21179

Ранг матриці. Елементарні перетворення матриці

Реферат

Математика и математический анализ

Елементарні перетворення матриці. Визначення рангу матриці. Такий детермінант називається мінором матриці kго порядка.

Украинкский

2013-08-02

204 KB

32 чел.

PAGE  64

Ранг матриці. Елементарні перетворення матриці.

Визначення рангу матриці.

Нехай маємо матрицю

. (8.1)

Виберемо довільні k рядків та k стовпців (не обов”язково підряд). Складемо з чисел, які стоять на перехресті цих рядків та стовпців детермінант. Його порядок буде дорівнювати k. Такий детермінант називається мінором матриці k-го порядка. Таким чином, найменший порядок мінора матриці дорівнює одиниці. Найбільший порядок мінора дорівнює меншому з чисел m обо п, які визначають кількість рядків та стовпців матриці.

Найбільший порядок мінорів матриці, серед яких є відмінні від нуля, називається рангом матриці. Ранг позначається rangA чи r(A).

Приклад: Знайти ранги матриць.

1) .

Максимальний порядок мінора даної матриці дорівнює трьом. Знайдемо значення мінора максимального порядку.

 

Відповідь: r(A)=3

2)

Всі мінори третього порядку цієї матриці будуть відрізнятися різним набором рядків. Кількість таких наборів дорівнює числу сполучень із чотирьох по три, . Таким чином, це будуть мінори

,    

,    

З того, що всі вони дорівнюють нулю, витікає, що ранг матриці менше 3. Серед мінорів другого порядку маємо

.

Таким чином,

Елементарні перетворення матриці. До них належать:

1. Транспонування матриці.

2. Множення будь-якого рядка (стовпця) матриці на будь-яке число, відмінне від нуля.

3. Прибавлення до будь-якого рядка (стовпця) будь-якого рядка (стовпця), помноженого на будь-яке число.

4. Лінійне комбінування рядків (стовпців).

5. Перестановка місцями будь-яких рядків (стовпців).

Будь якому елементарному перетворенню рядків матриці можна поставити у відповідність множення її зліва на спеціальну матрицю. Наприклад, перестановці місцями першого і другого рядків відповідає множення на матрицю  

: (8.2)

Дійсно перемножуючи цю матрицю зліва на матрицю  будемо мати:

 (8.3)

Другий приклад. Легко перевірити, що додаванню до останнього рядка першого, помноженого на число с, відповідає така матриця

. (8.4)

Таким же чином можна показати, що елементарним перетворенням стовпців відповідає множення на спеціальні матриці справа.

Обчислення оберненої матриці за допомогою елементарних перетворень. Елементарні перетворення дають ще один шлях одержання оберненої матриці. Розглянемо квадратну систему рівнянь, яка має єдиний розв”язок. Запишемо її у матричному виді

. (8.5)

Будемо робити такі елементарні перетворення рівнянь цієї системи, а тим самим і рядків матриці , щоб перетворити її в одиничну матрицю. Це рівносильно множенню матричного рівняння на спеціальні матриці :

. (8.6)

Хай ці матриці будуть такі, що

.

Позначимо добуток цих матриць як : .

Тоді із матричного рівняння одержимо

. (8.7)

З цього витікає, що  є матриця, обернена до матриці , .

Практично роблять так. Записують матриці  і  рядом. Над рядками  роблять елементарні перетворення до тих пір, поки не одержать одиничну матрицю. Ті ж самі перетворення і в тій же послідовності роблять над одиничною матрицею , в результаті одержують обернену матрицю.

Приклад:

 

 

 

 

Для практики особливо важливою є наступна теорема.

Ранг матриці при елементарних перетвореннях не змінюється.

Доведення. При будь-якому елементарному перетворенні детермінант або не змінює свого значення, або міняє знак. Так що всі нульові мінори матриці будуть залишатися нульовими. Всі ненульові мінори при будь-яких елементарних перетвореннях залишаться ненульовими. Отже ранг не зміниться.

Слід зауважити, що сама матриця, як таблиця чисел, змінюється.

Наслідок: Будь-яку матрицю за допомогою елементарних перетворень над рядками завжди можна привести до східчатого виду. Кількість ненульових рядків (ненульовий той, у якому хоча б один елемент є відмінний від нуля) матриці східчатого виду дорівнює рангу матриці.

Приклад: В цих перетвореннях перший рядок множимо на -3 і додаємо до другого, потім перший рядок множимо на -2 і додаємо до третього, потім на -3 і додаємо до четвертого. 

Аналогічні перетворення робимо потім над рядками, починаючи з другого і т.д. В результаті одержимо

.

Так як кількість ненульових рядків дорівнює трьом, то .

Базисний мінор. Базисним мінором матриці називается будь-який мінор матриці найбільшого порядку, який є відмінним від нуля. У наведенному вище прикладі базисним буде, наприклад, мінор , так як всі мінори четвертого порядку дорівнюють нулю.

Теорема про базисний мінор матриці. Максимальне число лінійно-незалежних рядків матриці дорівнює її рангу. Всі останні рядки являють собою лінійні комбінаціі цих незалежних (базисних) рядків. Це твердження справедливе і для стовпців.

Доведення. а) Хай ранг матриці  дорівнюе . Тоді знайдеться мінор -го порядку, не рівний нулю. Отже, всі його рядки лінійно-незалежні, а тому і лінійно-незалежні рядки матриці, на яких побудовано цей мінор.

б) Випишемо який-небудь базисний мінор

. (8.8)

Добавимо будь-який рядок з тих, що не війшли до базисних, і будь-який стовпець. Одержимо мінор (k+1) порядку, який, відповідно до означення рангу матриці, дорівнює нулю:

. (8.9)

Тут s=k+1, ... m, l=1, ... n, m - кількість рядків матриці , п - кількість стовпців. Розкладемо цей мінор по елементах останнього стовпця

.

З того, що алгебраїчне доповнення , витікає формула

, (8.10)

яка показує, що елементи s-го рядка лінійним чином виражаються через елементи базисних рядків.

Приклад 1. Довести, що рядки , ,

 лінійно незалежні. Побудуємо з них матрицю

 і знайдемо її ранг.

.

Так як r(A)=3, то всі її рядки лінійно незалежні, а, значить, лінійно незалежні і задані рядки.

Приклад 2. Перевірити лінійну залежність рядків , , , .

 Побудуємо матрицю з цих рядків

 

і знайдемо її ранг.

 Так як ранг матриці дорівнює двом, r(A)=2, то всі її рядки лінійно залежні, а, значить, лінійно залежні і задані рядки.

Контрольні питання.

1. Дайте означення мінора матриці. Чому дорівнює максимальний порядок мінора?

2. Дайте означення ранга матриці.

3. Перерахуйте елементарні перетворення матриці.

4. Обгрунтуйте незмінність ранга матриці при елементарних перетвореннях.

5. Сформулюйте теорему про базисний мінор матриці.

6. Наведіть алгоритм побудови оберненої матриці за допомогою елементарних перетворень.

PAGE  

PAGE  64


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18418. Модели и процессы принятия решений. Функции и критерии управления. Системный подход к управлению 80 KB
  Лекция 3. Модели и процессы принятия решений. Функции и критерии управления. Системный подход к управлению. Системный подход к задачам управления Существенное изменение масштабов производственных задач на современном предприятии требует использования эффективных ...
18419. Автоматизированные системы управления производством, технологическими процессами. Общая характеристика систем 48 KB
  Лекция 4. Автоматизированные системы управления производством технологическими процессами. Общая характеристика систем. Принципы создания и функционирования автоматизированных систем. Автоматизированные системы управления. Как мы уже знаем под автоматизацией
18420. Организационная и функциональная структура АСУ. Методика формализации систем 61.5 KB
  Лекция 5. Организационная и функциональная структура АСУ. Методика формализации систем. Структура АСУ и ее анализ. Организация протекающих внутри системы информационных и управляющих процессов основана на принятой для этого внутренней структуре. При изучении хара
18421. Последовательность разработки автоматизированных систем 48.5 KB
  Лекция 6. Последовательность разработки автоматизированных систем. Разработка автоматизированных систем включает в себя проектирование внедрение опытную эксплуатацию и нормальную работу АСУ. Большой объем и известная сложность разработки и внедрения АСУ опр
18422. Технология проектирования автоматизированных систем 76 KB
  Лекция 7. Технология проектирования автоматизированных систем. Предпроектной стадия создания АСУ. Предпроектной стадии предшествует ознакомление организацииразработчика с объектом автоматизации и создание организационных предпосылок для начала работ по создан...
18423. Техническое обеспечение автоматизированных систем. Государственная система приборов и средств автоматизации (ГСП). Состав и структура ГСП, характеристика элементов ГСП 185.5 KB
  Лекция 8. Техническое обеспечение автоматизированных систем. Государственная система приборов и средств автоматизации ГСП. Состав и структура ГСП характеристика элементов ГСП. Техническое обеспечение автоматизированных систем. Техническое обеспечение АСУ опре...
18424. Классификация и общая характеристика средств получения информации 36.5 KB
  Лекция 9. Классификация и общая характеристика средств получения информации. Надежная и эффективная работа систем автоматизации в первую очередь определяется достоверностью получаемой об объекте управления информации. Получение в АСУТП точной своевременной полн...
18425. Измерительные преобразователи (датчики) 80 KB
  Лекция 10. Измерительные преобразователи датчики. Как Вам уже известно техническое средство для измерения той или иной величины включающее в себя конструктивную совокупность ряда измерительных преобразователей и размещенное непосредственно у объекта измерения...
18426. Классификация средств измерения давления. Общепромышленные измерительные преобразователи давления 116 KB
  Лекция 11. Классификация средств измерения давления. Общепромышленные измерительные преобразователи давления. Классификация средств измерения давления. Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно н...