32 Idea: Lineaarikuvausten laskutoimitusten avulla määritellään vastaavat matriisien laskutoimitukset Vakiolla kertominen ja summa Olkoon t R ja A, B R n m Silloin ta, A + B R n m ja määritellään ta ta 2 ta m ta 2 ta 22 ta 2m ta, ta n ta n2 ta nm A + B A 2 + B 2 A m + B m A 2 + B 2 A 22 + B 22 A 2m + B 2m A + B A n + B n A n2 + B n2 A nm + B nm 32 Esimerkki 8 + 2 + 3 ( 2) 4 + 5 6 2 2 3 4 + 4 8 5 6 6 32 [ 2 + 4 ] 6 + 8 + 2 2 7 4 2 26 Huom Jotta A + B olisi määritelty, on matriisien A ja B oltava samankokoiset!, 3 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 4 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 32 32 Olkoon F : R m R n ja G : R n R p Yhdistetty kuvaus on mielekäs vain muodossa G F : R m R p Jos F ja G ovat lineaarikuvauksia, niin G F :kin on Olkoon B kuvauksen F matriisi ja A kuvauksen G matriisi Tällöin G F on AB on matriisitulo (G F )(x) G(F (x)) A(B(x)) ABx 5 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 Määritelmä 9 Olkoot missä A {{ p n Muistisääntö: (α ij ) ja B {{ n m C {{ p m (β ij ) Tällöin {{ C AB (γ ij ), p m γ ij {{ A {{ B p n n m n α ik β kj k Huom! Matriisitulo ei ole vaihdannainen eli se ei kommutoi: yleisesti AB BA! Huom! Tulo voi olla nolla, vaikka kumpikaan matriisi ei olisi nollamatriisi! 6 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3
32 32 Olkoot 9 8 B 7 6 ja A 5 4 [ ] 2 3 4 Nyt A + B, AB ja BB eivät ole mielekkäitä (vastaavilla lineaarikuvauksilla menisivät dimensiot solmuun tällaisista yhdistelmistä) Kuitenkin voidaan laskea BA ja 9( ) + 8( 3) 7( ) + 6( 3) 5( ) + 4( 3) 9( 2) + 8( 4) 33 5 7( 2) + 6( 4) 25 38 5( 2) + 4( 4) 7 26 A 2 : AA 2 2 3 4 3 4 ( )( ) + ( 2)( 3) ( )( 2) + ( 2)( 4) ( 3)( ) + ( 4)( 3) ( 3)( 2) + ( 4)( 4) 7 5 22 7 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 8 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 32 32 Esimerkki (lasketaan luennolla) Olkoot A, B Laske AB, AC, BC ja CB 2 3 ja C Vastaus: AB B, AC C (vrt x x), 4 8 BC ja CB 5 3 2 4 [ 3 ] 2 2 Esimerkki Olkoon x (, 2, 3) R 3 ja lineaarikuvauksen F : R 3 R 2 matriisi 2 3 4 A F 5 6 7 Silloin A F x 2 3 4 2 5 6 7 3 2( ) + 3( 2) + 4( 3) 5( ) + 6( 2) + 7( 3) 2 38, joten F (, 2, 3) A F x ( 2, 38) 9 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 2 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3
32 32 Esimerkki 2 Tason suorakulmion sivut ovat koordinaattiakselien suuntaisia ja sen kulmat ovat vastapäivään lueteltuina a (2, ), b, c (4, 4) ja d Suorakulmiolle suoritetaan muunnos f, joka kuvaa sen peilatuksi neliöksi toiseen paikkaan tasossa Suorakulmion kulmat kuvautuvat muunnoksessa siten, että f (a) (, ) ja f (c) (, ), sivut koordinaattiakelien suuntaiset ja kulmat ovat vastapäivään lueteltaessa f (a), f (d), f (c) ja f (b) Etsi matriisi, jolla voit esittää muunnoksen, ja selvitä mikä on pisteen (3, ) kuva muunnoksessa Huom: Kyseessä ei ole lineaarikuvaus, mutta käyttämällä ns homogeenisia koordinaatteja eli kirjoittamalla piste (x, y) muodossa (x, y, ) se voidaan esittää matriiseilla! 2 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 Ratkaisu: Piirretään ensin kuvat: d a (2, ) c (4, 4) b f (b) f (c) (, ) f (a) f (d) Muunnoksen voi toteuttaa siirtämällä kuvio ensin siten, että sen piste (2, ) tulee origoon (matriisi M ), pienentämällä kuvio puolittamalla x-koordinaattiarvot ja jakamalla y-koordinaattiarvot luvulla 4 (matriisi M 2 ) ja lopulta peilaamalla suoran x y suhteen (koordinaattiarvojen vaihto keskenään, matriisi M 3 ) 22 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 32 Jotta saisimme myös siirron (joka ei ole lineaarikuvaus tasossa!) esitettyä matriisilla, tarkastellaan pisteen (x, y) sijaan pistettä (x, y, ) Viimeinen koordinaatti on vain apuna mukana, kaksi ensimmäistä esittävät todellisuudessa tarkasteltavaa tason pistettä Nyt siirto (x, y, ) (x 2, y, ) voidaan esittää matriisilla seuraavasti: 2 {{ M x x 2 y y 32 Matriisi, joka kutistaa puoleen x-suunnassa ja neljännekseen y-suunnassa, eli tekee operaation (x, y, ) (x/2, y/4, ) on /2 /4 {{ M 2 x x/2 y y/4 Lopuksi vielä peilaus (x, y, ) (y, x, ): x y y x {{ M 2 23 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 24 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3
32 32 Koko operaation suorittava matriisi saadaan tekemällä nämä peräjälkeen: /2 2 M M 3 M 2 M /4 /4 /2 Piste (x, y) kuvautuu siis pisteeksi (y/4, x/2 ) ja erityisesti pisteen (3, ) kuva on (/4, /2) Matriiseille voidaan lisäksi määritellä laskutoimitus, joka tekee n m-matriisista m n-matriisin vaihtamalla rivit ja sarakkeet Määritelmä 3 (Transpoosi) Olkoon {{ A (α ij ) Tällöin matriisin A transpoosi on matriisi n m A T (γ ij ), missä γ ij α ji Yhdistetylle kuvaukselle C AB pätee C T B T A T 25 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 26 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 32 32 Määritelmä 4 Matriisi B on matriisin A käänteismatriisi, jos AB I ja BA I, missä I on sopivan kokoinen identiteettimatriisi Käänteismatriisia merkitään A Lause 5 Jos käänteismatriisi on olemassa, niin se on yksikäsitteinen Huom Jos matriisi A on kääntyvä, niin myös matriisi A on kääntyvä, ja (A ) A Jos A ja B ovat kääntyviä matriiseja, niin myös AB on kääntyvä, ja (AB) B A Jos A on kääntyvä, niin myös A T on kääntyvä, ja (A T ) (A ) T 27 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 28 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3
32 Käänteismatriisin laskeminen: Olkoon A R n n kääntyvä Miten lasketaan A R n n? Nyt AA I n eli jos x j on matriisin A j:s sarake,niin saadaan n kpl lineaarisia yhtälöitä Ax j e j (j,, n) Ratkotaan nämä n yhtälöä yhtä aikaa Gauss-eliminaatiolla: liittomatriisi A A 2 A n A 2 A 22 A 2n A In A n A n2 A nn muunnetaan liittomatriisiksi [ I n A ] Siis [ A In ] [ I n A ] 32 Esimerkki 6 Lasketaan matriisin A [ A I2 ] Siten A 2 5 3 käänteismatriisi: 2 2 5 3 2 5 2 2 6 2 2 5 2 3 5 2 [ 3 ] 5 2 (Tarkista kertolaskulla!) [ I 2 A ] 29 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 3 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 32 Esimerkki 7 (lasketaan luennolla) Mikä on matriisin transpoosi? 3 4 2 A 3 7 5 Esimerkki 8 (lasketaan luennolla) Etsi matriisien käänteismatriisit A ( ) ja B 3 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 ( ) 2 3 32 Terminologiaa: {{ A on neliömatriisi; symmetrinen, jos A A T n n A on säännöllinen (sanotaan myös kääntyvä), jos käänteismatriisi on olemassa, muutoin singulaarinen A diag(α, α 2,, α nn ) α α 2 α (n )(n ) α nn on lävistäjä- eli diagonaalimatriisi 32 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3
32 Yläkolmiomatriisi: α jk, kun j > k Alakolmiomatriisi: α jk, kun j < k A on ortogonaalinen, jos A A T Esimerkki 9 (lasketaan luennolla) Laadi 3 3-esimerkkimatriisit näistä kaikista 33 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3