KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I."

Máté Hegedűs
8 évvel ezelőtt
Látták:

1 KOVÁCS BÉLA, MATEmATIkA I 9

2 IX MÁTRIxOk 1 MÁTRIx FOGALmA, TULAJDONSÁGAI A mátrix egy téglalap alakú táblázat, melyben az adatok, a mátrix elemei, sorokban és oszlopokban vannak elhelyezve Az (1) mátrixnak m sora és n oszlopa van Ezért szokás azt tipusú mátrixnak mondani Az i -edik sor k -adik eleme Az n sorból és az n oszlopból álló mátrix neve n-edrendű négyzetes (vagy kvadratikus) mátrix A kvadratikus mátrix elemei alkotják a mátrix főátlóját Ha a mátrix sorait felcseréljük az oszlopaival, a mátrix transzponáltját kapjuk Jelölése A* vagy Az A kvadratikus mátrix szimmetrikus, ha, azaz ha ; ferdén szimmetrikus, ha, azaz ha Ha a D kvadratikus mátrix főátlóján kívüli valamennyi eleme nulla, akkor D átlós (diagonális) mátrix Ha egy diagonális mátrix főátlójában álló valamennyi elem 1, akkor annak neve egységmátrix Jele E A csupa nulla elemből álló mátrixot zérusmátrixnak (nullamátrixnak) nevezzük Az egyetlen oszlopból, ill egyetlen sorból álló mátrix neve oszlopmátrix (vagy oszlopvektor), ill sormátrix, (vagy sorvektor) Ezeket általában kisbetűvel (pl a, b) jelöljük Két mátrix egyenlő, ha mindkettő ugyanolyan tipusú, és a megfelelő helyeken álló elemeik egyenlők, azaz, ha 2 Műveletek mátrixokkal Az A és B mátrixok összege, ha Az A mátrix és a szám szorzata, ha Minden négyzetes A mátrix előállítható alakban, ahol S szimmetrikus, F pedig ferdén szimmetrikus mátrix, és,

3 Minden mátrix valójában egymás alá (fölé) írt sorvektorokból és egymás mellé írt oszlopvektorokból áll Legyen az A mátrix i - edik sora, ill a B mátrix k -adik oszlopa, ill Ekkor az A és B mátrix szorzata, ha (2) Innen látható, hogy az AB mátrixszorzat csak akkor értelmezhető, ha a bal oldali A mátrixnak ugyanannyi oszlopa van, mint ahány sora van a jobb oldali B mátrixnak Tehát az és mátrixok AB szorzata értelmezhető Az eredménymátrix tipusú lesz Az is látható, hogy Az eredménymátrix eleme pedig nem más, mint az A mátrix i -edik sorának és a B mátrix k -adik oszlopának skaláris szorzata Ha A négyzetes mátrix és E, ill 0 vele azonos rendű egységmátrix, ill zérusmátrix, akkor (3), ill 3 MÁTRIxOk INVERZE ÉS RANGJA Mátrix inverze Az A négyzetes mátrix inverzén olyan, -gyel jelölt mátrixot értünk, amelyre (4), ahol E az A -val megegyező rendű egységmátrix Az inverzmátrix csak akkor létezik, ha Ekkor az A mátrix reguláris Ellenkező esetben szinguláris Igazolható, hogy (5), ahol, az A mátrix eleméhez tartozó előjeles aldetermináns Megjegyezzük, hogy az inverzmátrix más módon is előállítható (például bázistranszformációval, l a 8 mintapéldát ) Mátrix rangja Mátrix rangja egyenlő a mátrix lineárisan független sorvektorainak vagy oszlopvektorainak számával Egy másik értelmezés: Mátrix rangján a mátrixból kiválasztható, nem zérus értékű determinánsok rendszámának maximumát

4 értjük Egy mátrixnak annyi lineárisan független oszlopvektora (vagy sorvektora) van, ahány közülük a bázistranszformáció során bevihető a bázisba Ez lehetőséget ad a rang meghatározására Ha valamely számra és s vektorra, akkor az A mátrix sajátértéke, s pedig a sajátértékhez tartozó sajátvektora A sajátérték meghatározása a (6) karakterisztikus egyenlet megoldásaként kapható 4 MINTAPÉLDÁk Megoldások: láthatók nem láthatók 1 Legyen,, A és B másodrendű kvadratikus (négyzetes) mátrixok ; A és C nem adható össze, mert különböző méretűek 5C 2 Írjuk fel az A mátrixot egy szimmetrikus és egy ferdén szimmetrikus mátrix összegként, ha A Megoldás Alkalmazzuk az felbontást Mivel, ezért, Ezeket felhasználva:

5 3 Egy harmadrendű átlós mátrix, a harmadrendű egységmátrix és a harmadrendű nullamátrix:,, HIÁNYOS FELADAT 4 HIÁNYOS FELADAT Megoldás Az alábbi szorzás elvégezhető, mert az A mátrix tipusú (méretű), a B pedig tipusú (a két belső méret (4) megegyezik), az eredmény pedig tipusú (méretű) lesz Például az A mátrix második sorának és a B mátrix első oszlopának a skaláris szorzata, azaz Hasonlóan például 5 Számítsuk ki az Ab,, Ab és szorzatokat, ha,,, Megoldás ; Itt a c oszlopvektor transzponáltja, ezért az sorvektor Az eredmény egy szám

6 Az eredmény itt is szám Az -gal való szorzás tehát összegzi a b vektor koordinátáit 6 Az egységmátrix inverze önmaga, azaz Ugyanis a (3) és (4) szerint 7 Állítsuk elő az mátrix inverzét, majd győződjünk meg az előállítás helyességéről Megoldás Az (5) formulát használjuk Előbb számítsuk ki az A mátrix determinánsát Mivel a determináns értéke nem nulla, ezért létezik inverz (a mátrix reguláris) Az adjungált mátrix elemei, vagyis az elemekhez tartozó előjeles aldeterminánsok:,,,,,,,, Tehát az inverzmátrix: Most győződjünk meg a megoldás helyességéről, vagyis arról, hogy teljesül-e az egyenlőség Csak az egyenlőséget igazoljuk:

7 8 Állítsuk elő az mátrix inverzét bázistranszformációval Megoldás Igazolható, hogy az E egységmátrix oszlopvektorainak az A reguláris mátrix oszlopvektoraira mint bázisra vonatkozó koordinátáiból alkotott mátrix az A mátrix inverze (1 ) Ez azt jelenti, hogy kiindulva a fenti táblából, a bázistranszformációt elvégezve, az,, oszlopai az A inverzmátrix oszlopai lesznek Először cseréljük ki az vektort az vektorral, majd az vektort az vektorral: (1) (2) Végül az és cseréjekor az alábbi táblát kapjuk /2 1/2-3/2-1/2 1/2 1/2 1/2-1/2 1/2 Az inverzmátrix a tábla jobb oldali részében jelent meg Elemei az,, egységvektorok új koordinátái Tehát

8 9 Állapítsuk meg az A mátrix rangját, ha Megoldás Azt kell megállapítani, hogy az A mátrixnak hány lineárisan független oszlopvektora van Annyi, ahány közülük a bázistranszformáció során kicserélhető (bevihető a bázisba) Végezzük el a bázistranszformációt (1) ( ) ( ) Látható, hogy az rangja: r(a) = 3 vektor már nem vihető be a bázisba Tehát 3 vektor vihető be a bázisba, így a mátrix 10 Állapítsuk meg az A és B mátrix rangját, ha A B Megoldás Most a mátrixból kiválasztható, nem zérus értékű determinánsok rendszámát vizsgáljuk Először a lehető legnagyobb rendszámú determinánst vizsgáljuk deta Ez a legmagasabbrendű, nem zérus értékű determináns harmadrendű, ezért r(a) = 3

9 detb Itt az első és második sor összegét hozzáadtuk a harmadik sorhoz Ez a harmadrendű determináns zérus értékű, ezért B rangja kisebb mint 3 Nézzük meg, hogy van-e a mátrixban másodrendű, nem zérus értékű determináns A bal felső sarokdetermináns Ez másodrendű, tehát r(b) = 2 11 Határozzuk meg az A mátrix sajátértékeit, ha A Megoldás A (6) karakterisztikus egyenlet:, azaz Ennek gyökei a sajátértékek:, 5 FELADATOk 1 Számítsa ki a C = 3A 5B mátrixot, ha A, B 2 Számítsa ki az AB szorzatot, ha a) A, B ; b) A, B ; c) A, B ; d) A, B

10 3 Bontsa fel az A mátrixot egy szimmetrikus és egy ferdén szimmetrikus mátrix összegére 4 Számítsa ki az AA* szorzatot, ha A 5 Számítsa ki az, és mátrixot, ha A ; B ; 6 Számítsa ki az A, B és C mátrix inverzét, ha A ; B ; 7 Határozza meg az A mátrixot, ha inverze: A 8 Állapítsa meg az A, B és C mátrix rangját, ha A ; B ; C Hány lineárisan független sora (sorvektora), ill szlopa (oszlopvektopra) van az A, B és C mátrixnak? 9 Határozza meg az A és B mátrix sajátértékeit és sajátvektorait, ha A ; B 10 Számítsa ki az a b, a b és Ax szorzatokat, ha a, b, A, x 11 Oldja meg az AX = B egyenletet, ha X négyzetes mátrix, és a), ;

11 b), Digitális Egyetem, Copyright Kovács Béla, 2011

Hasonló dokumentumok

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I. KOVÁCS BÉLA, MATEmATIkA I 11 XI LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREk 1 LINEÁRIS EGYENLETRENDSZER A lineáris egyenletrendszer általános alakja: (1) Ugyanez mátrix alakban: (2), ahol x az ismeretleneket tartalmazó