3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0007 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset



Samankaltaiset tiedostot
3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. Olkoot A 2 := AA =

3.1 Lineaarikuvaukset. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 3.1 Lineaarikuvaukset. 3.1 Lineaarikuvaukset

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

A = a b B = c d. d e f. g h i determinantti on det(c) = a(ei fh) b(di fg) + c(dh eg). Matriisin determinanttia voi merkitä myös pystyviivojen avulla:

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

Ville Turunen: Mat Matematiikan peruskurssi P1 1. välikokeen alueen teoriatiivistelmä 2007

Insinöörimatematiikka D

Matematiikka B2 - TUDI

Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/81

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Malliratkaisut 4 / vko 47

Insinöörimatematiikka D

Talousmatematiikan perusteet: Luento 10. Lineaarikuvaus Matriisin aste Determinantti Käänteismatriisi

Talousmatematiikan perusteet: Luento 10. Matriisien peruskäsitteet Yksinkertaiset laskutoimitukset Matriisitulo Determinantti

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Matikkapaja keskiviikkoisin klo Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/210

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0007 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

1.1. Määritelmiä ja nimityksiä

BM20A0700, Matematiikka KoTiB2

Yhtälöryhmä matriisimuodossa. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. Tarkastellaan esimerkkinä lineaarista yhtälöparia. 2x1 x 2 = 1 x 1 + x 2 = 5.

Lineaarialgebra (muut ko)

MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Insinöörimatematiikka D

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Insinöörimatematiikka D

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Käänteismatriisi 1 / 14

Kuvaus. Määritelmä. LM2, Kesä /160

Seuraava luento ti on salissa XXII. Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/117

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

Determinantti. Määritelmä

Insinöörimatematiikka D

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Matriisialgebra harjoitukset, syksy 2016

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Determinantti. Määritelmä

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Ennakkotehtävän ratkaisu

Insinöörimatematiikka D

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

9 Matriisit. 9.1 Matriisien laskutoimituksia

1.1 Vektorit. MS-A0007 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n. 1. Vektorit ja kompleksiluvut

Talousmatematiikan perusteet: Luento 11. Lineaarikuvaus Matriisin aste Käänteismatriisi

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

Informaatiotieteiden yksikkö. Lineaarialgebra 1A. Pentti Haukkanen. Puhtaaksikirjoitus: Joona Hirvonen

Determinantti 1 / 30

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

Matriisihajotelmat. MS-A0007 Matriisilaskenta. 5.1 Diagonalisointi. 5.1 Diagonalisointi

Matriisit ja vektorit Matriisin käsite Matriisialgebra. Olkoon A = , B = Laske A + B, , 1 3 3

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Insinöörimatematiikka D

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Päättelyn voisi aloittaa myös edellisen loppupuolelta ja näyttää kuten alkupuolella, että välttämättä dim W < R 1 R 1

Informaatiotieteiden yksikkö. Lineaarialgebra 1A. Pentti Haukkanen. Puhtaaksikirjoitus: Joona Hirvonen

Osoita, että kaikki paraabelit ovat yhdenmuotoisia etsimällä skaalauskuvaus, joka vie paraabelin y = ax 2 paraabelille y = bx 2. VASTAUS: , b = 2 2

Neliömatriisi A on ortogonaalinen (eli ortogonaalimatriisi), jos sen alkiot ovat reaalisia ja

x 2 x 3 x 1 x 2 = 1 2x 1 4 x 2 = 3 x 1 x 5 LINEAARIALGEBRA I Oulun yliopisto Matemaattisten tieteiden laitos 2014 Esa Järvenpää, Hanna Kiili

Ominaisarvoon 4 liittyvät ominaisvektorit ovat yhtälön Ax = 4x eli yhtälöryhmän x 1 + 2x 2 + x 3 = 4x 1 3x 2 + x 3 = 4x 2 5x 2 x 3 = 4x 3.

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

MS-C1340 Lineaarialgebra ja

Lineaariset kongruenssiyhtälöryhmät

Matriisilaskenta. Harjoitusten 3 ratkaisut (Kevät 2019) 1. Olkoot AB = ja 2. Osoitetaan, että matriisi B on matriisin A käänteismatriisi.

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Talousmatematiikan perusteet: Luento 9. Matriisien peruskäsitteet Yksinkertaiset laskutoimitukset Transponointi Matriisitulo

Informaatiotieteiden yksikkö. Lineaarialgebra 1A. Pentti Haukkanen. Puhtaaksikirjoitus: Joona Hirvonen

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Tyyppi metalli puu lasi työ I II III

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio. 2.2 Gaussin eliminaatio

Lineaarikuvauksista ja niiden geometrisesta tulkinnasta

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 3 /

2.8. Kannanvaihto R n :ssä

Insinöörimatematiikka D

2.5. Matriisin avaruudet ja tunnusluvut

Määritelmä 1. Olkoot V ja W lineaariavaruuksia kunnan K yli. Kuvaus L : V. Termejä: Lineaarikuvaus, Lineaarinen kuvaus.

Ensi viikon luennot salissa X. Lineaarialgebra (muut ko) p. 1/159

Muistutus: Matikkapaja ke Siellä voi kysyä apua demoihin, edellisen viikon demoratkaisuja, välikoetehtävien selitystä, monisteesta yms.

802320A LINEAARIALGEBRA OSA III

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Johdatus lineaarialgebraan. Juha Honkala 2017

Liittomatriisi. Liittomatriisi. Määritelmä 16 Olkoon A 2 M(n, n). Matriisin A liittomatriisi on cof A 2 M(n, n), missä. 1) i+j det A ij.

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

Matriisit, kertausta. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

Matemaattinen Analyysi / kertaus

sitä vastaava Cliffordin algebran kannan alkio. Merkitään I = e 1 e 2 e n

(1.1) Ae j = a k,j e k.

Käänteismatriisin. Aiheet. Käänteismatriisin ominaisuuksia. Rivioperaatiot matriisitulona. Matriisin kääntäminen rivioperaatioiden avulla

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Informaatiotieteiden yksikkö. Lineaarialgebra 1A. Pentti Haukkanen. Puhtaaksikirjoitus: Joona Hirvonen

Matriisipotenssi. Koska matriisikertolasku on liitännäinen (sulkuja ei tarvita; ks. lause 2), voidaan asettaa seuraava määritelmä: ja A 0 = I n.

1.1 Vektorit. MS-A0004/A0006 Matriisilaskenta. 1.1 Vektorit. 1.1 Vektorit. Reaalinen n-ulotteinen avaruus on joukko. x 1. R n.

Transkriptio:

3 MS-A7 Matriisilaskenta 3 Nuutti Hyvönen, c Riikka Kangaslampi Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto 925 Lineaariset yhtälöt ovat vektoreille luonnollisia yhtälöitä, joita ratkotaan mm sähkömagnetiikassa, mekaniikassa, tietotekniikassa, taloustieteissä, ekologiassa jne Määritelmä Funktio T : R n R m on lineaarinen (eli lineaarikuvaus), jos (i) T (u + v) T (u) + T (v) kaikille u, v R n (ii) T (cu) ct (u) kaikille c R ja kaikille u R n / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 2 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 3 3 Huomioita Ehdot (i) ja (ii) voidaan lausua myös yhdessä: T (cu + dv) ct (u) + dt (v) kaikille c, d R ja kaikille u, v R n Edelleen (induktiolla) T (c u + + c k u k ) c T (u ) + + c k T (u k ) kaikille k N, kaikille c,, c k R ja kaikille u,, u k R n Lineaarikuvaus säilyttää lineaarikombinaatiot Mielivaltaiselle u R n pätee T () T (u) T (u) Lineaarikuvaus pitää origon paikallaan Matriisin A R m n määräämä kuvaus T (u) Au on lineaarinen (määritelmä toteutuu) Lineaarikuvaus R n R m voidaan aina esittää matriisikuvauksena (nähdään esimerkin jälkeen) 3 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 Esimerkki 2 (lasketaan luennolla) Määritellään lineaarikuvaus T : R 2 R 2, T (x) Ax, missä A ( ) Määritä pisteiden u (4, ), v (2, 3) ja u + v (6, 4) kuvapisteet Totea, että T (u + v) T (u) + T (v) 4 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3

3 3 Standardikantavektorit avaruudessa R n ovat e (,,,, ), e 2 (,,,, ), e n (,,,, ) Identtinen matriisi I n on matriisi, jonka j:s sarake (yhtä lailla rivi) on j:s standardikantavektori: I n ( ) e e n Lause 3 Jokainen lineaarikuvaus T : R n R m voidaan esittää matriisikuvauksena T (x) Ax, missä matriisin A sarakkeet ovat kantavektorien e j kuvat: Esimerkki 4 A ( T (e ) T (e n ) ) Olkoon T : R 2 R 3 lineaarikuvaus, jolle T (e ) (5, 7, 2) ja T (e 2 ) ( 3, 8, ) Etsitään matriisi A R 3 2 siten, että T (x) Ax kaikille x R 2 5 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 6 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 3 3 Esimerkki 5 (jatkuu) Koska mielivaltainen x (x, x 2 ) R 2 voidaan esittää muodossa x x e + x 2 e 2 ja koska T on lineaarinen, niin T (x) T (x e + x 2 e 2 ) x T (e ) + x 2 T (e 2 ) x (5, 7, 2) + x 2 ( 3, 8, ) (5x 3x 2, 7x + 8x 2, 2x + x 2 ) eli sarakemuodossa 5x 3x 2 T (x) 7x + 8x 2 2x + x 2 5 3 7 8 2 ( ) x x 2 Ax Avaruuden R n suora on joukko {u + tv t R} R n, missä u R n on eräs suoran piste ja v R n on suoran suuntavektori Lause 6 Lineaarikuvaus kuvaa suoran suoraksi Todistus Luentoharjoitus Matriisi A on lineaarikuvauksen T esitys standardikannassa 7 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 8 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3

3 3 Kaikki tason lineaarikuvaukset (eli kuvaukset R 2 R 2 ovat) venytyksiä peilauksia kiertoja projektioita tai näiden yhdisteitä Projektiomatriiseja Projektio x-akselille: Projektio y-akselille: Venytysmatriiseja Venytys x-suunnassa kertoimella k: Venytys y-suunnassa kertoimella k: [ k ] [ ] k 9 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 3 3 Peilausten matriiseja Peilaus x-akselin suhteen: Peilaus y-akselin suhteen: Peilaus suoran y x suhteen: Peilaus suoran y x suhteen: Peilaus origon suhteen: Pyöritysmatriisi Matriisi [ cos(ϕ) ] sin(ϕ) sin(ϕ) cos(ϕ) pyörittää xy-tason pistettä kulman ϕ verran origon ympäri vastapäivään Esimerkki 7 Matlab-esimerkki: Talon lineaarikuvaukset / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 2 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3

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 33 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 Idea: Matriisin A R n n determinantti det(a) R ilmaisee miten paljon matriisia vastaava lineaarikuvaus skaalaa&peilaa avaruutta R n : Kuution [, ] n : {x R n j : x j [, ]} n-tilavuus on (-tilpituus, 2-tilpinta-ala, 3-tiltavallinen tilavuus, ) ja A:n sarakkeiden virittämän särmiön A[, ] n {Ax R n x [, ] n } n-tilavuus on det(a) (determinantin etumerkki kertoo peilautumisista) Determinantin laskemiseen tarvitaan neljä lakia: 33 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 34 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 33 33 Laki : det(i n ) Tulkinta : Identiteettikuvaus x I n (x) x ei muuta n-tilavuutta tai suuntia Laki 2: Matriisin sarake t kertaistuu determinantti t kertaistuu Tulkinta 2: Särmiön n-tilavuus t-kertaistuu yhden särmän t-kertaistuessa Esimerkki 2 2 2 det ( 2)(3) det 3 6 6 det 5 2 (6)(5)(4) det 2 4 2 2 det 3 4 2 () det 3 4 5 6 5 6 35 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 36 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3

33 33 Laki 3: Jos matriisissa A R n n on (ainakin) kaksi samaa saraketta, niin det(a) Tulkinta 3: Tällöin särmiö A[, ] n R n on litistynyt ja sen n-tilavuus on Esimerkki 2 Laki 4: Olkoon A j matriisin A R n n j:s sarake Kun A k B k + C k jollakin k {,, n}, niin det [ A A k B k + C k A k+ A n ] det [ A A k B k A k+ A n ] + det [ A A k C k A k+ A n ] 5 det 2 2 7 3, 3 3 9 5 det 2 7 2 3, 3 9 3 5 det 7 2 2 3 9 3 3 Tulkinta 4: Särmiön yhden särmän summaus näkyy n-tilavuudessa summana 37 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 38 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 33 33 Esimerkki 22 3 det 4 det 3, det joten det 4 det + det +, + det + det 39 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 + det Esimerkki 23 (lasketaan luennolla) a b Laske matriisin determinantti lakien - 4 avulla c d Ratkaisu: a b 4 a b b det det + det c d d c d 4 a a b b det + det + det + det d c c d 2 addet(i ) + abdet + bcdet + cddet & 3 ad + bc +, sillä äsken laskettiin det 4 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3

33 33 Lait, 2, 3, 4 ovat ristiriidattomat ja riittävät determinantin laskemiseen Käytännössä determinantit kuitenkin lasketaan käsin muistamalla, että a b det c d ad bc a merkitään myös lyhyesti pystyviivoilla: Esimerkki 24 M : det(m), kun M on matriisi ja purkamalla matriisi 2 2-osiin alideterminanttisäännöllä det(a) ( ) k i ( ) i A ki det(a ki ), missä k on jokin rivinumero ja A ki matriisi A, josta on poistettu rivi k ja sarake i a b c d e f g h i a e f h i b d f g i + c d e g h a(ei fh) + b(fg di) + c(dh eg) 4 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 42 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 33 33 Huom Myös 3 3-matriisin determinantille on muistisääntö: a b c d e f aei + bfg + cdh afh bdi ceg g h i alamäkeen positiivisina, ylämäkeen negatiivisina Lause 26 Olkoon A R n n Silloin A det(a) ja det(a T ) det(a) Esimerkki 25 (lasketaan luennolla) 2 3 Laske matriisin A 4 2 6 3 8 Vastaus: det(a) 42 determinantti Lause 27 Todistukset kirjassa det(ab) det(a) det(b) 43 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3 44 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3

33 Esimerkki 28 (lasketaan luennolla) Millä[ kertoimia ] a, b, c, d R koskevalla ehdolla matriisilla a b A on käänteismatriisi? c d Mikä silloin on käänteismatriisi A? Tarkista, että A A I AA 45 / 45 N Hyvönen, c R Kangaslampi 3