Матрицы

Матрицы небольших размеров удобно вводить из командной строки. Существует три способа ввода матриц. Например, матрицу

можно ввести следующим образом: набрать в командной строке (разделяя элементы строки матрицы пробелами): A=[0.7 –2.5 9.1 и нажать <Enter>. Курсор перемещается в следующую строку (символ приглашения командной строки » отсутствует). Элементы каждой следующей строки матрицы набираются через пробел, а ввод строки завершается нажатием на <Enter>. При вводе последней строки в конце ставится закрывающая квадратная скобка:

» A=[0.7 -2.5 9.1

8.4 0.3 1.7

-3.5 6.2 4.7]

Если после закрывающей квадратной скобки не ставить точку с запятой для подавления вывода в командное окно, то матрица выведется в виде таблицы.

Другой способ ввода матрицы основан на том, что матрицу можно рассматривать как вектор-столбец, каждый элемент которого является строкой матрицы. Поскольку точка с запятой используется для разделения элементов вектор-столбца, то ввод, к примеру, матрицы

осуществляется оператором присваивания:

» B=[6.1 0.3; -7.9 4.4; 2.5 -8.1];

Введите матрицу и отобразите ее содержимое в командном окне, набрав в командной строке B и нажав <Enter>.

Очевидно, что допустима такая трактовка матрицы, при которой она считается вектор-строкой, каждый элемент которой является столбцом матрицы. Следовательно, для ввода матрицы

достаточно воспользоваться командой:

» C=[[0.4; 0.1] [-7.2; -2.1] [5.3; -9.5]]

Обратите внимание, что внутренние квадратные скобки действительно нужны. Оператор C=[0.4; 0.1 -7.2; -2.1 5.3; -9.5] является недопустимым и приводит к сообщению об ошибке, поскольку оказывается, что в первой строке матрицы содержится только один элемент, во второй и третьей — по два, а в четвертой — снова один.

Воспользуйтесь командой whos для получения информации о переменных A, B и C рабочей среды. В командное окно выводится таблица с информацией о размерах массивов, памяти, необходимой для хранения каждого из массивов, и типе — double array:

» whos A B C

Name Size Bytes Class

A 3x3 72 double array

B 3x2 48 double array

C 2x3 48 double array

Функция size позволяет установить размеры массивов, она возвращает результат в виде вектора, первый элемент которого равен числу строк, а второй — столбцов:

» s=size(B)

s =

3 2

Сложение и вычитание матриц одинаковых размеров производится с использованием знаков +, -. Звездочка * служит для вычисления матричного произведения, причем соответствующие размеры матриц должны совпадать, например:

» P=A*B

P =

46.7700 -84.5000

53.1200 -9.9300

-58.5800 -11.8400

Допустимо умножение матрицы на число и числа на матрицу, при этом происходит умножение каждого элемента матрицы на число и результатом является матрица тех же размеров, что и исходная. Апостроф ' предназначен для транспонирования вещественной матрицы или нахождения сопряженной к комплексной матрице. Для возведения квадратной матрицы в степень применяется знак ^.

Вычислите для тренировки матричное выражение , в котором , и — определенные выше матрицы. Ниже приведена запись[1] в MatLab этого выражения:

» R=(A-B*C)^3+A*B*C

R =

1.0e+006 *

-0.0454 0.1661 -0.6579

0.0812 -0.2770 1.2906

-0.0426 0.1274 -0.7871

MatLab обладает многообразием различных функций и способов для работы с матричными данными. Для обращение к элементу двумерного массива следует указать его строчный и столбцевой индексы в круглых скобках после имени массива, например:

» C(1,2)

ans =

-7.2000

Индексация двоеточием позволяет получить часть матрицы — строку, столбец или блок, например:

» c1=A(2:3,2)

c1 =

0.3000

6.2000

» r1=A(1,1:3)

r1 =

0.7000 -2.5000 9.1000

Для обращения ко всей строке или всему столбцу не обязательно указывать через двоеточие начальный (первый) и конечный индексы, то есть операторы r1=A(1,1:3) и r1=A(1,:) эквивалентны. Для доступа к элементам строки или столбца от заданного до последнего можно использовать end, так же как и для векторов: A(1,2:end). Выделение блока, состоящего из нескольких строк и столбцов, требует индексации двоеточием как по первому измерению, так и по второму. Пусть в массиве T хранится матрица:

Для выделения ее элементов (обозначенных курсивом) со второй строки по третью и со второго столбца по четвертый, достаточно использовать оператор:

» T1=T(2:3,2:4)

T1 =

-5 -6 3

4 5 -1

Индексация двоеточием так же очень полезна при различных перестановках в массивах. В частности, для перестановки первой и последней строк в произвольной матрице, хранящейся в массиве A, подойдет последовательность команд:

» s=A(1,:);

» A(1,:)=A(end,:);

» A(end,:)=s;

MatLab поддерживает такую операцию, как вычеркивание строк или столбцов из матрицы. Достаточно удаляемому блоку присвоить пустой массив, задаваемый квадратными скобками. Например, вычеркивание второй и третьей строки из массива T, введенного выше, производится следующей командой:

» T(2:3,:)=[]

T =

1 7 -3 2 4 9

-6 -4 7 2 6 1

Индексация двоеточием упрощает заполнение матриц, имеющих определенную структуру. Предположим, что требуется создать матрицу

Первый шаг состоит в определении нулевой матрицы размера пять на пять, затем заполняются первая и последняя строки и первый и последний столбцы:

» W(1:5,1:5)=0;

» W(1,:)=1;

» W(end,:)=1;

» W(:,1)=1;

» W(:,end)=1;

Проверьте, что в результате получается требуемая матрица. Ряд встроенных функций, приведенных в табл. 3.1, позволяет ввести стандартные матрицы заданных размеров. Обратите внимание, что во всех функциях, кроме diag, допустимо указывать размеры матрицы следующими способами:

§ числами через запятую (в двух входных аргументах);

§ одним числом, результат — квадратная матрица;

§ вектором из двух элементов, равных числу строк и столбцов.

Последний вариант очень удобен, когда требуется создать стандартную матрицу тех же размеров, что и некоторая имеющаяся матрица. Если, к примеру, A была определена ранее, то команда I=eye(size(A)) приводит к появлению единичной матрицы, размеры которой совпадают с размерами A, так как функция size возвращает размеры матрицы в векторе.

Разберем, как получить трехдиагональную матрицу размера семь на семь, приведенную ниже, с использованием функций MatLab.

Введите вектор v с целыми числами от одного до семи и используйте его для создания диагональной матрицы и матрицы со смещенной на единицу вверх диагональю. Вектор длины шесть, содержащий пятерки, заполняется, например, так: 5*ones(1,6). Этот вектор укажите в первом аргументе функции diag, а минус единицу — во втором и получите третью вспомогательную матрицу. Теперь достаточно вычесть из первой матрицы вторую и сложить с третьей:

» T=diag(v)-diag(v(1:6),1)+diag(5*ones(1,6),-1)

Таблица. 3.1.

Функции для создания стандартных матриц

В предыдущем параграфе было описано применение поэлементных операций к векторам. Поэлементные вычисления с матрицами производятся практически аналогично, разумеется, необходимо следить за совпадением размеров матриц:

A.*B, A./B— поэлементные умножение и деление;

A.^p — поэлементное возведение в степень, p — число;

A.^B — возведение элементов матрицы A в степени, равные соответствующим элементам матрицы B;

A.' — транспонирование матрицы (для вещественных матриц A' и A.' приводят к одинаковым результатам);

Иногда требуется не просто транспонировать матрицу, но и "развернуть" ее. Разворот матрицы на 90^o против часовой стрелки осуществляет функция rot90:

» Q=[1 2;3 4]

Q =

1 2

3 4

» R=rot90(Q)

R =

2 4

1 3

Допустимо записывать сумму и разность матрицы и числа, при этом сложение или вычитание применяется, соответственно, ко всем элементам матрицы. Вызов математической функции от матрицы приводит к матрице того же размера, на соответствующих позициях которой стоят значения функции от элементов исходной матрицы.

В MatLab определены и матричные функции, например, sqrtm предназначена для вычисления квадратного корня. Найдите квадратный корень из матрицы

и проверьте полученный результат, возведя его в квадрат (по правилу матричного умножения, а не поэлементно!):

» K=[3 2; 1 4];

» S=sqrtm(K)

S =

1.6882 0.5479

0.2740 1.9621

» S*S

ans =

3.0000 2.0000

1.0000 4.0000

Матричная экспонента вычисляется с использованием expm. Специальная функция funm служит для вычисления произвольной матричной функции[2].

Все функции обработки данных, приведенные в табл. 2.1, могут быть применены и к двумерным массивам. Основное отличие от обработки векторных данных состоит в том, что эти функции работают с двумерными массивами по столбцам, например, функция sum суммирует элементы каждого из столбцов и возвращает вектор-строку, длина которой равна числу столбцов исходной матрицы:

» M=[1 2 3; 4 5 6; 7 8 9]

M =

1 2 3

4 5 6

7 8 9

» s=sum(M)

s =

12 15 18

Для вычисления суммы всех элементов матрицы требуется дважды применить sum:

» s=sum(sum(M))

s =

Очень удобной возможностью MatLab является конструирование матрицы из матриц меньших размеров. Пусть заданы матрицы:

Требуется составить из , , и блочную матрицу

Можно считать, что имеет размеры два на два, а каждый элемент является, соответственно, матрицей , , или . Следовательно, для получения в рабочей среде MatLab массива M с матрицей требуется использовать оператор:

» M=[M1 M2; M3 M4]

Задания для самостоятельной работы

Введите матрицы

и найдите значения следующих выражений.

Варианты

1. . 2. .

3. . 4. .

5. . 6. .

7. . 8. .

9. . 10. .

Задания для самостоятельной работы

При помощи встроенных функций для заполнения стандартных матриц, индексации двоеточием и, возможно, поворота, транспонирования или вычеркивания получите следующие матрицы:

Варианты

1. 2. 3.

4. 5. 6.

7. 8.

9. 10.

Задания для самостоятельной работы

Вычислить значения функции для всех элементов матрицы и записать результат в матрицу того же размера, что и исходная.

Варианты

1. ; .

2. ; .

3. ; .

4. ; .

5. ; .

6. ; .

7. ; .

8. ; .

9. ; .

10. ; .

Задания для самостоятельной работы

Сконструировать блочные матрицы (используя функции для заполнения стандартных матриц) и применить функции обработки данных и поэлементные операции для нахождения заданных величин.

Варианты

1. .

2. .

3. .

4. .

5. .

6. .

7. .

8. .

9. .

10. .

[1] Обратите внимание на общий множитель 1.0e+006, который относится ко всем элементам матрицы.

[2] Для использования funm необходимо создать файл-функцию. Файл-функциям посвящен § 5.