книги / Линейная алгебра.-1
.pdfВВЕДЕНИЕ
В этой книге мы будем |
им еть дело с внеш не различны м и объ |
ектами: 1) с м атрицам и (или |
прям оугольны м и таблицам и из чисел), |
2) с алгебраическим и ф орм ам и, вклю чаю щ им и в себя так назы ваем ы е линейны е, билинейны е и квадрати чн ы е ф орм ы , 3) с так назы ваем ы м и линейны м и (и, в частности, евклидовы м и) пространствам и и с линей ными преобразованиям и в таких пространствах.
Э лементарны е представления об этих объектах читатель имеет из курса аналитической геометрии. В самом деле, в курсе аналитической геом етрии изучались квадратн ы е м атрицы второго и третьего п оряд ков и отвечаю щ ие этим м атрицам определители . Л инейная и к в ад р а ти чн ая ф орм ы представляю т собой соответственно однородную линей ную и однородную квадрати чн ую ф ункции нескольких независимы х переменны х (например, координат в е к то р а). П римером линейного про стран ства м ож ет служ и ть совокупность всех геом етрических векторов на плоскости (или в пространстве) с заданны м и операциям и слож ения этих векторов или ум нож ения их на числа. Если д л я совокупности та ких векторов задано еще и скалярное произведение, то мы придем к понятию евклидова пространства. П рим ером линейного преобразова ния в таком пространстве м ож ет служ и ть переход от одного декартова прям оугольного базиса к другому.
Н есм отря на внеш нее различие, перечисленны е совокупности объ ектов тесно связаны м еж ду собой: больш инство утверж дений допуска ют равносильную ф орм улировку д л я каж дой из этих совокупностей. Н аиболее отчетливо эта связь вы является при изучении произвольны х линейны х и евклидовы х пространств (и линейны х преобразований в таких п ростран ствах).
О днако более конкретная, м атри ч н ая тр акто вка результатов непо средственно связан а с ф акти ч ески м и вы числениям и (и, в частости, с реш ением линейны х систем уравн ен и й ). И менно поэтом у мы начинаем наш е рассм отрение с изучения м атриц и неоднократно возвращ аем ся впоследствии к м атричной трактовке результатов.
Г Л А В А 1
М А Т Р И Ц Ы И О П Р Е Д Е Л И Т Е Л И
В этой главе изучаю тся таблицы из чисел, назы ваем ы е м а т р и ц а м и
и играю щ ие в дальнейш ем важ нейш ую роль. Здесь вводятся основные операции н ад м атрицам и и детально изучаю тся свойства так н азы вае м ы х определит елей, являю щ ихся основной числовой характеристикой
квад р атн ы х м атриц. |
|
§ |
1. М а т р и ц ы |
1. П о н я т и е м а т р и ц ы . |
М а т р и ц ей назы вается п рям оугольная |
таблица из чисел, содерж ащ ая некоторое количество т строк и неко
торое количество п столбцов.
Ч и сла ш и п назы ваю тся порядкам и м атрицы . В случае, если т = = п, м атри ц а назы вается квадрат н ой, а число т = п — ее порядком .
В дальнейш ем д л я записи м атрицы будут прим еняться либо сдво
енные черточки, либо круглы е скобки:
а ц |
ai2 |
&1п |
/ |
а ц |
ai2 |
&1п |
\ |
^21 |
a22 |
&2п |
ИЛИ |
^21 |
022 |
&2п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а т1 |
а т2 |
&тп |
\ |
Q"ml |
а т2 |
&тп |
/ |
Впрочем, д л я краткого обозначения м атрицы часто будет использо ваться либо одна больш ая лати н ская буква (наприм ер, А ), либо символ
||а^-||, |
а иногда и с разъяснением : А = ||а^-|| = (а ^ ) (г = 1, 2, ... , ш ; |
|
3 = 1, |
2, |
п). |
Ч и сла dij, |
входящ ие в состав данной м атрицы , назы ваю тся ее эле |
м ен т а м и . В записи aij первы й индекс г означает номер строки, а вто рой индекс j — номер столбца.
В случае квадратн ой м атрицы |
|
|
а ц |
ai2 |
&1п |
^21 |
a22 |
&2п |
Q"nl ^n2 |
®>пп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. МАТРИЦЫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
||||
вводятся понятия главной и побочной диагоналей . Г лавной диагона |
|||||||||||||||||||||||||
лью |
м атрицы |
(1.1) назы вается ди агон аль сд 1 |
*2 2 |
2 - - - «Пп, идущ ая из ле |
|||||||||||||||||||||
вого |
верхнего угла |
этой |
м атрицы |
в |
правы й |
ниж ний ее |
угол. П обоч |
||||||||||||||||||
ной |
диагональю |
той ж е |
м атрицы |
назы вается ди агон аль |
a nia ( n _ i)2 - - - |
||||||||||||||||||||
. . . a i n , идущ ая из левого ниж него угла в правы й верхний угол. |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
2. |
О с н о в н ы е о п е р а ц и и н а д м а т р и ц а м и и и х с в о й с т в а . П р еж |
|||||||||||||||||||||||
де всего договорим ся считать две м атрицы равны м и, если эти м атрицы |
|||||||||||||||||||||||||
имею т одинаковы е порядки и все их соответствую щ ие элем енты |
сов |
||||||||||||||||||||||||
падаю т. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
П ерейдем к определению основны х операций н ад м атрицам и . |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
а) |
С л о ж е н и е |
м а т р и ц . |
С ум м ой |
двух |
м атриц |
А |
= |
||а ^ || |
(г = |
|||||||||||||||
= |
1, 2, |
. . |
то; j |
= |
1, |
2, |
. . |
п) |
и |
В |
= |
||ЬУ || |
(г |
= |
1, 2, . . |
т ; |
j |
= |
|||||||
= 1 , 2 , . . . , |
п) одних и тех ж е порядков ш и п |
|
назы вается м атри ц а С |
= |
|||||||||||||||||||||
= |
\ ы \ |
(* |
= |
1 , 2 , . . . , |
ш; j |
= |
1 , 2 , . . . , п) |
|
тех |
ж е |
порядков |
ш и п , |
|||||||||||||
элем енты C{j |
которой равны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
°ij |
= aij |
+ bij |
(i |
= 1 , 2 , . . . , |
ш; |
|
j |
= |
1 , 2 , . . . , n). |
|
|
(1.2) |
||||||||||
Д л я обозначения суммы двух м атриц используется запись С |
= |
А + В . |
|||||||||||||||||||||||
О перация |
составления |
суммы |
м атриц |
назы вается |
их |
слож ением . |
|||||||||||||||||||
|
И так, по определению |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
« |
п |
«12 |
|
|
« 1п |
|
|
Ь ц |
|
Ь\ 2 |
|
• |
• |
|
6l |
„ |
|
|
|
|
|
|
||
|
«21 |
«22 |
|
|
«2п |
|
+ |
Ь2 |
1 |
|
^22 |
|
• |
• |
|
ъ2п |
|
|
|
|
|
|
|||
|
« m l |
« m 2 • - |
|
& т п |
|
Ь т1 |
|
Ьт 2 |
• • • |
Ьт п |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
(а ц |
+ |
Ь ц) |
|
(«12 |
+ |
Ь ц) |
|
|
(«1п |
“Ь |
bln) |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
= |
(«21 |
+ |
^21) |
|
(«22 |
+ |
^22) |
|
|
(«2п |
+ |
Ь2п) |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
(«ml |
“Ь |
^ml) |
|
(«m2 |
|
Ьт2 ) |
|
. . . |
(«mn |
Н" |
Ьт п) |
|
||||||
|
И з определения |
суммы м атриц , а точнее, из |
ф орм улы (1.2), непо |
||||||||||||||||||||||
средственно |
вы текает, что операция слож ения м атриц обладает |
те |
|||||||||||||||||||||||
ми ж е |
свойствами, что и операция |
слож ения вещ ественны х |
чисел, а |
||||||||||||||||||||||
именно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1) переместительны м |
свойством: |
А |
|
+ |
|
|
|
В |
= В |
+ |
А; |
|
|
|||||||||||
|
2) сочетательны м свойством: (А |
+ |
|
В ) |
|
|
+ С = А + |
(В + |
С ). |
||||||||||||||||
|
Эти |
свойства позволяю т не заботиться о порядке следования сла |
|||||||||||||||||||||||
гаемы х м атриц при слож ении двух или больш его числа м атриц. |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
б) |
У м н о ж е н и е |
|
м а т р и ц ы |
и а |
ч и с л о . П роизведением м а т р и |
|||||||||||||||||||
цы |
А = |
\\aij\\ (г |
= |
1, 2, |
. .. , ш; j |
|
= |
1, 2, ... , |
п) |
на вещ ественноечис |
|||||||||||||||
ло |
Л назы вается |
м атри ц а |
С |
= \\cij\\ |
(г= 1 , 2 , . . . , |
ш; |
j = |
1 , 2 , . . . , |
п), |
14 |
|
|
|
ГЛ. 1. МАТРИЦЫ И ОПРЕДЕЛИТЕЛИ |
|
|
||||||||||||
элем енты с^- которой равны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
Cij |
= X d i j |
(г |
= |
1 , 2 , . . ш; |
Д = 1 |
, 2 , . . п). |
|
(1.3) |
|||||||
|
Д л я обозначения произведения м атрицы на число используется за |
|||||||||||||||||
пись С |
= ЛА или С = АЛ. О перация составления произведения м ат |
|||||||||||||||||
рицы на число назы вается ум н о ж ен и ем м атрицы на это число. |
||||||||||||||||||
|
Н епосредственно из ф орм улы (1.3) ясно, что ум нож ение м атрицы |
|||||||||||||||||
на число обладает следую щ ими свойствами: |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
1) сочетательны м |
свойством |
относительно |
числового м нож ителя: |
||||||||||||||
(Ац)А |
= Л(цА); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
2) |
распределительны м |
свойством |
относительно |
сум м ы |
м атриц: |
||||||||||||
А(А + |
В ) = ЛА + ЛВ ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
3) распределительны м свойством относительно сум м ы чисел: (Л + |
|||||||||||||||||
Н- д)А |
= ЛА Н- ц А . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
З а м е ч а н и е . Разностью |
двух |
м атриц А |
ж В одинаковы х |
поряд |
|||||||||||||
ков т и п |
естественно н азвать такую |
м атрицу |
С тех ж е порядков т |
|||||||||||||||
и п, которая в сумме с м атрицей В |
дает м атрицу А. Д л я обозначения |
|||||||||||||||||
разности двух м атриц используется |
естественная запись: С |
= |
А — В . |
|||||||||||||||
|
О чень легко убедиться в том, что разность |
С двух м атриц |
А и В |
|||||||||||||||
м ож ет бы ть получена по правилу С |
= |
А + |
(— 1)В . |
|
|
|
|
|||||||||||
|
в) |
П е р е м н о ж е н и е |
м а т р и ц . |
П роизведением м атрицы А = |
||||||||||||||
= |
\\aij\\ (г |
= |
1 , 2, . .. , т ; |
j |
= |
1 , |
2, ... , |
п), |
имею щ ей |
порядки, соот |
||||||||
ветственно |
равны е т |
и п, |
на |
м атрицу |
В |
= |
||Ь^-|| (г |
= |
1, 2, . .. , |
n; j = |
||||||||
= |
1, 2, |
... , р), имею щ ую порядки, соответственно равны е п и р , н азы |
||||||||||||||||
вается |
м атри ц а С = НоД |
(г |
= |
1, 2, . .. , |
ш; |
j = |
1, 2, ... , р), |
им ею щ ая |
||||||||||
порядки, соответственно равны е п |
и р, и элем енты |
щ д определяем ы е |
||||||||||||||||
ф орм улой |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c i j = |
^ |
2 a i k b k i |
|
= |
|
2’ |
• • •’ |
т ; |
•?’ |
= |
2’ |
• • |
•’ р ) - |
|
(!-4) |
|
|
|
|
к = 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д л я обозначения произведения м атрицы А на м атрицу В использу |
|||||||||||||||||
ют запись С = |
А В . О перация составления произведения м атрицы А |
|||||||||||||||||
на м атрицу В |
назы вается перем нож ением этих м атриц. |
|
|
|||||||||||||||
|
И з |
сф орм улированного |
вы ш е определения |
вы текает, что м а т р и |
цу А м ож но ум н о ж и т ь не на всякую м а т р и ц у В: необходимо, чтобы число столбцов м атрицы А бы ло равно числу строк м атрицы В .
В частности, оба произведения А - В и В -А мож но определить лиш ь в том случае, когда число столбцов А совпадает с числом строк В , а число строк А совпадает с числом столбцов В . П ри этом обе м атрицы
А - В и В • А будут квадратн ы м и , но порядки их будут, вообщ е говоря,
1. МАТРИЦЫ |
15 |
различны м и . Д л я того чтобы оба произведения А • В |
и В • А не толь |
ко бы ли определены , но и имели одинаковы й порядок, необходимо и достаточно, чтобы обе м атрицы Аж В бы ли квадратн ы м и м атрицам и
одного и того ж е порядка. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Ф орм ула (1.4) представляет собой правило составления элементов |
|||||||||||||||||||||
м атрицы |
(7, являю щ ейся произведением |
м атрицы |
А |
на м атрицу В . |
||||||||||||||||||
Это правило мож но сф орм улировать и словесно: элем ен т |
сц , |
ст оя |
||||||||||||||||||||
щ ий на пересечении i -й ст роки |
и j -го |
ст олбца м ат рицы |
С |
= |
А • В , |
|||||||||||||||||
равен |
сум м е попарны х |
произведений |
соот вет ст вую щ их |
элем ент ов |
||||||||||||||||||
i -й ст роки м ат рицы А |
и j -го ст олбца м ат рицы В . |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
В качестве прим ера прим енения указанного п рави ла приведем ф о р |
|||||||||||||||||||||
м улу перемнож ения квад р атн ы х м атриц второго порядка |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
а ц |
<212 |
|
Ъ ц |
bi2 |
|
( а ц Ь ц |
+ |
a 12b2i) |
(a n 5i2 |
+ |
^ 1 2 ^2 2 ) |
||||||||||
|
&21 |
а 22 |
|
Ь21 |
^22 |
|
(a2i5 n |
+ |
H22^2l) |
(a2i5i2 |
+ |
« 2 2 ^2 2 ) |
||||||||||
|
И з |
ф орм улы |
(1.4) |
вы текаю т |
следую щ ие |
свойства произведения |
||||||||||||||||
м атрицы А |
на м атрицу В: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
1) сочетательное свойство: (А В ) С = |
А ( В С ); |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
2) распределительное относительно сумм ы м атриц свойство: (А + |
|||||||||||||||||||||
+ |
В )С |
= А С + |
В С |
или А (В + |
С) |
= |
А В + |
А С . |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Р аспределительное свойство сразу вы текает из ф орм ул (1.4) и (1.2), |
|||||||||||||||||||||
а |
д л я |
доказательства сочетательного свойства |
достаточно |
зам етить, |
||||||||||||||||||
что если |
А |
= |
||а у || |
(г |
= |
1 ,2 , . |
. |
т; |
j |
= |
1 |
, 2 |
, . . п ), В |
= |
\\bj k \\ |
|||||||
(j |
= |
1, |
2, |
. .. , п; |
k |
= |
1, 2, . . |
р), |
С |
= |
\\сы \\ |
(к |
= |
1, |
2, |
... , |
р; I = |
|||||
= 1 , 2 , . . . , |
г), |
то |
элем ент |
du |
м атрицы |
(Л В )С |
в силу |
(1.4) |
равен |
|||||||||||||
da = E 2 = i ( E ? = 1 a ijb jk jS • см, |
а |
элемент d!u |
м атрицы |
(A B ) C |
равен |
|||||||||||||||||
d'u = |
Y lj = i aij |
|
|
= i bjkCki) , но |
тогда |
равенство dit |
= |
|
d'u вы тека |
ет из возм ож ности изм енения порядка сум м ирования относительно j
и к. |
|
|
|
|
Вопрос |
о перестановочном свойстве |
произведения м атрицы |
А |
на |
м атрицу В |
имеет смысл ставить лиш ь |
д л я квад р атн ы х м атриц |
А |
и |
В одинакового порядка (ибо, как указы валось выш е, только д л я таких м атриц Аж В оба произведения А В жВ А определены и являю тся м ат
рицам и одинаковы х порядков). Э лем ентарны е прим еры |
показы ваю т, |
|||||||
что произведение |
двух квадрат ны х |
м а т р и ц |
одинакового |
порядка не |
||||
обладает , вообще |
говоря, перест ановочны м |
свойст вом . |
В |
самом |
де |
|||
|
|
О |
1 |
0 |
о |
= |
1 |
0 |
ле, если полож ить А |
,В |
= |
то А В |
0 |
0 |
|||
|
|
О |
О |
1 |
о |
|
||
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
а В А = |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
16 ГЛ. 1. МАТРИЦЫ И ОПРЕДЕЛИТЕЛИ
Здесь мы укаж ем , однако, важ н ы е частны е случаи, в которы х спра
ведливо перестановочное свойство *).
С реди квад р атн ы х м атриц |
вы делим класс так назы ваем ы х диаго |
н а л ь н ы х м атриц, у каж дой из |
которы х элем енты , располож енны е вне |
главной диагонали, равны нулю . К а ж д а я |
ди агон альн ая м атри ц а по |
|
р яд ка п имеет вид |
|
|
di |
0 . .. |
0 |
0 |
d2 . .. |
0 |
D = |
|
|
0 |
0 . |
dn |
где d i, б?2 , ... , dn — какие угодно числа. Л егко видеть, что если все эти
числа равны м еж ду собой, т. е. d\ — d2 — . .. = |
dn = d, то д л я лю бой |
квадратн ой м атрицы А порядка п справедливо |
равенство A D = D A . |
В самом деле, обозначим символами с^- и с - элем енты , стоящ ие на пе
ресечении г-й строки и j - го столбца м атриц A D |
и D A соответственно. |
|
Тогда из равенства (1.4) и из вида м атрицы D получим, что |
|
|
Cij — ct'ij d j — d i j d , ^ij — d%a^2 |
— d d i j , |
( 1.6) |
T. e. d j = c'ij.
С реди всех диагональны х м атриц (1.5) с совпадаю щ им и элемента
ми d\ — d2 = . .. = dn особо важ ную |
роль |
играю т две |
м атрицы . |
П ервая из этих м атриц получается при d |
— 1, |
назы вается |
единичной |
м а т рицей п -го порядка и обозначается символом Е . В торая м атрица
получается при d — 0, назы вается |
нулевой м а т рицей п -го порядка и |
|||||||
обозначается символом О. Таким образом, |
|
|
|
|||||
i |
0 .... |
0 |
|
0 |
0 |
.... |
0 |
|
0 |
1 .... |
0 |
О = |
0 |
0 |
.... |
0 |
|
Е = |
|
|
, |
|
|
|
|
|
0 |
0 |
.,.. |
1 |
|
0 |
0 |
.,.. |
0 |
В силу доказанного вы ш е А Е |
= Е А |
и А О |
= |
О А . Более того, из |
||||
ф орм ул (1.6) очевидно, что |
|
|
|
|
|
|
||
А Е |
= |
Е А |
= Л, |
А О |
= О А |
= |
О. |
(1.7) |
П ервая из ф орм ул (1.7) характеризует особою роль единичной м ат рицы Е , аналогичную той роли, которую играет число 1 при пере м нож ении вещ ественны х чисел. Ч то ж е касается особой роли нулевой1
1) Две матрицы, для произведения которых справедливо перестановочное свойство, принято назы вать коммутирующими.
1. МАТРИЦЫ |
|
|
17 |
|
м атрицы О, то ее вы явл яет не только |
вторая |
из |
ф орм ул |
(1.7), но и |
элементарно проверяем ое равенство 2) |
А + О |
= |
О + А = |
А . |
В заклю чение зам етим , что понятие нулевой м атрицы м ож но вво
дить и д л я н еквадратн ы х м атриц (нулевой н азы ваю т лю бую матрицу,
все элем енты которой равны нулю ). |
|
3. |
Б л о ч н ы е м а т р и ц ы . П редполож им , что некоторая м атри ц а |
А = |
\\aij\\ при помощ и горизонтальны х и вертикальны х прям ы х р аз |
бита на отдельны е прям оугольны е клетки, к аж д ая из которы х пред ставляет собой м атрицу меньш их разм еров и назы вается блоком ис
ходной м атрицы . В таком случае возникает возм ож ность рассм отрения
исходной м атрицы А как некоторой новой |
(так назы ваем ой |
блочной) |
|||||||
м атрицы А = |
||Асщ||, элементами А ар которой служ ат указанны е бло |
||||||||
ки. У казанны е |
элем енты |
мы |
обозначаем |
больш ой латинской буквой, |
|||||
чтобы подчеркнуть, что они являю тся, вообщ е говоря, м атрицам и, |
а |
||||||||
не числам и и (как обы чны е числовы е элем енты ) |
снабж аем двум я ин |
||||||||
дексам и, первы й из которы х |
указы вает |
номер |
«блочной» |
строки, |
а |
||||
второй — номер «блочного» столбца. Н априм ер, м атрицу |
|
|
|||||||
|
а ц |
«12 |
«13 |
<214 |
: |
а 15 |
«16 |
|
|
|
«21 |
«22 |
«23 |
«24 |
• |
«25 |
«26 |
|
|
|
«31 |
«32 |
«33 |
«34 |
: |
«35 |
«36 |
|
|
|
«41 |
«42 |
«43 |
<244 |
: |
<245 |
«46 |
|
|
|
«51 |
«52 |
«53 |
«54 |
: |
«55 |
«56 |
|
|
м ож но рассм атри вать как блочную м атрицу А
м ентами которой служ ат следую щ ие блоки:
_ |
«11 |
«12 |
«13 |
«14 |
, |
А 1 2 |
— |
|
«21 |
«22 |
«23 |
«24 |
|||
|
|
|
|
||||
|
«31 |
«32 |
«33 |
«34 |
|
|
|
= |
«41 |
«42 |
«43 |
<244 |
, |
А 2 2 |
= |
|
«51 |
«52 |
«53 |
«54 |
|
|
|
А и |
А\2 |
эле- |
|
А21 |
А 22 |
||
|
«15 «16 «25 «26
«35 «36 «45 «46 «55 «56
Зам ечательн ы м явл яется тот ф акт, что основные операции с блоч ными м атрицам и соверш аю тся по тем ж е правилам , по которы м они
2) Это равенство является прямым следствием формулы (1.2).
2 В .А . И л ьи н , Э .Г. П о зн я к
18 ГЛ. 1. МАТРИЦЫ И ОПРЕДЕЛИТЕЛИ
соверш аю тся с обы чны ми числовы м и м атрицам и, только в роли эле
м ентов вы ступаю т блоки.
В самом деле, элементарно проверяется, что если м атри ц а А =
= \\cLij\\ явл яется блочной и имеет блочны е элем енты А а/з, то при том ж е разбиении на блоки м атрице ЛА = ||А а^|| отвечаю т блочны е эле м енты \ А ар 3) .
С толь ж е элементарно проверяется, что если м атрицы Аж В име ют одинаковы е порядки и одинаковы м образом разби ты на блоки, то
сумме м атриц А ж В отвечает блочная м атри ц а с элементами |
С ар = |
|||
= A afз + |
B afз (здесь А ар жВ ар — блочны е элем енты м атриц А |
ж В ). |
||
П усть, |
наконец, |
А ж В — две блочны е |
м атрицы такие, что |
число |
столбцов |
каж дого блока А ар равно числу |
строк блока В ар (так что |
||
при лю бы х а , /? и д |
определено произведение м атриц А ар В р 7). Тогда |
|||
произведение С = |
А В представляет собой м атрицу с элементами С а 7 , |
|||
определяем ы м и ф орм улой |
|
|
^ ^ A afi В . /з
Д л я доказательства этой ф орм улы достаточно расписать левую и п ра вую ее части в терм инах обы чны х (числовых) элем ентов м атриц Аж В
(предоставляем это сделать читателю ).
В качестве прим ера прим енения блочны х м атриц остановимся на
понятии так назы ваем ой прям ой сум м ы квад р атн ы х м атриц.
П рям ой сум м ой двух квад р атн ы х м атриц А ж В порядков ш и п соответственно назы вается к в ад р атн ая блочная м атри ц а С порядка
А |
О |
|
т + п, р ав н ая С |
. Д л я обозначения прям ой сум м ы м ат |
|
О |
В |
|
риц А жВ используется запись С = |
А ® В . |
|
И з определения прям ой суммы |
м атриц А ж В очевидно, что эта |
|
сумма, вообщ е говоря, не обладает перестановочны м свойством. О дна |
||
ко элементарно проверяется справедливость сочетательного свойства: |
(А 0 В ) 0 С = А 0 (В 0 С ).
С помощ ью свойств операций н ад блочны м и м атрицам и легко про веряю тся следую щ ие ф орм улы , устанавливаю щ ие связь м еж ду опера
цией прям ого сум м ирования и операциям и |
обы чного слож ения и пе |
||
рем нож ения матриц: |
|
|
|
|
(А т 0 А п ) + (В т 0 В п ) — (А т |
+ |
В т ) 0 (А п + В п), |
|
(А т 0 И п) (В т 0 В п) = |
А ШВ Ш 0 А пВ п |
|
3) |
При этом блочные элементы \ А а р |
сами вычисляю тся по правилу умноже |
|
ния матрицы А а р на число Л. |
|
|
§ 2. ОПРЕДЕЛИТЕЛИ |
19 |
(в этих ф орм улах А ш и В т — произвольны е квадратн ы е м атрицы по ряд ка ш , а А п и ^ — произвольны е квадратн ы е м атрицы порядка п). П роверку этих ф орм ул мы предоставляем читателю .
§2. О п р е д е л и т е л и
Целью настоящ его п ар а гр аф а явл яется построение теории опреде лителей лю бого порядка п. Х отя читатель (из курса аналитической
геометрии) уж е знаком с определителям и второго и третьего поряд
ков, мы будем вести излож ение так, чтобы избеж ать каких-либо ссы лок. Знаком ство с определителям и второго и третьего порядков разве лиш ь облегчит восприятие излагаем ого ниж е м атериала.
1. П о н я т и е о п р е д е л и т е л я . Рассм отрим произвольную к в ад р ат
ную м атрицу лю бого порядка п : |
|
|
|
|
а ц |
«12 |
«1п |
А = |
«21 |
«22 |
«2п |
|
|
|
|
|
«п1 |
«п2 |
• • • «пп |
С каж дой такой м атрицей свяж ем вполне определенную численную характеристику, назы ваем ую определителем , соответствую щ им этой м атрице. Если порядок п м атрицы (1.8) равен единице, то эта м атри ц а состоит из одного элемента а ц и определителем первого порядка, со ответствую щ им такой м атрице, мы назовем величину этого элемента. Если далее порядок п м атрицы (1.8) равен двум, т. е. если эта м атри ц а имеет вид
|
|
|
Д _ |
|
«11 |
«1 2 |
(1.9) |
|
|
|
|
|
«21 |
а 22 |
|
|
|
|
|
|
|
||
то определителем |
второго порядка, соответствую щ им такой м атрице, |
||||||
назовем число, равное щ 1 * 2 2 2 |
— *2 1 2 « 2 |
1 и обозначаемое одним из сим- |
|||||
волов 4) Д = |
det А = |
<2п |
«12 |
. И так, по определению |
|
||
«21 |
«2 2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Д |
= |
det И |
|
« 1 1 |
a i 2 |
— ^ца22 —ai2a2i- |
(1. 10) |
|
«21 |
&22 |
|||||
|
|
|
|
|
|
Ф орм ула (1.10) представляет собой правило составления определителя второго порядка по элементам соответствую щ ей ему м атрицы . С ловес
4) В отличие от матрицы для обозначения определителя употребляю т не сдво енные, а одинарные черточки.
2*
20 ГЛ. 1. МАТРИЦЫ И ОПРЕДЕЛИТЕЛИ
н ая ф орм улировка этого п рави ла такова: определитель второго поряд
ка, соответствую щ ий м атрице (1.9), равен разности произведения эле ментов, стоящ их на главной диагонали этой м атрицы , и произведения элементов, стоящ их на побочной ее диагонали 5) .
В дальнейш ем излож ении мы будем говорить об элементах, стро ках или столбцах определителя, подразум евая под этим и терм инам и
соответственно элементы , строки или столбцы отвечаю щ ей этому опре
делителю м атрицы .
П ерейдем теперь к вы яснению понятия определителя лю бого по р яд ка п , где п ^ 2. П онятие такого определителя мы введем и ндуктив
но, считая, что нами уж е введено понятие определителя порядка п —1,
соответствую щ его произвольной квад ратн ой |
м атрице порядка п — 1. |
||
Д оговорим ся |
назы ват ь м инором любого |
элем ент а ац м а т р и |
|
цы п - го порядка (1.8) определит ель порядка п — 1, |
соот вет ст вую щ ий |
||
т ой м а т р и ц е , которая получает ся из м ат рицы |
(1.8) в результ а т е |
||
вы черкивания i -й |
ст роки и j -го ст олбца (той |
строки и того столбца, |
на пересечении которы х стоит элем ент а ц ). М инор элемента ац будем
обозначать символом М j . В этом обозначении верхний индекс обозна чает номер строки, ниж ний — номер столбца, а черта н ад М означает, что указанны е строка и столбец вы черкиваю тся.
О пределит елем порядка п, соот вет ст вую щ им м ат рице (1.8), на
зовем |
ч исло , равное |
|
I ) 11+ i a i j M j |
и обозначаемое сим волом |
|||
|
|
|
|
«11 |
«12 |
. . . |
«1п |
|
|
Д = |
det А = |
«21 |
«22 |
CL2n |
|
|
|
|
|
|
( l . i i ) |
||
|
|
|
|
«п1 |
«п2 |
• • • |
^nn |
И так, по определению |
|
|
|
|
|||
|
|
a n |
«12 |
«1п |
|
|
|
Д |
= detH = |
«21 |
<222 |
«2п |
= |
5 3 |
( - 1 ) 1 + ja i j M ) . (1.12) |
|
|
|
|||||
|
|
«nl |
«п2 |
• • • «пп |
|
3 = 1 |
|
|
|
|
|
|
Ф орм ула (1.12) представляет собой правило составления определителя порядка п по элементам первой строки соответствую щ ей ему м атрицы
5)Напомним, что главной диагональю квадратной матрицы называется диа
гональ, идущ ая из левого верхнего в правый нижний угол (т. е. в случае матри цы (1.9) — 0-110-22), а побочной —диагональ, идущ ая из левого нижнего в правый верхний угол (т. е. в случае матрицы (1.9) — 021012)-