矩阵运算及其应用.ppt

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1、矩阵运算及其应用现在学习的是第1页，共68页2.1 矩阵的加减乘法矩阵的加减乘法2.1.1 矩阵的加法矩阵的加法定义定义2.1 设有两个同型的 矩阵，矩阵矩阵A与矩阵与矩阵B的和的和记作 ，规定为：nmijm naA ijm nbBA+B111112121121212222221122nnnnmmmmmnmnabababababababababA+B现在学习的是第2页，共68页若 ，把 记作 ，称为A的负矩阵。显然有：由此可定义矩阵的减法矩阵的减法为：ijm naAnmijaAA+-AOA-B=A+-B现在学习的是第3页，共68页2.1.2 矩阵的数乘矩阵的数乘定义定义2.2 数 与矩阵 的乘

2、积，简称数乘数乘，记作 或 ，规定为ijm naAAA111212122212nnmmmnaaaaaaaaaAA现在学习的是第4页，共68页矩阵的加法和数乘统称为矩阵的线性运算，矩阵的线性运算满足下列运算规律（A、B、C是同型矩阵，、是数）（1）加法交换律（2）加法结合律 （3）（4）A+B=B+AA+B+C=A+B+CA+O=AA+-A=O现在学习的是第5页，共68页（5）（6）（7）（8）数乘分配律 AAAA+BAB1A=A AAA现在学习的是第6页，共68页2.1.3 矩阵的乘法矩阵的乘法定义定义2.3 设A是矩阵，B是矩阵，那么矩阵矩阵A 和矩阵和矩阵B的乘积的乘积是一个矩阵C，其中记

3、作 C=ABsjisjijiskkjikijbabababac22111njmi,2,1;,2,1现在学习的是第7页，共68页由定义知，只有当第一个矩阵的列数和第二个矩阵的行数相等，即它们的内阶数相等时，两个矩阵才能相乘。乘积矩阵的第 元素等于前一个矩阵的第 行各元素与后一个矩阵的第 列相应元素乘积之和，即：ji,ij现在学习的是第8页，共68页定义定义2.4 对于变量 ，若它们都能由 变量线性表示，即有：（2-1）则称此关系式为变量 到变量 的线性变换线性变换。nmnmmmnnnnxaxaxayxaxaxayxaxaxay22112222121212121111myyy,21nxxx,21n

4、xxx,21myyy,21现在学习的是第9页，共68页可以写成输出向量Y等于系数矩阵A左乘输入向量X：1111211221222212nnmmmmnnyaaaxyaaaxyaaax Y=AX现在学习的是第10页，共68页例例2.4 式（2-2）给出变量 到变量 的线性变换；式（2-3）给出变量 到变量 的线性变换。请写出变量 到变量 的线性变换。（2-2）（2-3）321,xxx21,yy21,tt321,xxx21,tt21,yy32322212123132121111xaxaxayxaxaxay232131322212122121111tbtbxtbtbxtbtbx现在学习的是第11页，共

5、68页解：方法一方法一，代换法。将式（2-3）代入式（2-2），得：（2-4）方法二方法二，矩阵运算法。根据矩阵乘法的定义，可以把式（2-2）和式（2-3）分别写为式（2-5）和式（2-6）的矩阵等式：232232222122113123212211212232132212121113113211211111tbababatbababaytbababatbababay现在学习的是第12页，共68页 （2-5）（2-6）把式（2-6）代入式（2-5）中，得：11112131221222323xaaayxaaayx11112122122233132xbbtxbbtxbb 1112131212223

6、2aaayaaay11121212223132bbtbbtbb 现在学习的是第13页，共68页 （2-7）式（2-7）和式（2-4）等价。通过这个例子，可以看出矩阵乘法在线性变换中的运用。11 1112 2113 3111 1212 2213 321121 1122 2123 3121 1222 2223 3222a ba ba ba ba ba byta ba ba ba ba ba byt 现在学习的是第14页，共68页有了矩阵乘法的定义后，可以把一般的线性方程组（1-3）写为矩阵形式：（2-8）若用A表示系数矩阵，X表示未知量构成的向量，b表示常数项所构成的向量，则式（2-8）可以化简为

7、：AX=b1112111212222212nnmmmnnmaaaxbaaaxbaaaxb 现在学习的是第15页，共68页例例2.5 已知 ，求 AB，BA解：根据矩阵乘法定义，有：121340256A1020103058 BAB=12134025610201030581 10 2(10)(1)(5)1 20 2 30(1)83 10 4(10)0(5)3 20 4 30 0 8(2)10 5(10)6(5)(2)20 5 30 6 8 现在学习的是第16页，共68页由于矩阵有2列，矩阵有3行，所以B不能左乘A。由矩阵乘法定义和前面的例题可以看出：（1）矩阵乘法不满足交换律，即在一般情况 下 （

8、2）不能由 ，推出 或57210180100158ABBAAB=OA=OB=O现在学习的是第17页，共68页（3）不能由 ，推出 在一般情况下有：矩阵乘法满足下列运算规律：（1）（2）AC=ABAOB=C22222(A+B)A+2AB+B(A+B)(A-B)A-BAB C=A BCA B+C=AB+ACA+B C=AC+BC现在学习的是第18页，共68页（3），为数（4）（5），其中 为正 整数，必须为方阵。ABA BABm nnmm nm nAII AAklk lA AAlkklAAlk,A现在学习的是第19页，共68页2.1.4 矩阵的转置矩阵的转置定义定义2.5 设是 一个 矩阵，将矩阵

9、 中的行换成同序数的列得到的一个 矩阵，称为矩阵 的转置矩阵转置矩阵，记作 ，或 。例如，则ijaAnmAmnATAA153294A125934TA现在学习的是第20页，共68页矩阵转置满足以下运算规律（1）（2）（3）（4）TTAATTTA+BABTTAATTTABB A现在学习的是第21页，共68页在此只证明（4）证明：设 ,记 ，据矩阵乘法定义及矩阵转置定义知：而 的第 行就是 的第 列，为：，的第 列就是 的第 行，为：，因而有ijm saAijs nbB ijm ncAB=CTTijn mdB ADskkjikijbac1TBjBjsjjjbbb,21TAiAiisiiaaa,21现

10、在学习的是第22页，共68页即得 ，亦即 。定义定义2.6 如果n阶方阵 满足 ，则称为对称矩阵对称矩阵。如果n阶方阵 满足 ，则称为反对称矩阵反对称矩阵。显然反对称阵的主对角线上元素都是零。issjijijjiabababd2211sjisjijibababa2211ijcnjmi,2,1;,2,1TC=DTTTAB=B ATA=AAATA=A现在学习的是第23页，共68页2.2 矩阵的逆矩阵的逆2.2.1 逆矩阵的定义逆矩阵的定义定义定义2.7 设 为n阶方阵，若存在n阶方阵 ，使得 ，其中 为n阶单位矩阵，则称 为可逆矩阵可逆矩阵或 是可逆的可逆的，并称 为 的逆矩阵。如果 的逆矩阵为

11、，记 ，显然，则 的逆矩阵为 ，记 ，我们也称矩阵 和矩阵 互逆互逆。ABnAB=BA=InIAAABAAABBB-1A=B-1B=A现在学习的是第24页，共68页例例2.7 设 ,分析矩阵 和矩阵 、矩阵 和矩阵 的关系。解：1213A3211B369C1/31/61/9DABCD1213AB12131001BA32121113 1001现在学习的是第25页，共68页所以，矩阵 和矩阵 互为逆矩阵。矩阵 和矩阵 也互为逆矩阵。B369CD1/31/61/9111111CDA1/331/661/99 DC=现在学习的是第26页，共68页2.2.2 逆矩阵的性质逆矩阵的性质性质性质1 如果矩阵

12、可逆，则 的逆矩阵唯一性质性质2 若 和 为同阶方阵，且满足 则 ，即矩阵 和矩阵 互逆。性质性质3 若 可逆，则 也可逆，且 性质性质4 若 可逆，数 ，则 可逆，且 性质性质5 若 、均为 阶可逆方阵，则 也可 逆，且 AABAB=IBA=IABA-1A-1-1A=AA0A11-1AAABnAB-1-1-1AB=B A A现在学习的是第27页，共68页性质性质6 若 可逆，则 也可逆，且例例2.8 设方阵 满足 ，试证 可逆，并求 。解：根据已知条件，可以得到：则有：所以矩阵 可逆，且 。ATA 11TTAAA2A+2A-5I=OA-1AA A+2I=5IA+2IA=I5A25-1A+IA

13、=现在学习的是第28页，共68页2.3 矩阵的分块矩阵的分块在矩阵运算中，特别是针对高阶矩阵，常常采用矩阵分块的方法将其简化为较低阶的矩阵运算。用若干条纵线和横线将矩阵分为若干个小矩阵，每一个小矩阵称为的子块子块，以子块为元素的矩阵，称为分块矩阵分块矩阵。现在学习的是第29页，共68页比如将43矩阵 分为 ,它们可分别表示为：A11122122AAAA123AAA111221223132AAAAAA111213212223AAAAAA现在学习的是第30页，共68页分块矩阵的运算与普通矩阵类似，1加法运算加法运算设 ，都是 矩阵，且将 ，按完全相同的方法分块：AABBnm11121s21222s

14、r1r2rsAAAAAAAAAA11121s21222sr1r2rsBBBBBBBBBB111112121s1s212122222s2sr1r1r2r2rsrsA+BA+BA+BA+BA+BA+BA+BA+BA+BA+B现在学习的是第31页，共68页2数乘运算数乘运算设 ,有：3乘法运算乘法运算设 为 矩阵，为 矩阵，将它们分别分块成11121s21222sr1r2rsAAAAAAAAAA11121s21222sr1r2rsAAAAAAAAAAAlmBnl11121s21222sr1r2rsAAAAAAAAAA11121s21222sr1r2rsBBBBBBBBBB现在学习的是第32页，共68

15、页其中 的列数分别等于 的行数 ，即 可以左乘 。则有：其中 i1i2itA,A,A1j2jtjB,B,B;,2,1risj,2,1ikAk jB1,2,;1,2,;1,2,ir js kt11121s21222sr1r2rsCCCCCCABCCC1tkiji11ji22jitt jikk jC=A B+A B+A BA B现在学习的是第33页，共68页4转置运算转置运算 设 有：注意分块矩阵的转置，不仅要把每个子块内的元素位置转置，而且要要把子块本身的位置转置。11121s21222sr1r2rsAAAAAAAAAA2TTTTTTTTTT1121s11222s21rrsrAAAAAAAAAA

16、现在学习的是第34页，共68页5分块对角矩阵分块对角矩阵如果将方阵 分块后，有以下形式：其中主对角线上的子块 均是方阵，而其余子块全是零矩阵，则称 为分块分块对角矩阵对角矩阵，记为 。A12rAAAAiAri,2,1A,diag12rAA,A,A现在学习的是第35页，共68页设有两个同型且分块方法相同的对角矩阵则有 r21AAAAr21BBBBrr2211BABABAABkrk2k1kAAAA现在学习的是第36页，共68页对于上面的分块矩阵 ，若对角线上的所有子块 都可逆，则有：例例2.9 利用分块矩阵的概念，把下列线性方程组写成向量等式。A12rA,A,A1111r21AAAA3443242

17、2262243214321421xxxxxxxxxxx现在学习的是第37页，共68页解：线性方程组的矩阵表示为：把系数矩阵按列分成4块：与常数矩阵 分别用向量 和向量 来表示，则有：3224413421260224321xxxx446,420,112,3223221234,b现在学习的是第38页，共68页进而得到向量等式：1234xxxx1234,b1234xxxx1234=b现在学习的是第39页，共68页2.4 初等矩阵初等矩阵定义定义2.8 单位矩阵 经过一次初等变换所得到的矩阵称为初等矩阵初等矩阵或初等方阵初等方阵。前面介绍了三种初等变换，每一种初等变换，都有一个相对应的初等矩阵（1）交

18、换单位矩阵 的 ,两行（或 ,两列），得到的初等矩阵记为 ，即：IIijji,i jE现在学习的是第40页，共68页 （2-12）11011,11011ii jjE行行现在学习的是第41页，共68页（2）用一个非零数 乘单位矩阵 的第 行（或第 列），得到的初等矩阵记为 ，即：（2-13）kIii i kE 1111i kkiE行现在学习的是第42页，共68页（3）将单位矩阵 第 行的 倍加到第 行上（或将单位矩阵第 列的 倍加到第 列上）得到的初等矩阵记为 ，即：（2-14）Ijjkkii,i j kE 11,11kii j kjE行行现在学习的是第43页，共68页例例2.10 设求：E1*

19、A，E2*A，E3*A。111213212223313233 a a a a a a a a aA 0 1 0 1 0 0 0 0 1E1 1 0 0 0 4 0 0 0 1E2 1 0 0 0 1 0 4 0 1E3现在学习的是第44页，共68页解：111213212223212223111213313233313233 0 1 0 a a a a a a 1 0 0 a a a a a a 0 0 1 a a a a a a A1=E1*A111213111213212223212223313233313233 1 0 0 a a a a a a 0 4 0 a a a 4a 4a 4a

20、0 0 1 a a a a a a A2=E2*A111213111213212223212223313233311132123313 1 0 0 a a a a a a 0 1 0 a a a aa a 4 0 1 a a aa+4a a+4a a+4a A3=E3*A现在学习的是第45页，共68页定理定理2.1 设设 是一个是一个 矩阵，对矩阵，对 施行一施行一次初等行变换，其结果等于在次初等行变换，其结果等于在 的左边乘以的左边乘以相应的相应的 阶初等矩阵；对阶初等矩阵；对 施行一次初等列变施行一次初等列变换，其结果等于在换，其结果等于在 的右边乘以相应的的右边乘以相应的 阶初阶初等矩阵

21、。等矩阵。AAAAAnmmn现在学习的是第46页，共68页定理定理2.2 设设 为为 阶方阵，那么下面各命题阶方阵，那么下面各命题等价：等价：（1）是可逆矩阵；是可逆矩阵；（2）线性方程组）线性方程组 只有零解；只有零解；（3）可以经过有限次初等行变换化为单位可以经过有限次初等行变换化为单位 矩阵矩阵 ；（4）可以表示为有限个初等矩阵的乘积。可以表示为有限个初等矩阵的乘积。AAAAnAx=OnI现在学习的是第47页，共68页例例2.11 设判断 、是否可逆，如果可逆，请求之。解：132365111 A362241121BABIA13-2100-3-6501011-100113123rrrr13

22、210003131002110122321rrr1 321000 10.50.5 00.50 31310232133rrrr1 00.50.5 01.50 10.50.500.50 00.51.511.5现在学习的是第48页，共68页则矩阵 可逆，且其逆为：32r1 00.50.5 0 1.50 10.50.5 00.50 0132332315.05.0rrrr100113010211001323113211323-1AAB I 3 6 21 0 02 4 10 1 01 2 10 0 131rr 121001241010362100现在学习的是第49页，共68页显然矩阵 通过初等行变换不能化

23、为单位矩阵，则矩阵 不可逆。是降秩的。它通过初等行变换，可以化出一个零行，则其秩为2。故当A不可逆时，(2-15)式应改为：其中是 秩为r的nn方阵，rM=0.1,0.3,0.15;0.3,0.4,0.25;0.1,0.2,0.15;P=4000,4500,4500,4000;2000,2800,2400,2200;5800,6200,6000,6000;Q=M*P Q=1870 2220 2070 1960 3450 4020 3810 3580 1670 1940 1830 1740Q=M PQQ现在学习的是第53页，共68页为了进一步计算矩阵Q的每一行和每一列的和，可以继续键入：Q*on

24、es(4,1)ans=8120 14860 7180ones(1,3)*Qans=6990 8180 7710 7280并可以继续算出全年的总成本：ans*ones(4,1)ans=30160 现在学习的是第54页，共68页根据以上计算结果，可以完成每季度总成本分类表，如表2.8所示。表2.8 每季度总成本分类表成本（元）夏 秋 冬 春 全年 原材料 18702220 2070 19608120劳动 34504020 3810 3580 14860企业管理费 16701940 1830 17407180总成本（元）69908180 7710 7280 30160现在学习的是第55页，共68页2

25、.5.2 特殊矩阵的生成特殊矩阵的生成例例2.13 在Matlab环境下生成矩阵X：矩阵X有相同的10行，每一行都是公差为1的等差数列。解：令则 ，就实现了矩阵赋值。1090910109091010909102110X1T2vvX 10 10,9,9,10,1,1,1,1 12vv 现在学习的是第56页，共68页键入MATLAB语句：v1=-10:10;v2=ones(1,10)X=v2*v1例例2.14 在Matlab环境下生成范德蒙矩阵。解：这里用了Matlab的符号运算功能。键入：syms x1 x2 x3 x4 real%令x1 x2 x3 x4为实数符号变量x=x1,x2,x3,x4

26、;y=0:3;A=x*ones(1,4)B=(ones(4,1)*yV=A.B%两个方阵的元素群求幂 现在学习的是第57页，共68页程序的运行结果为：Matlab内置的范德蒙矩阵生成函数vander.m是不能用符号表示的，只能产生数值矩阵。x1,x1,x1,x1 0 1 2 3 1 x1 x12 x13 x2,x2,x2,x2 0 1 2 3 1 x2 xA=,B=,V=x3,x3,x3,x3 0 1 2 3 x4,x4,x4,x4 0 1 2 322 x23 1 x3 x32 x33 1 x4 x42 x43现在学习的是第58页，共68页2.5.3 逆矩阵的求解逆矩阵的求解例例2.15 设

27、试求其逆阵解：当矩阵的阶数较高时，利用Matlab辅助计算就尤显重要。用Matlab来求矩阵的逆，其方法很多。首先在Matlab环境下键入：A=3,0,3,-6;5,-1,1,-5;-3,1,4,-9;1,-3,4,-4;3 0 3 65 1 1 531 4 913 4 4A现在学习的是第59页，共68页方法1,A-1,方法2,inv(A),方法3,Aeye(4),方法4,U=rref(A,eye(4);U(:,5:8)运行结果都为：ans=0.2323 -0.0101 -0.1313 -0.0404 0.5354 -0.3131 -0.0707 -0.2525 0.5859 -0.4747

28、-0.1717 0.1010 0.2424 -0.2424 -0.1515 0.0303现在学习的是第60页，共68页例例2.16 求矩阵 的逆。解：矩阵求逆命令inv也可以用符号变量。在Matlab环境下，键入：syms a b c d,A=a,b;c,d,V=inv(A)结果为：V =d/(a*d-b*c),-b/(a*d-b*c)-c/(a*d-b*c),a/(a*d-b*c)abcdA现在学习的是第61页，共68页2.5.4 图及其矩阵表述图及其矩阵表述例如，图2.1为1，2，3，4四个城市之间的空运航线的有向图。图2.1 航线图它可以用下列航路矩阵表示：0 0111 00 00 10

29、 01 010A1现在学习的是第62页，共68页2.5.5 网络的矩阵分割和连接网络的矩阵分割和连接在电路设计中，经常要把复杂的电路分割为局部电路，每一个电路都用一个网络“黑盒子”来表示。“黑盒子”的输入为u1，i1，输出为u2，i2，其输入输出关系用矩阵A来表示（如图2.2所示）：图2.2 单个子网络模型 2121uuAii现在学习的是第63页，共68页以图2.3为例，把两个电阻组成的分压电路分成两个串接的子网络。第一个子网络包含电阻R1，第二个子网络包含电阻R2，列出第一个子网络的电路方程为：图2.3 两个子网络串联模型212111,iiuui R现在学习的是第64页，共68页写成矩阵方程

30、为：同样可列出第二个子网络的电路方程，写成矩阵方程为：21111211101uRuuAiii 322232/,iiuRuu32223222101/1uuuAiRii 现在学习的是第65页，共68页从上分别得到两个子网络的传输矩阵整个电路的传输矩阵为两者的乘积1122110,011/1RAAR111222121101011/11/1/RRAA ARRR R 现在学习的是第66页，共68页2.5.6 弹性梁的柔度矩阵弹性梁的柔度矩阵设简支梁如图2.4所示，在梁的三个位置分别施加力f1，f2和f3后，在该处产生的综合变形（通常称为挠度）为图示的y1，y2和y3。图2.4 简支梁在三个点的力和变形（挠度）现在学习的是第67页，共68页根据虎克定律，在材料未失去弹性的范围内，三个力与它引起的三个变形都呈线性关系，可以写成矩阵形式：用向量和矩阵符号表示为：yDf D中的各元素为挠度元素，这些元素的值越大表明这个梁愈柔软，所以矩阵D被称作柔度矩阵。柔度矩阵D的逆就是刚度矩阵K。111121312212223233132333ydddfydddfydddf 现在学习的是第68页，共68页