Skocz do zawartości

Public disclosure

  • wpisy
    20
  • komentarzy
    161
  • wyświetleń
    24221

[matrix]Czyli krótka rozprawa o macierzach (część I)


Hakken

1156 wyświetleń

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 ql_36d1b82f67925c2be3ab5bfd9e345762_l3.png oznaczamy przez ql_ce8f708f4f07b8877e3f07f8b3982a61_l3.png.

Przykłady

ql_9b6643922765b392b9fb31f575072fdc_l3.png

ql_e8ca18d87ad367ebbf8ef19761f50441_l3.png

Operacje na macierzach

  • Mnożenie przez skalar
    Tutaj nie ma nic nadzwyczajnego, mnożemy każdy element macierzy przez skalar.
    ql_8d348dca5ab77b6ffb2a23a6bb6d4feb_l3.png
  • Transpozycja
    Jest to obrócenie macierzy. Pierwszy wiersz staje się pierwszą kolumną, drugi wiersz staje się drugą kolumną i tak dalej.
    Transpozycję oznaczamy literką T.
    ql_34b275355ab90f7e0dfb2c3f6fcc0f36_l3.png
  • Sprzężenie Hermitowskie
    Najpierw transponujemy macierz, a następnie na każdym elemencie macierzy używamy sprzężenia (tak, jak w liczbach zespolonych).
    Oznaczamy literką H.
    ql_4d87d9c7423436f1121476959e183cfc_l3.png
  • Moduł
    Z każdego elementu macierzy bierzemy wartość bezwzględną.ql_e5db8d801781da3631a5e0dc23141682_l3.png

Działania na macierzach

  • Dodawanie
    Dodawanie jest zdefiniowane tylko na macierzach tego samego rozmiaru. Dodajemy wtedy do siebie elementy na odpowiadających sobie pozycjach.
    ql_0af2215150aff0b1b37626901776050a_l3.png
    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.
    ql_725013c2c464d6b88aabd28c3948f00c_l3.png
    Przykładowo
    ql_b329610520c138f15f41e7cfab6fdf9d_l3.png
    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

Fajnie, aczkolwiek zamierzasz się zając macierzami więcej niż 2-wymiarowymi?

Z życia wzięte: "Wyobraźcie sobie macierz 7 wymiarową. Widzicie ją państwo? To teraz należy ją transponować."

  • Upvote 2
Link do komentarza

Raczej nie, nie chcę zostawać z jednym zagadnieniem na zbyt długo. Wolę poruszyć więcej zagadnień (i tym samym trafić do większej liczby osób), niż wyczerpać jakieś zagadnienie całkowicie.

Link do komentarza

Kilka razy natknąłem się na macierze w książkach o fizyce (oczywiście nie podręcznikach), ale nie zebrałem się na ich sprawdzenie, więc tekst traktuję jako wcale przydatny. Liczę na więcej wpisów o tym zagadnieniu, w których może przedstawisz jakieś zastosowania praktyczne zastosowania (bo chwilowo trudno mi je sobie wyobrazić).

  • Upvote 1
Link do komentarza

Praktyczne zastosowanie? To raczej fizyka ;).

Jako przykład wybiegający materiałem wprzód powiem, że np. przekształcenia liniowe można zapisać w postaci macierzy.

To znaczy, że np. symetrię czy obrót (np. na płaszczyźnie) możemy przedstawić za pomocą macierzy.

Link do komentarza

Drogi Hakkenie, praktyczny przykład jest dużo prostszy i ciekawszy - macierze wykorzystuje się w grafice 3D. Dokładniej wszelkie przekształcenia (typu obroty, przesunięcia, odbicia itp) są wykonywane poprzez mnożenie macierzy.

Link do komentarza

Eh, tak się kończy pisanie o północy. Oczywiście źle napisałem macierz (0 powinno być w drugim wierszu). Jak wrócę do domu to poprawię.

Poprawione.

I kolejne zastosowanie macierzy:

można za ich pomocą rozwiązywać układy wielu równań.

  • Upvote 1
Link do komentarza
Gość
Dodaj komentarz...

×   Wklejony jako tekst z formatowaniem.   Wklej jako zwykły tekst

  Maksymalna ilość emotikon wynosi 75.

×   Twój link będzie automatycznie osadzony.   Wyświetlać jako link

×   Twoja poprzednia zawartość została przywrócona.   Wyczyść edytor

×   Nie możesz wkleić zdjęć bezpośrednio. Prześlij lub wstaw obrazy z adresu URL.

×
×
  • Utwórz nowe...