Матрицы: основные понятия

Раздел I Элементы линейной алгебры

ЛЕКЦИЯ 1

Тема Матрицы и определители

Матрицы: основные понятия

Понятие матрицы возникает и используется в различных разделах высшей математики, в частности, при изучении систем линейных уравнений. В отличие от элементарной алгебры мы будем рассматривать системы с произвольным числом уравнений и неизвестных. Все неизвестные приходится обозначать одной буквой с индексом; то же относится и к свободным членам. Коэффициенты при неизвестных приходится индексировать двумя индексами: первый указывает на номер уравнения системы, а второй – на номер неизвестного, при котором находится коэффициент. Система m линейных уравнений с n неизвестными (не обязательно m=n ) запишется в следующем общем виде:

(1)

Используя символ суммирования ∑, можно получить более простую запись системы:

(2)

Составленная из чисел, прямоугольная таблица вида

(3)

называется матрицей и кратко обозначается A, или (а_ij ), или A=(a_ij ) (i=1,2,…,m; j=1,2,…,n).

Числа в матрице расположены рядами. Горизонтальные ряды называются строками, а вертикальные – столбцами. Сами числа называются элементами матрицы. Индексы указывают месторасположение элемента: первый индекс указывает номер строки, второй – столбца. Заметим, что a₁₃ следует читать “а один три”, а не “а тринадцать”. В матрице (3) m строк и

n столбцов и о ней говорят: “матрица A размера m×n” или “(m×n)-матрица A=(a_ij)”.

Матрица, состоящая из одного столбца (и m строк), называется вектор- столбцом, или вектором, или столбцом. Уточняя, говорят: “m-мерный столбец”.

Матрица, состоящая из одной строки ( и n столбцов), называется

n-мерной строкой, вектором, вектор-строкой.

Итак, вся информация о системе (1) содержится в двух матрицах: в матрице коэффициентов A=(a_ij) и столбце свободных членов B=(b_i).

Если в матрице (3) m=n (т.е. число строк равно числу столбцов), то матрица называется квадратной матрицей порядка n:

(4)

Для такой матрицы вводятся понятия главной и побочной диагоналей. Главной диагональю матрицы (4) называют диагональ а₁₁ а₂₂ … а_nn , идущая из левого верхнего угла этой матрицы в правый нижний её угол. Побочной диагональю этой матрицы называется диагональ a_n1 a_n-1,2 … a_1n , идущая из левого нижнего угла в правый верхний угол.

Если все элементы матрицы (4), расположенные ниже главной диагонали, равны нулю, то матрица называется верхней треугольной. Нижняя треугольная определяется аналогично. Верхние и нижние треугольные матрицы называются также просто треугольными.

Матрица (4) называется диагональной, если она одновременно и верхняя треугольная, и нижняя, т.е. ниже и выше главной диагонали стоят нули.

Диагональная матрица, у которой все элементы, стоящие на главной диагонали равны 1, называется единичной и обозначается E, или E_n (индекс указывает порядок).

Матрица, у которой все элементы равны нулю, называется нулевой.

Приведем примеры, рассмотренных выше частных случаев квадратной матрицы:

, , , Е₃= .