Тема I – Линейная алгебра (стр. 1 )

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ТЕМА I – ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА

1. Матрицы и определители

Задания для подготовки к практическому занятию

Прочитайте §1,2 лекций и предложенные примеры. Ответьте письменно на вопросы и решите задачи.

Примеры.

Даны матрицы:

1. Какого размера матрица А? Перечислите ее элементы.

Решение: В данной матрице 2 строки и 3 столбца, значит, это матрица размера 2´3.

Элемент матрицы А в первой строке и первом столбце обозначается а11 и равен в данном случае а, т. е. а11=а. Элемент в первой строке и втором столбце а12=0. Далее, а13=1, а21=-2,5, а22=-b, а23=0.

2. Какого размера матрица АТ? Выпишите ее.

Решение: Для того, чтобы найти матицу АТ, надо в матрице А заменить строки на столбцы и наоборот. Значит, в матрице АТ будет 3 строки и 2 столбца, т. е. АТ – матрица размера 3´2. При этом первая строка матрицы А станет первым столбцом матрицы АТ, вторая строка станет вторым столбцом:

3. Найдите 2А+В. Существует ли А+2С?

Решение: Чтобы умножить матрицу на число, надо каждый элемент матрицы умножить на это число, при этом размер матрицы, конечно, сохранится. Следовательно, . Чтобы сложить две матрицы, надо сложить элементы, стоящие в этих матрицах на одинаковых местах. При этом размеры матриц должны совпадать и результат будет матрицей того же размера. Следовательно,

.

Сумма А+2С не существует, так как А – матрица размера 2´3, а матрица 2С, как и матрица С, размера 2´2, так что элементы в третьем столбце матрицы А просто не с чем складывать.

4. Существуют ли произведения АВ, АС, ВА, СА?

Решение: Для того чтобы существовало произведение матриц, надо чтобы количество столбцов первой матрицы совпадало с количеством строк второй матрицы. При этом произведение матриц содержит столько же строк, сколько первая матрица и столько же столбцов, сколько вторая. Рассмотрим попарно данные матрицы и их размеры, подчеркнем те числа, которые должны совпадать чтобы их произведение в указанном порядке существовало:

А – 2´3, В – 2´3, не совпадают, следовательно, АВ не существует;

А – 2´3, С – 2´2, не совпадают, следовательно, АС не существует;

В – 2´3, А – 2´3, не совпадают, следовательно, ВА не существует;

С – 2´2, А – 2´3, совпадают, следовательно, СА существует и является матрицей размера 2´3.

5. Существуют ли определители матриц А, В, С? Если да, вычислите.

Решение: Определитель существует только у квадратной матрицы. Следовательно, матрицы А и В не имеют определителей. Определитель матрицы С вычислим по правилу для определителей второго порядка:

.

Вопросы и задачи.

п1. Какого размера матрицы: ; ; ;
?

п2. Приведите пример:

а) матрицы размера 2´3; б) диагональной матрицы 3-го порядка;

в) верхнетреугольной матрицы;

г) единичной матрицы 2-го порядка; д) единичной матрицы 3-го порядка

п3. Пусть . Какого размера матрица АТ? Выпишите её.

п4. Пусть . Найдите: а) А+3В; б) 2В-А.

п5. Пусть . Найдите такую матрицу В, что .

п6. Пусть , , .

Существуют ли произведения:

а) АВ; б) АС; в) ВС; г) ВА; д) СА; е) СВ; ж) А2; з) В2; и) ААТ; к) АТА? Объясните ответ, укажите размер произведения.

п7. Вычислите определители:

а) ; б) ; в) ; г) ; д)

Задания к практическому занятию

1. Вычислить существующие произведения матриц из задания п6

2. Выполнить действия, если это возможно:

а) А3, где ; б)2А2+3А+5Е, где ;

в) А+В; А+ВТ; АТ+В; АВ; ВА, где ;

3. Вычислить определители:

а) ; б) ; в); г) ;

д) ; е) ; ж)

4. Вычислить определитель. При каком значении параметра он равен 0?

а) ; б)

2-3. Обратная матрица. Матричные уравнения. Системы линейных алгебраических уравнений.

Задания для подготовки к практическому занятию

Прочитайте §3,4 лекций и предложенные примеры. Ответьте письменно на вопросы и решите задачи.

Примеры.

Даны матрицы:

1. Существуют ли обратные для данных матриц? Если да, найдите и выполните проверку.

Решение: Матрица А квадратная, ее определитель равен , следовательно, А-1 существует. Матрица В квадратная, но ее определитель , следовательно, В-1 не существует. Матрица С размера 3´2, не квадратная, следовательно, С-1 не существует.

Найдем обратную матрицу для матрицы А. Прежде всего, транспонируем матрицу А:

.

Составим присоединенную матрицу из алгебраических дополнений к элементам матрицы АТ:

Вычислим обратную матрицу по формуле

.

Проверим: произведение матрицы и ее обратной должно быть единичной матрицей

,

что и требовалось доказать, т. е. матрица А-1 найдена верно.

Замечание: удобнее перемножать целочисленные матрицы, поэтому мы сначала перемножили матрицы и А, а результат домножили на дробь. Этим приемом мы будем пользоваться и далее.

2. Решить матричные уравнения АХ=В и YА=В.

Решение: Уравнение АХ=В, если матрица А имеет обратную, решается по формуле Х=А-1В. Получаем:

Уравнение YА=В, если матрица А имеет обратную, решается по формуле Y=ВА-1. Получаем:

3. Записать систему линейных уравнений в виде матричного уравнения:

Решение: Система линейных уравнений эквивалентна матричному уравнению АХ=В, где Х – столбец неизвестных; А – матрица коэффициентов при неизвестных в левых частях уравнений (необходимо следить за очередностью неизвестных в записи уравнения; если неизвестной в уравнении нет, значит, соответствующий коэффициент равен 0); В – столбец свободных коэффициентов:

; ;

4. Решить систему из п3 при помощи правила Крамера

Решение: Прежде всего, найдем определитель системы:

,

следовательно, система имеет единственное решение, которое можно найти по правилу Крамера. Для определения значения переменной х вычислим определитель , полученный из D заменой столбца коэффициентов при переменной х на столбец свободных коэффициентов: