- •Понятие матрицы. Виды записи.
- •Классификация матриц.
- •Действия с матрицами. Свойства. Сложение и вычитание.
- •Умножение на число.
- •Произведение матриц.
- •Определители. Свойства определителей. Определители 2-го порядка.
- •Определители 3-го порядка.
- •Вычисление ранга по определению.
- •Невырожденные матрицы. Обратная матрица.
- •Ранг матрицы.
- •Элементарные преобразования.
- •Собственные числа. Собственные векторы матрицы.
- •Некоторые приложения в экономике собственных чисел и собственных векторов матрицы.
- •Линейные модели обмена.
- •Модель международной торговли
- •Решение.
- •Индивидуальные задания.
- •Варианты.
- •Варианты.
- •Содержание
Элементарные преобразования.
отбрасывание нулевой строки (столбца);
умножение всех элементов строки (столбца) матрицы на число, не равное нулю;
изменение порядка строк (столбцов) матрицы;
прибавление к каждому элементу одной строки (столбца) соответствующих элементов другой строки (столбца), умноженных на любое число;
транспонирование матрицы.
С помощью элементарных преобразований можно привести матрицу к так называемому ступенчатому виду, тогда вычисление ранга не представляет труда.
Матрица А называется ступенчатой, если она имеет вид:
,
где
i=1,2,…,r;
r
k.
Замечание: условие r k всегда может быть достигнуто транспонированием матрицы.
Очевидно, что ранг ступенчатой матрицы равен r, так как имеется минор r-го порядка, не равный нулю:
Покажем на примере алгоритм вычисления ранга матрицы с помощью элементарных преобразований.
Пример 9 : Найти ранг матрицы
Если
,
то при перестановке строк или столбцов
добиваемся того, что
.
В данном случае поменяем местами,
например 1-ю и 2-ю строки матрицы.Если , то умножая элементы 2-й, 3-й, 4-й строк но подходящие числа (именно на
,
)
и прибавляя полученные числа соответственно
к элементам 2-й, 3-й, и 4-й строк, добьёмся
того, чтобы все элементы первого столбца
(кроме
)
равнялись нулю:
~
Если в полученной матрице
(в нашем случае
),
то умножая элементы 3-й и 4-й строк на
подходящие числа (а именно, на
),
добьёмся того, чтобы все элементы 2-го
столбца (кроме
,
)
равнялись нулю. Если в процессе
преобразований получаются строки (или
столбцы), целиком состоящие из нулей
(как в данном примере), то отбрасываем
эти строки (или столбцы):
~
Последняя матрица
имеет ступенчатый вид и содержит миноры
второго порядка, не равные нулю, например,
Поэтому ранг полученной ступенчатой
матрицы, а следовательно, и данной
матрицы равен 2.
Для рангов матриц справедливы следующие соотношения:
r(A+B) r(A)+r(B);
r(A+B)
;r(AB)
;r(A
A)=r(A);r(AB)=r(A), если А и В – квадратные матрицы и
.
Собственные числа. Собственные векторы матрицы.
Пусть
дана матрица
,
и
-n-мерный
вектор.
Число
,
удовлетворяющее уравнению
(1), называется собственным
числом (значением)
матрицы А.
Ненулевой вектор
,
соответствующий числу
уравнения (1), называется собственным
вектором
матрицы А.
Множество собственных чисел матрицы А, называется её спектром. Иногда собственные числа матрицы, называют её характеристическими корнями, а собственные векторы – характеристическими векторами.
Уравнение (1) можно
записать в виде
(2), где
- n-
мерный нуль-вектор.
Матрица А
имеет собственный вектор
,
если матрица
вырожденная, то есть её определитель
равен нулю:
.
(3)
Равенство (3) является уравнением n-степени относительно переменной .
.
Уравнение (3)
называется характеристическим
уравнением
матрицы А,
определитель
- её характеристическим
многочленом.
Итак, чтобы найти собственные числа матрицы, надо составить и решить её характеристическое уравнение.
Чтобы найти собственный вектор, соответствующий собственному числу , надо решить матричное уравнение (2), то есть систему однородных линейных уравнений, матрица которой – вырожденная.
Пример 10:
Найти собственные числа и собственные
векторы матрицы
.
Решение.
Составим и решим характеристическое уравнение .
Итак, матрица А имеет два действительных собственных числа (-2) и 13.
Собственные векторы
матрицы А,
соответствующие собственному числу
,
находим решая систему
эта система равносильна одному уравнению
Пусть
,
тогда
Получим, что собственные векторы матрицы
А,
соответствующие собственному числу
имеет вид
,
где к
– любое число, не равное нулю.
Найдем собственные
векторы матрицы А,
соответствующие собственному числу
Эта система
равносильна одному уравнению
.
Собственные векторы
матрицы А,
соответствующие собственному числу
имеют вид
,
где к
– любое, не равное нулю, число.
В экономических приложениях полезно использовать некоторые свойства собственных чисел и собственных векторов матрицы.
Свойства собственных чисел матрицы.
Сумма диагональных элементов матрицы называется её следом и записывается TrA.
Сумма собственных чисел матрицы А равна следу этой матрицы.
Пример
11: Для
матрицы
TrA=6+5=11
и, действительно,
.
Произведение собственных чисел матрицы А равно определителю этой матрицы.
Пример
12:
Число отличных от нуля собственных чисел матрицы А равно её рангу.
Пример 13: rA=2, и число собственных чисел отличных от нуля тоже равно 2.
Все собственные числа матрицы А отличны от нуля, в том и только в том случае, если матрица А невырожденная.
Если 0 – собственное число невырожденной матрицы А, то
- собственное число матрицы А-1.Если 0 – собственное число матрицы А, то 0к- собственное число матрицы Ак при любом целом к 1.
Собственными числами диагональной матрицы являются числа, стоящие на её главной диагонали.
Рекомендуется проверить самостоятельно.
Свойства собственных векторов матрицы.
Собственные векторы матрицы, соответствующие её различным собственным числам, линейно – независимы.
Если все собственные числа квадратной матрицы n-го порядка различны, то соответствующие им собственные векторы образуют базис пространства Rn.
Любая, не равная нулевому вектору линейная комбинация собственных векторов данной матрицы, соответствующих одному и тому же собственному числу этой матрицы, также является собственным вектором данной матрицы.
Рассмотрим использование в экономике собственных чисел и собственных векторов квадратной матрицы на примере линейных моделей обмена.
