1. Сумма матриц. Суммой матриц А и В одинакового размера называется матрица С того же размера, каждый элемент которой равен сумме соответствующих элементов матриц А и В. Представим это в сокращенной записи. Пусть
Тогда сумма этих матриц С = А + В имеет вид
Пример 1. Пусть даны матрицы А и В:
Тогда их суммой, согласно определению, является матрица
2. Умножение матрицы на действительное число. Произведением матрицы А на действительное число α называется матрица, каждый элемент которой получен умножением соответствующего элемента матрицы А на число α.
Пример 2. Пусть даны матрица А и число α:
Тогда произведением матрицы А на число является матрица
3. Приведем свойства операций суммирования матриц и произведения матрицы на число, непосредственно вытекающие из определения этих операций. Пусть А, В и С — матрицы, имеющие одинаковый размер, а α и β — некоторые действительные числа. Тогда:
1) А + В = В + А,
2) (А + В) + С = А + (В + С),
3) α(А + В) =αА + αВ,
4) (α + β) A = αA + βA,
5) (αβ)А = (αA)β,
6) A + О = А, где О — нулевая матрица,
7) 0А = О.
Транспонирование матриц
Транспонированием матрицы называется замена строк матрицы на ее столбцы с сохранением их порядка (или, что то же самое, замена столбцов матрицы на ее строки). Пусть дана исходная матрица А:
Тогда, согласно определению, транспонированная матрица А' имеет вид
Сокращенная форма записи операции транспонирования матрицы:
Пример 3. Пусть даны матрицы А и В:
Тогда соответствующие транспонированные матрицы имеют вид
Нетрудно заметить две закономерности операции транспонирования матриц.
1. Дважды транспонированная матрица равна исходной матрице:
2. При транспонировании квадратных матриц элементы, находящиеся на главной диагонали, не меняют своих позиций, т.е. главная диагональ квадратной матрицы не меняется при транспонировании.
Важную роль в алгебре и ее приложениях играют симметрические матрицы — квадратные матрицы, у которых элементы, симметричные относительно главной диагонали, равны, т.е. aij = aji. Транспонирование таких матриц не меняет их вида, так что равенство
также можно полагать определением симметрической матрицы.
Умножение матриц
1. Умножение матриц — это специфическая операция, составляющая основу алгебры матриц. Строки и столбцы матриц можно рассматривать как векторы-строки и векторы-столбцы соответствующих размерностей: иными словами, любую матрицу можно интерпретировать как совокупность векторов-строк или векторов-столбцов.
Пусть даны матрица А размером т х п и матрица В размером п х k. Будем рассматривать матрицу А как совокупность т векторов-строк i размерности п каждый, а матрицу В — как совокупность k векторов-столбцов j, каждый из которых содержит по п координат:
Векторы-строки матрицы А и векторы-столбцы матрицы В показаны в записи этих матриц (13.3). Длина строки матрицы А равна высоте столбца матрицы В, и потому скалярное произведение этих векторов имеет смысл.
Определение 3. Произведением матриц А и В называется матрица С, элементы которой cij равны скалярным произведениям векторов-строк i матрицы А на векторы-столбцы jматрицы В:
Произведение матриц А и В — матрица С — имеет размер т х k, поскольку длина п векторов-строк и векторов-столбцов исчезает при суммировании произведений координат этих векторов в их скалярных произведениях, как показано в формулах (13.4). Таким образом, для вычисления элементов первой строки матрицы С необходимо последовательно получить скалярные произведения первой строки матрицы А на все столбцы матрицы В; вторая строка матрицы С получается как скалярные произведения второй вектор-строки матрицы А на все векторы-столбцы матрицы В и так далее. Для удобства запоминания размера произведения матриц нужно перемножить отношения размеров матриц-сомножителей: , т.е. размер матрицы С равен произведению оставшихся в отношении чисел: т х k.
В операции умножения матриц есть характерная особенность: произведение матриц А и В имеет смысл, если число столбцов в А равно числу строк в В. Тогда если А и В — прямоугольные матрицы, то произведение В и А уже не будет иметь смысла, так как в скалярных произведениях, формирующих элементы соответствующей матрицы, должны участвовать векторы с одинаковым числом координат.
Если матрицы А и В квадратные размером n х n, то имеет смысл как произведение матриц АВ, так и произведение матриц BA, причем размер этих матриц такой же, как и у исходных сомножителей. При этом в общем случае перемножения матриц правило перестановочности не соблюдается, т.е. АВ ≠ ВА.
Рассмотрим примеры на умножение матриц.
Решение. Поскольку число столбцов матрицы А равно числу строк матрицы В, то произведение матриц АВ имеет смысл. По формулам (13.4) получаем в произведении матрицу размером 3 х 2:
Произведение ВА не имеет смысла, так как число столбцов матрицы В не совпадает с числом строк матрицы А.
Решение. Здесь мы найдем произведения данных матриц АВ и ВА:
Как видно из результата, матрица произведения зависит от порядка расположения матриц в произведении. В обоих случаях произведения матриц имеют тот же размер, что и у исходных сомножителей: 2 х 2.
Решение. В данном случае матрица В представляет собой вектор-столбец, т.е. матрицу, у которой три строки и один столбец. Вообще, векторы — это частные случаи матриц: вектор-строка длины п представляет собой матрицу с одной строкой и п столбцами, а вектор-столбец высоты n — матрицу с n строками и одним столбцом. Размеры данных матриц соответственно 2 х 3 и 3 х 1, так что произведение этих матриц определено. Имеем
В произведении получена матрица размером 2 х 1 или вектор-столбец высоты 2.
Решение. Путем последовательного умножения матриц находим
2. Свойства произведения матриц. Пусть А, В и С — матрицы соответствующих размеров (чтобы произведения матриц были определены), а α — действительное число. Тогда следующие свойства произведения матриц имеют место:
1) (АВ)С = А(ВС),
2) (А + В)С = AC + ВС,
3) А(В + С) = АВ + АС,
4) α(АВ) = (αА)В = А(αВ).
В п. 1 этого раздела введено понятие единичной матрицы Е. Нетрудно убедиться, что в алгебре матриц она играет роль единицы, т.е. можно отметить еще два свойства, связанные с умножением на эту матрицу слева и справа в случае квадратных матриц:
5) АЕ = А,
6) ЕА = А.
Иными словами, произведение любой матрицы на единичную матрицу, если оно имеет смысл, не меняет исходную матрицу.