大学线性代数矩阵教学最全ppt课件优质.ppt
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1、第二章 矩阵,1 矩阵的概念2 矩阵的运算3 逆矩阵4 分块矩阵5 矩阵的初等变换6 矩阵的秩,第二章 矩阵1 矩阵的概念,一、矩阵的定义,定义:由mn个数aij(i=1,2,m;j=1,2,n)排成的m行n列的数表,称为m行n列矩阵,简称mn矩阵.,为表示它是一个整体,总是加一个括弧,并用大写黑体字母表示它,记作,简记为:A=Amn=(aij)mn=(aij).这mn个数称为矩阵A的元素,数aij称为矩阵A的第i行第 j列元素.,第二章 矩阵1 矩阵的概念,元素是实数的矩阵称为实矩阵,元素是复数的矩阵称为复矩阵.本书中的矩阵除特别说明者外,都指实矩阵。,例如:,是一个24实矩阵;,是一个33
2、复矩阵;,是一个14(实)矩阵;,是一个31(实)矩阵;,是一个11(实)矩阵.,第二章 矩阵1 矩阵的概念,二、几种特殊矩阵,(1)行数与列数都等于n的矩阵A,称为n阶方阵.也可记作An,第二章 矩阵1 矩阵的概念,(4)元素全为零的矩阵称为零矩阵,记作O.,例如,注意:不同阶数的零矩阵是不相等的.,其中主对角线上的元素都是1,其他元素都是0。记作:,第二章 矩阵1 矩阵的概念,第二章 矩阵1 矩阵的概念,其中1,2,n不全为零.记作A=diag(1,2,n),(7)设A=(aij)为 n 阶方阵,对任意 i,j,如果aij=aji都成立,则称A为对称矩阵.,第二章 矩阵1 矩阵的概念,2.
3、如果A=(aij)与B=(bij)为同型矩阵,并且对应元素相等,即 aij=bij(i=1,2,m;j=1,2,n)则称矩阵A与矩阵B相等,记作A=B.,三、同型矩阵与矩阵相等的概念,1.两个矩阵的行数相等,列数也相等时,称它们为同型矩阵.,解:由于矩阵A=B,则由矩阵相等的定义,得:,x=2,y=3,z=2.,第二章 矩阵1 矩阵的概念,例2:见P36(自学),n个变量x1、x2、xn与m个变量y1、y2、ym之间的关系式,表示一个从变量x1、x2、xn到变量y1、y2、ym的线性变换,其中aij为常数。,四、矩阵应用举例,例3:(线性变换)参考P44,第二章 矩阵1 矩阵的概念,系数矩阵,
4、线性变换与矩阵之间存在着一一对应关系.,第二章 矩阵1 矩阵的概念,再如:,它对应着单位矩阵,第二章 矩阵1 矩阵的概念,注:行列式与矩阵的区别:,1.一个是算式,一个是数表,2.一个行列数相同,一个行列数可不同.,3.对 n 阶方阵可求它的行列式.记为:,第二章 矩阵2 矩阵的运算,一、矩阵的加法定义:设有两个mn 矩阵A=(aij)与 B=(bij),那么矩阵A与B的和记作A+B,规定为,注意:只有当两个矩阵是同型矩阵时,这两个矩阵才能进行加法运算.,第二章 矩阵2 矩阵的运算,例:,第二章 矩阵2 矩阵的运算,矩阵加法满足下列运算规律(设A、B、C都是mn 矩阵):(1)交换律:A+B=
5、B+A,(2)结合律:(A+B)+C=A+(B+C),(3)若记:-A=-(aij),称为矩阵A的负矩阵,则有:A+(-A)=O,A-B=A+(-B).,二、数与矩阵相乘定义:数与矩阵A的乘积记作A或A,规定为,第二章 矩阵2 矩阵的运算,例:,第二章 矩阵2 矩阵的运算,注意:矩阵数乘与行列式数乘的区别.,矩阵数乘满足下列运算规律(设A、B都是mn 矩阵,为数),矩阵相加与矩阵数乘合起来,统称为矩阵的线性运算.,第二章 矩阵2 矩阵的运算,定义:设A=(aij)是一个 ms 矩阵,B=(bij)是一个sn 矩阵,定义矩阵A与矩阵B的乘积 C=(cij)是一个mn 矩阵,其中,三、矩阵与矩阵相
6、乘,(i=1,2,m;j=1,2,n).并把此乘积记作C=AB.记号AB常读作A左乘B或B右乘A。,注意:只有当第一个矩阵的列数等于第二个矩阵的行数时,两个矩阵才能相乘.,第二章 矩阵2 矩阵的运算,例5:求矩阵,的乘积AB及BA.,解:由于矩阵A与矩阵B均为二阶方阵,所以二者可以互乘。,第二章 矩阵2 矩阵的运算,例5表明:,矩阵乘法不满足交换律,即:AB BA,另外,,矩阵乘法满足下列运算规律:,(其中 为数);,定义:如果两矩阵相乘,有AB=BA,则称矩阵A与矩阵B可交换,简称A与B可换。,第二章 矩阵2 矩阵的运算,上节例3中的线性变换,(1),利用矩阵的乘法,可记作,其中,,线性变换
7、(1)把X变成Y,相当于用矩阵A去左乘X得到Y。,第二章 矩阵2 矩阵的运算,并且满足幂运算律:AkAm=Ak+m,(Am)k=Amk,其中k,m为正整数.,注意:由于矩阵乘法不满足交换律,则:,若A是n 阶方阵,则Ak为A的k次幂,即,方阵的幂:,第二章 矩阵2 矩阵的运算,四、矩阵的转置,定义:把矩阵A的行换成同序数的列得到一个新矩阵,叫做A的转置矩阵,记作AT.,例:,矩阵的转置满足下述运算规律(假设运算都是可行的):,(1)(AT)T=A;(2)(A+B)T=AT+BT;(3)(A)T=AT;(4)(AB)T=BTAT;,第二章 矩阵2 矩阵的运算,解法1:因为,所以,解法2:,(AB
8、)T=BTAT,第二章 矩阵2 矩阵的运算,由矩阵转置和对称矩阵的定义可得:,方阵A 为对称矩阵的充分必要条件是:A=AT.,证明:自学(见P49),例8:设列矩阵X=(x1 x2 xn)T,满足XTX=1,E为n 阶单位矩阵,H=E 2XXT,证明:H为对称矩阵,且HHT=E.,如果AT=-A,则称A 为反对称矩阵。,第二章 矩阵2 矩阵的运算,五、方阵的行列式定义:由n阶方阵A的元素所构成的行列式(各元素的位置不变),称为方阵A的行列式,记作|A|或det A.例,方阵的行列式满足下列运算规律:,(1)|AT|=|A|;(2)|A|=n|A|;(3)|AB|=|A|B|=|B|A|=|BA
9、|.,第二章 矩阵2 矩阵的运算,六、共轭矩阵,定义:当 A=(aij)为复矩阵时,用 表示aij 的共轭复数,记,称 为A 的共轭矩阵.,共轭矩阵满足下述运算规律(设A,B为复矩阵,为复数,且运算都是可行的):,作业:P49习题2-2 5.7.(用矩阵求解),第二章 矩阵3 逆矩阵,定义:对于n阶矩阵A,如果有一个n阶矩阵B,使 AB=BA=E则说矩阵A是可逆的,并把矩阵B称为A的逆矩阵,简称逆阵.记作:A-1=B,唯一性:若A是可逆矩阵,则A的逆矩阵是唯一的.,证明:,所以A 的逆矩阵是唯一的。,一、逆矩阵的定义和性质,第二章 矩阵3 逆矩阵,方阵的逆矩阵满足下列运算规律,(1)若矩阵A可
10、逆,则A-1亦可逆,且(A-1)-1=A.,(2)若矩阵A可逆,且 0,则 A 亦可逆,且,(3)若A,B为同阶可逆方阵,则AB亦可逆,且(AB)-1=B-1A-1.,(4)若矩阵A可逆,则AT 亦可逆,且(AT)-1=(A-1)T.,(5)若矩阵A可逆,则有|A-1|=|A|-1.,第二章 矩阵3 逆矩阵,第二章 矩阵3 逆矩阵,定义:行列式|A|的各个元素的代数余子式Aij 所构成的如下矩阵,称为矩阵A 的伴随矩阵.,性质:AA*=A*A=|A|E.,证明:自学,二、伴随矩阵的概念及其重要性质,第二章 矩阵3 逆矩阵,三、矩阵可逆的判别定理及求法,即,则,解完否?,第二章 矩阵3 逆矩阵,
11、又因为,所以,如上求逆矩阵的方法对于方阵的阶较高时显然是不可行的,必须寻求可行而有效的方法.,定理:矩阵A可逆的充要条件是|A|0,且,其中A*为矩阵A的伴随矩阵.,第二章 矩阵3 逆矩阵,证明:,第二章 矩阵3 逆矩阵,当|A|=0 时,称A为奇异矩阵,否则称A为非奇异矩阵.,由此可得,A是可逆矩阵的充分必要条件是A为非奇异矩阵.,推论:若 AB=E(或 BA=E),则 B=A-1.,因而,A-1存在,于是,B=EB=(A-1A)B=A-1(AB)=A-1E=A-1.,故结论成立.,例10 求方阵 的逆矩阵.,第二章 矩阵3 逆矩阵,解,同理可得,第二章 矩阵3 逆矩阵,所以,例11 设,求
12、矩阵X使其满足 AXB=C.,解:由于,所以,A-1,B-1都存在.且,第二章 矩阵3 逆矩阵,又由 AXB=C,得 A-1AXBB-1=A-1CB-1,X=A-1CB-1,第二章 矩阵3 逆矩阵,注意:解矩阵方程时,要注意已知矩阵与X的位置关系,例如解AX=B,需先考察A是否可逆,只有A可逆才可以解此矩阵方程,在方程两边同时左乘A的逆,而不能右乘,因为矩阵乘法不满足交换律。,第二章 矩阵4 分块矩阵,引言:对于行数和列数较高的矩阵A,为了简化运算,常采用分块法,使大矩阵的运算化成小矩阵的运算.定义:将矩阵A用若干条纵线和横线分成许多个小矩阵,每一个小矩阵称为A的子块,以子块为元素的形式上的矩
13、阵称为分块矩阵.,一、分块矩阵的定义,例如:,第二章 矩阵4 分块矩阵,二、分块矩阵的运算规则,(1)分块矩阵的加法:设矩阵A与B是同型的,且采用相同的分块法,有,其中子块Aij与Bij是同型的(i=1,2,s;j=1,2,r),则,第二章 矩阵4 分块矩阵,(2)分块矩阵的数乘:,第二章 矩阵4 分块矩阵,第二章 矩阵4 分块矩阵,(3)分块矩阵的乘法:设A为ml 矩阵,B为l n矩阵,分块为,其中Ai1,Ai2,Ait的列数分别等于B1j,B2j,Btj的行数,则,解:把A,B分块成,则,第二章 矩阵4 分块矩阵,第二章 矩阵4 分块矩阵,而,第二章 矩阵4 分块矩阵,(5)设A为n阶方阵
14、,若A的分块矩阵除在对角线上有非零子块外,其余子块均为零矩阵,且对角线上的子块都是方阵,即,其中Ai(i=1,2,s)都是方阵,则称A为分块对角矩阵.,第二章 矩阵4 分块矩阵,1.|A|=|A1|A2|As|.,2.设分块对角矩阵A,若|Ai|0(i=1,2,s),则|A|0,且,3.,分块对角矩阵具有下述性质:,第二章 矩阵4 分块矩阵,所以,解:将A 分块,形成分块对角矩阵.,第二章 矩阵4 分块矩阵,对于线性方程组,记,三、分块矩阵的应用:线性方程组的表示,(2),第二章 矩阵4 分块矩阵,其中A称为系数矩阵,x称为未知数向量,b称为常数项向量,B称为增广矩阵.按分块矩阵的记法,可记
15、B=(A b)或 B=(A,b)=(a1,a2,an,b).利用矩阵的乘法,方程组(2)可记作 Ax=b,作业:P56习题2-3 1.(2)2.(3)P63习题2-4 5.,第二章 矩阵5 矩阵的初等变换,分析:用消元法解下列方程组的过程.引例:求解线性方程组,一、消元法解线性方程组,解:,第二章 矩阵5 矩阵的初等变换,第二章 矩阵5 矩阵的初等变换,第二章 矩阵5 矩阵的初等变换,用“回代”的方法求出解:,其中c为任意常数.,第二章 矩阵5 矩阵的初等变换,1.始终把方程组看作一个整体变形,用到如下三种变换:,归纳以上过程:,(3)一个方程加上另一个方程的 k 倍;,(2)以不等于0的数
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