Математический аппарат инженера - [15]

Обратная матрица существует для матрицы А при условии, что detA ≠ 0. Такие матрицы называются неособенными, в отличие от особенных (вырожденных), определитель которых равен нулю. Ниже вычисление обратной матрицы иллюстрируется примером:

- 40 -

Матрица, обратная произведению двух матриц, равна переставленному произведению матриц, обратных исходным, т.е. (AB)^-1 = B^-1A^-1. Действительно, умножив обе части этого равенства на АВ, приходим тождеству E = B^-1A^-1(AB), так как B^-1(A^-1A)B = B^-1EB = B^-1B =E, где E — единичная матрица n-го порядка.

10. Блочные матрицы. Часто матрицу удобно разбить вертикальными и горизонтальными линиями на блоки которые являются матрицами меньших размеров и при выполнении операций рассматриваются как элементы исходных матриц. Операции над блочными матрицами выполняются по сформулированным выше правилам при условии, что эти операции допускаются размерами соответствующих матриц.

Пусть, например, матрицы А и В разбиты на блоки (жирными линиями) так, чтобы для соответствующих блоков имела смысл операция умножения, т.е.

По правилу умножения прямоугольных матриц можно записать:

Вычислим блоки C₁₁ и C₂₁ матрицы C:

- 41 -

В результате имеем

Конечно, тот же результат получается и при непосредственном перемножении матриц. Но разбиение на блоки позволяет оперировать с матрицами меньших размеров ( это бывает необходимо, например, когда не хватает места на бумаге или ячеек оперативной памяти машины) и особенно удобно, если можно выделить нулевые блоки.

Задачи и упражнения.

1. Любая матрица является прямоугольной таблицей. Справедливо ли обратное утверждение, т.е. можно ли считать всякую прямоугольную таблицу матрицей? Если нет,то какие дополнительные требования выдвигаются с позиций матричной алгебры?

2. Какие из приведенных ниже совокупностей объектов представляют собой матрицы:

3. Укажите, какие из приведенных ниже матриц являются равными между собой (при x=2)%

4. При каком значении x матрицы А и В равны:

5. Найти сумму А + В и разность А — В матриц:

6. Найти произведения АВ и ВА и сравнить полученные результаты для матриц:

- 42 -

7. Проверить дистрибутивность умножения слева А(В + С) = АВ + АС и справа (А + В)С = АС + ВС относительно сложения для следующих матриц:

8. Найти все матрицы, перестановочные с матрицей

9. Каким условиям в общем случае должны удовлетворять элементы квадратных матиц А и В второго порядка, чтобы они были перестановочными (АВ = ВА)? Как выглядят эти условия для случая, когда А симметричная матрица?

10. При каких условиях справедливы матричные соотношения:

(A + B)² = A² + 2AB +B²; (A-B)(A+B) = A² — B²?

11. Каким условиям должны удовлетворять элементы ненулевых квадратных матриц А и В, чтобы АВ = 0?

12. К каким типам относятся матрицы:

13. Построить транспонированную A^t, комплексно-сопряженную A̅ и сопряженную А* для матрицы

14. Показать, что матрица

является эрмитовой. Что можно сказать о диагональных элементах любой эрмитовой матрицы?

15. Какого типа должна быть квадратная матрица А, чтобы она была перестановочной с диагональной матрицей D того же порядка, т.е. чтобы AD = DA?

16. К какому типу относятся треугольные матрицы, если они кроме того: а) симметричные, б) кососимметричные?

17. Показать, что (A̅B̅) = A̅ B̅ и (AB)* = B* A*.

18. Проверить соотношение (AB)* = B*A* для матриц задачи 6в.

19. Показать, что произведение AA^t существует для любой матрицы А и является симметричной матрицей.

- 43 -

20. Для заданных матриц найти обратные и проверить соотношение AA^-1 = 1:

21. Найти матрицы, обратные заданным, и проверить соотношение (AB)^-1 = B^-1A^-1:

22. Дана система уравнений:

Записать эту систему в матричной форме Ax = q, вычислить обратную матрицу А^-1 и записать решение системы.

23. Зависимости между токами и напряжениями четырехполюсника (рис. 6, а) можно представить одной из систем уравнений:

Рис. 6. Соединение четырехполюсника: а — четырехполюсник; б — последовательное соединение; в — параллельное соединение.

а) Записать эти уравнения в матричной форме и установить зависимости между элементами матриц:

б) Показать, что матрица А последовательного соединения четырехполюсников (рис 6. б) равна произведению их матриц A' и A'', т.е. A = A' A'' (в порядке следования).

в) Показать, что матрица Y параллельного соединения четырехполюсников (рис. 6, в) равна сумме их матриц Y' и Y'', т.е. Y = Y' + Y''.

- 44 -

24. Выполнить умножение матриц, воспользовавшись разбиением их на блоки:

Проверить результат непосредственным умножением матриц.

4. Графы

1. Происхождение графов. Многие задачи сводятся к рассмотрению совокупности объектов, существенные свойства которых описываются связями между ними. Например, глядя на карту автомобильных дорог, можно интересоваться только тем, имеется ли связь между некоторыми населенными пунктами, отвлекаясь от конфигурации и качества дорог, расстояний и других подробностей. При изучении электрических цепей на первый план может выступать характер соединений различных ее компонентов - резисторов, конденсаторов, источников и т. п. Органические молекулы образуют структуры, характерными свойствами которых являются связи между атомами. Интерес могут представлять различные связи и отношения между людьми, событиями, состояниями и вообще между любыми объектами.