Linear_equations_and_matrices.pdf

24
เอกสารประกอบการเรียนโครงการ E-learning เรื่อง ระบบสมการเชิงเสนและเมทริกซ สอนวันที่ 03-03-2555 รองศาสตราจารย อาริสา รัตนเพ็ชร คณะวิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร 1 ระบบสมการเชิงเสนและเมทริกซ 1. สัญลักษณของเมทริกซ สําหรับ ij a 11 12 1 21 22 2 1 2 ... ... ... n n m m mn a a a a a a A a a a A เปนเมทริกซ ที่มี m แถว และ n หลัก ซึ่งจะกลาววา A เปนเมทริกซขนาด(หรือมิติ ) m n และ สําหรับเมทริกซ A ขางตนจะเขียนแทนดวย ij mn A a เมื่อ ij a แทนสมาชิกใน แถวทีi หลักทีj โดยที1 , 2 , ... , i m และ 1 , 2 , ... , j n เชน 4 3 2 0 A 11 a แทน สมาชิกของ A ที่อยูในแถวที1 หลักที1 คือ 4 11 ( 4) a 12 a แทน สมาชิกของ A ที่อยูในแถวที1 หลักที2 คือ 3 12 ( 3) a 21 a แทน สมาชิกของ A ที่อยูในแถวที2 หลักที1 คือ 2 21 ( 2) a 22 a แทน สมาชิกของ A ที่อยูในแถวที2 หลักที2 คือ 0 22 ( 0) a 2. ชนิดของเมทริกซที่ควรทราบ 1. เมทริกซศูนย (Zero matrix) ที่มีสมาชิกเปน 0 ทุกตัว เขียนแทนดวย " 0 " เชน 0 0 0 0 0 0 , 0 , 0 0 0 0 0 0 0 0 2. เมทริกซ์จัตรัส (Square matrix) คือ เมทริกซที่มีจํานวนแถวเทากับจํานวนหลัก เชน 0 1 1 1 3 , 3 4 5 1 2 2 6 2 A B แถวที1 แถวที2 แถวทีm หลักที่ 1 หลักที่ 2 หลักที่ n

Transcript of Linear_equations_and_matrices.pdf

  • E-learning 03-03-2555

    1

    1. ija

    11 12 1

    21 22 2

    1 2

    ... ...

    ...

    n

    n

    m m mn

    a a aa a a

    A

    a a a

    A m n A ()

    m n A ij m nA a ija i j 1 , 2 , ... , i m 1 , 2 , ... , j n

    4 3 2 0

    A

    11a A 1 1 4 11( 4)a 12a A 1 2 3 12( 3)a 21a A 2 1 2 21( 2)a 22a A 2 2 0 22( 0)a 2. 1. (Zero matrix) 0 " 0 "

    0 0

    0 0 00 , 0 , 0 0 0

    0 0 00 0

    2. (Square matrix)

    0 1 1

    1 3 , 3 4 5

    1 22 6 2

    A B

    1 2

    m

    1 2 n

  • E-learning 03-03-2555

    2

    2 0 0 02 0 0

    3 1 0 00 1 0 ,

    4 0 6 03 4 0

    5 0 1 6

    A B

    2 1 0 0 1 0 2

    0 5 1 7 0 4 3 ,

    0 0 0 1 0 0 2

    0 0 0 0

    A B

    0

    0

    3.

    11 12 1

    21 22 2

    1 2

    ... ...

    ...

    n

    n

    n n nn

    a a aa a a

    A

    a a a

    11 22 33 , , , ... , nna a a a 3.1 0

    3.2 0

    4. ( Diagonal matrix ) 0

    1 0 00 2 00 0 5

    A

    (main diagonal)

  • E-learning 03-03-2555

    3

    5. (Sealar matrix)

    1 0 0 0

    2 0 0 0 1 0 0

    0 2 0 , 0 0 1 0

    0 0 2 0 0 0 1

    A B

    6. ( Indentity matrix )

    ( Unit matrix ) 1 n n " "nI

    1 2 31 0 0

    1 0 1 , , 0 1 0

    0 1 0 0 1

    I I I

    3.

    ij m nA a ij m nB b A B ( A B ) ij ija b i j A B

    4 1 08 g 3

    A

    1 8 2 3x y

    B

    A B ,x y g 4 , 0x y 2g # 4. ( Transpose of matrix ) A m n A 1 A 1 2 A 2 m A m A

    A " "tA ij m nA a

    tji n m

    A a

  • E-learning 03-03-2555

    4

    aA b

    c

    t

    aA b

    c

    3 2

    1 23 42 5

    A

    2 3

    1 3 22 4 5

    tA

    3 2

    1 2( ) 3 4

    2 5

    t tA A

    5. ( Symmetric matrix ) A n n A tA A tA A A

    3 5 7

    5 1 07 0 2

    A

    3 5 7

    5 1 0 7 0 2

    tA A

    6.

    ij m nA a ij m nB b ij ij m nA B a b , ij ijm n m nkA k a ka k

    1 2 3 4

    A

    1 2 3 4

    B

    0 0 0 0

    A B

    1 2 3 63 3 3 4 9 12

    A

    1 2 1 2( 1) ( 1) 3 4 3 4

    A A

  • E-learning 03-03-2555

    5

    (1) ij m nA a ij m nA a (2) ( )A B A B

    , ,A B C m n 0 1. A B A B 2. ( )A B B A 3. ( ) ( )A B C A B C 4. 0 0A A A 0 5. A ( ) 0 ( )A A A A A A

    ,A B m n ,c d 1. ( ) ( ) ( )cd A c dA d cA 2. ( )c A B cA cB 3. ( )c d A cA dA 4. 1A A ( 1)A A 5. 0 0A 6. 0 0c 7. 0cA 0c 0A

    7. ( Skew symmetric matrix ) A n n A tA A 8.

    ij m nA a ij rnB b

  • E-learning 03-03-2555

    6

    2c cx dy

    ij m rAB c 1 1 2 2 ...ij i j i j in njc a b a b a b A B AB A B AB A B

    11 12 1

    21 22

    1 2

    1 2

    ... ... ...

    ...

    n

    in

    i i in

    m m mn m n

    a a aa a aa a a

    a a a

    11 12 1 1

    21 22 2 2

    1 2

    ... ...

    ... ...

    b ... ...

    j r

    j r

    n n nj nr n r

    b b b b

    b b b b

    b b b

    1 2 2

    a b

    Ac d

    2 1

    xB

    y

    1

    2 2 1

    cAB

    c

    1c ax by

    BA #

    2 p q

    Ar s

    w x

    By z

    pw qy px qzAB

    rw sy rx sz

    w x p q

    BAy z r s

    wq yq

    wp xr xsyp zr zs

    #

    AB BA

    11 12 1

    1 2

    1 2

    ............. ............................

    ... ...

    ............................ .............

    r

    i i ij ir

    m m mr m r

    c c c

    c c c c

    c c c

  • E-learning 03-03-2555

    7

    1. , ,A B C

    ( ) ( )AB C A BC 2. n nA nI n nAI I A A nI 3. , ,A B C , , , A B B C AB AC BC ( )A B C AC BC ( )A B C AB AC

    1. AB BA

    2. ( ) ( )A B C D AC AD BC BD 3. 2 2 2( ) ( )( )A B A B A B A AB BA B 4. 2 2( ) ( )A B A B A AB BA B

    5. 0AB 0A 0B 6. AB AC 0A B C 7. AB CB 0B A C

    , ,A B C k 1. ( )t tA A 2. A B ( )t t tA B A B 3. A B ( )t t tA B A B 4. ( )t tkA kA 5. AB ( )t t tAB B A

  • E-learning 03-03-2555

    8

    6. A n I ( ) ( )t n n tA A 9. (Inverse) A n n n nAI A I A nI n n

    0R 0 0

    A n n B n n nAB BA I B A B 1A

    1. n n B n n A AB BA I 2. n n A (non-singular matrix) A 3. n n A (Singular matrix) A 4. n n A

    5. a b

    Ac d

    0ad bc

    1 1 d b

    Ac aac bc

  • E-learning 03-03-2555

    9

    ,A B n n 1A 1B

    1. 1 1( ) A A 2. 1 1 1( ) AB B A 3. 1 1( ) ( )t tA A 4. 1 1( ) ( )n nA A 5. 1 11( ) kA A

    k k R 0k

    1 2 2 1 , , 3 2 0 1x y y a

    A B Cz y

    AB C a 1. 29

    36 2. 27

    36

    3. 1936

    4. 1736

    AB C

    2 2 1 3 2 0 1x y y a

    z y

    2( ) 4 ( ) 2 1 6 2 3 0 1x y x y y y a

    z y yz

    2( ) 4 1x y .........(1) ( ) 2 x y y y a .........(2) 6 2 0z .........(3) 3 1y yz .........(4)

    (3) 3z (4) 1

    6y

    (1) 5 2

    x y x y y (2) 5 1 12

    2 6 6a

  • E-learning 03-03-2555

    10

    1

    ( )

    2 1 1 0 0 1

    1 3 1 2 1 2

    1 1 0 1 1 1

    0 1 1 2 1 2

    2 11 1 1( 1)(2) (1)( 1)

    ( 1)

    X B C A

    X

    2 1 2 1

    1 1 1 1

    3 4

    a

    27 36

    #

    2 0 1 2 1 , 1 2 1 3

    A B

    1 0

    1 2C

    ( )X B C A 1X X 1X

    1. 2 1 1 1

    2. 2 11 1

    3. 1 11 0

    4. 1 1 1 0

    #

    3 1 1 0 10 1 2 , 0 , X=3 0 1 2

    xB C y

    z

    I A 3 3 2AB I AX C x y z (Ent. 1 2548) 1. 20 2. 24 3. 26 4. 30

    2 AB I (2 ) A B I 1 AA I

  • E-learning 03-03-2555

    11

    1 2A B AX C

    1 X A C 1 1 A AX A C 1 2A B (2 )X B C 2( )BC

    1 1 0 1

    2 0 1 2 03 0 1 2

    1

    2 45

    2

    810

    X

    2

    810

    xyz

    2 , 8x y 10z 2 8 10 20x y z #

    4 cos sin 1 0 ,

    sin cos 0 1A I

    2 1 2( ) 2B A A I

    1 2( )A B 1. 2I 2. 4I

    3. 4A 4. 8A 1AA I

    2 1 2 ( ) 2B A A I 1 1 1 1 2 1 ( )( ) 2A B A AA A A A I 1 1 3 1 ( ) 2A B A A A 1 2 1 1 1 3 1 1( ) ( ) 2A B A A A A A A 1 2 1 4 1 2( ) ( ) 2( )A B I A A ...................(1)

    cos sin sin cos

    A

  • E-learning 03-03-2555

    12

    1 2 2cos sin1 sin coscos sin

    A

    cos sin ( 1)sin cos

    cos sin sin cos

    1 A A 1 4 1 1( ) A AA AA I 1 2 1( ) AA A I (1) 1 2( ) 2 4A B I I I I #

    10. det det

    A n n A det( )A A 1. A a a R det( )A a

    2. a b

    Ac d

    det( ) a b

    A ad bcc d

    , , ,a b c d R

    3. 11 12 13

    21 22 23

    31 32 33

    a a aA a a a

    a a a

    det A 1 2 A 3

    11 12 13

    21 22 23

    31 32 33

    a a aa a aa a a

    11 12

    21 22

    31 32

    a aa aa a

    A det( )A

    det

    11 22 33a a a 12 23 31a a a 13 21 32a a a

    31 22 13a a a 32 23 11a a a 33 21 12a a a

  • E-learning 03-03-2555

    13

    h 11 22 33 12 23 31 13 21 32 a a a a a a a a a k 31 22 13 32 23 11 33 21 12 a a a a a a a a a det( )A h k

    4. n n 2n ij n nA a ija R 4.1 (Minor) ija i j A ija ( )ijM A 4.2 (Co-factor) ija ( )ijC A ( ) ( 1) ( )i jij ijC A M A 4.3 1 1 2 2det( ) ( ) ( ) .... ( )i i i i in inA a C A a C A a C A

    1

    det( ) ( )n

    ij ijj

    A a C A

    i 1, 2,3,.....,n

    1

    det( ) ( )n

    ij iji

    A a C A

    j 1, 2,3,.....,n

    11 12 1

    21 22 2

    1 2

    ... ...

    ... ... ... ...

    ...

    n

    n

    n n nn

    a a aa a a

    A

    a a a

    A A

    1. ( ) ( )tij jiM A M A 2. 1( ) ( )nij ijM kA k M A k R A n n

    ,A B n n k 1. A () 0 () det( ) 0A 2. A () det( ) 0A 3. B A () det( ) det( )B A 4. B A () k det( ) det( )B k A 5. B A () () det( ) det( )B A

  • E-learning 03-03-2555

    14

    6. 6.1 2

    1 1 2 1 1 2 5 3 2 (3 2) (1 2) (1 ( 3)) 2 4 3 2 4 3

    1 1 2 1 1 2

    3 1 1 2 2 3 2 4 3 2 4 3

    6.2 3 1 1 2 1 1 (2 + 0) 5 3 2 5 3 (2 4) 2 4 3 2 4 (1 + 2)

    1 1 2 1 1 0

    5 3 2 5 3 4 2 4 1 2 4 2

    7. det( ) 1nI 8. det(0) 0 9. A det( )A 10. det( ) det( )tA A 11. det( ) (det( ))n nA A 12. det( ) det( )nkA k A A n n 13. det( ) det( )det( )AB A B 14. A det( ) 0A 15. 1 1det( )

    det( )A

    A

  • E-learning 03-03-2555

    15

    1 1 1 3 1

    A

    3det( 2 ( ))t tA A A A

    1. 768 2. 768 3. 384 4. 384

    det( ) ( 1)( 1) (3)(1) 1 3 2A

    3 3det( 2 ( )) det( 2 )det( )det( )t t t tA A A A A A A A

    2 3 ( 2) det( ) det( )det( )tA A A A 3 4 det( ) det( )det( )tA A A A

    4 4 det( ) det( )tA A A 4 4( 2) det( )tA A

    tA A 1 1 1 3 2 4 3 1 1 1 4 2

    det( ) ( 2)( 2) (4)(4) 4 16 12tA A 3 4det( 2 ( )) 4( 2) ( 12)t tA A A A 4(16) ( 12) 768 #

    2 , ,a b c 1 0 1 1 1 1

    aA b

    c

    ( )ijC A i j A 12 ( ) 1C A det( ) 5A a 1. 5 2. 1 3. 2 4. 3 12 ( ) 1C A det( ) 5A 11 11 12 12 13 13det( ) ( ) ( ) ( )A a c A a c A a c A .(1)

    1 111 1 1

    ( ) ( 1) 1 1

    c A

    2

    11 11det( ) 5 , ( ) ( 2) , A c A a a 12 12( ) 1 , ( 1)c A a 13 0a (1)

    135 ( )( 2) ( 1)(1) (0) ( )a c A

  • E-learning 03-03-2555

    16

    5 2 1a 2a # 3 A B

    2 2 2 2 4

    , 2 02 2

    x xA B

    x

    x

    det(2 ) 76A C det( )BC ( 100 , 50) ( A-NET 2551 )

    1. 1 11 2

    C

    2. 1 2 1 1

    C

    3. 2 11 4

    C 4. 2 1

    3 1C

    2 2 2

    2 2

    xA

    x

    2 3det( ) ( ) ( 2 2)(2 2) 8A x x x .(1) det(2 ) 76A 22 det( ) 76A det( ) 19A .(2) (1) (2) 3 8 19x 3 27x 3x

    2 4 2 0

    xB

    3x

    2 12 2 0

    B

    det( ) ( 2)(0) (12)(2) 24B

    1. 1 11 2

    C

    det( ) 2 ( 1) 3C

    det( ) det( )det( ) ( 24)(3) 72 ( 100) , 50)BC B C #

  • E-learning 03-03-2555

    17

    4 2 1

    ( ) det 0 1 2 1 1

    x xf x

    x

    ,a b

    ( ) 2f x a b (Ent. 1 2544) 1. 1

    3 2. 2

    3

    3. 43

    4. 53

    2 1

    ( ) det 0 1 2 1 1

    x xf x

    x

    2 1 0 1 2 1 1

    x x

    x

    2 0 1

    1

    x x

    x

    2 2 2 2( ) 2 2 3f x x x x x x x ( ) 2f x 23 2x x 23 2 0x x (3 2)( 1) 0x x 2 1 ,

    3x

    ,a b 2 1 , 3

    a b

    2 5 1 3 3

    a b #

    11. ij n nA a 2n ( )ijC A ija A

    A ( )ijC C A (Adjoint matrix) A A ( )adj A ( ) ( ) tt ijadj A C C A

    ij n nA a 2n

    1. det( ) 0A 1 1 ( )det( )

    A adj AA

    1( ) det( )adj A A A

  • E-learning 03-03-2555

    18

    2. ( )( ( )) ( ( )( ) det( )A adj A adj A A A I I 3. 1det( ( )) (det( ))nadj A A

    1 ( )adj A A , 1( ) ,det( )

    8tadj A B B A

    1 1det( ) tC A B B AB , A B 2 2 1det(2 )tC 1( ) det( )adj A A A ( ) tadj A B B 1det( ) tA A B B 11

    8tA B B

    11 8

    tA A BA B A

    1 1 1 118

    tA AB BAB B AB

    1 1 118

    tB BAB B AB

    1 1 11 B8

    tB AB BAB ..(1)

    1 1det( ) tC A B B AB 1 11

    8tC B B AB ......................(2)

    (1) (2) 1C BAB 1det( ) det( ) det( ) det( )C B A B 1 1 det( )

    8 det( )B

    B

    1det( ) 8

    C

    1 1det(2 ) det(2 )

    ttC C

    21

    2 det( )tC

    1 4det( )C

    1 148

    1det(2 ) 2tC #

  • E-learning 03-03-2555

    19

    2 2 2 3

    1 1 0 0 1 4

    tA

    2 3 1A

    ( PAT 1 2552 ) 1. 2

    3 2. 2

    3. 23

    4. 2

    2 2 3

    1 1 0 0 1 4

    tA

    2 1 0

    2 1 1 3 0 4

    A

    det( ) 2 1 4 2 0 0 1 1 3 0 1 3 2 1 4 2 0 1A 8 3 8 3

    ( ) ( 1) ( )i jij ijc A M A

    3 2322 0

    ( ) ( 1) 2 1

    c A

    ( 2) 2 1 1 ( )

    det( )A adj A

    A

    11 12 13

    21 22 23

    13 32 33

    ( ) ( ) ( )1 ( ) ( ) ( )3

    ( ) ( ) ( )

    c A c A c Ac A c A c Ac A c A c A

    t

    11 21 31

    12 22 32

    13 23 33

    ( ) ( ) ( )1 ( ) ( ) ( )3

    ( ) ( ) ( )

    c A c A c Ac A c A c Ac A c A c A

    2 3 1A 321 ( ( ))3 c A

    1 (2)3

    2 3

    #

  • E-learning 03-03-2555

    20

    3 A 3 3 ijA i j A

    2 5 1

    ( ) 28 10 1 17 5 1

    adj A

    111 2

    5 8

    A

    321 1

    3 2

    A

    det( )A (Ent. 1 2547) 1. 92 2. 15 3. 15 4. 92

    11 12 13

    21 22 23

    31 32 33

    a a aA a a a

    a a a

    ijA i j A

    111 2

    5 8

    A

    321 1

    3 2

    A

    12

    31

    1 1 3 1 2

    5 8

    aA

    a

    ( )ijC A A ( )adj A A

    11 21 31

    12 22 32

    13 23 33

    ( ) ( ) ( )( ) ( ) C ( ) ( )

    ( ) ( ) ( )

    C A C A C Aadj A C A A C A

    C A C A C A

    2 5 1

    ( ) 28 10 1 17 5 1

    adj A

    31( ) 1C A 13( ) 17C A

    A 123 131 1

    ( ) ( 1) 1 1 2a

    C A

    122 1 1a 12 0a

    1 31331

    3 1 ( ) ( 1) 17

    5C A

    a

    3115 17a 31 2a

  • E-learning 03-03-2555

    21

    1 2 31 1 1

    12 0a 31 0a A

    1 0 1

    3 1 2 2 5 8

    A

    det( ) ( 8 0 15) (2 10 0)A 23 ( 8) 15 #

    12. 2 3x y 1x y

    1 2 3 1 1 1

    xy

    .............(*)

    1 2 , 1 1

    xA X

    y

    3

    1B

    (*) = AX B A X B :A B

    3 1. AX B A 1X A B 2.

  • E-learning 03-03-2555

    22

    3. (Row operation)

    A B X AX B :A B (row- operation) :I C X C 1. 2 ijR i j 2. icR

    i c i icR R 3. i jR cR i c j j i icR R R

    ( )Z ( )Y Z Y Z Y

    () n n AX B

    1

    2

    n

    xx

    X

    x

    1

    2

    n

    bb

    B

    b

    det( ) 0A 1 2

    1 2det( )det( ) det( ) , , ... ,

    det( ) det( ) det( )n

    nAA Ax x x

    A A A

    iA i A B 1, 2,...,i n

  • E-learning 03-03-2555

    23

    1 1x 1 2 32 0x x x

    1 2 33 2 5x x x 1 2 32 3 3 9x x x

    1 1 2 3 x y x

    Ay

    y A

    1. 0 2. 1 3. 2 4. 3

    1

    2

    3

    1 2 1 03 1 2 52 3 3 9

    xxx

    1

    0 2 15 1 29 3 3

    1 2 13 1 22 3 3

    x

    30 310

    1 1 2 3 x y x

    Ay

    3 6 3

    yy

    A det( ) 0A 23 18 0y y ( 6)( 3) 0y y 6 , 3y y 3

  • E-learning 03-03-2555

    24

    2 1 2 1

    2 3 , , 11 0 0

    a xA b X y B

    c z

    , ,a b c

    AX B 2 1 1 2 3 0 1 1 2

    1 0 2A R R

    x

    1. 1 2. 23

    3. 34

    4. 2

    AX B

    1 2 a 1 2 3 1

    1 0 0

    xb yc z

    1 2 a

    2 3 1 0

    A bc

    2 1 1 2

    2 0 1 21 0

    aR R b a

    c

    1 2 1 2 3 0 1 2 0 1 1

    1 0 1 0 2

    ab ac

    3 , 2a c 2 1 5b a b

    1 2 3 1 2 3 5 1

    1 0 2 0

    xyz

    1 2 31 3 50 0 2 2 1 2 3 32 3 5

    1 0 2

    x

    #