Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta

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

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia

9 Matriisit. 9.1 Matriisien laskutoimituksia

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

1.1. Määritelmiä ja nimityksiä

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I. LM1, Kesä /218

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

Ortogonaalisen kannan etsiminen

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /141

Käänteismatriisi 1 / 14

Kertausta: avaruuden R n vektoreiden pistetulo

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

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

BM20A0700, Matematiikka KoTiB2

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Matriisit. Määritelmä 1 Reaaliluvuista a ij, missä i = 1,..., k ja j = 1,..., n, muodostettua kaaviota a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A =

1. LINEAARISET YHTÄLÖRYHMÄT JA MATRIISIT. 1.1 Lineaariset yhtälöryhmät

Ennakkotehtävän ratkaisu

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

Matematiikka B2 - Avoin yliopisto

Lineaariset yhtälöryhmät ja matriisit

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Determinantti. Määritelmä

Insinöörimatematiikka D

3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset. 3.2 Matriisien laskutoimitukset

Matriisit, L20. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

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

1 Matriisit ja lineaariset yhtälöryhmät

Insinöörimatematiikka D

Determinantti. Määritelmä

Vapaus. Määritelmä. Vektorijono ( v 1, v 2,..., v k ) on vapaa eli lineaarisesti riippumaton, jos seuraava ehto pätee:

1 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Matriisien tulo. Matriisit ja lineaarinen yhtälöryhmä

Matriisit, L20. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Aiheet. Määritelmiä ja merkintöjä. Laskutoimitukset. Matriisikaavoja. Matriisin transpoosi

Matematiikka B2 - TUDI

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

Lineaarikuvauksen R n R m matriisi

Insinöörimatematiikka D

HY / Avoin yliopisto Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II, kesä 2015 Harjoitus 1 Ratkaisut palautettava viimeistään maanantaina klo

Insinöörimatematiikka D

Similaarisuus. Määritelmä. Huom.

Insinöörimatematiikka D

Käänteismatriisin ominaisuuksia

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

Ominaisarvo ja ominaisvektori

Johdatus lineaarialgebraan

2.8. Kannanvaihto R n :ssä

Kannan vektorit siis virittävät aliavaruuden, ja lisäksi kanta on vapaa. Lauseesta 7.6 saadaan seuraava hyvin käyttökelpoinen tulos:

Kurssin loppuosassa tutustutaan matriiseihin ja niiden käyttöön yhtälöryhmien ratkaisemisessa.

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta I

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

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:

Vapaus. Määritelmä. jos c 1 v 1 + c 2 v c k v k = 0 joillakin c 1,..., c k R, niin c 1 = 0, c 2 = 0,..., c k = 0.

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

Vektorialgebra 1/5 Sisältö ESITIEDOT: vektori

Determinantti 1 / 30

Insinöörimatematiikka D

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

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

Ristitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti

Ortogonaaliset matriisit, määritelmä 1

Lineaariavaruudet. Span. Sisätulo. Normi. Matriisinormit. Matriisinormit. aiheita. Aiheet. Reaalinen lineaariavaruus. Span. Sisätulo.

3 Lineaariset yhtälöryhmät ja Gaussin eliminointimenetelmä

Lineaarialgebra II, MATH.1240 Matti laaksonen, Lassi Lilleberg

Vastaavasti, jos vektori kerrotaan positiivisella reaaliluvulla λ, niin

2.1.4 har:linyryhmat03. Octavella. Katso ensin esimerkit???? esim:yroctave01 Octaven antamat vastausehdotukset.

Pistetulo eli skalaaritulo

Lineaarialgebra ja matriisilaskenta II. LM2, Kesä /310

10 Matriisit ja yhtälöryhmät

Sisätuloavaruudet. 4. lokakuuta 2006

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

Vektoreiden virittämä aliavaruus

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

Lineaarialgebra (muut ko)

Kantavektorien kuvavektorit määräävät lineaarikuvauksen

Ominaisarvo ja ominaisvektori

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

Tehtäväsarja I Seuraavat tehtävät liittyvät kurssimateriaalin lukuun 7 eli vapauden käsitteeseen ja homogeenisiin

Johdatus lineaarialgebraan

H = : a, b C M. joten jokainen A H {0} on kääntyvä matriisi. Itse asiassa kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat yksiköitä, koska. a b.

Talousmatematiikan perusteet: Luento 10. Lineaarikuvaus Matriisin aste Determinantti Käänteismatriisi

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

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

1 Kannat ja kannanvaihto

Johdatus lineaarialgebraan. Juha Honkala 2017

Matemaattinen Analyysi, k2012, L1

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.

Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt Laskuharjoitus 1 / vko 44

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

Algebra I, harjoitus 5,

7 Vapaus. 7.1 Vapauden määritelmä

Matriisilaskenta Luento 12: Vektoriavaruuden kannan olemassaolo

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

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

Johdatus lineaarialgebraan

Transkriptio:

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta Määritelmä Kantaa ( w 1,..., w k ) kutsutaan ortogonaaliseksi, jos sen vektorit ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan eli w i w j = 0 kaikilla i, j {1, 2,..., k}, missä i j. Kantaa ( w 1,..., w k ) kutsutaan ortonormaaliksi, jos se on ortogonaalinen ja lisäksi sen kaikkien vektorien normi on yksi eli w i = 1 kaikilla i {1, 2,..., k}. LM1, Kesä 2012 139/218

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta Huom. Oletetaan, että n {1, 2,...}. Avaruuden R n luonnollinen kanta E n = (ē 1,..., ē n ) on ortonormaali, sillä ē i ē j = 0, jos i j ja ē i = 1 kaikilla i. ē 2 ē 3 ē 1 LM1, Kesä 2012 140/218

Ortogonaalinen ja ortonormaali kanta Projektiota voidaan käyttää kannan ortogonalisoimiseen (tästä lisää jatkokurssilla): Esimerkki 28 Merkitään v 1 = ( 1, 2) ja v 2 = (3, 1). Tällöin jono ( v 1, v 2 ) on avaruuden R 2 kanta. v 1 (Voit osoittaa sen käyttämällä lausetta 20 tai kannan määritelmää.) v 2 LM1, Kesä 2012 141/218

Muodostetaan uusi jono ( w 1, w 2 ) seuraavasti: Valitaan w 1 = v 1. Valitaan w 2 = v 2 proj w1 ( v 2 ). w 1 = v 1 proj w1 ( v 2 ) v 2 w 2 = v 2 proj w1 ( v 2 ) LM1, Kesä 2012 142/218

Näin saatu jono ( w 1, w 2 ) on avaruuden R 2 ortogonaalinen kanta. w 1 w 2 Tässä siis w 1 = ( 1, 2) ja w 2 = v 2 v 2 w 1 w 1 w 1 w 1 = (3, 1) + ( 1, 2) = (2, 1). LM1, Kesä 2012 143/218

Vielä voidaan muodostaa uusi jono (ū 1, ū 2 ) seuraavasti: Valitaan ū 1 = 1 w 1 w 1. Valitaan ū 2 = 1 w 2 w 2. ū 1 ū 2 Jono (ū 1, ū 2 ) on avaruuden R 2 ortonormaali kanta. Tässä ū 1 = 1 5 ( 1, 2) ja ū 2 = 1 5 (2, 1). LM1, Kesä 2012 144/218

Ortonormaali kanta Vektorin koordinaatit ortonormaalin kannan suhteen on helppo määrittää: Lause 22 Oletetaan, että B = (ū 1,..., ū k ) on aliavaruuden W ortonormaali kanta. Oletetaan, että w W. Tällöin vektorin w koordinaatit kannan B suhteen ovat w ū 1, w ū 2,..., w ū k eli w = ( w ū 1 )ū 1 + ( w ū 2 )ū 2 + + ( w ū k )ū k. LM1, Kesä 2012 145/218

Lauseen 22 perustelu: Oletetaan, että B = (ū 1,..., ū k ) on aliavaruuden W ortonormaali kanta. Tutkitaan vektorin w W koordinaatteja kannan B suhteen. Merkitään koordinaatteja a 1,..., a k ; ts. Huomataan, että w = a 1 ū 1 + a 2 ū 2 + + a k ū k. w ū 1 = (a 1 ū 1 + a 2 ū 2 + + a k ū k ) ū 1 = a 1 (ū 1 ū 1 ) + a 2 (ū 2 ū 1 ) + + a k (ū k ū 1 ) = a 1 1 + a 2 0 + + a k 0 = a 1. Vastaavalla tavalla nähdään, että w ū i = a i kaikilla i {1, 2,..., k}. Vektorin w koordinaatit saadaan siis laskemalla kantavektorien pistetulo vektorin w kanssa. LM1, Kesä 2012 146/218

Esimerkki 29 Vektorin w = (2, 9, 7) koordinaantit ortonormaalin kannan E 3 = (ē 1, ē 2, ē 3 ) suhteen ovat lauseen 22 nojalla w ē 1 = (2, 9, 7) (1, 0, 0) = 2, w ē 2 = (2, 9, 7) (0, 1, 0) = 9, w ē 3 = (2, 9, 7) (0, 0, 1) = 7. Siis w = 2ē 1 + 9ē 2 7ē 3. LM1, Kesä 2012 147/218

Esimerkki 30 Ortonormaali kanta Tarkastellaan esimerkissä 28 muodostettua avaruuden R 2 ortonormaalia kantaa (ū 1, ū 2 ), jossa ū 1 = 1 5 ( 1, 2) ja ū 2 = 1 5 (2, 1). Vektorin v = (3, 4) koordinaatit tämän kannan suhteen ovat lauseen 22 nojalla v ū 1 = 1 ) ((3, 4) ( 1, 2) = 5 = 5, 5 5 v ū 2 = 1 ) ((3, 4) (2, 1) = 10 = 2 5. 5 5 LM1, Kesä 2012 148/218

v = 5ū 1 + 2 5 ū 2 5 ū1 ū 1 ū 2 2 5 ū2 LM1, Kesä 2012 149/218

Matriisit Määritelmä Reaalialkioinen m n -matriisi on reaalilukutaulukko, jossa on m riviä ja n saraketta. Esimerkiksi a 11 a 12... a 1n a 21 a 22... a 2n A =... a m1 a m2... a mn on m n -matriisi. Sanotaan, että matriisin A tyyppi on m n. Matriisissa olevia lukuja kutsutaan matriisin alkioiksi, ja rivillä i sarakkeessa j olevaa alkiota merkitään A(i, j) tai a ij. Kaikkien reaalialkioisten m n -matriisien joukkoa merkitään R m n. LM1, Kesä 2012 150/218

Esimerkki 31 Merkitään 1 0 5 3 11 2 B = 4 0 2 0. 2 6 Tällöin B on reaalikertoiminen 4 3 -matriisi eli B R 4 3. Nähdään, että B(1, 3) = 5 ja B(2, 2) = 11. LM1, Kesä 2012 151/218

Määritelmä Matriisien yhteenlasku Oletetaan, että A, B R m n. Matriisien A ja B summa saadaan laskemalla yhteen samoissa kohdissa olevat alkiot. Tuloksena on m n -matriisi A + B, jolle pätee (A + B)(i, j) = A(i, j) + B(i, j). kaikilla i {1,..., m} ja j {1,..., n}. Esimerkiksi 1 2 2 1 1 + 2 2 + ( 1) 3 1 3 4 + 0 1 = 3 + 0 4 + 1 = 3 5. 5 6 3 2 5 + 3 6 + 2 8 8 Vain matriiseja, joilla on sama tyyppi, voidaan laskea yhteen. LM1, Kesä 2012 152/218

Määritelmä Matriisin kertominen skalaarilla Oletetaan, että A R m n ja c R. Matriisi A kerrottuna skalaarilla c tarkoittaa m n -matriisia ca, jota nimitetään skalaarimonikerraksi ja jolle pätee (ca)(i, j) = c A(i, j) kaikilla i {1,..., m} ja j {1,..., n}. Esimerkiksi 2 1 2 2 2 ( 1) 4 2 2 0 1 = 2 0 2 1 = 0 2. 3 2 2 3 2 2 6 4 LM1, Kesä 2012 153/218

Määritelmä Matriisin vastamatriisi ja matriisien erotus Oletetaan, että A, B R m n. Matriisin A vastamatriisi on skalaarimonikerta ( 1)A. Sitä merkitään A. Matriisien A ja B erotus tarkoittaa summaa Sitä merkitään A B. A + ( B) = A + ( 1)B. Esimerkiksi 1 2 2 1 1 2 2 ( 1) 1 3 3 4 0 1 = 3 0 4 1 = 3 3. 5 6 3 2 5 3 6 2 2 4 LM1, Kesä 2012 154/218

Erityisiä matriiseja Määritelmä Neliömatriisi on matriisi, jossa on yhtä monta riviä ja saraketta. Neliömatriisin alkio on lävistäjällä, jos alkion rivin ja sarakkeen numerot ovat samat. Matriisi, jonka kaikki nollasta poikkeavat alkiot ovat lävistäjällä, on lävistäjämatriisi. Esimerkiksi on lävistäjämatriisi 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15 LM1, Kesä 2012 155/218

Erityisiä matriiseja Määritelmä Mitä tahansa m n -matriisia, jonka kaikki alkiot ovat nollia, kutsutaan nollamatriisiksi ja merkitään O m n tai lyhyesti O. Ykkösmatriisi puolestaan tarkoittaa n n -neliömatriisia, jonka lävistäjäalkiot ovat ykkösiä ja muut alkiot nollia. Sitä merkitään I n tai lyhyesti I. 0 0 0 1 0 0 0 0 0 O m n =..., I 0 1. n =..... 0 0 0 0 0 0 1 LM1, Kesä 2012 156/218

Määritelmä Matriisikertolasku Oletetaan, että A R m n ja B R n p. Tällöin tulo AB on m p -matriisi, jolle pätee (AB)(i, j) = A(i, 1)B(1, j) + A(i, 2)B(2, j) + + A(i, n)b(n, j) n = A(i, k)b(k, j) k=1 kaikilla i {1,..., m} ja j {1,..., p}. Huom. Kaksi matriisia voidaan kertoa keskenään, jos ja vain jos ensimmäisessä on yhtä paljon sarakkeita kuin toisessa on rivejä. LM1, Kesä 2012 157/218

Matriisikertolasku Esimerkki 32 Lasketaan matriisien A = [ 2 1 ] 0 1 3 2 1 2 ja B = 2 1 0 1 tulo. Koska A:ssa on kolme saraketta (tyyppi 2 3) ja B:ssä on vastaavasti kolme riviä (tyyppi 3 2), matriisit voidaan kertoa keskenään. Tulosmatriisi on tyyppiä 2 2. LM1, Kesä 2012 158/218

Määritelmän mukaan [ ] 1 2 2 1 0 AB = 2 1 1 3 2 0 1 [ ] 2 1 + ( 1) ( 2) + 0 0 2 2 + ( 1) ( 1) + 0 1 = 1 1 + 3 ( 2) + 2 0 1 2 + 3 ( 1) + 2 1 [ ] 4 5 =. 5 1 LM1, Kesä 2012 159/218

Esimerkki 33 Matriisikertolasku Laske seuraavista matriisituloista ne, jotka ovat määriteltyjä. Mitä huomaat? (a) (d) (g) [ ] [ ] 1 2 1 3 0 2 [ ] 2 [ ] 1 3 1 [ ] [ ] 1 1 1 1 1 1 1 1 (b) (e) [ ] [ ] 1 1 2 2 3 0 [ ] [ ] 2 0 0 1 0 3 1 0 (c) (f) [ ] [ ] 2 1 3 1 [ ] [ ] 0 1 2 0 1 0 0 3 LM1, Kesä 2012 160/218

(a) (c) (e) (g) [ ] [ ] 1 2 1 = 3 0 2 [ ] [ ] 2 1 3 = 1 [ ] 5 3 [ ] [ ] 2 0 0 1 = 0 3 1 0 [ ] 1 [ ] [ ] 1 1 1 1 = 1 1 1 1 [ ] 0 2 3 0 [ ] 0 0 0 0 (b) (d) (f) [ ] [ ] 1 1 2 2 3 0 [ ] 2 [ ] 1 3 = 1 [ ] [ ] 0 1 2 0 = 1 0 0 3 ei määritelty [ 2 ] 6 1 3 [ ] 0 3 2 0 Huom. Usein AB BA. Siten matriisikertolasku ei ole vaihdannainen! Voi olla AB = O, vaikka A O ja B O. Siis tulon nollasääntö ei ole voimassa! LM1, Kesä 2012 161/218

Matriisipotenssi Koska matriisikertolasku on liitännäinen (sulkuja ei tarvita; ks. lause 24), voidaan asettaa seuraava määritelmä: Määritelmä Oletetaan, että A on n n -matriisi (siis neliömatriisi) ja k positiivinen kokonaisluku. Tällöin A k = AA A }{{} k tekijää ja A 0 = I n. LM1, Kesä 2012 162/218

Yhteenlaskun ja skalaarilla kertomisen ominaisuuksia Lause 23 Oletetaan, että A, B ja C ovat m n -matriiseja ja s, t R. Tällöin (a) A + B = B + A (b) (A + B) + C = A + (B + C) (c) A + O = A (d) A + ( A) = O (e) s(a + B) = sa + sb (f) (s + t)a = sa + ta (g) s(ta) = (st)a (h) 1A = A. Vertaa lauseeseen 1! (vaihdannaisuus) (osittelulaki) (osittelulaki) (liitännäisyys) LM1, Kesä 2012 163/218

Matriisikertolaskun ominaisuuksia Lause 24 Seuraavat säännöt pätevät matriiseille A, B ja C sekä reaaliluvulle t, jos laskutoimitukset on määritelty (ts. matriisit ovat sopivaa tyyppiä): (a) A(BC) = (AB)C (b) A(B + C) = AB + AC (c) (A + B)C = AC + BC (d) t(ab) = (ta)b = A(tB) (liitännäisyys) (osittelulaki) (osittelulaki) (e) Jos A on m n -matriisi, niin I m A = A ja AI n = A. LM1, Kesä 2012 164/218

Perustellaan malliksi lauseen 24 kohta (c): Oletetaan, että A ja B ovat m n -matriiseja ja C on n p -matriisi. Tällöin sekä (A + B)C että AC + BC ovat määriteltyjä ja tyypiltään m p -matriiseja. Oletetaan, että i {1,..., m} ja j {1,..., p}. Tarkastellaan alkiota rivillä i ja sarakkeessa j: ( (A + B)C ) (i, j) (1) = (A + B)(i, 1)C(1, j) + + (A + B)(i, n)c(n, j) (2) = ( A(i, 1) + B(i, 1) ) C(1, j) + + ( A(i, n) + B(i, n) ) C(n, j) (3) = A(i, 1)C(1, j) + B(i, 1)C(1, j) + + A(i, n)c(n, j) + B(i, n)c(n, j) (4) = A(i, 1)C(1, j) + + A(i, n)c(n, j) + B(i, 1)C(1, j) + + B(i, n)c(n, j) (1) = (AC)(i, j) + (BC)(i, j) (2) = (AC + BC)(i, j) LM1, Kesä 2012 165/218

Perusteluja: (1) matriisien kertolaskun määritelmä; (2) matriisien yhteenlaskun määritelmä; (3) reaalilukujen osittelulaki; (4) reaalilukujen yhteenlaskun vaihdannaisuus. Havaitaan, että matriiseissa (A + B)C ja AC + BC on sama alkio rivillä i ja sarakkeessa j. Koska tässä kysymyksessä saattoi olla mikä tahansa rivi ja mikä tahansa sarake, voidaan päätellä, että matriisit ovat samat. LM1, Kesä 2012 166/218

Matriisin transpoosi Määritelmä Oletetaan, että A on m n -matriisi. Sen transpoosi A T on n m-matriisi, joka saadaan vaihtamalla matriisin A rivit ja sarakkeet keskenään. Esimerkki 34 Jos A = [ ] 1 3 2, niin A T = 5 0 1 1 5 3 0. 2 1 LM1, Kesä 2012 167/218

Symmetrinen ja antisymmetrinen matriisi Määritelmä Neliömatriisin A sanotaan olevan symmetrinen, jos A T = A. Neliömatriisin A sanotaan olevan antisymmetrinen, jos A T = A. LM1, Kesä 2012 168/218

Symmetrinen ja antisymmetrinen matriisi Esimerkki 35 Merkitään 1 4 5 0 4 5 B = 4 2 6 ja C = 4 0 6. 5 6 0 5 6 0 Tällöin B T 1 4 5 0 4 5 = 4 2 6 = B ja C T = 4 0 6 = C. 5 6 0 5 6 0 Siis B on symmetrinen ja C on antisymmetrinen. LM1, Kesä 2012 169/218

Transponoinnin ominaisuuksia Lause 25 Seuraavat säännöt pätevät matriiseille A ja B sekä reaaliluvulle t, jos laskutoimitukset on määritelty (ts. matriisit ovat sopivaa tyyppiä): (a) (A T ) T = A (b) (A + B) T = A T + B T (c) (AB) T = B T A T (d) (ta) T = t(a T ). LM1, Kesä 2012 170/218

Perustellaan malliksi lauseen 25 kohta (c): Oletetaan, että A on m n -matriisi ja B on n p -matriisi. Tällöin sekä (AB) T että B T A T ovat määriteltyjä ja tyypiltään p m -matriiseja. Oletetaan, että i {1,..., p} ja j {1,..., m}. Tarkastellaan alkiota rivillä i ja sarakkeessa j: (AB) T (i, j) (1) = (AB)(j, i) (2) = A(j, 1)B(1, i) + + A(j, n)b(n, i) (1) = A T (1, j)b T (i, 1) + + A T (n, j)b T (i, n) (3) = B T (i, 1)A T (1, j) + + B T (i, n)a T (n, j) (2) = (B T A T )(i, 1) LM1, Kesä 2012 171/218

Perusteluja: (1) transponoinnissa rivit ja sarakkeet vaihtuvat toisikseen; (2) matriisien kertolaskun määritelmä; (3) reaalilukujen kertolaskun vaihdannaisuus. Havaitaan, että matriiseissa (AB) T ja B T A T on sama alkio rivillä i ja sarakkeessa j. Koska tässä kysymyksessä saattoi olla mikä tahansa rivi ja mikä tahansa sarake, voidaan päätellä, että matriisit ovat samat. LM1, Kesä 2012 172/218

Kääntyvä matriisi Määritelmä Oletetaan, että A on n n -neliömatriisi. Matriisin A käänteismatriisi tarkoittaa sellaista n n -matriisia B, että AB = I n ja BA = I n. Jos tällainen matriisi on olemassa, niin sanotaan, että A on kääntyvä eli säännöllinen. LM1, Kesä 2012 173/218

Kääntyvä matriisi Esimerkki 36 1 1 0 0 0 1 Matriisin C = 0 2 1 käänteismatriisi on D = 1 0 1, 1 0 0 2 1 2 1 1 0 0 0 1 1 0 0 sillä CD = 0 2 1 1 0 1 = 0 1 0 = I 3 1 0 0 2 1 2 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 ja DC = 1 0 1 0 2 1 = 0 1 0 = I 3. 2 1 2 1 0 0 0 0 1 LM1, Kesä 2012 174/218

Kääntyvä matriisi Lause 26 Matriisilla on korkeintaan yksi käänteismatriisi. Huom. Jos matriisi A on kääntyvä, niin sillä on lauseen 26 nojalla tasan yksi käänteismatriisi. Sitä merkitään A 1. Jos matriisi A on kääntyvä, niin AA 1 = I ja A 1 A = I. Merkintää A 1 ei voi käyttää ennen kuin on perustellut, että matriisi A todella on kääntyvä. LM1, Kesä 2012 175/218

Lauseen 26 perustelu: Oletetaan, että n n -matriisilla A on käänteismatriisit B ja C. Tällöin pätee, että AB = I n ja BA = I n sekä lisäksi AC = I n ja CA = I n. Tällöin B = BI n = B(AC) = (BA)C = I n C = C. Siten B ja C ovat välttämättä sama matriisi. Näin ollen käänteismatriiseja ei voi olla enempää kuin yksi. LM1, Kesä 2012 176/218

Kääntyvän matriisin ominaisuuksia Lause 27 Oletetaan, että matriisit A ja B ovat kääntyviä. Tällöin on olemassa A 1 ja se on kääntyvä. Lisäksi matriisit AB ja A T ovat kääntyviä. Niiden käänteismatriisit ovat seuraavat: (a) (A 1 ) 1 = A (b) (AB) 1 = B 1 A 1 (c) (A T ) 1 = (A 1 ) T. LM1, Kesä 2012 177/218

Perustellaan malliksi lauseen 27 kohta (b): Oletetaan, että matriisit A ja B ovat kääntyviä. Tällöin ne ovat neliömatriiseja ja on olemassa käänteismatriisit A 1 ja B 1, jotka ovat samantyyppisiä neliömatriiseja. Siten tulo B 1 A 1 on määritelty. Lisäksi (AB)(B 1 A 1 ) = A(BB 1 )A 1 = AIA 1 = AA 1 = I ja (B 1 A 1 )(AB) = B 1 (A 1 A)B = B 1 IB = B 1 B = I. Tämä tarkoittaa, että B 1 A 1 on matriisin AB käänteismatriisi. Siten AB on kääntyvä. LM1, Kesä 2012 178/218