Курсовая работа: Матрицы и операторы

Впервые матрицы упоминались ещё в древнем Китае, называясь тогда «волшебным квадратом». Основным применением матриц было решение линейных уравнений.


Дата добавления на сайт: 23 февраля 2025
Глава 1. Ортогональные и унитарные матрицы

. Матрица. Определение и свойства


История.

Впервые матрицы упоминались ещё в древнем Китае, называясь тогда «волшебным квадратом». Основным применением матриц было решение линейных уравнений. Также волшебные квадраты были известны чуть позднее у арабских математиков, примерно тогда появился принцип сложения матриц. После развития теории определителей в конце 17-го века, Габриэль Крамер начал разрабатывать свою теорию в 18-ом столетии и опубликовал «правило Крамера» в 1751 году. Примерно в этом же промежутке времени появился «метод Гаусса». Теория матриц начала своё существование в середине XIX века в работах Уильяма Гамильтона и Артура Кэли. Фундаментальные результаты в теории матриц принадлежат Вейерштрассу, Жордану, Фробениусу. Термин «матрица» ввел Джеймс Сильвестр в 1850 г.
Общая информация.
Маатрица - математический объект, записываемый в виде прямоугольной таблицы элементов кольца или поля (например, целых, действительных или комплексных чисел), которая представляет собой совокупность строк и столбцов, на пересечении которых находятся её элементы. Количество строк и столбцов матрицы задают размер матрицы. Хотя исторически рассматривались, например, треугольные матрицы, в настоящее время говорят исключительно о матрицах прямоугольной формы, так как они являются наиболее удобными и общими.
Матрицы широко применяются в математике для компактной записи систем линейных алгебраических или дифференциальных уравнений. В этом случае, количество строк матрицы соответствует числу уравнений, а количество столбцов - количеству неизвестных. В результате решение систем линейных уравнений сводится к операциям над матрицами.
Для матрицы определены следующие алгебраические операции:
сложение матриц, имеющих один и тот же размер;
умножение матриц подходящего размера (матрицу, имеющую Матрицы и операторы (рис. 1) столбцов, можно умножить справа на матрицу, имеющую Матрицы и операторы (рис. 2) строк);
в том числе умножение на матрицу вектора (по обычному правилу матричного умножения; вектор является в этом смысле частным случаем матрицы);
умножение матрицы на элемент основного кольца или поля (то есть скаляр).
Относительно сложения матрицы образуют абелеву группу; если же рассматривать ещё и умножение на скаляр, то матрицы образуют модуль над соответствующим кольцом (векторное пространство над полем). Множество квадратных матриц замкнуто относительно матричного умножения, поэтому квадратные матрицы одного размера образуют ассоциативное кольцо с единицей относительно матричного сложения и матричного умножения.
Доказано, что каждому линейному оператору, действующему в n-мерном линейном пространстве, можно сопоставить единственную квадратную матрицу порядка n; и обратно - каждой квадратной матрице порядка n может быть сопоставлен единственный линейный оператор, действующий в этом пространстве. Свойства матрицы соответствуют свойствам линейного оператора. В частности, собственные числа матрицы - это собственные числа оператора, отвечающие соответствующим собственным векторам.
Определение
Пусть есть два конечных множества Матрицы и операторы (рис. 3) и Матрицы и операторы (рис. 4), где Матрицы и операторы (рис. 5) и Матрицы и операторы (рис. 6) - натуральные числа.
Назовём матрицей размера Матрицы и операторы (рис. 7) (читается Матрицы и операторы (рис. 8) на Матрицы и операторы (рис. 9)) с элементами из некоторого кольца или поля Матрицы и операторы (рис. 10) отображение вида Матрицы и операторы (рис. 11).
Матрицы и операторы (рис. 12)называется элементом матрицы, находящимся на пересечении Матрицы и операторы (рис. 13)-той строки и Матрицы и операторы (рис. 14)-ого столбца;
Матрицы и операторы (рис. 15)-ая строка матрицы состоит из элементов вида Матрицы и операторы (рис. 16), где Матрицы и операторы (рис. 17) пробегает всё множество Матрицы и операторы (рис. 18);
Матрицы и операторы (рис. 19)-ый столбец матрицы состоит из элементов вида Матрицы и операторы (рис. 20), где Матрицы и операторы (рис. 21) пробегает всё множество Матрицы и операторы (рис. 22).
Если индекс Матрицы и операторы (рис. 23) пробегает множество Матрицы и операторы (рис. 24), а Матрицы и операторы (рис. 25) пробегает множество Матрицы и операторы (рис. 26), то совокупность элементов Матрицы и операторы (рис. 27) полностью определяет матрицу.
Таким образом, матрица размера Матрицы и операторы (рис. 28) состоит в точности из
Матрицы и операторы (рис. 29)строк (по Матрицы и операторы (рис. 30) элементов в каждой)
и Матрицы и операторы (рис. 31) столбцов (по Матрицы и операторы (рис. 32) элементов в каждом)
или Матрицы и операторы (рис. 33) элементов.
В соответствии с этим
каждую строку матрицы можно интерпретировать как вектор в Матрицы и операторы (рис. 34)-мерном координатном пространстве Матрицы и операторы (рис. 35);
каждый столбец матрицы - как вектор в Матрицы и операторы (рис. 36)-мерном координатном пространстве Матрицы и операторы (рис. 37).
Сама матрица естественным образом интерпретируется как вектор в пространстве Матрицы и операторы (рис. 38), имеющем размерность Матрицы и операторы (рис. 39). Это позволяет ввести покомпонентное сложение матриц и умножение матрицы на число (см. ниже); что касается матричного умножения, то оно существенным образом опирается на прямоугольную структуру матрицы.
Если у матрицы количество строк Матрицы и операторы (рис. 40) совпадает с количеством столбцов Матрицы и операторы (рис. 41), то такая матрица называется квадратной, а число Матрицы и операторы (рис. 42) называется размером квадратной матрицы или её порядком.
Обозначения
Обычно матрицу обозначают заглавной буквой латинского алфавита: пустьМатрицы и операторы (рис. 43),тогда - матрица, которая интерпретируется как прямоугольный массив элементов поля Матрицы и операторы (рис. 44) вида Матрицы и операторы (рис. 45), где
первый индекс означает индекс строки: Матрицы и операторы (рис. 46);
второй индекс означает индекс столбца: Матрицы и операторы (рис. 47);
таким образом, Матрицы и операторы (рис. 48) - элемент матрицы Матрицы и операторы (рис. 49), находящийся на пересечении Матрицы и операторы (рис. 50)-той строки и Матрицы и операторы (рис. 51)-того столбца. В соответствии с этим принято следующее компактное обозначение для матрицы размера Матрицы и операторы (рис. 52):

Матрицы и операторы (рис. 53)

или просто:

Матрицы и операторы (рис. 54)

если нужно просто указать обозначение для элементов матрицы.
Иногда, вместо Матрицы и операторы (рис. 55), пишут Матрицы и операторы (рис. 56), чтобы отделить индексы друг от друга и избежать смешения с произведением двух чисел.
Если необходимо дать развёрнутое представление матрицы в виде таблицы, то используют запись вида

Матрицы и операторы (рис. 57)

Можно встретить как обозначения с круглыми скобками «(…)», так и обозначения с квадратными скобками «[…]». Реже можно встретить обозначения с двойными прямыми линиями "||…||").
Поскольку матрица состоит из строк и столбцов, для них используются следующие обозначения:Матрицы и операторы (рис. 58)
это Матрицы и операторы (рис. 59)-тая строка матрицы Матрицы и операторы (рис. 60), а

Матрицы и операторы (рис. 61)- это Матрицы и операторы (рис. 62)-тый столбец матрицы Матрицы и операторы (рис. 63).

Таким образом, матрица обладает двойственным представлением - по строкам:

Матрицы и операторы (рис. 64)

и по столбцам:

Матрицы и операторы (рис. 65).

Такое представление позволяет формулировать свойства матриц в терминах строк или в терминах столбцов.

. Ортогональная матрица и её свойства


Определение.

Действительная квадратная невырожденная матрица Матрицы и операторы (рис. 66) называется ортогональной, если Матрицы и операторы (рис. 67). Из определения следуют основные свойства ортогональной матрицы Матрицы и операторы (рис. 68).
Свойства.
Квадратная матрица Q называется ортогональной, если QTQ = E. Как мы увидим дальше, ортогональные матрицы задают такие преобразования пространства, которые не изменяют форму геометрических фигур. Поэтому мы должны изучить их свойства подробно.
Свойство 1. Определитель ортогональной матрицы равен ±1, в частности, такая матрица невырождена.
Доказательство. Так как QTQ = E, то |QT| |Q| = |Q|2 = 1. Значит, |Q| = ±1.
Свойство 2. Обратная к ортогональной матрица тоже ортогональна.
Доказательство. Пусть QTQ = E или, что то же самое, Q -1 = QT. Транспонируя обе части, получим:Матрицы и операторы (рис. 69) что и означает ортогональность матрицы Q-1.
Свойство 3. Произведение ортогональных матриц - ортогональная матрица.
Доказательство. Пусть Q1, Q2 - ортогональные матрицы.
Так как (Q1Q2)T = Q2TQ1T,то (Q1Q2)T(Q1Q2) = Q2T(Q1T Q1)Q2 = Q2T Q2 = E. что и требовалось.
Свойство 4. Матрица Q ортогональна ⇔ сумма квадратов элементов любой строки равна 1, сумма произведений соответствующих элементов любых разных строк равна 0. Аналогичное свойство справедливо и для столбцов.
Доказательство следует из определения и правила умножения матриц. Записывая равенство QTQ = E подробно, например, для матриц 2-го порядка получим:
откуда и следуют требуемые соотношения.
Свойство 5. Матрица Q ортогональна ⇔ линейная замена переменных X = YQ преобразует сумму квадратов (т. е. квадратичную форму) снова в сумму квадратов.
Доказательство. Достаточно вспомнить правило преобразования матрицы квадратичной формы при линейной замене переменных: матрица A преобразуется в матрицу QAQT. Если A = E, (т. е. квадратичная форма является суммой квадратов), то и QAQT = QQT = E.
Примеры

Матрицы и операторы (рис. 70)-единичная матрица
Матрицы и операторы (рис. 71)
Матрицы и операторы (рис. 72)- пример матрицы поворота
Матрицы и операторы (рис. 73)- пример перестановочной матрицы

3. Унитарная матрица и её свойства

Определение.

Комплексная квадратная невырожденная матрица Матрицы и операторы (рис. 74) называется унитарной, если Матрицы и операторы (рис. 75). Следующие свойства унитарной матрицы аналогичны свойствам ортогональной матрицы.
. Матрицы и операторы (рис. 76).
. Матрицы и операторы (рис. 77) - модуль определителя унитарной матрицы равен единице.
. Матрица Матрицы и операторы (рис. 78) является унитарной.
. Произведение двух унитарных матриц одного и того же порядка является унитарной матрицей.
Интерпретация
Унитарная матрица представляет преобразование, переводящее ортонормированный базис комплексного векторного пространства размерности, соответствующей ее размеру, в ортонормированный базис. (Это верно для любого ортонормированного базиса).
Это эквивалентно утверждению, что преобразование, представляемое унитарной матрицей, сохраняет скалярное произведение.

Глава 2. Определители (детерминанты) матриц и их свойства. Вырожденные матрицы


. Определение


Пусть Матрицы и операторы (рис. 79) - квадратная матрица порядка Матрицы и операторы (рис. 80). Определитель (детерминант) квадратной матрицы Матрицы и операторы (рис. 81) - это число Матрицы и операторы (рис. 82), которое ставится в соответствие матрице и вычисляется по ее элементам согласно следующим правилам.
. Определителем матрицы Матрицы и операторы (рис. 83) порядка Матрицы и операторы (рис. 84) называется единственный элемент этой матрицы:Матрицы и операторы (рис. 85).
. Определителем матрицы Матрицы и операторы (рис. 86) порядка Матрицы и операторы (рис. 87) называется число

Матрицы и операторы (рис. 88) (2.1)

где Матрицы и операторы (рис. 89) - определитель квадратной матрицы порядка Матрицы и операторы (рис. 90), полученной из Матрицы и операторы (рис. 91) вычеркиванием первой строки и j-го столбца.
Определитель матрицы обозначают, заключая матрицу в "прямые" скобки:

Матрицы и операторы (рис. 92)

Имея в виду это обозначение, для краткости говорят о порядке определителя, строках или столбцах определителя, элементах определителя, опуская при этом слово "матрица". Например, первая строка определителя n-го порядка - это первая строка Матрицы и операторы (рис. 93) квадратной матрицы n-го порядка.
Индуктивное определение позволяет вычислить определитель любого порядка. По второму правилу (т.е. по формуле (2.1)) нахождение определителя n-го порядка сводится к вычислению и определителей (n-1)-го порядка. Нахождение каждого определителя (n-1)-го порядка сводится к вычислению Матрицы и операторы (рис. 94) определителя (n-2)-го порядка и т.д., пока не получим Матрицы и операторы (рис. 95) определителей n-го порядка, которые находим по первому правилу. Конечно, такая процедура неудобна из-за своей громоздкости, но вполне реализуема и может быть принята в качестве определения.
Квадратную матрицу, определитель которой равен нулю, называют вырожденной (особой), в противном случае - невырожденной (неособой).
Другие методы нахождения определителя.
Метод конденсации Доджсона, основанный на рекурсивной формуле:

Матрицы и операторы (рис. 96)

где Матрицы и операторы (рис. 97) матрицы, получающиеся из исходной вычёркиванием соответствующих строк и столбцов.
Свойства определителей.
·Определитель - кососимметричная полилинейная функция строк (столбцов) матрицы. Полилинейность означает, что определитель линеен по всем строкам (столбцам): Матрицы и операторы (рис. 98), где Матрицы и операторы (рис. 99) и т. д. - строчки матрицы, Матрицы и операторы (рис. 100) - определитель такой матрицы.
·При добавлении к любой строке (столбцу) линейной комбинации других строк (столбцов) определитель не изменится.
·Если две строки (столбца) матрицы совпадают, то её определитель равен нулю.
·Если две (или несколько) строки (столбца) матрицы линейно зависимы, то её определитель равен нулю.
·Если переставить две строки (столбца) матрицы, то её определитель умножается на (-1).
·Общий множитель элементов какой-либо строки определителя можно вынести за знак определителя.
·Если хотя бы одна строка (столбец) матрицы нулевая, то определитель равен нулю.
·Сумма произведений всех элементов любой строки на их алгебраические дополнения равна определителю.
·Сумма произведений всех элементов любого ряда на алгебраические дополнения соответствующих элементов параллельного ряда равна нулю.
·Определитель произведения квадратных матриц одинакового порядка равен произведению их определителей (см. также формулу Бине-Коши).
·С использованием индексной нотации определитель матрицы 3×3 может быть определён с помощью символа Леви-Чивита из соотношения:

Матрицы и операторы (рис. 101)

·Определитель квадратной матрицы 3*3 равен ориентированному объему параллелепипеда, три ребра которого заданы векторами-столбцами матрицы.
Специальные виды определителей.
·Определитель Вронского (Вронскиан)
·Определитель Вандермонда
·Определитель Грама
·Определитель Якоби (Якобиан)
·Циркулянт

. Нахождение определителей N-го порядка

ортогональный унитарный матрица полилинейный
Вычисление определителей 2-го и 3-го порядка.
Получим формулы вычисления определителей второго и третьего порядков. По определению при Матрицы и операторы (рис. 102)

Матрицы и операторы (рис. 103)

При вычеркивании первой строки и одного столбца получаем матрицу, содержащую один элемент, поэтому

Матрицы и операторы (рис. 104)

Подставляя эти значения в правую часть, получаем формулу вычисления определителя второго порядка

Матрицы и операторы (рис. 105)(2.2)

Определитель второго порядка равен разности произведения элементов, стоящих на главной диагонали, и произведения элементов, стоящих на побочной диагонали (рис.2.1).

Матрицы и операторы (рис. 106)

Для определителя третьего порядка имеем

Матрицы и операторы (рис. 107)

При вычеркивании первой строки и одного столбца получаем определители квадратных матриц второго порядка:

Матрицы и операторы (рис. 108)

Эти определители второго порядка записываем по формуле (2.2) и получаем формулу вычисления определителя третьего порядка

Матрицы и операторы (рис. 109)(2.3)

Определитель (2.3) представляет собой сумму шести слагаемых, каждое из которых есть произведение трех элементов определителя, стоящих в разных строках и разных столбцах. Причем три слагаемых берутся со знаком плюс, а три других - со знаком минус.
Для запоминания формулы (2.3) используется правило треугольников: надо сложить три произведения трех элементов, стоящих на главной диагонали и в вершинах двух треугольников, имеющих сторону, параллельную главной диагонали (рис. 2.2,а), и вычесть три произведения элементов, стоящих на побочной диагонали и в вершинах двух треугольников, имеющих сторону, параллельную побочной диагонали (рис. 2.2,6).

Матрицы и операторы (рис. 110)

Можно также пользоваться схемой вычисления, изображенной на рис. 2.3 (правило Саррюса): к матрице приписать справа первый и второй столбцы, вычислить произведения элементов, стоящих на каждой из указанных шести прямых, а затем найти алгебраическую сумму этих произведений, при этом произведение элементов на прямых, параллельных главной диагонали, берутся со знаком плюс, а произведение элементов на прямых, параллельных побочной диагонали, - со знаком минус (согласно обозначениям на рис. 2.3).

Матрицы и операторы (рис. 111)

Вычисление определителей порядка N>3.
Итак, получены формулы для вычисления определителей второго и третьего порядков. Можно продолжить вычисления по формуле (2.1) для Матрицы и операторы (рис. 112) и получить формулы для вычисления определителей четвертого, пятого и т.д. порядков. Следовательно, индуктивное определение позволяет вычислить определитель любого порядка. Другое дело, что формулы будут громоздкими и неудобными при практических вычислениях. Поэтому определители высокого порядка (четвертого и более), как правило, вычисляют на основании свойств определителей.
Примеры.
Пример 2.1. Вычислить определители

Матрицы и операторы (рис. 113)

Решение. По формулам (2.2) и (2.3) находим;

Матрицы и операторы (рис. 114)
Матрицы и операторы (рис. 115)

Формула разложения определителя по элементам строки (столбца)
Пусть дана квадратная матрица Матрицы и операторы (рис. 116) порядка Матрицы и операторы (рис. 117).
Дополнительным минором Матрицы и операторы (рис. 118) элемента Матрицы и операторы (рис. 119) называется определитель матрицы порядка Матрицы и операторы (рис. 120), полученной из матрицы Матрицы и операторы (рис. 121) вычеркиванием i-й строки и j-го столбца.
Алгебраическим дополнением Матрицы и операторы (рис. 122) элемента Матрицы и операторы (рис. 123) матрицы Матрицы и операторы (рис. 124) называется дополнительный минор Матрицы и операторы (рис. 125) этого элемента, умноженный на Матрицы и операторы (рис. 126)

Матрицы и операторы (рис. 127)

Теорема 2.1 формула разложения определителя по элементам строки (столбца). Определитель матрицы Матрицы и операторы (рис. 128) равен сумме произведений элементов произвольной строки (столбца) на их алгебраические дополнения:

Матрицы и операторы (рис. 129)

(разложение по i-й строке);

Матрицы и операторы (рис. 130)

(разложение по j-му столбцу).
Замечания 2.1.
. Доказательство формулы проводится методом математической индукции.
. При индуктивном определении (2.1) фактически использована формула разложения определителя по элементам первой строки.
Пример 2.2. Найти определитель матрицы

Матрицы и операторы (рис. 131)

Решение. Разложим определитель по 3-й строке:

Матрицы и операторы (рис. 132)

Теперь разложим определитель третьего порядка по последнему столбцу:

Матрицы и операторы (рис. 133)

Определитель второго порядка вычисляем по формуле (2.2):

Матрицы и операторы (рис. 134)

Определитель матрицы треугольного вида
Применим формулу разложения для нахождения определителя верхней треугольной матрицы

Матрицы и операторы (рис. 135)

Разложим определитель по последней строке (по n-й строке):

Матрицы и операторы (рис. 136)

где Матрицы и операторы (рис. 137) - дополнительный минор элемента Матрицы и операторы (рис. 138). Обозначим Матрицы и операторы (рис. 139). Тогда Матрицы и операторы (рис. 140). Заметим, что при вычеркивании последней строки и последнего столбца определителя Матрицы и операторы (рис. 141), получаем определитель Матрицы и операторы (рис. 142) верхней треугольной матрицы такого же вида, как Матрицы и операторы (рис. 143), но (n-1)-го порядка. Раскладывая определитель Матрицы и операторы (рис. 144), по последней строке ((n-1)-й строке), получаем Матрицы и операторы (рис. 145). Продолжая аналогичным образом и учитывая, что Матрицы и операторы (рис. 146), приходим к формулеМатрицы и операторы (рис. 147)т.е. определитель верхней треугольной матрицы равен произведению элементов, стоящих на главной диагонали.
Замечания 2.2
. Определитель нижней треугольной матрицы равен произведению элементов, стоящих на главной диагонали.
. Определитель единичной матрицы равен 1.
. Определитель матрицы треугольного вида будем называть определителем треугольного вида. Как показано выше, определитель треугольного вида (определитель верхней или нижней треугольной матрицы, в частности, диагональной) равен произведению элементов, стоящих на главной диагонали.
Основные свойства определителей (детерминантов)
. Для любой квадратной матрицы Матрицы и операторы (рис. 148), т.е. при транспонировании определитель не изменяется. Из этого свойства следует, что столбцы и строки определителя "равноправны": любое свойство, верное для столбцов, будет верным для строк.
. Если в определителе один из столбцов нулевой (все элементы столбца равны нулю), то определитель равен нулю:Матрицы и операторы (рис. 149).
. При перестановке двух столбцов определитель меняет знак на противоположный (свойство антисимметричности):

Матрицы и операторы (рис. 150)

. Если в определителе имеется два одинаковых столбца, то он равен нулю:

Матрицы и операторы (рис. 151) при Матрицы и операторы (рис. 152)

. Если определитель имеет два пропорциональных столбца, то он равен нулю:

Матрицы и операторы (рис. 153)при Матрицы и операторы (рис. 154)

. При умножении всех элементов одного столбца определителя на число определитель умножается на это число:

Матрицы и операторы (рис. 155)

. Если j-й столбец определителя представляется в виде суммы двух столбцов Матрицы и операторы (рис. 156), то определитель равен сумме двух определителей, у которых j-ми столбцами являются Матрицы и операторы (рис. 157) и Матрицы и операторы (рис. 158) соответственно, а остальные столбцы одинаковы:

Матрицы и операторы (рис. 159)

. Определитель линеен по любому столбцу:

Матрицы и операторы (рис. 160)

. Определитель не изменится, если к элементам одного столбца прибавить соответствующие элементы другого столбца, умноженные на одно и тоже число:

Матрицы и операторы (рис. 161)

. Сумма произведений элементов какого-либо столбца определителя на алгебраические дополнения соответствующих элементов другого столбца равна нулю:

Матрицы и операторы (рис. 162)при Матрицы и операторы (рис. 163).

Замечания 2.3
. Первое свойство определителя доказывается по индукции. Доказательства остальных свойств проводятся с использованием формулы разложения определителя по элементам столбца. Например, для доказательства второго свойства достаточно разложить определитель по элементам нулевого столбца (предположим, что j-й столбец нулевой, т.е. Матрицы и операторы (рис. 164) Матрицы и операторы (рис. 165)):

Матрицы и операторы (рис. 166)

Для доказательства свойства 10 нужно прочитать формулу разложения определителя справа налево, а именно, сумму произведений элементов i-го столбца на алгебраические дополнения элементов j-го столбца представить как разложение по j-му столбцу определителя

Матрицы и операторы (рис. 167)

у которого на месте элементов j-ro столбца стоят соответствующие элементы i-го столбца. Согласно четвертому свойству такой определитель равен нулю.
. Из первого свойства следует, что все свойства 2-10, сформулированные для столбцов определителя, будут справедливы и для его строк.
. По формулам разложения определителя по элементам строки (столбца) и свойству 10 заключаем, что

Матрицы и операторы (рис. 168)(2.4)

. Пусть Матрицы и операторы (рис. 169) - квадратная матрица. Квадратная матрица Матрицы и операторы (рис. 170) того же порядка, что и Матрицы и операторы (рис. 171), называется присоединенной по отношению к Матрицы и операторы (рис. 172), если каждый ее элемент Матрицы и операторы (рис. 173) равен алгебраическому дополнению элемента Матрицы и операторы (рис. 174) матрицы Матрицы и операторы (рис. 175). Иными словами, для нахождения присоединенной матрицы следует:
а) заменить каждый элемент матрицы Матрицы и операторы (рис. 176) его алгебраическим дополнением Матрицы и операторы (рис. 177), при этом получим матрицу Матрицы и операторы (рис. 178);
б) найти присоединенную матрицу Матрицы и операторы (рис. 179), транспонируя матрицу Матрицы и операторы (рис. 180).
Из формул (2.4) следует, что,Матрицы и операторы (рис. 181) где Матрицы и операторы (рис. 182) - единичная матрица того же порядка, что и Матрицы и операторы (рис. 183).
Пример 2.5. Найти определитель блочно-диагональной матрицы Матрицы и операторы (рис. 184), где Матрицы и операторы (рис. 185) - произвольная квадратная матрица, Матрицы и операторы (рис. 186) - единичная, а Матрицы и операторы (рис. 187) - нулевая матрица соответствующего порядка, Матрицы и операторы (рис. 188) - транспонированная.
Решение. Разложим определитель по последнему столбцу. Так как в этом столбце все элементы нулевые, за исключением последнего, равного 1, получим определитель такого же вида, что и исходный, но меньшего порядка. Раскладывая полученный определитель по последнему столбцу, уменьшаем его порядок. Продолжая таким же образом, получаем определитель матрицы Матрицы и операторы (рис. 189). Следовательно,

Матрицы и операторы (рис. 190)


Глава 3. Решение задач


Задача 1.

Доказать, что матрица Матрицы и операторы (рис. 191) является ортогональной.
Решение.
Найдем произведения

Матрицы и операторы (рис. 192)

Следовательно, по определению Матрицы и операторы (рис. 193). Вычислим определитель матрицы Матрицы и операторы (рис. 194)

Матрицы и операторы (рис. 195)(см. свойство 2).

Задача 2.

Дана матрица Матрицы и операторы (рис. 196). Сравнить определитель матрицы Матрицы и операторы (рис. 197) с определителями матриц

Матрицы и операторы (рис. 198)

Решение.

Определитель матрицы Матрицы и операторы (рис. 199) был найден в примере 2.1: Матрицы и операторы (рис. 200). По формуле (2.2) вычисляем определители остальных матриц:
Матрицы и операторы (рис. 201)что соответствует свойству 1;
Матрицы и операторы (рис. 202)что соответствует свойству 3, так как матрица Матрицы и операторы (рис. 203) получена из матрицы Матрицы и операторы (рис. 204) перестановкой 1-го и 2-го столбцов;

Матрицы и операторы (рис. 205)

что соответствует свойству 3, так как матрица Матрицы и операторы (рис. 206) получена из матрицы Матрицы и операторы (рис. 207) перестановкой 1-й и 2-й строк;

Матрицы и операторы (рис. 208)

что соответствует свойству 6, так как матрица Матрицы и операторы (рис. 209) получена из матрицы Матрицы и операторы (рис. 210) умножением элементов 2-й строки на число Матрицы и операторы (рис. 211);

Матрицы и операторы (рис. 212)

что соответствует свойству 9, так как матрица Матрицы и операторы (рис. 213) получена из матрицы Матрицы и операторы (рис. 214) прибавлением к элементам первой строки соответствующих элементов второй строки, умноженных на Матрицы и операторы (рис. 215).
Задача 3.
Дана матрица Матрицы и операторы (рис. 216). Найти присоединенную матрицу Матрицы и операторы (рис. 217) и вычислить произведения Матрицы и операторы (рис. 218) и Матрицы и операторы (рис. 219).
Решение.
Найдем алгебраические дополнения всех элементов матрицы Матрицы и операторы (рис. 220):

Матрицы и операторы (рис. 221)

Составим присоединенную матрицу, транспонируя матрицу Матрицы и операторы (рис. 222) (см. п.4 замечаний 2.3), т.е.

Матрицы и операторы (рис. 223)

Вычислим произведения

Матрицы и операторы (рис. 224)

что соответствует п.4 замечаний 2.3, так как Матрицы и операторы (рис. 225) (см. пример 2.1).
Задача 4.
Вычислить определитель Матрицы и операторы (рис. 226)
Решение. Выполним следующие преобразования над строками определителя: из второй строки отнимем четыре первых, а из третьей первую строку, умноженную на семь, в результате, согласно свойствам определителя, получим определитель, равный данному.

Матрицы и операторы (рис. 227)
Матрицы и операторы (рис. 228)

Определитель равен нулю, так как вторая и третья строки являются пропорциональными.

Ответ. Матрицы и операторы (рис. 229)
Задача 5.
Найти обратную матрицу к матрице

Матрицы и операторы (рис. 230)

Решение. Вычисляем определитель матрицы:

Матрицы и операторы (рис. 231)
Матрицы и операторы (рис. 232)

Так как определитель не равен нулю, то матрица имеет обратную. Обратная матрица Матрицы и операторы (рис. 233) к матрице Матрицы и операторы (рис. 234)находится по формуле:

Матрицы и операторы (рис. 235)

Найдем союзную матрицу Матрицы и операторы (рис. 236), для этого вычислим алгебраические дополнения к элементам матрицы Матрицы и операторы (рис. 237):

Матрицы и операторы (рис. 238)
Матрицы и операторы (рис. 239)
Матрицы и операторы (рис. 240)
Матрицы и операторы (рис. 241)
Матрицы и операторы (рис. 242)
Матрицы и операторы (рис. 243)
Матрицы и операторы (рис. 244)
Матрицы и операторы (рис. 245)
Матрицы и операторы (рис. 246)

Таким образом, Матрицы и операторы (рис. 247)
Транспонируем эту матрицу (т.е. строки матрицы делаем столбцами с тем же номером):

Матрицы и операторы (рис. 248)

Итак,

Матрицы и операторы (рис. 249)

Ответ.


Матрицы и операторы (рис. 250)

Задача 6.

Показать, что произведение унитарного оператора на число α тогда и только тогда является унитарным оператором, когда |α|=1.
Определение: Унитарный оператор - ограниченный линейный оператор А : H → H на гильбертовом пространстве H, который удовлетворяет соотношению A*A=AA*=I
где A* - эрмитово-сопряжённый к A оператор, и I : H → H единичный оператор.
Пусть A - унитарная матрица, тогда по определению: A-1 = A*.
Рассмотрим матрицу α A,, докажем что она унитраная

(α A )-1 = (α A )*.

Для матрицы αA обратной будет 1/ α* A-1.
Действительно, αA*1/ α* A-1 =α*1/α* A* A-1-1* A* A-1 =1*Е.
α A*= Матрицы и операторы (рис. 251)A* (§3.1), тогда
Матрицы и операторы (рис. 252)А-1 =Матрицы и операторы (рис. 253)A*, т.к. А- унитарная

A-1=А* => Матрицы и операторы (рис. 254)А-1 =Матрицы и операторы (рис. 255)A-1 => Матрицы и операторы (рис. 256) = Матрицы и операторы (рис. 257) => 1=Матрицы и операторы (рис. 258)α.

Пусть α=a+bi, тогда Матрицы и операторы (рис. 259) =a-bi => 1=(a-bi)(a+bi) = a2 - (bi)2 = a2 + b2.
В то же время |α| = √a2+b2 => |α|=Матрицы и операторы (рис. 260)=1. Что и требовалось доказать.
Тем самым доказали, что если оператор α унитарный, то |α|=1.
Пусть |α|=1. Докажем, что αА - унитарная.

(αА)-1 = Матрицы и операторы (рис. 261)А-1 = Матрицы и операторы (рис. 262)А* ( по определению) = Матрицы и операторы (рис. 263) * A* = Матрицы и операторы (рис. 264) * Матрицы и операторы (рис. 265) * A*=
= Матрицы и операторы (рис. 266)*A*= Матрицы и операторы (рис. 267)*A* = Матрицы и операторы (рис. 268) *A* = Матрицы и операторы (рис. 269)A*= (αA)* (по св. на стр. 10 §3).

Таким образом, (αА)-1 = (αА)*, что и означает унитарность оператора(матрицы) αА. (Икрамов Х.Д. Задачник по линейной алгебре. 1975. 162с., № 7.3.3).
Задача 7.
Показать, что матрица поворота является ортогональной.
Матрица поворота имеет вид А=Матрицы и операторы (рис. 270), тогда нужно доказать, что А-1=АТ (по определению ортогональности).

АТ=Матрицы и операторы (рис. 271) |A|= cos2 α + sin2 α = 1.
A11=cos α A21=sin α12=-sin α A22=cos α-1= Матрицы и операторы (рис. 272)=AT => матрица поворота ортогональна.

Что и требовалось доказать. (Икрамов Х.Д. Задачник по линейной алгебре. 1975. 162с., № 7.3.5).

Задача 8.
Известно, что опреатор проектирования удовлетворяет свойству: р*=р.
Выясним, будет ли р-1=р*.
По определению обратного оператора рр-1=Е.
рр-1=Е |*(p)(слева)
р2р-1=рЕ, т.к. по условию р2=р, то рр-1 = рЕ => E=pE => E=p => p- единичная матрица.
Но для каждого оператора имеется матрица, а для нее всегда можно найти сопряженную => р* существует. Тогда для операторов проектирования выполняться не будет р-1=р*. Ортогонально и унитарно быть не может, если исключить рассмотрение тождественных операторов, а тождественные - унитарны.

Список использованных источников

1.
Головина Л.И. Линейная алгебра и некоторые ее приложения. М.: Наука, 1985. 392 с.
.Икрамов Х.Д. Задачник по линейной алгебре. 1975. 162с.
.Кострикин А.И. Введение в алгебру. Часть 2. Основы алгебры: Учебник для вузов. М.:Физико-математическая литература, 2001. 368с.
.Курош А.Г. Курс высшей алгебры. М.: Наука, 1986. 431 с.
.Проскуряков И.В. Сборник задач по линейной алгебре. М.: Юнимедиастайл, 2002. 475 с.
.Шевцов Г.С. Линейная алгебра. Пермь: ПГУ, 1996. 324 с.
.Шнеперман Л.Б. Сборник задач по алгебре и теории чисел. 1982.
.Свободная энциклопедия «Википедия». URL: [http://ru.wikipedia.org/wiki/] Дата обращения: 12.02.2015.
9.Линейная алгебра и аналитическая геометрия. Учебное пособие
URL [http://www.chem-astu.ru/chair/study/algebra-geometry/].
Дата обращения: 12.02.2015.
10.URL [http://www.ngpedia.ru/id216251p1.html].
Дата обращения: 04.04.2015.
11.URL [http://mathhelpplanet.com/static.php?p=ortogonalnye-i-unitarnye-matritsy].
Дата обращения: 04.04.2015.
12.URL [http://www.webpoliteh.ru/subj/agla/144-tema-10-linejnye-operatory-v-evklidovom-unitarnom-prostranstve.html].
Дата обращения: 04.04.2015.
13.URL [http://www.webmath.ru/] Дата обращения: 04.04.2015.

Комментарии:

Вы не можете оставлять комментарии. Пожалуйста, зарегистрируйтесь.