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



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

3. Matice a determinanty

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

Soustavy lineárních rovnic

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

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

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

Matematika 2 pro PEF PaE

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

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

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

Několik poznámek na téma lineární algebry pro studenty fyzikální chemie

Operace s maticemi. 19. února 2018

2. Matice, soustavy lineárních rovnic

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.

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:

Regulární matice. Věnujeme dále pozornost zejména čtvercovým maticím.

Kapitola 11: Vektory a matice:

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

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

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

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

Euklidovský prostor Stručnější verze

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

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

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

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

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

1 Determinanty a inverzní matice

1 Vektorové prostory.

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

Jazyk matematiky Matematická logika Množinové operace Zobrazení Rozšířená číslená osa

Aplikovaná numerická matematika - ANM

4. Trojúhelníkový rozklad p. 1/20

DEFINICE Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Soustavy linea rnı ch rovnic

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

11 Soustavy rovnic a nerovnic, Determinanty a Matice

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Kapitola 11: Vektory a matice 1/19

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

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

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

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

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 ).

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

[1] LU rozklad A = L U

0. Lineární rekurence Martin Mareš,

Numerické metody a programování

Maticový a tenzorový počet

Poznámky z matematiky

Lineární algebra. Matice, operace s maticemi

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

Vybrané problémy lineární algebry v programu Maple

2 Spojité modely rozhodování

IB112 Základy matematiky

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

2.3. DETERMINANTY MATIC

2.2. SČÍTÁNÍ A NÁSOBENÍ MATIC

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

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

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

Číselné vektory, matice, determinanty

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

1. Základy logiky a teorie množin

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

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Lineární algebra Operace s vektory a maticemi

Numerické metody a programování. Lekce 4

Matematika B101MA1, B101MA2

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

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.

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.

Soustavy lineárních rovnic

Operace s maticemi

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

Matice. nazýváme m.n reálných čísel a. , sestavených do m řádků a n sloupců ve tvaru... a1

Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta aplikovaných věd Katedra matematiky. Geometrie pro FST 1. Pomocný učební text

0.1 Úvod do lineární algebry

Vektorové podprostory, lineární nezávislost, báze, dimenze a souřadnice

předmětu MATEMATIKA B 1

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

zejména Dijkstrův algoritmus pro hledání minimální cesty a hladový algoritmus pro hledání minimální kostry.

[1] Důkaz: Necht p(x) = a n x n a 1 x + a 0 = 0 pro všechna x C,

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

AVDAT Vektory a matice

Soustavy lineárních rovnic

Lineární algebra : Násobení matic a inverzní matice

Soustavy lineárních rovnic a determinanty

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

GRAFY A GRAFOVÉ ALGORITMY

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

Predispozice pro výuku IKT (2015/2016)

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Přehled učiva matematiky 7. ročník ZŠ

3. ročník, 2013/ 2014 Mezinárodní korespondenční seminář iks

Kapitola 1. Tenzorový součin matic

Symetrické a kvadratické formy

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

6. Matice. Algebraické vlastnosti

Transkript:

[] Definice determinantu BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [2] Determinant je číslo jistým způsobem charakterizující čtvercovou matici det A 0 pro singulární matici, det A 0 pro regulární matici používá se při řešení lineárních soustav a v mnoha dalších aplikacích Definice: Necht A (a i,j ) R n,n je čtvercová matice Číslo sgn π a,i a 2,i2 a n,in permutace π(i,i2,,in) nazýváme determinantem matice A a značíme je det A Poznámka: Abychom tomu vzorci porozumněli a dokázali z něj odvodit základní vlastnosti determinantů, potřebujeme si připomenout vlastnosti permutací a) determinant, 9, b) P Olšák, FEL ČVUT, c) P Olšák 200, d) BI-LIN, e) L, f) 2009/200, g)ä Viz p d 4/200 Permutace BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [3] Permutace, vlastnosti BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [4] Permutace n prvků je uspořádaná n-tice čísel z množiny {, 2,, n}, přitom každé číslo je v n-tici zastoupeno právě jednou Příklad: (3,, 2, 5, 4) je permutace pěti prvků (i, i 2,, i n ) je permutace z n prvků, pokud i j {, 2,, n} a i j i k pro j k Jiný pohled: Permutace je bijektivní zobrazení na {, 2,, n} Vztah mezi těmito pohledy: Je-li dána n-tice (i, i 2,, i n ), pak je dáno zobrazení z : {, 2,, n} {, 2,, n} předpisem z(j) i j Je-li dáno zobrazení z, pak lze sestrojit n-tici (z(), z(2),, z(n)) Skládáním permutací (jako zobrazení) dostáváme permutaci Generická (jednotková) permutace je (, 2,, n) Každá permutace má svou inverzní permutaci Počet permutací n prvků je n!

Znaménko permutace BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [5] Přechod sudá lichá BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [6] inverze v permutaci (i, i 2,, i n ) je výskyt jevu: i j > i k a současně j < k Příklad: inverze permutace (3,, 2, 5, 4) jsem vyznačil pomocí obloučků: { { { ( 3,, 2, 5, { { 4) Tato permutace má tři inverze Definice: Má-li permutace π sudý počet inverzí, je sgn π +, má-li π lichý počet inverzí, je sgn π Číslu sgn π říkáme znaménko permutace Příklad: sgn(3,, 2, 5, 4) Znaménko generické permutace je + Cvičení: jaké znaménko má permutace (n, n,, 3, 2, )? Prohození dvou prvků v permutaci změní znaménko permutace Důkaz: V následující permutaci prohodím prvky x a y: ( prvky vlevo, x, prvky uvnitř, y, prvky vpravo ) Inverze, které nenavazují na prvek x nebo y zůstávají nezměněny Inverze mezi prvky vlevo a x nebo y zůstávají nezměněny Inverze mezi x nebo y a prvky vpravo zůstávají nezměněny Inverze mezi x nebo y a prvky uvnitř po dvou vznikají nebo zanikají nebo se nemění Inverze mezi x a y vznikne nebo zanikne Důsledek: Znaménko permutace poznáme podle počtu transpozic (jednoho prohození dvou prvků), které je potřeba na permutaci provést, aby byla převedena na generickou permutaci Návrat k definici deterinantu BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [7] BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [8] Determinant horní trojúhelníkové matice Definice: Necht A (a i,j ) R n,n je čtvercová matice Číslo det A sgn π a,i a 2,i2 a n,in permutace π(i,i2,,in) Užitečná je představa šachových věží Příklad pro matice typu (, ), (2, 2), (3, 3) Sarrusovo pravidlo Pozor, pro matice větších typů Sarrusovo pravidlo nelze použít! a,, a,2,, a,n, a,n 0, a 2,2,, a 2,n, a 2,n det 0, 0,, a 3,n, a 3,n 0, 0,, 0, a n,n je roven součinu prvků na diagonále: a, a 2,2 a 3,3 a n,n Vidí všichni proč?

Základní vlastnosti determinantu BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [9] Metoda výpočtu determinantu BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [0] Prohození řádků změní znaménko determinantu Matice se dvěma stejnými řádky má nulový determinant Pronásobení jediného řádku α-krát zvětší α-krát i determinant Je-li jeden řádek zapsaný jakou součet dvou částí, pak determinat takové matice je roven součtu determinantů matic, ve kterých jsou místo tohoto řádku jen jeho části: det a i + det b i det a i + b i Algoritmus: Eliminací převedeme danou matici A na horní trojúhelníkovou matici U Pokud během eliminace použijeme první nebo druhý typ kroku eliminace, je potřeba si poznamenat, jak se změnil determinant Třetí typ kroku nemění determinant vůbec Konečně det U je součin prvků na diagonále Složitost algoritmu: n 3 Výrazná úspora proti vzorci v definici, který ma složitost n! Třetí typ kroku eliminační metody nezmění determinant Příklad BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [] Řádky a sloupce jedno jest BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [2] 2 3 3 2 3 3 2 3 3 2 4 4 4 2 2 0 0 5 2 0 6 0 ( ) 4 0 6 0 3 2 0 5 7 8 0 5 7 8 2 3 3 0 6 0 6 2 3 3 0 6 0 6 0 30 42 48 0 0 3 2 6 2 3 3 0 6 0 5 2 3 3 0 6 0 30 6 0 0 65 0 0 0 0 6 Za chvíli uvidíme, že to lze spočítat jednodušeji Tvrzení: det A det A T Důkaz: Mám permutaci (i, i 2,, i n ) a podle ní provedu sloupcový výběr prvků matice a vynásobím mezi sebou: a i, a i2,2 a in,n a,j a 2,j2 a n,jn Součin reálných čísel je komutativní, tak jsem činitele uspořádal podle velikosti řádkového indexu Jaký je vztah mezi permutacemi: (i, i 2,, i n ) a (j, j 2,, j n )? Jsou si vzájmně inverzní A inverzní permutace mají stejné znaménko Takže vzorce s řádkovým i sloupcovým výběrem dávají stejný výsledek Důsledek: Při eliminaci za účelem výpočtu determinantu lze libovolně přecházet mezi řádkovými a sloupcovými úpravami

Regulární a singulární matice BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [3] Determinant součinu matic BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [4] Věta: Matice A je regulární, právě když det A 0 Důkaz: A je regulární právě když A E Dále si stačí uvědomit, že Gaussova eliminace nemění nulovost determinantu Věta: Pro dvě čtvercové matice typu (n, n) platí det(a B) (det A) (det B) Důkaz*: Lze provést A U řádkovými eliminačními úpravami, aby se nezměnil determinant Dále lze převést B na U 2 sloupcovými eliminačními úpravami tak, že se nezmění determinant Snadno se ukáže, že det(u U 2 ) (det U ) (det U 2 ) Existují matice P, P 2 tak, že U P A, U 2 BP 2 Stejné řádkové i sloupcové úpravy provedeme na A B, tedy P A BP 2 U U 2 Úpravy nemění determinant, takže det(a B) det(p A BP 2 ) det(u U 2 ) (det U ) (det U 2 ) (det A) (det B) BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [5] Důsledky věty o determinantu součinu Rozvoj determinantu podle řádku BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [6] det A / det A Je-li A LU rozklad matice A, pak det A det U, tedy det A je roven součinu diagonálních prvků v matici U (připomínám, že matice L má na diagonále jedničky) Terminologie: Vyřadíme-li ze čtvercové matice A R n,n i-tý řádek a j-tý sloupec, dostáváme matici A i,j R n,n Číslo D i,j ( ) i+j det A i,j se nazývá doplněk matice A v pozici (i, j) Věta o rozvoji: Necht D i,j jsou doplňky čtvercové matice A (a i,j ) Pak platí det A a r, D r, + a r,2 D r,2 + + a r,n D r,n Náznak důkazu: vytkněte ze součtu z definice determinantu a r, (jen z těch sčítanců, kde se a r, vyskytuje), dále vytkněte a r,2 atd až a r,n V závorkách po vytknutí dostanete D r,i

Rozjímání nad větou o rozvoji BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [7] Příklad BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [8] Protože det A det A T, platí analogická věta o rozvoji podle sloupce Je-li v řádku/sloupci hodně nul, je v součtu podle věty o rozvoji hodně nulových sčítanců Stačí zapsat jen ty nenulové a redukovat výpočet determinantu matice typu (n, n) na několik (málo) determinantů matic typu (n, n ) Pozor: rekurzivní volání výpočtu determinantu podle věty o rozvoji má složitost n!, takže tento algoritmus je nepoužitelný Důsledkem věty o rozvoji je tvrzení: 2 3 3 2 3 2 4 4 4 2 2 2 4 0 2 4 4 2 0 4 2 3 2 3 2 0 3 2 2 4 2 2 0 7 0 2 7 2 8 6 0 a r, D k, + a r,2 D k,2 + + a r,n D k,n pro r k Stačí provést větu o rozvoji na matici se dvěma stejnými řádky Věta o rozvoji má řadu dalších teoretických důsledků, některé se dozvíme později Inverzní matice pomocí doplňků Je-li A R n,n regulární, pak A det A DT, kde D (D i,j ) je matice doplňků A v pozicích (i, j) Důkaz: Ověříme, že AA E Označíme A (a i,j ), D T (D k,j ), E (e i,k ) e i,k n j BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [9] a i,j det A D k,j det A (a i,d k, + a i,2 D k,2 + + a i,n D k,n ) det A pro i k, det A 0 0 pro i k det A Využili jsme větu o rozvoji determinantu podle i-tého řádku Příklad: inverze k matici typu (2, 2) Je dána matice ( ) a b A c d Matice doplňků k této matici je ( ) d c D b a Takže A det A DT ad bc ( d b c a BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [20] )

BI-LIN, determinant, 9, P Olšák [2] Příklad: inverze matice pomocí doplňků 2 3 Je dána matice A 0 2 2 Matice doplňků je: + 0 2 2 + 0 2 2 D 2 3 2 + 3 2 2 2 3 2 2 2 4 5 2, + 2 3 2 4 2 0 3 + 2 0 takže: det A 2, A det A DT 2 4 2 3 5 4 2 2 2 2