7. HODNOST MATICE, INVERZNÍ MATICE A ZMĚNA BÁZE Jan Paseka Masarykova Univerzita Brno 2. listopadu 2006 Abstrakt přednášky V této kapitole zavedeme pojem inverzní matice k dané čtvercové matici a dáme jej do souvislosti s pojmem inverzního lineárního zobrazení. Abstrakt přednášky V této kapitole zavedeme pojem inverzní matice k dané čtvercové matici a dáme jej do souvislosti s pojmem inverzního lineárního zobrazení. Dále se naučíme počítat inverzní matice a matice přechodu z jedné souřadné báze do druhé. Abstrakt přednášky V této kapitole zavedeme pojem inverzní matice k dané čtvercové matici a dáme jej do souvislosti s pojmem inverzního lineárního zobrazení. Dále se naučíme počítat inverzní matice a matice přechodu z jedné souřadné báze do druhé. Nakonec prozkoumáme vliv změny báze na matici lineárního zobrazení. Abstrakt přednášky V této kapitole zavedeme pojem inverzní matice k dané čtvercové matici a dáme jej do souvislosti s pojmem inverzního lineárního zobrazení. Dále se naučíme počítat inverzní matice a matice přechodu z jedné souřadné báze do druhé. Nakonec prozkoumáme vliv změny báze na matici lineárního zobrazení. Přednáška začne pojmem hodnosti matice, který nám umožní rozhodnout o existenci inverzní matice. Abstrakt přednášky V této kapitole zavedeme pojem inverzní matice k dané čtvercové matici a dáme jej do souvislosti s pojmem inverzního lineárního zobrazení. Dále se naučíme počítat inverzní matice a matice přechodu z jedné souřadné báze do druhé. Nakonec prozkoumáme vliv změny báze na matici lineárního zobrazení. Přednáška začne pojmem hodnosti matice, který nám umožní rozhodnout o existenci inverzní matice. V celé kapitole K označuje pevné těleso, m, n, p jsou kladná celá čísla. Obsah přednášky Hodnost matice, inverzní matice a změna báze Hodnost matice Inverzní matice a inverzní lineární zobrazení Realizace ERO a ESO pomocí násobení matic Výpočet inverzní matice Matice přechodu Matice lineárního zobrazení vzhledem na různé báze Hodnost matice I V této části je potřebné rozlišovat mezi vektorovými prostory řádkových resp. sloupcových vektorů. Prostor řádkových vektorů budeme značit K"1xn a prostor sloupcových vektorů Knx\ Hodnost matice II r,(A) g K^xn označuje /-tý řádek a sy(A) g K"mx1 y-tý sloupec matice A = (a,y)mxn. Hodnost matice II r,(A) g K^xn označuje /-tý řádek a sy(A) g K"mx1 y-tý sloupec matice A = (a,y)mxn. Tuto matici můžeme zapsat blokově jako / ri(A) \ r2(A) V rm(A) J (Sl(A),s2(A),...,sn(A)). Hodnost matice III Řádkovou hodností hr(A) matice A nazýváme dimenzi lineárního podprostoru vektorového prostoru K"1xn generovaného řádky matice A. Hodnost matice III Řádkovou hodností hr(A) matice A nazýváme dimenzi lineárního podprostoru vektorového prostoru K"1xn generovaného řádky matice A. Podobně, sloupcovou hodností hs(A) matice A nazýváme dimenzi lineárního podprostoru vektorového prostoru K"mx1 generovaného sloupci matice A. Hodnost matice III Řádkovou hodností hr(A) matice A nazýváme dimenzi lineárního podprostoru vektorového prostoru K"1xn generovaného řádky matice A. Podobně, sloupcovou hodností hs(A) matice A nazýváme dimenzi lineárního podprostoru vektorového prostoru K"mx1 generovaného sloupci matice A. Tedy hr(A) = dim^ (A), r2(A),..., rm(A)], hs(A) =dim[s1(A),s2(A),...,sn(A)]. Hodnost matice IV Označme
-%.„.
Inverzní matice III
Říkáme, že čtvercová matice A e Knxn je regulární, pokud k ní existuje inverzní matice A-1; v opačném případě A je singulární.
Inverzní matice III
Říkáme, že čtvercová matice A g Knxn je regulární, pokud k ní existuje inverzní matice A-1; v opačném případě A je singulární.
Věta
Matice A g Knxn je regulární právě tehdy když h(A) = n.
Inverzní matice III
Říkáme, že čtvercová matice A g Knxn je regulární, pokud k ní existuje inverzní matice A-1; v opačném prípade A je singulární.
Věta
Matice A g Knxn je regulární právě tehdy když h(A) = n.
Věta
Pro libovolné A, B g Knxn platí A • B = l„ právě tehdy když
Inverzní matice IV
Tvrzení
Nechť A, B e Knxn jsou regulární matice.
Inverzní matice IV
Tvrzení
Nechť A, B e Knxn jsou regulární matice.
Potom i matice A1, A B a Ar jsou regulární a platí:
Inverzní matice IV
Tvrzení
Nechť A, B e Knxn jsou regulární matice.
Potom i matice A1, A B a Ar jsou regulární a platí:
(A-1)-1=A,
Inverzní matice IV
Tvrzení
Nechť A, B e Knxn jsou regulární matice.
Potom i matice A~1, A • B a Ar jsou regulární a platí:
íA-1r1
(AB)"1 = B
Inverzní matice IV
Tvrzení
Nechť A, B e Knxn jsou regulární matice.
Potom i matice A1, A B a Ar jsou regulární a platí:
(A-1)-1=A, (AB)"1 =B"1 A"1,
(Ar)-1 = (A-1)7.
Realizace ERO a ESO I
Tvrzení Nechť AgK"1
Realizace ERO a ESO I
Tvrzení
Nechť A g Kmxn.
Realizace ERO a ESO I
Tvrzení
Nechť A g Kmxn.
(a) Nechť B e Kmxn vznikne z A provedením jedné ERO. Označme E matici, která vznikne z matice \m provedením stejné ERO. Potom B = E A.
Realizace ERO a ESO I
Tvrzení
Nechť A g Kmxn.
(a) Nechť B e Kmxn vznikne z A provedením jedné ERO. Označme E matici, která vznikne z matice \m provedením stejné ERO. Potom B = E A.
(b) Nechť C e Kmxn vznikne z A provedením jedné ESO. Označme F matici, která vznikne z matice l„ provedením stejné ESO. Potom C = A • F.
Realizace ERO a ESO II
Čtvercové matice E e Knxn, které vzniknou z jednotkové matice l„ provedením jediné ERO nebo ESO, nazýváme elementární matice.
Realizace ERO a ESO II
Čtvercové matice E e Knxn, které vzniknou z jednotkové matice l„ provedením jediné ERO nebo ESO, nazýváme elementární matice.
Libovolnou ERO (ESO) na matici A můžeme realizovat vynásobením matice A vhodnou elementární maticí E (F) zleva (zprava).
Výpočet inverzní matice I
Návod na výpočet inverzní matice k dané čtvercové matici A g Knxn:
(A|ln)E-^9(ln|A-1).
Výpočet inverzní matice I
Návod na výpočet inverzní matice k dané čtvercové matici A g Knxn:
(A|ln)E-^9(ln|A-1).
Tvrzení
Nechť A eKnxn aEhE2,...,EkeKnxn jsou elementární
matice tak, že Ek ■... ■ E2 • E-\ • A = l„.
Výpočet inverzní matice I
Návod na výpočet inverzní matice k dané čtvercové matici A g Knxn:
(A|ln)E-^9(ln|A-1).
Tvrzení
Nechť A eKnxn aEhE2,...,EkeKnxn jsou elementární
matice tak, že Ek ■... ■ E2 • E-\ • A = l„.
Potom A-1 =Ek- ...-E2-Ei.
Výpočet inverzní matice II
K stejnému cíli vede též postup reprezentovaný schématem:
A\ ESO í \n \
Výpočet inverzní matice II
K stejnému cíli vede též postup reprezentovaný schématem:
'A^ ESO f \r
Tvrzení
Matice A e Knxnje regulární právě tehdy, když ji můžeme rozložit na součin A = E-\ ■... -Ek konečného počtu elementárních maticE-\,.. .,Ek e Knxn.
Výpočet inverzní matice III
Tvrzení
Pro libovolné A, B e Kmxn platí:
Výpočet inverzní matice III
Tvrzení
Pro libovolné A, B e Kmxn platí:
(a) A je řádkově ekvivalentní s B právě tehdy když existuje regulární matice P e Kmxm tak, že A = P • B;
Výpočet inverzní matice III
Tvrzení
Pro libovolné A, B g Kmxn platí:
(a) A je řádkově ekvivalentní s B právě tehdy, když existuje regulární matice P e Kmxm tak, že A = P • B;
(b) A je sloupcově ekvivalentní s B právě tehdy, když existuje regulární matice Q e Knxn tak, že A = B Q.
Výpočet inverzní matice IV
Tvrzení
Nechť A g Kmxn, P e Kmxm, Q e Knxn, přičemž P, Q jsou
regulární matice.
Výpočet inverzní matice IV
Tvrzení
Nechť A g Kmxn, P e Kmxm, Q e Knxn, přičemž P, Q jsou
regulární matice.
Potom
/j(A) = h(P ■ A) = /j(A • Q) = h(P ■ A • Q).
Výpočet inverzní matice V
Násobení libovolné matice vhodného rozměru maticí A 1 (pokud existuje) zleva resp. zprava
Výpočet inverzní matice V
Násobení libovolné matice vhodného rozměru maticí A 1 (pokud existuje) zleva resp. zprava
Buď A g Knxn regulární a B g Knxm, C g Kmxn libovolné.
Výpočet inverzní matice V
Násobení libovolné matice vhodného rozměru maticí A 1 (pokud existuje) zleva resp. zprava
Buď A g Knxn regulární a B g Knxm, C g Kmxn libovolné.
Pak
(A|B)^0(ln|A-1-B)
Výpočet inverzní matice V
Násobení libovolné matice vhodného rozměru maticí A 1 (pokud existuje) zleva resp. zprava
Buď A g Knxn regulární a B g Knxm, C g Kmxn libovolné.
Pak
(A|B)^0(ln|A-1-B)
Výpočet inverzní matice VI
Řešení soustavy lineárních rovnic
Výpočet inverzní matice VI
Řešení soustavy lineárních rovnic
(A I b) E-^ (B I c),
Výpočet inverzní matice VI
Řešení soustavy lineárních rovnic
(A I b) E-^ (B I c),
které má pro regulární A e Knxn tvar
(A|b)^9(l„|A-1-b).
Výpočet inverzní matice VII
Tvrzení
Nechť A. g Knxn, b e Kn. Je-//A regulární, tak soustava
A • x = b má jediné řešení x = A1 b.
Matice přechodu I
Nechť V je vektorový prostor nad tělesem K a
a. = (ui,..., un), ß = (v-\,..., v„) jsou jeho dvě báze.
Maticí přechodu z báze ß do báze a. nazýváme matici identického zobrazení idy : V —► V vzhledem na bázi ß, a., kterou značíme Pa,ß- Tedy
Paß = (Ídv)c*,/3-
Matice prechodu II
Sloupce matice prechodu Pa>/3 jsou tvořeny souřadnicemi vektoru báze ß vzhledem na bázi cx,
Matice přechodu II
Sloupce matice přechodu Pa>/3 jsou tvořeny souřadnicemi vektorů báze ß vzhledem na bázi cx,
t. j. Sj{Pa>ß) = (vy)a pro 1