Macierz

Z Wikipedii

Ten artykuł dotyczy pojęcia matematycznego. Zobacz też: inne znaczenia tego słowa.

Niniejszy artykuł jest częścią cyklu macierze.

Niektóre typy macierzy
macierz diagonalna
macierz dodatnio określona
macierz elementarna
macierz hermitowska
macierz idempotentna
macierz jednostkowa
macierz klatkowa
macierz nieosobliwa
macierz nilpotentna
macierz ortogonalna
macierz osobliwa
macierz schodkowa
macierz skalarna
macierz symetryczna
macierz trójkątna
macierz unitarna
macierz zerowa

Operacje na macierzach
mnożenie przez skalar
dodawanie i odejmowanie
mnożenie macierzy
potęgowanie macierzy
odwracanie macierzy
transpozycja macierzy
sprzężenie macierzy
operacje elementarne
macierz dopełnień algebraicznych
macierz dołączona
diagonalizacja
postać Jordana

Inne zagadnienia
wyznacznik macierzy
ślad macierzy
widmo macierzy
minor macierzy
rząd macierzy
wielomian charakterystyczny

edytuj ten szablon

Macierz – układ zapisanych w postaci prostokątnej tablicy danych nazywanych elementami bądź współczynnikami.

Określona na tym zbiorze struktura algebraiczna umożliwia wprowadzenie działań algebraicznych na macierzach. Najczęściej współczynniki macierzy są elementami pewnego ciała bądź pierścienia przemiennego, jednak w ogólności wystarczy dowolna abstrakcyjna struktura, której wielkości można dodawać i mnożyć.

Macierze wykorzystuje się do opisu układów równań liniowych, przechowywania współczynników przekształceń liniowych. Macierze bada dział matematyki nazywany teorią macierzy. Dzięki swoim algebraicznym własnościom są one kluczowym pojęciem algebry liniowej.

Słowo „macierz” oznacza najczęściej macierz dwuwskaźnikową (tablicę dwuwymiarową), jednak rozważa się również macierze wielowskaźnikowe. Macierze jednowskaźnikowe, czyli tablice jednowymiarowe utożsamia się zwykle z wektorami, patrz niżej.

W informatyce odpowiednikiem macierzy jest tablica dwuwymiarowa.

[edytuj] Definicja teoriomnogościowa

Macierzą $\mathbf A$ typu $m \times n$ , gdzie $m, n \in \mathbb N$ , nazywa się funkcję

$\mathbf A\colon \{1, 2, \dots, m\} \times \{1, 2, \dots, n\} \to X$ ,

gdzie $X$ jest dowolnym niepustym zbiorem. Dziedzina $\{1, 2, \dots, m\} \times \{1, 2, \dots, n\}$ to iloczyn kartezjański zbiorów $\{1, 2, \dots, m\}$ oraz $\{1, 2, \dots, n\}$ .

O macierzy $\mathbf A$ mówi się, że jest określona nad zbiorem $X\,$ .

[edytuj] Terminologia

Kolumny macierzy

Wiersze macierzy

Poszczególne wartości funkcji nazywamy elementami macierzy.

Poziomy układ elementów znajdujących się w jednej linii nazywa się wierszem, a pionowy – kolumną macierzy. Macierz o $m$ wierszach i $n$ kolumnach nazywa się $m \times n$ -macierzą lub macierzą typu bądź rzędu $m \times n$ .

Elementy macierzy identyfikuje się przez podanie uporządkowanej pary liczb nazywanej wskaźnikami lub indeksami, kolejno: numer wiersza i numer kolumny, na przecięciu których znajduje się dany element. Zgodnie z tą konwencją element leżący na przecięciu $i$ -tego wiersza i $j$ -tej kolumny nazywa się elementem $i, j$ , $(i, j)$ lub $(i, j)$ -tym elementem macierzy.

Macierz, której jeden z rozmiarów jest równy jeden, nazywa się często wektorem i interpretuje się go jako element potęgi kartezjańskiej zbioru $X\,$ . Macierz typu $m \times 1$ ( $m$ wierszy i jedna kolumna) nazywa się wektorem kolumnowym, a macierz typu $1 \times n$ (jeden wiersz i $n$ kolumn) nazywa się wektorem wierszowym.

[edytuj] Przykłady

Macierz

$\mathbf A = \begin{bmatrix} 9 & 8 & 6 \\ 1 & 2 & 7 \\ 4 & 9 & 2 \\ 6 & 0 & 5 \end{bmatrix}$

jest typu $4 \times 3$ .

Zgodnie z definicją teoriomnogościową macierz ta jest funkcją $\mathbf A\colon \{1, 2, 3, 4\} \times \{1, 2, 3\} \to \mathbb R$ .

Elementem o indeksie np. $2,3$ jest $7\,$ czyli $\mathbf A((2, 3)) = 7$ . Trzeci wiersz składa się z elementów $4$ , $9$ , $2$ .

Macierz

$\mathbf R = \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 \end{bmatrix}$

to $1 \times 9$ -macierz lub 9-elementowy wektor wierszowy.

[edytuj] Oznaczenia

Spotyka się różne sposoby graficznego przedstawiania macierzy – przeważnie stosowane są nawiasy okrągłe^[1] lub kwadratowe, rzadko spotyka się jeszcze^[2] zapis w podwójnych pionowych kreskach (może prowadzić do pomyłki np. z wartość bezwzględną wyznacznika, bądź normą), np.:

$\begin{pmatrix} 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & -1 \end{pmatrix}, \qquad \begin{bmatrix} 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & -1 \end{bmatrix}, \qquad \begin{Vmatrix} 0 & 1 & -1 \\ 0 & 0 & -1 \end{Vmatrix}.$

Macierze prawie zawsze zapisuje się wielkimi literami np. $\mathbf A$ . Dla zaznaczenia typu macierzy stosuje się również oznaczanie tego typu pod jej symbolem $\underset{m \times n}{\mathbf A}$ .

Do oznaczania elementów macierzy korzysta się z odpowiedniej małej litery wraz z dwoma indeksami dolnymi^[3] np. $(i, j)\,$ -ty element macierzy $\mathbf A$ zapisuje się często $a_{i,j}\,$ , niekiedy również $\mathbf A[i,j]$ lub $\mathbf A_{i,j}$ .

Dla oznaczenia kolumny lub wiersza macierzy $\mathbf A$ stosuje się $\mathbf A_i$ (z zaznaczeniem, czy chodzi o kolumnę czy wiersz).

Dodatkowo wielu autorów do oznaczania macierzy stosuje dla dużych liter specjalny styl typograficzny, najczęściej wytłuszczenie (bez pochylenia), aby odróżnić je od innych zmiennych. Zgodnie z tą konwencją $\mathbf A$ jest macierzą, zaś $A$ jest skalarem.

Aby zdefiniować macierz typu $m \times n$ , często pisze się $\mathbf A := (a_{i,j})_{i = 1, \dots, m;\; j=1, \dots, n}$ lub $\mathbf A := (a_{i,j})_{m \times n}$ . W tym przypadku współczynniki $a_{i,j}\,$ są określone niezależnie dla wszystkich liczb całkowitych $1 \leqslant i \leqslant m$ oraz $1 \leqslant j \leqslant m$ ^[4].

Zbiór wszystkich $m \times n$ -macierzy nad zbiorem $X\,$ zapisuje się symbolem $X^{m \times n}$ , $X_m^n$ lub $M_{m,n}(X)\,$ .

[edytuj] Podstawowe pojęcia

Sposób strukturyzacji danych w postaci macierzy pozwala na łatwą organizację i zmianę danych poprzez przestawianie, łączenie, wydzielanie itp. Niech $A = (a i j)$ będzie macierzą o $n$ wierszach i $m$ kolumnach:

Macierze $A = (a_{ij})\,$ oraz $B = (b_{ij})\,$ nazywa się równymi, jeśli mają tę samą liczbę wierszy oraz kolumn oraz odpowiadające sobie elementy są równe, tzn. $a_{ij} = b_{ij}\,$ dla wszystkich $i, j\,$ .
Macierz $A$ nazywamy kwadratową, gdy ma tyle samo wierszy, co kolumn, czyli $m = n$ . Zamiast „macierz kwadratowa o $n$ wierszach i $n$ kolumnach” mówi się „macierz kwadratowa stopnia $n$ ”. Macierz, która nie jest kwadratową, nazywa się prostokątną.
Główną przekątną macierzy kwadratowej $A$ nazywamy wektor $(a_{11}, a_{22}, \dots, a_{nn})$ .
Macierzą diagonalną nazywamy macierz kwadratową, której wszystkie niezerowe elementy znajdują się wyłącznie na głównej przekątnej. Często zapisuje się ją jako $\operatorname{diag}(a_{11},a_{22}, \dots, a_{nn})$ gdzie $n$ jest jej stopniem.
Szczególnym przypadkiem macierzy diagonalnych są macierze postaci $\operatorname{diag}(a,a, \dots, a)$ zwane macierzami skalarnymi.
Macierz jednostkowa oznaczana $I\,$ ma postać $\operatorname{diag}(1,1, \dots, 1)$ czyli ma na przekątnej same jedynki.
Macierz zerowa $\Theta\,$ to macierz złożona z samych zer. Niekiedy do symbolu tych macierzy w indeksie dolnym dodaje się ich stopień.
Macierzą transponowaną (przestawioną) do $A$ , oznaczaną $A T$ , nazywamy macierz o $m$ wierszach i $n$ kolumnach, której wiersze są kolumnami danej macierzy $A$ , a kolumny są wierszami macierzy $A$ . Geometrycznie odpowiada to obrotowi macierzy wokół osi przechodzącej przez lewy górny i prawy dolny róg. Formalnie wzór na macierz przestawioną $B$ do macierzy $A$ przedstawia się następująco:

$(b_{ij}) = (a_{ij})^T \iff b_{ij} = a_{ji}$ dla każdych $i, j$ .
Podmacierz macierzy $A$ to dowolna macierz powstająca z danej macierzy przez skreślenie pewnej liczby wierszy i kolumn.
Macierz klatkowa to macierz z wprowadzonym dodatkowym podziałem wierszy i kolumn na grupy kolejnych wierszy i kolumn. Obrazowo macierz klatkowa to macierz, w której poprowadzono poziome i pionowe linie wzdłuż jej wierszy lub kolumn dzielące ją tym samym na podmacierze nazywane wówczas klatkami. Dzięki temu podziałowi możliwe jest również rozważanie macierzy, której elementami są podmacierze (klatki).
Odwrotnie, mając dany zestaw „pasujących” macierzy można zestawiać z nich macierze klatkowe. Jeśli dane są na przykład macierze:

$A$ o $n$ wierszach i $m$ kolumnach, $B$ o $n$ wierszach i $k$ kolumnach,

$C$ o $l$ wierszach i $m$ kolumnach i $D$ o $l$ wierszach i $k$ kolumnach,

to można z nich zestawić macierz klatkową

$\begin{pmatrix}\frac{A\, |\, B}{C\, |\, D} \end{pmatrix}$ .

Wzór na elementy takiej macierzy jest mniej komunikatywny niż obrazek.

[edytuj] Działania algebraiczne

Jeżeli zbiór, z którego pochodzą elementy macierzy $R$ jest pierścieniem przemiennym z jedynką (w szczególności – ciałem, takim jak liczby rzeczywiste), to mówimy wtedy o macierzy nad pierścieniem $R$ . Można wtedy w zbiorze $R^m_n = M_{n \times m}(R)$ wszystkich macierzy o $n$ wierszach, $m$ kolumnach i elementach z pierścienia $R$ określić pewne działania. Dalej będziemy przyjmować, o ile nie powiedziano inaczej, że macierze są określone właśnie nad pierścieniem.

[edytuj] Dodawanie i mnożenie przez skalar

Osobne artykuły: dodawanie macierzy, mnożenie macierzy.

Mnożenie macierzy przez stałą (skalar, element pierścienia) oraz dodawanie macierzy definiuje się następująco:

$a \cdot (a_{ij}) = (a \cdot a_{ij})$
$(a i j) + (b i j) = (a i j + b i j)$ .

Słownie: mnożenie macierzy przez skalar polega na wymnożeniu przez niego wszystkich jej elementów, a dodawanie macierzy na dodaniu odpowiadających sobie elementów. Analogicznie definiuje się różnicę macierzy.

Zbiór $R^m_n$ z dodawaniem jest grupą przemienną: łączność i przemienność działań w pierścieniu przenosi się na działania na macierzach, elementem neutralnym jest macierz zerowa $Θ$ o wszystkich elementach równych $0 \in R$ , elementem przeciwnym do macierzy $A$ jest macierz $-1 \cdot A \overset\underset\mathrm{ozn}\ = -A$ , którą nazywa się macierzą przeciwną do $A$ . Oczywiście jest $A - B = A + ( - B)$ o ile macierze te są zgodnego typu.

Mnożenie przez skalar spełnia warunki:

$(a + b) \cdot A = a \cdot A + b\cdot A$ ,
$a \cdot (A + B) = a \cdot A + a\cdot B$ ,
$(ab) \cdot A = a \cdot (b\cdot A)$ ,
$1 \cdot A = A$ ,

zatem zbiór $R^m_n$ z dodawaniem i mnożeniem przez skalary jest modułem nad pierścieniem $R$ . Moduł ten jest wolny rangi $m n$

Dowolna macierz skalarna jest efektem mnożenia macierzy jednostkowej przez skalar czyli ma spostać $a \cdot I_n$

Jeśli pierścień $R$ jest ciałem, to zbiór $R^m_n$ z powyższymi działaniami staje się przestrzenią liniową nad ciałem $R$ o wymiarze $n m$ .

[edytuj] Przykład mnożenia przez skalar

$3 \cdot \begin{bmatrix} 1 & 2 & 0\\ -1 & -4 & 9 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 3 \cdot 1 & 3 \cdot 2 & 3 \cdot 0\\ 3 \cdot (-1) & 3 \cdot (-4) & 3 \cdot 9 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 3 & 6 & 0 \\ -3 & -12 & 27 \end{bmatrix}$

[edytuj] Przykład dodawania macierzy

$\begin{bmatrix} 1,3 & 2 & 3\\ 1 & 2 & 9 \end{bmatrix}+ \begin{bmatrix} 1,2 & 2 & 11 \\ 3 & -4 & 7 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2,5 & 4 & 14 \\ 4 & -2 & 16 \end{bmatrix}$

[edytuj] Mnożenie

Osobny artykuł: mnożenie macierzy.

Elementy mnożonych macierzy, składające się na wynik w danej komórce

Działanie mnożenia macierzy można określić na wiele sposobów, jednak niżej określone, nazywane mnożeniem Cauchy'ego, ma wiele zastosowań w algebrze liniowej, w której macierze służą do zapisu przekształceń liniowych – odpowiada ono ich składaniu. Macierze można również mnożyć używając iloczynu Kroneckera.

Iloczyn $\cdot\ \colon R^m_n \times R^k_m \to R_n^k$ macierzy $A = (a_{ij})\in R^m_n$ (nazywanej w tym kontekście lewym czynnikiem) i macierzy $B=(b_{ij})\in R_m^k$ (prawy czynnik) jest macierzą $C = (c_{ij}) \in R_n^k$ taką, że

$c_{ij} = a_{i1}b_{1j} + a_{i2}b_{2j} + \dots + a_{im}b_{mj}$ .

W zbiorze $R_n^n$ macierzy kwadratowych ich mnożenie jest działaniem wewnętrznym.

[edytuj] Przykłady mnożenia macierzy

$\begin{bmatrix} 1 & 0 & 2 \\ -1 & 3 & 1 \\ \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} 3 & 1 \\ 2 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} (1 \cdot 3 + 0 \cdot 2 + 2 \cdot 1) & (1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 + 2 \cdot 0) \\ (-1 \cdot 3 + 3 \cdot 2 + 1 \cdot 1) & (-1 \cdot 1 + 3 \cdot 1 + 1 \cdot 0) \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 5 & 1 \\ 4 & 2 \\ \end{bmatrix}$

$\begin{bmatrix} 3 & 1 \\ 2 & 1 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} 1 & 0 & 2 \\ -1 & 3 & 1 \\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} (3 \cdot 1 + 1 \cdot (-1)) & (3 \cdot 0 + 1 \cdot 3) & (3 \cdot 2 + 1 \cdot 1)\\ (2 \cdot 1 + 1 \cdot (-1)) & (2 \cdot 0 + 1 \cdot 3) & (2 \cdot 2 + 1 \cdot 1)\\ (1 \cdot 1 + 0 \cdot (-1)) & (1 \cdot 0 + 0 \cdot 3) & (1 \cdot 2 + 0 \cdot 1)\\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 2 & 3 & 7 \\ 1 & 3 & 5 \\ 1 & 0 & 2 \\ \end{bmatrix}$

[edytuj] Własności

Mnożenie ma ciąg częściowych elementów neutralnych – macierzy jednostkowych, czyli macierzy kwadratowych stopnia $k$ oznaczanych symbolem $I k$ , których wszystkie elementy na głównej przekątnej są równe jedności, a pozostałe zeru. Dla macierzy $A \in R^m_n$ jest

$I_n \cdot A = A, \qquad A \cdot I_m = A$ .

Mnożenie macierzy nie jest przemienne, co widać w przykładach powyżej.

Mnożenie macierzy jest jednak łączne oraz rozdzielne lewo- i prawostronnie względem dodawania:

$(A \cdot B)\cdot C = A\cdot (B\cdot C)$
$(A + B)\cdot C = A \cdot C + B \cdot C$ i $C \cdot (A+B) = C \cdot A + C \cdot B$

co oznacza, że zbiór macierzy kwadratowych stopnia $n$ tworzy nieprzemienny pierścień z jedynką.

Ponadto:

$a \cdot (A \cdot B) = (a \cdot A) \cdot B = A \cdot (a \cdot B)$
$(A \cdot B)^T = B^T \cdot A^T$ .

Powyższe równości należy rozumieć w następujący sposób: jeśli istnieje jedna ze stron, wówczas istnieje druga i są one sobie równe.

Jeśli $l_1, l_2, \dots, l_m \in R^1_n$ są kolumnami macierzy $A$ , to $j$ -tą kolumną macierzy $A \cdot B$ jest $b_{1j} \cdot l_1 + b_{2j} \cdot l_2 + b_{mj} \cdot l_m$ .

Jeśli $w_1, w_2, \dots, w_m \in R^k_1$ są wierszami macierzy $B$ , to $i$ -tym wierszem macierzy $A \cdot B$ jest $a_{i1}\cdot w_1 + a_{i2}\cdot w_2 + \dots + a_{im} \cdot w_m$ .

Dla macierzy skalrnej $a \cdot I_n$ :

$(a \cdot I_n) \cdot A = a \cdot A = A \cdot (a \cdot I_m).$

Jak widać macierz skalarna jest przemienna z dowolną macierzą. Można tu ująć ogólniej: Macierz kwadratowa stopnia n jest przemienna z wszystkimi macierzami kwadratowymi stopnia n wtedy i tylko wtedy, gdy jest macierzą skalarną.

Mnożenie macierzy diagonalnych jest szczególnie proste:

$\operatorname{diag}(a_1, a_2, \dots, a_n) \cdot \operatorname{diag}(b_1, b_2, \dots, b_n) = \operatorname{diag}(a_1 b_1, a_2 b_2, \dots, a_n b_n)$ .

Łatwo stąd wywnioskować, że mnożenie macierzy diagonalnych jest przemienne. Jednak iloczyn macierzy diagonalnej z niediagonalną już niekoniecznie:

$\begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 1\\ -1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 2 \\ -3 & 0 \end{pmatrix}, \qquad \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 2 & 0\\ 0 & 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 3 \\ -2 & 0 \end{pmatrix}.$

Zbiór macierzy kwadratowych nad pierścieniem również tworzy pierścień zwany pierścieniem macierzy. Jeśli R jest ciałem to jest jednocześnie algebrą macierzy nad ciałem R.

[edytuj] Potęgowanie macierzy

Osobny artykuł: potęgowanie macierzy.

Potęgę macierzy kwadratowej o wykładniku wyrażającym się liczbą naturalną n określa się w zwyczajowo jako n-krotny iloczyn macierzy przez siebie. Z własności mnożenia macierzy wynika, że to działanie jest określone wyłącznie dla macierzy kwadratowych. Jeżeli macierz jest odwracalna, rozszerzenie definicji na liczby całkowite przebiega wg wzoru $A - p = (A - 1) p$ . Dodatkowo przyjmuje się $A 0 = I$ .

[edytuj] Pierścienie nieprzemienne

Mnożenie macierzy nad pierścieniem nieprzemiennym określa się jak wyżej, pojawia się jednak wiele subtelności, a działanie nie ma tak dobrych własności jak w poprzednim przypadku. Mimo to mnożenie takich macierzy nadal jest użyteczne, czego przykładem mogą być enumerator i denumerator marszrut w grafie.

Niech $P = \{p_1, p_2, \dots, p_n\}$ będzie zbiorem wierzchołków grafu zorientowanego, a dla danych $i, j$ przez $Q_{ij} = \{q_{ij}(1) ,q_{ij}(2), \dots, q_{ij}(n_{ij})\}$ oznaczymy zbiór krawędzi z $p i$ do $p j$ .

Jeśli w zbiorze skończonych ciągów krawędzi określić działanie konkatenacji (czyli dopisywania) jako mnożenie i rozszerzyć je na formalne sumy takich ciągów tak, by było ono rozdzielne względem dodawania (rolę zera pełni ciąg pusty), to dla macierzy $A = (a i j)$ , gdzie $a_{ij} = q_{ij}(1) + q_{ij}(2) + \ldots +q_{ij}(n_{ij})$ macierz $A n$ ma w wierszu $i$ i kolumnie $j$ sumę wszystkich marszrut długości $n$ prowadzących z $p i$ do $p j$ .

Jeśli w macierzy $A n$ każdy symbol $q i j (s)$ zastąpić jedynką, to po wykonaniu działania powstanie macierz mająca w wierszu $i$ i kolumnie $j$ liczbę marszrut długości $n$ z $p i$ do $p j$ .

[edytuj] Moduł i norma macierzy

Osobny artykuł: norma macierzowa.

Niech macierze $A = (a i j), B = (b i j)$ tego samego typu będą zbudowane nad ciałem liczb rzeczywistych bądź zespolonych. Nierówność $A \leqslant B$ oznacza, że $a_{ij} \leqslant b_{ij}$ dla wszystkich $i$ , $j$ . Wynika stąd, że nie wszystkie macierze można porównywać w ten sposób.

Wartością bezwzględną (modułem) macierzy $A$ nazywa się macierz $| A | = ( | a i j | )$ , gdzie $| a i j |$ są wartościami bezwzględnymi (modułami) elementów. Jeśli dla wspomnianych macierzy operacje dodawania i mnożenia mają sens, to

$|A + B| \leqslant |A| + |B|$
$|cA| \leqslant |c| |B|$ , gdzie $c$ jest skalarem.
$|AB| \leqslant |A| |B|$ , skąd wynika też $|A^n| \leqslant |A|^n,\; n \in N$

Norma macierzy $A$ to liczba rzeczywista $\|A\|$ taka, dla której spełnione są aksjomaty normy i $B$ jest macierzą dla której poniższe działania mają sens:

$\|A\| \geqslant 0,\; |A| = 0 \iff A = 0$
$\|cA\| = |c| \|A\|$ , gdzie $c$ jest skalarem, w szczególności $\|-A\| = \|A\|$
$\|A + B\| \leqslant \|A\| + \|B\|$
$\|AB\| \leqslant \|A\| \|B\|$ , skąd wynika też $\|A^n\| \leqslant \|A\|^n,\; n \in N$

Bezpośrednim wnioskiem z powyższych własności jest

$\|A - B\| \geqslant \bigg|\|B\| - \|A\|\bigg|$

Jeśli spełnione są dodatkowe warunki

$|a_{ij}| \leqslant \|A\|$ , przy czym dla $A = (a 11)$ jest $\|A\| = |a_{11}|$
$|A| \leqslant |B| \implies \|A\| \leqslant \|B\|$ , w szczególności $\|A\| = \| |A| \|$

to normę macierzy nazywamy kanoniczną.

[edytuj] Odwracalność i nieosobliwość

Osobne artykuły: macierz odwrotna, wyznacznik.

Macierz $A$ jest odwracalna, jeśli istnieje taka macierz $B$ , dla której

A B = B A = I

,

gdzie $I$ jest macierzą jednostkową.

Jeżeli taka macierz $B$ nie istnieje, to macierz $A$ nazywamy nieodwracalną, w przeciwnym wypadku macierz $B$ nazywa się macierzą odwrotną do macierzy $A$ i oznacza się ją wówczas przez $A - 1$ .

Powyższe definicje jednoznacznie wyznaczają element odwracalny oraz odwrotny w pierścieniu (nieprzemiennym z jedynką) macierzy kwadratowych ustalonego stopnia z działaniami dodawania i mnożenia macierzy określonymi wyżej.

Jeżeli pierścień $R$ , nad którym zbudowana jest macierz kwadratowa, jest przemienny, to można zdefiniować jej wyznacznik^[5]. Macierzą nieosobliwą (niezdegenerowaną) nazywamy każdą macierz o odwracalnym wyznaczniku (jeżeli $R$ jest ciałem, to jest to równoważne temu, że jest on różny od zera). Macierzą osobliwą (zdegenerowaną) nazywa się macierz o wyznaczniku nieodwracalnym (w ciele: zerowym).

Z własności macierzy dołączonej wynika, że macierz kwadratowa $A$ stopnia $n$ nad pierścieniem przemiennym $R$ jest odwracalna wtedy i tylko wtedy, gdy jest ona nieosobliwa. Tak więc nieosobliwość macierzy staje się kryterium odwracalności macierzy.

[edytuj] Przekształcenia i macierze elementarne

Osobny artykuł: macierz elementarna.

Przekształceniami elementarnymi na wierszach są:

zamiana miejscami dwóch różnych wierszy macierzy,
pomnożenie jednego z wierszy macierzy przez liczbę różną od zera,
dodanie do jednego wiersza macierzy innego wiersza tej samej macierzy.

Macierz elementarna to macierz powstała z macierzy jednostkowej w wyniku jednego przekształcenia elementarnego na jej wierszach. Są one istotne przede wszystkim z tego powodu, iż nie zmieniają rzędu macierzy. Ponieważ nie zmieniają one rozwiązywań układów równań liniowych, wykorzystywane są one do ich rozwiązywania w metodzie Gaussa. Za ich pomocą jest też definiowana elementarna równoważność.

[edytuj] Algebra liniowa

W tej sekcji rozważać będziemy macierze nad pewnym ustalonym $K$ .

Poniższe zastosowania macierzy są ściśle ze sobą powiązane, choć niektóre z nich związane są z istnieniem (skończonych) baz w przestrzeniach liniowych skończonego wymiaru. Należy zauważyć, że każdemu wektorowi przyporządkować wzajemnie jednoznacznie ciąg jego współrzędnych względem bazy uporządkowanej (tzn. bazy z ustaloną kolejnością wektorów).

[edytuj] Macierz przekształcenia liniowego

Osobny artykuł: macierz przekształcenia liniowego.

Jeśli $\varphi\colon V \to W$ jest przekształceniem liniowym przestrzeni liniowych skończonego wymiaru^[6], to dla każdej bazy uporządkowanej $\mathcal B = \begin{pmatrix} v_1, v_2, \dots, v_n\ \end{pmatrix}$ dziedziny $V$ i każdej bazy uporządkowanej $\mathcal C = \begin{pmatrix} w_1, w_2, \dots, w_m \end{pmatrix}$ przeciwdziedziny $W$ przekształceniu $\varphi$ odpowiada (istnieje między nimi izomorfizm) macierz $A = (a i j)$ o $m$ wierszach i $n$ kolumnach taka, że $a i j$ jest współrzędną wektora $\varphi(v_j)$ przy wektorze $w i$ , tzn.

$\varphi(v_j) = \sum_{i=1}^m~a_{ij} w_i$ .

Innymi słowy kolejne kolumny macierzy $A$ są współrzędnymi obrazów za pomocą przekształcenia $\varphi$ w bazie $\mathcal C$ wektorów względem bazy $\mathcal B$ .

Współrzędne $y_1, y_2, \dots, y_m$ obrazu $\varphi(v) = \sum_{i=1}^m y_i w_i$ wektora $v = \sum_{j=1}^n x_j v_j$ wyrażają się przez współrzędne $x_1, x_2, \dots, x_n$ tego wektora wzorem

$\begin{pmatrix} y_1 \\ y_2 \\ \vdots \\ y_m \end{pmatrix} = A \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_n \end{pmatrix}$ ,

własność ta charakteryzuje macierz przekształcenia liniowego. Z tego też powodu istnieje wzajemna jednoznaczność między wektorami $K^1_n$ przestrzeni o ustalonej bazie, a macierzami $1 \times n$ , które zwyczajowo nazywa się wektorami kolumnowymi (zwykle po prostu wektorami), analogicznie macierze $n \times 1$ nazywa się wektorami wierszowymi.

W szczególności mnożenie macierzy $A$ o $m$ wierszach i $n$ kolumnach przez inną

$A \cdot\; \colon K^1_n \rightarrow K^1_m, \quad \mathbf x \mapsto A \mathbf x$

opisuje przekształcenie liniowe $\varphi \circ \cdot$ przestrzeni $K^n \simeq K^1_n$ w przestrzeń $K^m \simeq K^1_m$ . Jego macierzą względem (naturalnie uporządkowanych) baz kanonicznych jest sama macierz $A$ . Przekształceniu identycznościowemu odpowiada macierz jednostkowa.

Niech $\psi\colon W \to U$ będzie innym przekształceniem liniowym, zaś $\mathcal D$ bazą uporządkowaną przestrzeni $U$ , a $B$ jest macierzą przekształcenia $ψ$ względem baz uporządkowanych $\mathcal C, \mathcal D$ . Macierzą złożenia $\psi \circ \varphi$ (przekształcenia złożonego, superpozycji) względem baz uporządkowanych $\mathcal B, \mathcal D$ jest macierz $B A$ . Czyli jak już wspomniano wcześniej mnożenie macierzy jest zgodne ze składaniem przekształceń liniowych.

[edytuj] Układy równań liniowych

Osobny artykuł: układ równań liniowych.

[edytuj] Zapis

Niech dany będzie układ $n$ równań liniowych

$\begin{cases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 + \cdots + a_{1m}x_m = b_1 \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 + \cdots + a_{2m}x_m = b_2 \\ \vdots \\ a_{n1}x_1 + a_{n2} x_2 + \cdots + a_{nm}x_m = b_n \end{cases}$

$m$ zmiennych $x_1, x_2, \dots, x_m$ o współczynnikach $a_{ij}, b_j \in K$ . Wówczas

macierzą układu równań nazywamy macierz współczynników $A = (a_{ij}) \in K^m_n$ ,
kolumną wyrazów wolnych (prawych stron) nazywamy macierz

$\mathbf{b} = \begin{pmatrix} b_1 \\ b_2 \\ \vdots \\ b_n\end{pmatrix} \in K^1_n$ ,
macierzą uzupełnioną (rozszerzoną) nazywamy macierz klatkową $\begin{pmatrix} A & | & \mathbf b \end{pmatrix}$ .

Jeśli dodatkowo kolumny macierzy $A$ oraz kolumnę zmiennych oznaczyć

$\mathbf a_j = \begin{pmatrix} a_{1j} \\ a_{2j} \\ \vdots \\ a_{nj} \end{pmatrix} \in K^1_n, \qquad \mathbf x = \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2 \\ \vdots \\ x_m \end{pmatrix} \in K^1_n$ ,

to układ równań można zapisać wektorowo:

$x_1\mathbf a_1 + x_2\mathbf a_2 + \cdots + x_m\mathbf a_m = \mathbf b$ .

Wówczas powyższy układ można zapisać także macierzowo:

$A \mathbf x = \mathbf b$ .

Macierz uzupełniona jednoznacznie określa układ równań, więc przy jego rozwiązywaniu można operować na krótszych w zapisie macierzach uzupełnionych.

[edytuj] Interpretacja geometryczna

Układ równań liniowych wyrażający się macierzą $A$ wygodnie czasem jest odczytywać jako problem dotyczący przekształcenia liniowego $\mathbf A$ :

istnienie rozwiązań jest równoważne temu, że wektor prawych stron $\mathbf b$ należy do obrazu przekształcenia $\mathbf A$ ,
jednoznaczność rozwiązań jest równoważna różnowartościowości przekształcenia $\mathbf A$ , czyli znikaniu jego jądra.

Rozpatrywanie macierzy układu równań liniowych jako macierzy przekształcenia liniowego umożliwia zatem geometryczne rozwiązywanie układów równań liniowych.

[edytuj] Macierz przejścia

Ten sam wektor ma z reguły różne współrzędne w różnych bazach uporządkowanych. Podobnie rzecz ma się z macierzami: jeśli $A \in K^m_n$ jest macierzą przekształcenia liniowego $\mathrm A\colon V \to W$ względem pewnych baz uporządkowanych, to dla macierzy $B \in K^m_n$ można wskazać bazy uporządkowane dziedziny i przeciwdziedziny takie, że $B$ będzie macierzą tego samego przekształcenia liniowego w nowych bazach wtedy i tylko wtedy, gdy macierze $A$ i $B$ mają równe rzędy^[7]. Do tworzenia nowych baz uporządkowanych i zapisu zmian współrzędnych służy macierz przejścia (macierz zmiany bazy).

Niech $\mathcal B = \begin{pmatrix} v_1, v_2, \dots, v_n \end{pmatrix}$ będzie bazą uporządkowaną przestrzeni liniowej $V$ , w tym kontekście nazywaną starą bazą, a $\mathcal B^\prime = \begin{pmatrix} w_1, w_2, \dots, w_n \end{pmatrix}$ układem wektorów (pionowych), to jest on wyznaczony jednoznacznie przez macierz $P$ , której kolumną o numerze $j$ jest kolumna współrzędnych

$\begin{pmatrix} p_{1j} \\ p_{2j} \\ \vdots \\ p_{nj} \end{pmatrix}$

współrzędnych wektora $w j$ w bazie $\mathcal B$ :

$\begin{pmatrix}w_1, w_2, \dots, w_n \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} v_1, v_2, \ldots, v_n \end{pmatrix} P.$

Uwaga: W powyższym wzorze występują dwie macierze o jednym wierszu, których elementami są wektory oraz jedna macierz $P$ nad ciałem.

Układ $\mathcal B^\prime$ jest bazą uporządkowaną, nazywaną w tym kontekście nową, wtedy i tylko wtedy, gdy macierz $P$ jest odwracalna. Wówczas nazywa się ją macierzą przejścia (macierzą zmiany bazy) od bazy $\mathcal B$ do bazy $\mathcal B^\prime$ .

Dla danej bazy uporządkowanej (starej) przestrzeni liniowej każda macierz odwracalna $P$ wyznacza (nową) bazę uporządkowaną tej przestrzeni, z kolei każda nowa baza uporządkowana wyznacza „swoją” macierz przejścia względem istniejącej. Wspomniane dwa przyporządkowania:

macierz odwracalna $\mapsto$ nowa baza,
nowa baza $\mapsto$ macierz przejścia,

są do siebie wzajemnie odwrotne.

Macierz przejścia $P$ jest macierzą identycznościowego przekształcenia liniowego $\operatorname{Id}_V\colon V \to V, \quad \operatorname{Id}_V(v) = v$ względem baz uporządkowanych $\mathcal B^\prime$ i $\mathcal B$ .

Związek między starymi współrzędnymi

$\mathrm x = \begin{pmatrix} x_1 \\ x_2\\ \vdots \\ x_n \end{pmatrix}$

wektora $v$ (współrzędnymi wektora $v$ względem starej bazy $\mathcal B$ ) a nowymi współrzędnymi

$\mathrm x^\prime = \begin{pmatrix} x_1^\prime \\ x_2^\prime\\ \vdots \\ x_n^\prime \end{pmatrix}$

(współrzędnymi tego samego wektora $v$ w nowej bazie $\mathcal B^\prime$ ) łatwo zapisać za pomocą mnożenia macierzy:

$\mathrm x = P \mathrm x^\prime,\quad \mathrm x^\prime = P^{-1} \mathrm x$ .

[edytuj] Złożenie

Jeśli $\varphi\colon V \to W$ jest przekształceniem liniowym, a $A$ jego macierzą względem baz uporządkowanych $\mathcal B$ i $\mathcal C$ , dodatkowo $\mathcal B^\prime$ jest nową bazą uporządkowaną dziedziny $V$ osiągalną dzięki macierzy przejścia $P$ , a $\mathcal C^\prime$ jest nową bazą uporządkowaną przeciwdziedziny $W$ z macierzą przejścia $Q$ , to macierzą przekształcenia $\varphi$ względem nowych baz jest $B = Q - 1 A P$ .

Rzeczywiście, mnożenie nowych współrzednych wektora $v$ przez macierz $B$ ma dawać w rezultacie nowe współrzędne wektora $\varphi(v)$ , a jeśli ciąg nowych współrzędnych wektora $v$ oznaczyć $\mathbf x$ , to:

$P\mathbf x$ opisuje stare współrzędne wektora $v$ ,
$AP\mathbf x$ daje stare współrzędne wektora $\varphi(v)$ ,
$B\mathbf x = Q^{-1}AP\mathbf x$ zawiera nowe współrzędne wektora $\varphi(v)$ .

[edytuj] Macierz endomorfizmu

Endomorfizmem przestrzeni liniowej $V$ nazywamy przekształcenie liniowe tej przestrzeni w siebie, tzn. przestrzeń $V$ jest tak dziedziną jak i przeciwdziedziną tego przekształcenia. W związku z tym wystarczy rozważać tylko jedną, wspólną dla nich bazę uporządkowaną. Niech $\mathcal B$ będzie więc bazą uporządkowaną tej przestrzeni.

Macierzą endomorfizmu $\varphi$ względem $\mathcal B$ jest zatem macierz przekształcenia liniowego $\varphi$ względem tej bazy. Macierze endomorfizmów są kwadratowe.

Jeśli wspomniany endomorfizm $\varphi$ ma macierz $A$ w bazie $\mathcal B$ , a $P$ jest macierzą przejścia z tej bazy do nowej bazy uporządkowanej $\mathcal B^\prime$ , to macierzą endomorfizmu $\varphi$ względem bazy $\mathcal B^\prime$ jest macierz $B = P - 1 A P$ .

Endomorfizmom odpowiada dużo mniej macierzy w różnych bazach niż przekształceniom liniowym, których bazy można zmieniać niezależnie od siebie. Dwie macierze tego samego endomorfizmu mają równe wyznaczniki, ślady, ogólnie: równe sumy minorów głównych odpowiednich stopni. Innymi słowy mają równe wielomiany charakterystyczne.

Pochodząca od Frobeniusa metoda pozwala rozeznać, czy dwie macierze kwadratowe tego samego stopnia mogą być macierzami danego endomorfizmu; wykorzystuje ona pojęcia czynnika niezmienniczego lub dzielnika elementarnego (macierzy charakterystycznej), a do określenia tych pojęć konieczne są macierze nad pierścieniem wielomianów. Powszechnie znany jest prosty wniosek wynikający z tej metody, który obowiązuje wyłącznie nad ciałami algebraicznie domkniętymi, jest to tzw. twierdzenie Jordana (postać kanoniczna/normalna Jordana) i może być ono dowodzone niezależnie od ogólnej teorii.

[edytuj] Macierz Grama, macierz funkcjonału dwuliniowego

Rozważmy przestrzeń liniową $V$ wymiaru $n$ nad ciałem $K$ i określony w niej funkcjonał dwuliniowy $B\colon V \times V \to K$ . Każdemu układowi (ciągowi) wektorów $(v_1, v_2, \dots, v_k)$ można przyporządkować macierz kwadratową stopnia $k$

$G_B(v_1, v_2, \dots, v_k) = \left(B(v_i ,v_j)\right)$ ,

która w $i$ -tym wierszu i $j$ -tej kolumnie ma wartość $B (v i, v j)$ funkcjonału na $i$ -tym i $j$ -tym wektorze. Tą macierz nazywamy macierzą Grama układu wektorów $(v_1, v_2, \dots, v_k)$ .

Jeśli powyższy układ wektorów jest bazą uporządkowaną, to macierz Grama tego układu nazywamy macierzą funkcjonału dwuliniowego $B$ względem bazy uporządkowanej $(v_1, v_2, \dots, v_n)$ .

Z pomocą macierzy $G = G_B(v_1, v_2, \dots, v_n)$ funkcjonału dwuliniowego jego wartości wyrażają się przez współrzędne wektorów wzorem:

$B\left(\sum_{i=1}^n~x_i v_i, \sum_{i=1}^n~y_i v_i\right) = \mathrm x^T G \mathrm y$ ,

własność ta charakteryzuje macierz funkcjonału dwuliniowego.

W szczególności funkcjonał dwuliniowy $B$ jest:

symetryczny, gdy jego macierz w pewnej/każdej bazie jest symetryczna,

$B(v,w) = B(w,v) \iff G^T = G$ ,
antysymetryczny, gdy jego macierz w pewnej/każdej bazie jest antysymetryczna,

$B(v,w) = -B(w,v) \iff G^T = -G$ .

[edytuj] Ortogonalność

W każdym z powyższych przypadków relacja ortogonalności (prostopadłości) wektorów $v \perp w \iff B(v,w) = 0$ jest symetryczna (ma sens); w przypadku funkcjonału symetrycznego baza uporządkowana $(v_1, v_2, \dots, v_n)$ jest bazą ortogonalną (prostopadłą), gdy macierz $G$ jest diagonalna. Baza uporządkowana jest ortonormalna (prostopadła i unormowana), gdy macierz $G$ jest jednostkowa.

Uwaga!: Przestrzenie na których można określić antysymetryczny funkcjonał dwuliniowy, czyli przestrzenie symplektyczne na ogół nie mają baz prostopadłych!

[edytuj] Przekształcenia liniowe

Macierz funkcjonału dwuliniowego również jest macierzą pewnego przekształcenia liniowego. Mianowicie dla każdego ustalonego wektora $v \in V$ każde z wyrażeń $B(\cdot, v),\; B(v, \cdot)$ jest funkcjonałem liniowym:

$B(\cdot, v)(w) = B(w,v),\quad B(v, \cdot)(w) = B(v, w)$ .

W ten sposób jeden funkcjonał dwuliniowy $B$ wyznacza dwa przekształcenia liniowe przestrzeni $V$ w jej przestrzeń sprzężoną $V *$ :

$B^\prime\colon V \to V^*, \quad B^\prime(v) = B(v, \cdot)$ ,

$B^{\prime\prime}\colon V \to V^*, \quad B^{\prime\prime}(v) = B(\cdot, v)$ .

Jeśli przyjąć za bazę przestrzeni sprzężonej $V *$ bazę sprzężoną $(v_1^*, v_2^*, \dots, v_n^*)$ do bazy $(v_1, v_2, \dots, v_n)$ przestrzeni $V$ , to macierz $G = G_B(v_1, v_2, \dots, v_n)$ jest macierzą przekształcenia liniowego $B^{\prime\prime}$ względem tych baz, a macierzą przekształcenia liniowego $B^\prime$ jest macierz transponowana $G T$ .

Jeśli $P$ jest macierzą przejścia do nowej bazy $w_1, w_2, \dots, w_n$ , to

$G_B(w_1, w_2, \dots, w_n) = P^T G_B(v_1, v_2, \dots, v_n) P$ .

[edytuj] Rząd macierzy i jej minory

Osobne artykuły: rząd macierzy, minor macierzy.

Dla danej macierzy $A$ typu $n \times m$ nad ciałem $K$ można wybrać w dowolny sposób k wierszy i k kolumn, przy czym $k \leqslant \min (m, n)$ . Wybrane w ten sposób elementy tworzą macierz kwadratową stopnia k. Wyznacznik tej macierzy nazywamy minorem stopnia k macierzy $A$ . Minory zawierające elementy głównej przekątnej w porządku rosnącym nazywa się minorami głównymi.

Rzędem macierzy nazywa się najwyższy spośród stopni niezerowych minorów tej macierzy, czyli macierz A ma rząd r, jeśli istnieje przynajmniej jeden niezerowy minor stopnia r, a wszystkie minory wyższych stopni są równe zeru. Przyjmuje się, że rząd macierzy zerowej jest równy zeru. Z definicji rząd macierzy nie przekracza liczby jej wierszy, czy kolumn. Każdy niezerowy minor macierzy $A$ stopnia równego jej rzędowi nazywamy minorem bazowym tej macierzy. Macierz kwadratowa stopnia $n$ jest nieosobliwa, gdy jej rząd jest równy jej stopniowi.

Powyższa metoda wyznaczania rzędu okazuje się często kłopotliwa, szczególnie przy dużych macierzach. Można jednak skorzystać z własności przekształceń liniowych, wówczas dla macierzy $A$ rozważa się dwie podprzestrzenie liniowe:

podprzestrzeń przestrzeni $K^n = K^1_n$ generowaną przez jej kolumny,
podprzestrzeń przestrzeni $K^m = K^m_1$ generowaną przez jej wiersze.

Wymiary tych podprzestrzeni są równe (opisują one tą samą przestrzeń zanurzoną w przestrzeniach generowanych przez kolumny lub wiersze). Ich wspólną wartość nazywa się rzędem macierzy $A$ i oznacza $\mathrm{rank}\; A$ bądź krótko $\mathrm r\; A$ .

[edytuj] Własności

Działania algebraiczne na ogół znacznie zmieniają rząd. Dla nieosobliwej macierzy kwadratowej $A$ , macierz $- A$ również jest nieosobliwa, jednakże ich suma $A + ( - A)$ ma rząd równy zeru.

Prawdziwe są jednak poniższe nierówności

$\mathrm r(A + B) \leqslant \mathrm r\begin{pmatrix}A|B\end{pmatrix} \leqslant \mathrm r\; A + \mathrm r\; B$ ,

$\mathrm r(AB) \leqslant \mathrm r\; A$ oraz $\mathrm r(AB) \leqslant \mathrm r\; B$ .

Jeśli macierz $B$ jest nieosobliwa, to zachodzą równości

$\mathrm r(AB) = \mathrm r\; A = \mathrm r(BA)$ .

[edytuj] Pierścień ideałów głównych

Nad pierścieniem ideałów głównych $R$ podmoduł modułu wolnego jest modułem wolnym i jego ranga nie przekracza rangi całego modułu. Dla $n \times m$ -macierzy $A$ nad pierścieniem ideałów głównych $R$ rozważa się dwa podmoduły:

podmoduł modułu wolnego $R^n = R^1_n$ generowany przez kolumny macierzy $A$ ,
podmoduł modułu wolnego $R^m = R^m_1$ generowany przez wiersze macierzy $A$ .

Dowodzi się, że te dwa podmoduły mają równe rangi i wspólną wartość ich rangi nazywa się rzędem macierzy $A$ . Rząd macierzy $A$ jest równy największemu stopniowi jej niezerowego minora i jest równy rzędowi tej samej macierzy nad ciałem ułamków pierścienia $R$ ; rząd macierzy nie przekracza liczby jej wierszy i kolumn.

[edytuj] Podstawowe relacje między macierzami

Powiemy, że macierze kwadratowe $A$ i $B$ są podobne, co oznaczamy $A \approx B$ , wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje macierz odwracalna $P$ spełniająca równość $P - 1 A P = B$ .
Powiemy, że macierze symetryczne (lub antysymetryczne) $A$ i $B$ są kongruentne albo sprzężone, co oznaczamy $A \cong B$ , wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje macierz odwracalna $P$ taka, że $P T A P = B$ .
Powiemy, że macierze $A$ i $B$ są równoważne, co oznaczamy $A \equiv B$ , wtedy i tylko wtedy, gdy istnieją macierze odwracalne $P,\ Q$ takie, że $P - 1 A Q = B$ . Dwie macierze są równoważne wtedy i tylko wtedy, gdy ich rzędy są równe.
Powiemy, że macierze $A$ i $B$ są równoważne względem przekształceń elementarnych na wierszach (kolumnach) wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje skończona liczba przekształceń elementarnych na wierszach (kolumnach) macierzy $A$ , których zastosowanie do macierzy $A$ da macierz $B$ . Dla macierzy nad ciałem (nawet nad pierścieniem ideałów głównych) elementarna równoważność pokrywa się z równoważnością.

[edytuj] Funkcje macierzy

[edytuj] Funkcje wymierne

Niech $X$ będzie macierzą kwadratową stopnia $n$ . Definicję funkcji wymiernej można rozszerzyć na argumenty będące macierzami:

$P(X) = A_0 X^m + A_1 X^{m-1} + \dots + A_m I$ nazywa się wielomianem prawostronnym, a

$\tilde P(X) = X^m A_0 + X^{m-1} A_1 + \dots + I A_m$ to wielomian lewostronny.

przy czym $A_i\; (i = 0, \dots, m)$ są macierzami $m \times n$ , bądź odpowiednio $n \times m$ , macierz jednostkowa $I$ jest stopnia $n$ . Na ogół $P(X) \ne \tilde P(X)$ .

Można również określić funkcje ułamkowe definiując je wzorami

R 1 (X) = P (X)(Q (X)) - 1

oraz

R 2 (X) = (Q (X)) - 1 P (X)

,

gdzie $P (X), Q (X)$ są wielomianami względem macierzy $X$ , a macierz $Q$ jest nieosobliwa.

[edytuj] Granica ciągu i szeregi

Osobne artykuły: granica ciągu, szereg (matematyka).

Jeżeli dany jest ciąg macierzy $A_k = (a^{(k)}_{ij}),\; k = 1, 2, \dots$ tego samego typu $m \times n$ (i = 1, 2, ..., m; j = 1, 2, ..., n), to granicą ciągu macierzy $A k$ nazywa się macierz

$A = \lim_{k \to \infty} A_k = \left(\lim_{k \to \infty} a^{(k)}_{ij}\right)$ .

Niech $\|\cdot\|$ będzie dowolną normą kanoniczną macierzy. Ciąg $A k$ posiada granicę $A$ , czyli jest zbieżny, wtedy i tylko wtedy, gdy $\|A - A_k\| \to 0$ dla $k \to \infty$ . Wtedy $\lim_{k \to \infty} \|A_k\| = \|A\|$ . Ciąg $A_k \to \Theta$ przy $k \to \infty$ wtedy i tylko wtedy, gdy $\lim_{k \to \infty} \|A_k\| = 0$ .

Granice macierzy mają te same własności, co granice liczbowe, o ile działania na macierzach są wykonalne (przy czym warunek niezerowości przy ilorazie oznacza odwracalność). Obowiązuje również odpowiednio sformułowany warunek Cauchy'ego.

Szeregi definiuje się analogicznie do szeregów liczbowych,

$\sum^{\infty}_{k=1} A_k = \lim_{N \to \infty} \sum^{N}_{k=1} A_k$ ,

przy czym macierze $A k$ są tego samego typu. Jeśli powyższa granica istnieje, to nazywa się ją sumą szeregu, a sam szereg macierzowy nazywa się zbieżnym, wtedy też $\lim_{k \to \infty} A_k = 0$ . W przeciwnym wypadku nosi on nazwę rozbieżnego i nie przypisuje mu się żadnej sumy. Wspomniany szereg nazywa się zbieżnym bezwzględnie, jeżeli zbieżny jest szereg $\sum^{\infty}_{k=1} |A_k|$ , taki szereg jest oczywiście zbieżny. Jeżeli szereg liczbowy $\sum^{\infty}_{k=1} \|A_k\|$ , gdzie $\|\cdot\|$ jest dowolną normą kanoniczną, jest zbieżny, to zbieżny, i to bezwzględnie, jest szereg $\sum^{\infty}_{k=1} A_k$ .

Rozważa się również macierzowe szeregi potęgowe:

prawostronny: $\sum^{\infty}_{k=0} A_k X^k$
lewostronny: $\sum^{\infty}_{k=0} X^k A_k$

Należy zaznaczyć, że X jest macierzą kwadratową stopnia n. Od macierzy $A k$ wymaga się, aby w pierwszym przypadku miały n kolumn lub były liczbami (dozwolone są także wektory wierszowe), a w drugim n wierszy lub były skalarami (możliwe jest również użycie wektorów kolumnowych).

Jeżeli r jest promieniem zbieżności szeregu liczbowego $\sum^{\infty}_{k=1} \|A_k\| x^k$ , gdzie $\|\cdot\|$ jest normą kanoniczną, to lewo- i prawostronne szeregi potęgowe są również zbieżne przy $\|X\| < r$ . W szczególności szereg $\sum^{\infty}_{k=0} a_k X^k$ , gdzie $a k$ są skalarami jest zbieżny przy $\|X\| < r$ , gdzie r jest promieniem zbieżności szeregu $\sum^{\infty}_{k=0} |a_k| x^k$ .

[edytuj] Funkcje przestępne

Za pomocą szeregów macierzowych można określić funkcje przestępne macierzy.

Przykładowo przyjmuje się następującą definicję eksponenty:

$e^X = \sum^{\infty}_{n=0} \frac{X^n}{n!}$ .

Szereg ten jest zbieżny dla każdej macierzy kwadratowej $X$ . Podobnie można zdefiniować inne funkcje przestępne, takie jak $sin$ , czy $cos$ .

[edytuj] Uogólnienia

Rozważa się różne modyfikacje i uogólnienia, np.

macierze ze zmienionymi zasadami np. mnożenia (krakowian)
macierze z nieskończoną liczbą wierszy lub kolumn,
macierze wielowskaźnikowe: macierze jednowskaźnikowe to wektory, macierze dwuwskaźnikowe to macierze opisane powyżej, macierze trójwskaźnikowe to dane uszeregowane w kratkach prostopadłościanu, ogólnie macierz $r$ -wskaźnikowa elementów zbioru $X$ to funkcja

$A: \{1,2,\ldots n_1\}\times \cdots \times \{1,2,\ldots ,n_r\}\rightarrow X$ .

[edytuj] Historia

Pierwszymi macierzami były prawdopodobnie kwadraty magiczne 3×3, które w literaturze chińskiej pojawiają się już ok. 650 p.n.e.^[8].

Ważny chiński tekst matematyczny, powstały między III wiekiem p.n.e. a II wiekiem n.e. Dziewięć rozdziałów o sztuce matematyki (Jiu Zhang Suan Shu) jest pierwszym przypadkiem użycia macierzy do rozwiązania układu równań liniowych^[9] W rozdziale siódmym, Zbyt dużo i nie wystarczająco po raz pierwszy wprowadzono koncepcję wyznacznika, prawie 2000 lat przed jego publikacją przez japońskiego matematyka Kōwę Sekiego w 1683 i niemieckiego matematyka Gottfrieda Leibniza w 1693.

Kwadraty magiczne były znane także arabskim matematykom, prawdopodobnie już w VII wieku, kiedy Arabowie podbili północnozachodnie części subkontynentu indyjskiego i przejęli zdobycze matematyki i astronomii hinduskiej. Być może idea ta dotarła do nich przez Chiny. Pierwsze kwadraty magiczne rzędu 5 i 6 pojawiły się w Encyklopedii Bractwa Czystości (arab. رسائل أخوان الصفا و خلان الوفا) z Bagdadu około 983 roku. Prostsze kwadraty magiczne były znane wielu wcześniejszym matematykom arabskim^[8].

Po opracowaniu teorii wyznaczników (dzisiaj mówimy o wyznacznikach macierzy) przez Sekiego i Leibniza pod koniec XVII wieku, Cramer rozwinął ją dalej w XVIII wieku, znajdując, w roku 1750, wzory na rozwiązania układów równań liniowych, nazwane później wzorami Cramera. Carl Friedrich Gauss i Wilhelm Jordan opracowali, na początku XIX wieku, metodę rozwiązywania układów równań liniowych, zwaną dziś metodą eliminacji Gaussa-Jordana

W XIX wieku znano wyznaczniki i oczywiście kwadraty magiczne, dopiero jednak James Joseph Sylvester i Arthur Cayley wprowadzili macierze dwuwskaźnikowe jako sposób przejrzystego zapisu dużej liczby powiązanych strukturalnie danych – współrzędnych wektorów w ustalonej bazie przestrzeni liniowej czy współczynników układu równań.

Termin „macierz” pojawił się po raz pierwszy w 1848, użyty przez Jamesa J. Sylvestera. Arthur Cayley, William Rowan Hamilton, Hermann Grassmann, Ferdinand Georg Frobenius i John von Neumann przyczynili się do rozwoju teorii macierzy.

Przypisy

↑ za A. Cayley A Memoir on the Theory of Matrices (1855) w formacie .pdf
↑ za A. Cayley Mémoire sur les Hyperdéterminants, Crelle Journal 30 (1846) w formacie .pdf
↑ czasami dwoma w indeksie górnym albo po jednym w każdym z indeksów
↑ W niektórych językach programowania numerowanie wierszy i kolumn rozpoczyna się zerem. W tekstach zawierających taki język naśladuje się często tę konwencję, wtedy jest $0 \leqslant i \leqslant m-1$ oraz $0 \leqslant j \leqslant n-1$
↑ w ogólności nie można tego uczynić, jeśli pierścień nie jest przemienny; niekiedy jest to jednak możliwe, np. wyznacznik Dieudonne dla algebr centralnych prostych
↑ ogólniej: homomorfizmem modułów wolnych (nad pierścieniem przemiennym)
↑ ten fakt pozostaje prawdziwy dla macierzy nad pierścieniami ideałów głównych, choć definicja rzędu jest nieco bardziej zawiła
↑ ^8,0 ^8,1 Swaney, Mark. History of Magic Squares
↑ Shen Kangshen et al. (ed.): Nine Chapters of the Mathematical Art, Companion and Commentary. Oxford University Press, 1999. cytowane przez Otto Bretscher: Linear Algebra with Applications. Wyd. 3. Prentice-Hall, 2005, s. 1.

[edytuj] Bibliografia

Grzegorz Banaszak, Wojciech Gajda: Elementy algebry liniowej cz. I. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2002. ISBN 83-204-2566-2.
Grzegorz Banaszak, Wojciech Gajda: Elementy algebry liniowej cz. II. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2002. ISBN 83-204-2693-6.
Israïl Moiseevich Gelfand: Wykłady z algebry liniowej. PWN, 1974.
J. Komorowski: Od liczb zespolonych do tensorów, spinorów, algebr Liego i kwadryk. PWN, 1978.
Andrzej Mostowski, Marceli Stark: Algebra liniowa. PWN, 1975.
Andrzej Mostowski, Marceli Stark: Algebra wyższa. PWN, 1974.

[edytuj] Zobacz też

Zobacz hasło macierz w Wikisłowniku

[edytuj] Linki zewnętrzne

Zbiór tożsamości związanych z macierzami

[0] za A. Cayley A Memoir on the Theory of Matrices (1855) w formacie .pdf

[1] za A. Cayley Mémoire sur les Hyperdéterminants, Crelle Journal 30 (1846) w formacie .pdf

[2] zasami dwoma w indeksie górnym albo po jednym w każdym z indeksów

[3] W niektórych językach programowania numerowanie wierszy i kolumn rozpoczyna się zerem. W tekstach zawierających taki język naśladuje się często tę konwencję, wtedy jest $0 \leqslant i \leqslant m-1$ oraz $0 \leqslant j \leqslant n-1$

[4] w ogólności nie można tego uczynić, jeśli pierścień nie jest przemienny; niekiedy jest to jednak możliwe, np. wyznacznik Dieudonne dla algebr centralnych prostych

[5] ólniej: homomorfizmem modułów wolnych (nad pierścieniem przemiennym)

[6] ten fakt pozostaje prawdziwy dla macierzy nad pierścieniami ideałów głównych, choć definicja rzędu jest nieco bardziej zawiła

[Swaney-7] 8,0 ^8,1 Swaney, Mark. History of Magic Squares

[8] Shen Kangshen et al. (ed.): Nine Chapters of the Mathematical Art, Companion and Commentary. Oxford University Press, 1999. cytowane przez Otto Bretscher: Linear Algebra with Applications. Wyd. 3. Prentice-Hall, 2005, s. 1.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

Macierz

Z Wikipedii

Spis treści

[edytuj] Definicja teoriomnogościowa

[edytuj] Terminologia

[edytuj] Przykłady

[edytuj] Oznaczenia

[edytuj] Podstawowe pojęcia

[edytuj] Działania algebraiczne

[edytuj] Dodawanie i mnożenie przez skalar

[edytuj] Przykład mnożenia przez skalar

[edytuj] Przykład dodawania macierzy

[edytuj] Mnożenie

[edytuj] Przykłady mnożenia macierzy

[edytuj] Własności

[edytuj] Potęgowanie macierzy

[edytuj] Pierścienie nieprzemienne

[edytuj] Moduł i norma macierzy

[edytuj] Odwracalność i nieosobliwość

[edytuj] Przekształcenia i macierze elementarne

[edytuj] Algebra liniowa

[edytuj] Macierz przekształcenia liniowego

[edytuj] Układy równań liniowych

[edytuj] Zapis

[edytuj] Interpretacja geometryczna

[edytuj] Macierz przejścia

[edytuj] Złożenie

[edytuj] Macierz endomorfizmu

[edytuj] Macierz Grama, macierz funkcjonału dwuliniowego

[edytuj] Ortogonalność

[edytuj] Przekształcenia liniowe

[edytuj] Rząd macierzy i jej minory

[edytuj] Własności

[edytuj] Pierścień ideałów głównych

[edytuj] Podstawowe relacje między macierzami

[edytuj] Funkcje macierzy

[edytuj] Funkcje wymierne

[edytuj] Granica ciągu i szeregi

[edytuj] Funkcje przestępne

[edytuj] Uogólnienia

[edytuj] Historia

Przypisy

[edytuj] Bibliografia

[edytuj] Zobacz też

[edytuj] Linki zewnętrzne

Widok

Osobiste

Szukaj

Nawigacja

Dla czytelników

Dla edytorów

Drukuj lub eksportuj

Narzędzia

W innych językach