B lze pak formálně definovat vztahem A B = A + (1B. (. Definice.8. (Násobení matic Pro násobení matic platí komplikovanější vztahy. Předně dvě matice A, B lze vynásobit v tomto pořadí, tj. vytvořit součin A B, když typy matic na sebe navazují v následujícím smyslu: pokud typ A je m/k, typ B je k/n, pak typ A B je m/n. Výsledkem násobení je tedy matice C = (c ij typu m/n, přičemž pro c ij platí c ij = k a is b sj. (.4 s=1 Prvek ležící v i-tém řádku a j-tém sloupci výsledné matice tedy získáme tak, že procházíme i-tý řádek v matici A a jeho prvky postupně násobíme prvky ležícími v j-tém sloupci matice B a vytvořené součiny posčítáme. Definice.9. (Transponování matice Libovolnou matici A = (a ij typu m/n lze transponovat. Výsledkem transpozice je matice A T = (a ji typu n/m. Pro operace s maticemi platí všechny typy asociativních zákonů, distributivní zákony A(B+C = AB+AC a (A + BC = AC + BC a pro sčítání matic platí i zákon komutativní. Násobení matic ale komutativní není. Jednotková matice E má podobnou vlastnost jako jednička: A E = E A = A. Analogicky pro nulovou matici platí: A O = O A = O. Chování součinu vzhledem k transpozici popisuje vztah (A B T = B T A T. Nyní demonstrujme algoritmus násobení matic podle vztahu (.4 na příkladu. Příklad.10. Nechť jsou dány dvě matice A = ( 1 0 a B = 2 0 1 2. Určete součin A B a B A. Zamyslete se nad tím, zda pro násobení matic platí, nebo neplatí komutativní zákon. Řešení. A B = ( 1 0 2 0 1 2 = ( 1 + 0 + + 0 + 6 2 + 2 + 1 6 + 0 + 2 = ( 4 9 8. ÚM FSI VUT v Brně 1

B A = 2 0 1 2 ( 1 0 = 1 + 6 0 + + 2 + 0 0 + 0 6 + 0 1 + 4 0 + 2 + 2 = 7 6 2 0 6 2 Z uvedeného příkladu je ihned patrné, že pro násobení matic obecně neplatí komutativní zákon, tj. A B B A. Výsledné matice mají dokonce úplně odlišné typy.. C. Determinanty Definice.11. Buď X množina, f : X X bijekce. Pak f se nazývá permutace množiny X. Je-li X = {1,..., n}, zapisujeme permutaci symbolicky f = ( 1 2... n i 1 i 2... i n, přičemž f(s = is, s = 1,..., n. Buďte i, j X, i j. Řekneme, že dvojice [i, j] je inverze v f, když i < j f(i > f(j. Klademe pak sgn(f = (1 k, (. kde k je počet inverzí v f. Definice.12. Determinant čtvercové matice A = (a ij typu n/n definujeme vztahem det A = f sgn(f a 1f(1 a nf(n, (.6 kde součet probíhá všechny permutace f množiny {1,..., n}. Poznámka.1. Místo det A někdy píšeme A. Sarrusovo pravidlo. Pro n = 2, lze definiční vztah snadno rozepsat a upravit na tvar a det(a = det(a = a 11 a 12 a 1 a 21 a 22 a 2 a 1 a 2 a a 11 a 12 = a 11a 22 a 12 a 21 (.7 21 a 22 = (.8 = a 11 a 22 a + a 12 a 2 a 1 + a 1 a 21 a 2 ( a 1 a 22 a 1 + a 12 a 21 a + a 11 a 2 a 2. (.9 Výpočet podle vztahu (.7 resp. (.8 nazýváme výpočtem podle Sarrusova pravidla (podle francouzského matematika P. F. Sarruse (1798 188. Elementární řádkové úpravy. Řádkovými elementárními transformacemi matice nazýváme následující úpravy: a záměna dvou řádků; b vynásobení řádku nenulovým číslem; c přičtení řádku k jinému řádku; d libovolnou kombinaci úprav a, b, c. ÚM FSI VUT v Brně 14

Analogicky definujeme sloupcové elementární transformace. Kombinujeme-li řádkové i sloupcové transformace, nazýváme tyto úpravy elementární transformace matice. Následující věta popisuje vlastnosti determinantu, které jsou důležité pro jeho výpočet. Zejména popisuje, jaký vliv má provedení jednotlivých transformací na hodnotu determinantu. Věta.14. (základní vlastnosti determinantů 1. Transpozicí matice se hodnota determinantu nezmění. Důsledek: Libovolné tvrzení platící pro řádky, platí i pro sloupce a naopak. 2. Existuje-li v matici nulový řádek nebo nulový sloupec, pak je její determinant roven nule.. Existují-li v matici dva stejné řádky, nebo dva stejné sloupce, pak determinant této matice je roven nule. 4. Nechť matice B vznikla z matice A záměnou dvou řádků, nebo sloupců. Pak det(b = det(a.. Nechť matice B vznikla z matice A vynásobením jednoho řádku, nebo sloupce číslem c. Pak det(b = c det(a. 6. Determinant matice se nezmění, pokud k nějakému jejímu řádku, (nebo sloupci, přičteme nenulový násobek jiného jejího řádku, (nebo sloupce. 7. Determinant trojúhelníkové matice je roven součinu prvků na hlavní diagonále. 8. Každou matici lze pomocí konečného počtu řádkových transformací převést na trojúhelníkový tvar. Tvrzení obsažená ve Větě.14 nám poskytují jednoduchý návod, jak hodnotu determinantu určit. Pomocí elementárních transformací převedeme matici na horní trojúhelníkovou matici. Jednotlivé transformace sice mohou měnit hodnotu determinantu, ale podle Věty.14 víme k jakým změnám dojde. Hodnota determinantu je pak podle vlastnosti 7 Věty.14 rovna součinu prvků na hlavní digonále. Výpočet determinantu lze provést i pomocí následující metody. Definice.1. 1. Buď A = (a ij matice typu m/n. Každá matice B, která vznikne z A vynecháním některých řádků a některých sloupců se nazývá submatice matice A. 2. Determinant čtvercové submatice se nazývá subdeterminant, nebo též minor matice A. Buď A čtvercová matice typu n/n.. Subdeterminant matice vzniklé vynecháním i-tého řádku a j-tého sloupce v matici A označme A ij. Číslo D ij = (1 i+j A ij nazýváme algebraický doplněk prvku a ij. Věta.16. (Laplaceova věta Buď A = (a ij čtvercová matice typu n/n, kde n 2. Pak a det(a = a ik D ik = (1 i+k a ik A ik (.10 det(a = a kj D kj = (1 k+j a kj A kj. (.11 Vztah (.10 se nazývá rozvoj podle i-tého řádku, vztah (.11 rozvoj podle j-tého sloupce. ÚM FSI VUT v Brně 1

Příklad.17. Vypočtěte determinant matice A následujícími metodami: a pomocí Sarrusova pravidla; b převodem na trojúhelníkovou matici; c rozvojem podle druhého řádku. Matice A je dána vztahem 2 8 A = 4 6 7. 4 9 Řešení. a Podle Sarrusova pravidla je det(a = [2 6 (9 + ((7( + 4 4 8] [8 6 ( + 4((9 + 4(7] = = (108 10 + 128 (240 6 + 108 = 8 + 188 = 10. b Pomocí elementárních transformací a Věty?? platí 2 8 det(a = 4 6 7 4 9 = 1 2 8 2 2 12 2 0 7 22 = 1 1 2 12 2 8 0 12 2 0 = = 1 (2 12 10 = 10. 24 c Podle Laplaceovy věty.16 platí 2 8 det(a = 4 6 7 4 9 = (4 8 4 9 + 6 2 8 9 + 7 2 4 = = (4(27 2 + 6(18 + 40 + 7(8 1 = 20 + 12 49 = 10. D. Inverzní matice Definice.18. Buď A = (a ij čtvercová matice typu n/n. Čtvercová matice B typu n/n se nazývá inverzní k matici A, když A B = B A = E. Na první pohled není z uvedené definice zřejmé, zda matice B inverzní k A existuje vždy, zda je určena jednoznačně a jak tuto matici vypočítat. K formulaci odpovědí nám pomůže teorie determinantů. Definice.19. K matici A = (a ij typu n/n vždy existuje matice A = (D ij T, tzv. adjungovaná matice k matici A. Vznikne tak, že každý prvek v matici A nahradíme jeho algebraickým doplňkem a matici transponujeme. Věta.20. (O inverzní matici Buď A = (a ij čtvercová matice typu n/n. Pak platí a Inverzní matice k A existuje právě tehdy, když det(a 0. b V případě, že inverzní matice existuje, je určena jednoznačně a označuje se A 1. c Inverzní matici lze pak vypočítat podle vzorce A 1 = 1 det(a A (.12 Pro inverzní matici platí řada zákonitostí. Uveďme aspoň dvě nejpoužívanější. ÚM FSI VUT v Brně 16

Poznámka.21. Platí (A 1 1 = A a (A B 1 = B 1 A 1. Rovněž existuje alternativní možnost výpočtu inverzní matice. Je založena na teorii elementárních transformací matic. Věta.22. Nechť [A E] je matice typu n/2n vzniklá tak, že za matici A napíšeme jednotkovou matici E, viz Příklad.2. Pak existuje posloupnost řádkových elementárních transformací, která převede matici [A E] na matici [E B] a platí B = A 1. Příklad.2. Vypočtěte inverzní matici A 1 k matici A, kde 2 1 1 A = 1 1 2. Řešení. Předně zjistíme, zda je matice A regulární. Některou z metod pro výpočet determinantu vypočteme, že det A =. Podle Věty.20 existuje k matici A matice inverzní. Tuto matici můžeme vypočítat dvěma způsoby. První možnost výpočtu je založena na Větě.20. Platí 1 2 2 0 A 1 1 = det(a A = 1 1 1 2 0 1 1 1 2 T = 1 4 2 1 2 = 1 Druhá možnost výpočtu je založena na Větě.22. Platí [A E] = 1 1 2 1 0 0 0 1 0 0 1 0 Podle Věty.22 je B = A 1. 0 1 2 0 0 1 1 2 2 1 2 1 0 2 1 1 0 2 1 1 2 4 2 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 2 1 0 0 0 1 0 1 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1 1. 0 1 2 0 1 0 1 2 4 T = 2 2 1 1 0 1 1 1 0 2 0 1 1 = [E B]. ÚM FSI VUT v Brně 17