Abstrakt
Układ liczb czy symboli wpisanych w prostokąt nazywamy macierzą.
Okazują się niezwykle przydatne przy badaniu algebry liniowej, jak i nauk korzystających z niej (mowa głównie o fizyce).
Ze względu na szerokie występowanie tego obiektu matematycznego, do jego opisu służy szereg pojęć.
W tej serii wpisów zajmiemy się określeniem czym macierz jest, jakie działania możemy na macierzach przeprowadzić, przedstawię również kilka najważniejszych typów macierzy.
Omówię także pojęcia rzędu, jądra, obrazu, wyznacznika, śladu, wartości własnej.
Czym jest macierz
Najprościej rzecz biorąc, macierzą nazwiemy układ symboli (liczb, wyrażeń) wpisanych w prostokąt.
Zbiór macierzy o n wierszach, m kolumnach i elementach z ciała oznaczamy przez .
Przykłady
Operacje na macierzach
- Mnożenie przez skalar
Tutaj nie ma nic nadzwyczajnego, mnożemy każdy element macierzy przez skalar. - Transpozycja
Jest to obrócenie macierzy. Pierwszy wiersz staje się pierwszą kolumną, drugi wiersz staje się drugą kolumną i tak dalej.
Transpozycję oznaczamy literką T. - Sprzężenie Hermitowskie
Najpierw transponujemy macierz, a następnie na każdym elemencie macierzy używamy sprzężenia (tak, jak w liczbach zespolonych).
Oznaczamy literką H. - Moduł
Z każdego elementu macierzy bierzemy wartość bezwzględną.
Działania na macierzach
- Dodawanie
Dodawanie jest zdefiniowane tylko na macierzach tego samego rozmiaru. Dodajemy wtedy do siebie elementy na odpowiadających sobie pozycjach.
Oczywiście w tym przykładzie użyłem liczb rzeczywistych (wraz ze standardowym dodawaniem), ale gdyby dodawania było zdefiniowane inaczej, to należałoby użyć właśnie tej operacji. - Mnożenie
Tu już nie jest aż tak łatwo jak przy dodawaniu.
Przykładowo
Ponieważ na początku mnożenie może być trudne, polecam napisane macierzy A normalnie, a macierzy B na górze po prawej stronie od A.
Wtedy łatwo będzie zauważyć, które wartości należy pomnożyć przez które (łatwo to zaobserwować na podanym przykładzie).
Warto też zauważyć, że mnożenie nie jest przemienne, co łatwo sprawdzić na przykładzie.
Specjalne rodzaje macierzy
- Kwadratowa
Jest to taka macierz, która ma tyle samo wierszy co kolumn. - Diagonalna
Jest to taka macierz kwadratowa, że wszędzie poza diagonalą ma zera. Diagonala jest to przekątna macierzy, z lewego górnego do prawego dolnego rogu.
Zbiór takich macierzy oznaczamy DIAG. - Trójkątna górna
Jest to taka macierz, że pod diagonalą ma tylko zera.
Zbiór takich macierzy oznaczamy TRIU. - Trójkątna dolna
Jest to taka macierz, że nad diagonalą ma tylko zera.
Zbiór takich macierzy oznaczamy TRIL. - Identycznościowa
Jest to taka macierz diagonalna, że na przekątnej ma same jedynki.
Oznaczamy ją jako I lub In.
Macierz taka jest elementem neutralnym dla mnożenia. - Symetryczna
Jest to taka macierz, że jej transpozycja równa jest jej (transpozycja nic nie zmienia w przypadku macierzy symetrycznej). - Hermitowska
Jest to taka macierz, że jej sprzężenie Hermitowskie równe jest jej (czyli sprzężenie Hermitowskie macierzy Hermitowskiej nic nie zmienia). - Nieosobliwa
Powiemy, że macierz A jest nieosobliwa (odwracalna), jeżeli istnieje taka macierz B, że iloraz A i B da identyczność.
Jeżeli taka macierz B nie istnieje, to A nazwiemy osobliwą (nieodwracalną).
Jako zadanie do poćwiczenia polecam wykonać kilka mnożeń macierzy.
Następny wpis również będzie poświęcony macierzom. Zajmę się w nim pojęciom opisującym macierze (ślad, wyznacznik, etc.).
Jak zawsze zachęcam do zadawania pytań.
13 komentarzy
Rekomendowane komentarze