Матрицы в математике - один из важнейших объектов, имеющих прикладное значение. Часто экскурс в теорию матриц начинают со слов: "Матрица - это прямоугольная таблица...". Мы начнём этот экскурс несколько с другой стороны.
Телефонные книги любого размера и с любым числом данных об абоненте - ни что иное, как матрицы. Такие матрицы имеют примерно следующий вид:
Ясно, что такими матрицами мы все пользуемся почти каждый день. Эти матрицы бывают с различным числом строк (различаются как выпущенный телефонной компанией справочник, в котором могут быть тысячи, сотни тысяч и даже миллионы строк и только что начатая Вами новая записная книжка, в которой меньше десяти строк) и столбцов (справочник должностных лиц какой-нибудь организации, в котором могут быть такие столбцы, как должность и номер кабинета и та же Ваша записная книжка, где может не быть никаких данных, кроме имени, и, таким образом, в ней только два столбца - имя и телефон).
Всякие матрицы можно складывать и умножать, а также проводить над ними другие операции, однако нет необходимости складывать и умножать телефонные справочники, от этого нет никакой пользы, к тому же можно и подвинуться рассудком.
Но очень многие матрицы можно и нужно складывать и перемножать и решать таким образом различные насущные задачи. Ниже примеры таких матриц.
Матрицы, в которых столбцы - выпуск единиц продукции того или иного вида, а строки - годы, в которых ведётся учёт выпуска этой продукции:
Можно складывать матрицы такого вида, в которых учтён выпуск аналогичной продукции различными предприятиями, чтобы получить суммарные данные по отрасли.
Или матрицы, состоящие, к примеру, из одного столбца, в которых строки - средняя себестоимость того или иного вида продукции:
Матрицы двух последних видов можно умножать, а в результате получится матрица-строка, содержащая себестоимость всех видов продукции по годам.
Матрицы, основные определения
Прямоугольная таблица, состоящая из чисел, расположенных в m строках и n столбцах, называется mn-матрицей (или просто матрицей ) и записывается так:
(1)
В матрице (1) числа называются её элементами (как и в определителе, первый индекс означает номер строки, второй – столбца, на пересечении которых стоит элемент; i = 1, 2, ..., m ; j = 1, 2, n ).
Матрица называется прямоугольной , если .
Если же m = n , то матрица называется квадратной , а число n – её порядком .
Определителем квадратной матрицы A называется определитель, элементами которого являются элементы матрицы A . Он обозначается символом |A |.
Квадратная матрица называется неособенной (или невырожденной , несингулярной ), если её определитель не равен нулю, и особенной (или вырожденной , сингулярной ), если её определитель равен нулю.
Матрицы называются равными , если у них одинаковое число строк и столбцов и все соответствующие элементы совпадают.
Матрица называется нулевой , если всё её элементы равны нулю. Нулевую матрицу будем обозначать символом 0 или .
Например,
Матрицей-строкой (или строчной ) называется 1n -матрица, а матрицей-столбцом (или столбцовой ) – m 1-матрица.
Матрица A " , которая получается из матрицы A заменой в ней местами строк и столбцов, называется транспонированной относительно матрицы A . Таким образом, для матрицы (1) транспонированной является матрица
Операция перехода к матрице A " , транспонированной относительно матрицы A , называется транспонированием матрицы A . Для mn -матрицы транспонированной является nm -матрица.
Транспонированной относительно матрицы является матрица A , то есть
(A ")" = A .
Пример 1. Найти матрицу A " , транспонированную относительно матрицы
и выяснить, равны ли определители исходной и транспонированной матриц.
Главной диагональю квадратной матрицы называется воображаемая линия, соединяющая её элементы, у которых оба индекса одинаковые. Эти элементы называются диагональными .
Квадратная матрица, у которой все элементы вне главной диагонали равны нулю, называется диагональной . Не обязательно все диагональные элементы диагональной матрицы отличны от нуля. Среди них могут быть и равные нулю.
Квадратная матрица, у которой элементы, стоящие на главной диагонали равны одному и тому же числу, отличному от нуля, а все прочие равны нулю, называется скалярной матрицей .
Единичной матрицей называется диагональная матрица, у которой все диагональные элементы равны единице. Например, единичной матрицей третьего порядка является матрица
Пример 2. Даны матрицы:
Решение. Вычислим определители данных матриц. Пользуясь правилом треугольников, найдём
Определитель матрицы B
вычислим по формуле 
Легко получаем, что 
Следовательно, матрицы A и – неособенные (невырожденные, несингулярные), а матрица B – особенная (вырожденная, сингулярная).
Определитель единичной матрицы любого порядка, очевидно, равен единице.
Решить задачу на матрицы самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 3. Даны матрицы
,
,
Установить, какие из них являются неособенными (невырожденными, несингулярными).
Применение матриц в математико-экономическом моделировании
В виде матриц просто и удобно записываются структурированные данные о том или ином объекте. Матричные модели создаются не только для хранения этих структурированных данных, но и для решения различных задач с этими данными средствами линейной алгебры.
Так, известной матричной моделью экономики является модель "затраты-выпуск", внедрённая американским экономистом русского происхождения Василием Леонтьевым. Эта модель исходит из предположения, что весь производственный сектор экономики разбит на n чистых отраслей. Каждая из отраслей выпускает продукцию только одного вида и разные отрасли выпускают разную продукцию. Из-за такого разделения труда между отраслями существуют межотраслевые связи, смысл которых состоит в том, что часть продукции каждой отрасли передаётся другим отраслям в качестве ресурса производства.
Объём продукции i -й отрасли (измеряемый определённой единицей измерения), которая была произведена за отчётный период, обозначается через и называется полным выпуском i -й отрасли. Выпуски удобно разместить в n -компонентную строку матрицы.
Количество единиц продукции i -й отрасли, которое необходимо затратить j -й отрасли для производства единицы своей продукции, обозначается и называется коэффициентом прямых затрат.
Операции над матрицами и их свойства.
Понятие определителя второго и третьего порядков. Свойства определителей и их вычисление.
3. Общее описание задания.
4. Выполнение заданий.
5. Оформление отчета о лабораторной работе.
Глоссарий
Выучите определения следующих терминов :
Размерностью матрицы называется совокупность двух чисел, состоящая из числа её строк m и числа столбцов n.
Если m=n, то матрицу называют квадратной матрицей порядка n.
Операции над матрицами : транспонирование матрицы, умножение (деление) матрицы на число, сложение и вычитание, умножение матрицы на матрицу.
Переход от матрицы А к матрице А т, строками которой являются столбцы, а столбцами —строки матрицы А, называется транспонированием матрицы А.
Пример: А= , А т = .
Чтобы умножить матрицу на число , нужно каждый элемент матрицы умножить на это число.
Пример: 2А= 2· = .
Суммой (разностью) матриц А и В одинаковой размерности называется матрица С=А В, элементы которой равны с ij = a ij b ij для всех i и j .
Пример: А = ; В = . А+В= 
= .
Произведением матрицы А m n на матрицу В n k называется матрица С m k , каждый элемент которой c ij равен сумме произведений элементов i-ой строки матрицы А на соответствующий элемент j-го столбца матрицы В:
c ij = a i1 · b 1j + a i2 ·b 2j +…+ a in ·b nj .
Чтобы можно было умножить матрицу на матрицу, они должны быть согласованными для умножения, а именно число столбцов в первой матрице должно быть равно числу строк во второй матрице.
Пример: А= и В = .
А·В—невозможно, т.к. они не согласованы.
В·А= . = 
= 
.
Свойства операции умножения матриц .
1. Если матрица А имеет размерность m n, а матрица В—размерность n k , то произведение А·В существует.
Произведение В·А может существовать, только когда m=k.
2.Умножение матриц не коммутативно, т.е. А·В не всегда равно В·А даже если определены оба произведения. Однако если соотношение А·В= В·А выполняется, то матрицы А и В называются перестановочными .
Пример . Вычислить .
Минором элемента называется определитель матрицы порядка, полученный вычёркиванием -ой строки -го столбца.
Алгебраическим дополнением элемента называется .
Теорема разложения Лапласа :
Детерминант квадратной матрицы равен сумме произведений элементов любой строки (столбца) на их алгебраические дополнения.
Пример . Вычислить .
Решение. .
Свойства определителей n-го порядка :
1) Величина определителя не изменится, если строки и столбца поменять местами.
2) Если определитель содержит строку (столбец) из одних нулей, то он равен нулю.
3) При перестановке двух строк (столбцов) определитель меняет знак.
4) Определитель, имеющий две одинаковые строки (столбца), равен нулю.
5) Общий множитель элементов любой строки (столбца) можно вынести за знак определителя.
6) Если каждый элемент некоторой строки (столбца) представляет собой сумму двух слагаемых, то определитель равен сумме двух определителей, в каждом из которых все строки (столбцы), кроме упомянутой, такие же, как и в данном определителе, а в упомянутой строке (столбце) первого определителя стоят первые слагаемые, второго - вторые.
7) Если в определителе две строки (столбца) пропорциональны, то он равен нулю.
8) Определитель не изменится, если к элементам некоторой строки (столбца) прибавить соответствующие элементы другой строки (столбца), умноженные на одно и то же число.
9) Определители треугольных и диагональных матриц равны произведению элементов главной диагонали.
Метод накопления нулей вычисления определителей основан на свойствах определителей.
Пример . Вычислить .
Решение. Вычтем из первой строки удвоенную третью, далее используем теорему разложения по первому столбцу.
~ 
.
Контрольные вопросы (ОК-1, ОК-2, ОК-11,ПК-1):
1. Что называется определителем второго порядка?
2. Какие основные свойства определителей?
3. Что называется минором элемента?
4. Что называется алгебраическим дополнением элемента определителя?
5. Как разложить определитель третьего порядка по элементам какой-либо строки (столбца)?
6. Чему равна сумма произведений элементов какой-либо строки (или столбца), определителя по алгебраическим дополнениям соответствующих элементов другой строки (или столбца)?
7. В чём заключается правило треугольников?
8. Как вычисляются определители высших порядков способом понижения порядка
10. Какая матрица называется квадратной? Нулевой? Что такое матрица-строка, матрица-столбец?
11. Какие матрицы называются равными?
12. Дать определения операций сложения, умножения матриц, умно-жения матрицы на число
13. Каким условиям должны удовлетворять размеры матриц при сло-жении, умножении?
14. В чём заключаются свойства алгебраических операций: коммута-тивность, ассоциативность, дистрибутивность ? Какие из них выпол-няются для матриц при сложении, умножении, а какие нет?
15. Что такое обратная матрица? Для каких матриц она определена?
16. Сформулировать теорему о существовании и единственности обратной матрицы.
17. Сформулировать лемму о транспонировании произведения мат-риц.
Практические задания общие (ОК-1, ОК-2, ОК-11,ПК-1):
№1. Найти сумму и разность матриц А и В:
а) 
б) 
в) 
№2. Выполните указанные действия:
в) Z= -11А+7В-4С+D
если 
№3. Выполните указанные действия:
в) 
№4. При помощи применения четырех способов вычисления определителя квадратной матрица, найти определители следующих матриц:
№5. Найти определителей n-ого порядка, по элементам столбца (строки):
а) 
б) 
№6. Найти определитель матрицы, используя свойства определителей:
а) 
б) 
Матрицей размера m ? n называется прямоугольная таблица чисел, содержащих m строк и n столбцов. Числа, составляющие матрицу, называются элементами матрицы.
Матрицы обозначаются прописными буквами латинского алфавита (A,B,C…) , а для обозначения элементов матрицы используются строчные буквы с двойной индексацией:
Где i - номер строки, j - номер столбца.
Например, матрица
Или в сокращённой записи, A=(); i =1,2…, m ; j=1,2, …, n.
Используются другие обозначения матрицы например: , ? ?.
Две матрицы А и В одного размера называются равными , если они совпадают поэлементно,т.е. = , где i= 1, 2, 3, …, m , а j = 1, 2, 3, …, n.
Рассмотрим основные типы матриц:
1. Пусть m = n, тогда матрица А - квадратная матрица, которая имеет порядок n:
Элементы образуют главную диагональ, элементы образуют побочную диагональ.
Квадратная матрица называется диагональной , если все ее элементы, кроме, возможно, элементов главной диагонали, равны нулю:
Диагональная, а значит квадратная, матрица называется единичной , если все элементы главной диагонали равны 1:
Заметим, что единичная матрица является матричным аналогом единицы во множестве действительных чисел, а также подчеркнем, что единичная матрица определяется только для квадратных матриц.
Приведем примеры единичных матриц:
Квадратные матрицы
называются верхней и нижней треугольными соответственно.
- 2. Пусть m = 1, тогда матрица А - матрица-строка, которая имеет вид:
- 3. Пусть n =1, тогда матрица А - матрица-столбец, которая имеет вид:
4. Нулевой матрицей называется матрица порядка mn, все элементы которой равны 0:
Заметим, что нулевая матрица может быть квадратной, матрицей-строкой или матрицей-столбцом. Нулевая матрица есть матричный аналог нуля во множестве действительных чисел.
5. Матрица называется транспонированной к матрице и обозначается, если ее столбцы являются соответствующими по номеру строками матрицы.
Пример . Пусть
Заметим, если матрица А имеет порядок mn , то транспонированная матрица имеет порядок nm .
6. Матрица А называется симметричной, если А=, и кососимметричной, если А = .
Пример . Исследовать на симметричность матрицы А и В .
следовательно, матрица А - симметричная, так как А = .
следовательно, матрица В - кососимметричная, так как В = - .
Заметим, что симметричная и кососимметричная матрицы всегда квадратные. На главной диагонали симметричной матрицы могут стоять любые элементы, а симметрично относительно главной диагонали должны стоять одинаковые элементы, то есть На главной диагонали кососимметричной матрицы всегда стоят нули, а симметрично относительно главной диагонали
матрица квадратный лаплас аннулирование
Матрица обозначается заглавными латинскими буквами (А , В , С,. ..).
Определение 1 . Прямоугольная таблица вида ,
состоящая из m строк и n столбцов, называется матрицей .
Элемент матрицы, i – номер строки, j – номер столбца.
Виды матриц:
элементов, стоящих на главной диагонали:
trA=a 11 +a 22 +a 33 +…+a nn .
§2. Определители 2, 3 и n-го порядка
Пусть даны две квадратные матрицы:
Определение
1
.
Определителем второго порядка матрицы
А
1
называется число, обозначаемое ∆ и
равное
,
где
Пример . Вычислить определитель 2-го порядка:
Определение 2 . Определителем 3-го порядка квадратной матрицы А 2 называется число вида:
Это один из способов вычисления определителя.
Пример. Вычислить
Определение 3 . Если определитель состоит из n-строк и n-столбцов, то он называется определителем n-го порядка.
Свойства определителей:
Определитель не меняется при транспонировании (т.е. если в нем строки и столбцы поменять местами с сохранением порядка следования).
Если в определителе поменять местами какие-либо две строки или два столбца, то определитель изменит только знак.
Общий множитель какой-либо строки (столбца) можно выносить за знак определителя.
Если все элементы какой-либо строки (столбца) определителя равны нулю, то определитель равен нулю.
Определитель равен нулю, если элементы каких-либо двух строк равны или пропорциональны.
Определитель не изменится, если к элементам какой-либо строки (столбца) прибавить соответствующие элементы другой строки (столбца), умноженные на одно и то же число.
Пример.
Определение 4. Определитель, полученный из данного путем вычеркивания столбца и строки, называется минором соответствующего элемента. М ij элемента a ij .
Определение 5. Алгебраическим дополнением элемента а ij , называется выражение
§3. Действия над матрицами
Линейные операции
1)При сложении матриц складываются их одноименные элементы.
При вычитании матриц вычитаются их одноименные элементы.
При умножении матрицы на число каждый элемент матрицы умножается на это число:
3.2.Умножение матриц.
Произведение матрицы А на матрицу В есть новая матрица , элементы которой равны сумме произведений элементовi-той строки матрицы А на соответствующие элементы j-го столбца матрицы В . Произведение матрицы А на матрицу В можно находить только в том случае, если число столбцов матрицы А равно числу строк матрицы В. В противном случае, произведение невозможно.
Замечание:
(не подчиняется свойству коммутативности)
§ 4. Обратная матрица
Обратная матрица существует только для квадратной матрицы, причем матрица должна быть невырожденной.
Определение 1. Матрица А называется невырожденной , если определитель этой матрицы не равен нулю
Определение 2. А -1 называется обратной матрицей для данной невырожденной квадратной матрицы А , если при умножении этой матрицы на данную как справа, так слева получается единичная матрица.
Алгоритм вычисления обратной матрицы
1 способ (с помощью алгебраических дополнений)
Пример
1:
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТРИЦЫ. ВИДЫ МАТРИЦ
Матрицей размером m ×n называется совокупность m·n чисел, расположенных в виде прямоугольной таблицы из m строк и n столбцов. Эту таблицу обычно заключают в круглые скобки. Например, матрица может иметь вид:
Для краткости матрицу можно обозначать одной заглавной буквой, например, А или В .
В общем виде матрицу размером m ×n записывают так
.
Числа, составляющие матрицу, называются элементами матрицы . Элементы матрицы удобно снабжать двумя индексами a ij : первый указывает номер строки, а второй – номер столбца. Например, a 23 – элемент стоит во 2-ой строке, 3-м столбце.
Если в матрице число строк равно числу столбцов, то матрица называется квадратной , причём число ее строк или столбцов называется порядком матрицы. В приведённых выше примерах квадратными являются вторая матрица – её порядок равен 3, и четвёртая матрица – её порядок 1.
Матрица, в которой число строк не равно числу столбцов, называется прямоугольной . В примерах это первая матрица и третья.
Различаются также матрицы, имеющие только одну строку или один столбец.
Матрица, у которой всего одна строка , называется матрицей – строкой (или строковой), а матрица, у которой всего один столбец, матрицей – столбцом .
Матрица, все элементы которой равны нулю, называется нулевой и обозначается (0), или просто 0. Например,
.
Главной диагональю квадратной матрицы назовём диагональ, идущую из левого верхнего в правый нижний угол.
Квадратная матрица, у которой все элементы, лежащие ниже главной диагонали, равны нулю, называется треугольной матрицей.
.
Квадратная матрица, у которой все элементы, кроме, быть может, стоящих на главной диагонали, равны нулю, называется диагональной матрицей. Например, или .
Диагональная
матрица, у которой все диагональные элементы равны единице, называется единичной
матрицей и обозначается буквой
E. Например, единичная матрица 3-го порядка имеет вид 
.
ДЕЙСТВИЯ НАД МАТРИЦАМИ
Равенство матриц
. Две матрицы A
и B
называются равными, если
они имеют одинаковое число строк и столбцов и их соответствующие элементы равны
a ij
= b ij
. Так если 
и 
, то A=B
,
если a 11 = b 11 , a 12 = b 12 , a 21 = b 21
и a 22 = b 22
.
Транспонирование
. Рассмотрим произвольную матрицу A
из m
строк и n
столбцов. Ей можно
сопоставить такую матрицу B
из
n
строк и m
столбцов, у которой каждая
строка является столбцом матрицы A
с
тем же номером (следовательно, каждый столбец является строкой матрицы A
с тем же номером). Итак,
если 
, то 
.
Эту матрицу B называют транспонированной матрицей A , а переход от A к B транспонированием .
Таким образом, транспонирование – это перемена ролями строк и столбцов матрицы. Матрицу, транспонированную к матрице A , обычно обозначают A T .
Связь между матрицей A и её транспонированной можно записать в виде .
Например. Найти матрицу транспонированную данной.
Сложение матриц. Пусть матрицы A и B состоят из одинакового числа строк и одинакового числа столбцов, т.е. имеют одинаковые размеры . Тогда для того, чтобы сложить матрицы A и B нужно к элементам матрицы A прибавить элементы матрицы B , стоящие на тех же местах. Таким образом, суммой двух матриц A и B называется матрица C , которая определяется по правилу, например,
Примеры. Найти сумму матриц:
Легко проверить, что сложение матриц подчиняется следующим законам: коммутативному A+B=B+A и ассоциативному (A+B )+C =A +(B+C ).
Умножение матрицы на число.
Для того чтобы умножить
матрицу A
на число k
нужно каждый элемент
матрицы A
умножить на это число.
Таким образом, произведение матрицы A
на
число k
есть новая матрица, которая
определяется по правилу 
или .
Для любых чисел a и b и матриц A и B выполняются равенства:
Примеры.
Умножение матриц. Эта операция осуществляется по своеобразному закону. Прежде всего, заметим, что размеры матриц–сомножителей должны быть согласованы. Перемножать можно только те матрицы, у которых число столбцов первой матрицы совпадает с числом строк второй матрицы (т.е. длина строки первой равна высоте столбца второй). Произведением матрицы A не матрицу B называется новая матрица C=AB , элементы которой составляются следующим образом:
Таким образом, например, чтобы получить у произведения (т.е. в матрице C ) элемент, стоящий в 1-ой строке и 3-м столбце c 13 , нужно в 1-ой матрице взять 1-ую строку, во 2-ой – 3-й столбец, и затем элементы строки умножить на соответствующие элементы столбца и полученные произведения сложить. И другие элементы матрицы-произведения получаются с помощью аналогичного произведения строк первой матрицы на столбцы второй матрицы.
В общем случае, если мы умножаем матрицу A = (a ij) размера m ×n на матрицу B = (b ij) размера n ×p , то получим матрицу C размера m ×p , элементы которой вычисляются следующим образом: элемент c ij получается в результате произведения элементов i -ой строки матрицы A на соответствующие элементы j -го столбца матрицы B и их сложения.
Из этого правила следует, что всегда можно перемножать две квадратные матрицы одного порядка, в результате получим квадратную матрицу того же порядка. В частности, квадратную матрицу всегда можно умножить саму на себя, т.е. возвести в квадрат.
Другим важным случаем является умножение матрицы–строки на матрицу–столбец, причём ширина первой должна быть равна высоте второй, в результате получим матрицу первого порядка (т.е. один элемент). Действительно,
.
Примеры.
Таким образом, эти простые примеры показывают, что матрицы, вообще говоря, не перестановочны друг с другом, т.е. A∙B ≠ B∙A . Поэтому при умножении матриц нужно тщательно следить за порядком множителей.
Можно проверить, что умножение матриц подчиняется ассоциативному и дистрибутивному законам, т.е. (AB)C=A(BC) и (A+B)C=AC+BC .
Легко также проверить, что при умножении квадратной матрицы A на единичную матрицу E того же порядка вновь получим матрицу A , причём AE=EA=A .
Можно отметить следующий любопытный факт. Как известно произведение 2-х отличных от нуля чисел не равно 0. Для матриц это может не иметь места, т.е. произведение 2-х не нулевых матриц может оказаться равным нулевой матрице.
Например
, если 
, то
.
ПОНЯТИЕ ОПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ
Пусть дана
матрица второго порядка – квадратная матрица, состоящая из двух строк и двух
столбцов .
Определителем второго порядка , соответствующим данной матрице, называется число, получаемое следующим образом: a 11 a 22 – a 12 a 21 .
Определитель обозначается
символом 
.
Итак, для того чтобы найти определитель второго порядка нужно из произведения элементов главной диагонали вычесть произведение элементов по второй диагонали.
Примеры. Вычислить определители второго порядка.
Аналогично можно рассмотреть матрицу третьего порядка и соответствующий ей определитель.
Определителем третьего порядка , соответствующим данной квадратной матрице третьего порядка, называется число, обозначаемое и получаемое следующим образом:
.
Таким образом, эта формула даёт разложение определителя третьего порядка по элементам первой строки a 11 , a 12 , a 13 и сводит вычисление определителя третьего порядка к вычислению определителей второго порядка.
Примеры. Вычислить определитель третьего порядка.
Аналогично можно ввести понятия определителей четвёртого, пятого и т.д. порядков, понижая их порядок разложением по элементам 1-ой строки, при этом знаки "+" и "–" у слагаемых чередуются.
Итак, в отличие от матрицы, которая представляют собой таблицу чисел, определитель это число, которое определённым образом ставится в соответствие матрице.