Основные операции над матрицами и их свойства

Прежде всего, договоримся считать две матрицы равными, если эти матрицы имеют одинаковые размеры и все их соответствующие элементы совпадают.

Перейдем к определению операций над матрицами.

1) Сложение матриц. Сумой двух матриц A=(a_ij) и B=(b_ij) одного и того же размера m×n называется матрица C=(c_ij) того же размера m×n , элементы которой равны

с_ij = a_ij + b_ij (i=1,2, … , m; j=1,2, … ,n). (1)

Для обозначения суммы матриц используется запись C=A+B.

2) Умножение матрицы на число. Произведением (m×n)-матрицы А на число λ называется (m×n)-матрица C=(c_ij), элементы которой равны

с_ij = λ a_ij (i=1,2, … , m; j=1,2, … ,n). (2)

Для обозначения произведения матрицы на число используется запись C= λ∙A.

Непосредственно из формул (1) и (2) ясно, что две введенные операции обладают свойствами:

а) А+В = В+А – коммутативность сложения ;

б) (А+В)+С = А+(В+С) – ассоциативность сложения;

в) (λμ)А=λ(μА) – ассоциативность умножения на число;

г) λ(А+В) = λА+λВ – дистрибутивность умножения относительно сложения.

Замечание 1. Разность матриц можно определить следующим образом:

А–В = А+(–1)В.

Кратко говоря, сложение, вычитание матриц и умножение матрицы на число производится поэлементно.

Пример:

.

3) Умножение матриц. Произведением (m×n)-матрицы А=(а_ij) на (n×p)-матрицу B=(b_ij) называется (m×p)-матрица С=(с_ij), элементы которой вычисляются по формуле

c_ij=a_i1b_1j+a_i2b_2j+…+a_inb_nj ,

которую с использованием символа суммирования можно записать в виде

(i=1,2, … , m; j=1,2, … , p).

Для обозначения произведения матрицы А на матрицу В используют запись С=А∙В.

Сразу заметим, что матрицу А можно умножить не на всякую матрицу В: необходимо, чтобы число столбцов матрицы А было равно числу строк матрицы В.

Формула (3) представляет правило нахождения элементов матрицы А∙В. Сформулируем это правило словесно: элемент c_ij , стоящий в i-й строке и j-ом столбце матрицы А∙В, равен сумме попарных произведений соответствующих элементов i-й строки матрицы А и j-го столбца матрицы В.

Приведем пример умножения квадратных матриц второго порядка:

.

Умножение матриц обладает свойствами:

а) (АВ)С = А(ВС) – ассоциативность;

б) (А+В)С = АС+ВС или А(В+С) = АВ+АС – дистрибутивность умножения относительно сложения.

Вопрос о коммутативности умножения имеет смысл ставить лишь для квадратных матриц одинакового порядка, ибо только для таких матриц А и В оба произведения АВ и ВА определенны и являются матрицами одинаковых порядков. Элементарные примеры показывают, что умножение матриц, вообще говоря, некоммутативно. Например, если

то

Пример. Для матрицы найти все матрицы В такие, что

АВ = ВА.

Решение. Введем обозначение Тогда

Равенство АВ =ВА равносильно системе уравнений

которая, в свою очередь, равносильна системе

Итак, искомая матрица имеет вид где x и z – произвольные числа. Её можно записать и так: В = zA+(x–z)E.

Замечание. Единичная и нулевая матрицы n-го порядка перестановочны с любой квадратной матрицы того же порядка, причем АЕ = =ЕА = А, А∙0 = 0∙А = 0.

Используя операцию умножения, дадим наиболее краткую – матричную – форму записи системы линейных уравнений (1.1). Введем обозначения: А=(а_ij) – (m×n)-матрица коэффициентов системы уравнений; – m-мерный столбец свободных членов и

– n-мерный столбец неизвестных. Согласно определению произведение А∙X представляет собой m-мерный столбец. Его элемент, стоящий в i-й строке, имеет вид

a_i1x₁+a_i2x₂+…+a_inx_n .

Но эта сумма есть не что иное, как левая часть i-го уравнения системы (1.1) и по условию она равна b_i , т.е. элементу, стоящему в i-й строке столбца В. Отсюда получаем: А∙X = В.Это и есть матричная запись системы линей-

ных уравнений. Здесь: А – матрица коэффициентов системы, В – столбец свободных членов, X – столбец неизвестных.

4) Транспонирование матрицы. Транспонированием любой матрицы называется операция, в результате которой меняются местами строки и столбцы с сохранением порядка их следования. В результате транспонирования (m×n)-матрицы А получается (m×n)-матрица, обозначаемая символом А´ и называемая транспонированной по отношению к матрице А.

Пример. Для А = (а₁ а₂ а₃) найти А∙А´ и А´∙А.

Решение. Транспонированная строка – это столбец. Поэтому:

– квадратная матрица 1^го порядка.

– квадратная матрица 3^го

порядка.