Сайтът все още се разработва и може да има грешки и неточности. Ако забележиш такава, пиши ни на ninelibera@gmail.com.

Матрици

🎮 Когато в компютърна игра завъртиш камерата, видеокартата пресмята наново къде на екрана отива всяка точка от сцената – стотици хиляди точки, десетки пъти в секунда. Всяко такова пресмятане е умножение на матрица по вектор. Самата идея е стара: в китайския трактат „Девет глави за математическото изкуство“, съставен преди около 2000 години, се решават, като коефициентите се подреждат в таблица и се преобразуват по ред – почти както днес. Думата „матрица“ въвежда Джеймс Силвестър през 1850 г., а Артър Кейли през 1858 г. описва как се смята с матриците като с числа.

1. Матрица – таблица от числа

🤔 Загадка: В урока Системи уравнения решението зависеше само от коефициентите пред xx и yy. Ако ги запишем в таблица, може ли да смятаме със самата таблица – да я събираме, умножаваме и дори „делим“?

О

Матрица

Матрица с размер m×nm \times n е правоъгълна таблица от числа с mm реда и nn стълба. Елементът в ред ii и стълб jj се бележи aija_{ij}. Матрица с еднакъв брой редове и стълбове се нарича квадратна. Две матрици са равни, ако са с еднакъв размер и съответните им елементи са равни.
Т

Събиране и умножение с число

Матрици с еднакъв размер се събират елемент по елемент: (A+B)ij=aij+bij(A + B)_{ij} = a_{ij} + b_{ij}. При умножение с число kk всеки елемент се умножава по kk: (kA)ij=k aij(kA)_{ij} = k\,a_{ij}. Тези действия имат обичайните свойства – например A+B=B+AA + B = B + A и k(A+B)=kA+kBk(A + B) = kA + kB.

Пример

Да пресметнем A+BA + B и 3A3A за A=(2−103)A = \begin{pmatrix} 2 & -1 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}, B=(14−25)B = \begin{pmatrix} 1 & 4 \\ -2 & 5 \end{pmatrix}.

  1. A+B=(2+1−1+40+(−2)3+5)=(33−28)A + B = \begin{pmatrix} 2 + 1 & -1 + 4 \\ 0 + (-2) & 3 + 5 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 & 3 \\ -2 & 8 \end{pmatrix}
  2. 3A=(6−309)3A = \begin{pmatrix} 6 & -3 \\ 0 & 9 \end{pmatrix}

2. Матрицата като трансформация на равнината

Матрица 2×22 \times 2 може да „подейства“ на точка (вектор) (x; y)(x;\ y): (abcd)(xy)=(ax+bycx+dy)\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} ax + by \\ cx + dy \end{pmatrix}. Всяка координата на образа е „ред по стълб“: първият ред по (x; y)(x;\ y) дава новото xx, вторият – новото yy.

Т

Стълбовете са образите на базисните вектори

Векторът e1=(1; 0)e_1 = (1;\ 0) отива в първия стълб (a; c)(a;\ c), а e2=(0; 1)e_2 = (0;\ 1) – във втория (b; d)(b;\ d). Тъй като (x; y)=xe1+ye2(x;\ y) = x e_1 + y e_2, образът е x⋅(a; c)+y⋅(b; d)x \cdot (a;\ c) + y \cdot (b;\ d). Правите отиват в прави, успоредните – в успоредни, а началото остава на място.

Затова е лесно да напишем матрицата на позната трансформация – достатъчно е да видим къде отиват e1e_1 и e2e_2 (виж Вектори и Тригонометрия):

Завъртане на ъгъл φ\varphi(cos⁡φ−sin⁡φsin⁡φcos⁡φ)\begin{pmatrix} \cos\varphi & -\sin\varphi \\ \sin\varphi & \cos\varphi \end{pmatrix}
Отражение в оста OxOx(100−1)\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix}
Разтягане kk пъти по xx и ll пъти по yy(k00l)\begin{pmatrix} k & 0 \\ 0 & l \end{pmatrix}
Хлъзгане (наклоняване)(1k01)\begin{pmatrix} 1 & k \\ 0 & 1 \end{pmatrix}
−5−4−3−2−112345−4−3−2−112340xy
стълб 1 =(1; 0)стълб 2 =(1; 1)det =1

Хлъзгане: всяка хоризонтална линия се измества с толкова, колкото е височината ѝ. Лицето не се променя.

💡 Влачи краищата на синия вектор (образа на e₁) и червения (образа на e₂). Те са стълбовете на матрицата и определят къде отива всяка друга точка: (x; y) → x · (стълб 1) + y · (стълб 2). Сивата мрежа е образът на квадратната мрежа.

3. Умножение на матрици

Ако първо приложим трансформацията BB, а след това AA, пак получаваме трансформация, която праща прави в прави. Нейната матрица наричаме произведение ABAB – и тя се смята „ред по стълб“.

О

Произведение на матрици

Ако AA е с размер m×nm \times n, а BB – n×pn \times p, произведението C=ABC = AB е с размер m×pm \times p и cij=ai1b1j+ai2b2j+…+ainbnjc_{ij} = a_{i1}b_{1j} + a_{i2}b_{2j} + \ldots + a_{in}b_{nj} – ред ii на AA по стълб jj на BB. Броят на стълбовете на AA трябва да е равен на броя на редовете на BB.
A =
1234
B =
201−1
AB =
????

c₁₁ = ред 1 · стълб 1 = 1·2 + 2·1 = 4

💡 Елементът в ред i и стълб j на произведението е „ред i на първата матрица по стълб j на втората“: умножаваме съответните числа и ги събираме. Натисни „Размени“, за да сравниш AB и BA.

Т

Свойства на умножението

Умножението е асоциативно: (AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC), и разпределително: A(B+C)=AB+ACA(B + C) = AB + AC. Единичната матрица E=(1001)E = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} играе ролята на числото 1: AE=EA=AAE = EA = A. Но в общия случай AB≠BAAB \ne BA – редът на трансформациите има значение.

Пример

Да пресметнем ABAB и BABA за A=(2103)A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 0 & 3 \end{pmatrix}, B=(1−124)B = \begin{pmatrix} 1 & -1 \\ 2 & 4 \end{pmatrix}.

  1. AB=(2⋅1+1⋅22⋅(−1)+1⋅40⋅1+3⋅20⋅(−1)+3⋅4)=(42612)AB = \begin{pmatrix} 2 \cdot 1 + 1 \cdot 2 & 2 \cdot (-1) + 1 \cdot 4 \\ 0 \cdot 1 + 3 \cdot 2 & 0 \cdot (-1) + 3 \cdot 4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 & 2 \\ 6 & 12 \end{pmatrix}
  2. BA=(1⋅2+(−1)⋅01⋅1+(−1)⋅32⋅2+4⋅02⋅1+4⋅3)=(2−2414)BA = \begin{pmatrix} 1 \cdot 2 + (-1) \cdot 0 & 1 \cdot 1 + (-1) \cdot 3 \\ 2 \cdot 2 + 4 \cdot 0 & 2 \cdot 1 + 4 \cdot 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 & -2 \\ 4 & 14 \end{pmatrix}
  3. AB≠BAAB \ne BA

4. Детерминанта: колко пъти се променя лицето

Числото D=ad−bcD = ad - bc от правилото на (виж Системи уравнения) е детерминантата на матрицата (abcd)\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} и се записва с прави черти: ∣abcd∣\begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix}. Тя има ясен геометричен смисъл.

Т

Геометричен смисъл на детерминантата

Образът на единичния квадрат е успоредникът със страни (a; c)(a;\ c) и (b; d)(b;\ d), а лицето му е ∣ad−bc∣|ad - bc|. Затова трансформацията умножава лицето на всяка фигура по ∣det⁡A∣|\det A|. Ако det⁡A<0\det A < 0, ориентацията се обръща (като в огледало), а при det⁡A=0\det A = 0 равнината се смачква в права или точка.
−5−4−3−2−112345−4−3−2−112340xy5
u =(3; 1)v =(1; 2)det =3·2 − 1·1 = 5

Лицето на успоредника е |det| = 5. Ориентацията се запазва.

💡 Влачи краищата на двата стълба u = (a; c) и v = (b; d) на матрицата. Образът на единичния квадрат е успоредникът със страни u и v, а лицето му е |ad − bc|. Знакът на детерминантата казва дали от u към v се завърта обратно на часовниковата стрелка (+) или по нея (−).

Т

Свойства

det⁡(AB)=det⁡A⋅det⁡B\det(AB) = \det A \cdot \det B – лицата се умножават последователно. det⁡E=1\det E = 1. Ако разменим два реда (или два стълба), детерминантата сменя знака си. Ако един ред е кратен на друг, детерминантата е 0. За матрица 2×22 \times 2: det⁡(kA)=k2det⁡A\det(kA) = k^2 \det A.
О

Детерминанта 3 × 3 (правило на Сарус)

∣a11a12a13a21a22a23a31a32a33∣=a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32−a13a22a31−a11a23a32−a12a21a33\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix} = a_{11}a_{22}a_{33} + a_{12}a_{23}a_{31} + a_{13}a_{21}a_{32} - a_{13}a_{22}a_{31} - a_{11}a_{23}a_{32} - a_{12}a_{21}a_{33}. Модулът ѝ е обемът на паралелепипеда, построен върху стълбовете.

Пример

Да пресметнем ∣2130−14120∣\begin{vmatrix} 2 & 1 & 3 \\ 0 & -1 & 4 \\ 1 & 2 & 0 \end{vmatrix}.

  1. С плюс – главният диагонал и двата „триъгълника“ успоредно на него: 2⋅(−1)⋅0+1⋅4⋅1+3⋅0⋅2=42 \cdot (-1) \cdot 0 + 1 \cdot 4 \cdot 1 + 3 \cdot 0 \cdot 2 = 4
  2. С минус – другият диагонал и неговите „триъгълници“: 3⋅(−1)⋅1+2⋅4⋅2+1⋅0⋅0=133 \cdot (-1) \cdot 1 + 2 \cdot 4 \cdot 2 + 1 \cdot 0 \cdot 0 = 13
  3. Детерминантата е 4−13=−94 - 13 = -9

5. Обратна матрица

Обратната трансформация връща всяка точка обратно. Ако AA смачква равнината в права (det⁡A=0\det A = 0), различни точки отиват в една и съща – и няма как да разберем откъде са дошли. Иначе обратна трансформация има.

Т

Обратна матрица 2 × 2

Матрицата A−1A^{-1} е обратна на AA, ако AA−1=A−1A=EAA^{-1} = A^{-1}A = E. Обратна има точно когато det⁡A≠0\det A \ne 0, и тогава (abcd)−1=1ad−bc(d−b−ca)\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}^{-1} = \frac{1}{ad - bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix} – разменяме aa и dd, сменяме знаците на bb и cc и делим на детерминантата. Освен това (AB)−1=B−1A−1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}.

Пример

Да намерим обратната на A=(4726)A = \begin{pmatrix} 4 & 7 \\ 2 & 6 \end{pmatrix}.

  1. det⁡A=4⋅6−7⋅2=10≠0\det A = 4 \cdot 6 - 7 \cdot 2 = 10 \ne 0 – обратна има
  2. A−1=110(6−7−24)=(0,6−0,7−0,20,4)A^{-1} = \frac{1}{10}\begin{pmatrix} 6 & -7 \\ -2 & 4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0{,}6 & -0{,}7 \\ -0{,}2 & 0{,}4 \end{pmatrix}
  3. Проверка на първия елемент на AA−1AA^{-1}: 4⋅0,6+7⋅(−0,2)=2,4−1,4=14 \cdot 0{,}6 + 7 \cdot (-0{,}2) = 2{,}4 - 1{,}4 = 1 ✓

6. Системи уравнения в матричен вид

Системата a1x+b1y=c1, a2x+b2y=c2a_1x + b_1y = c_1,\ a_2x + b_2y = c_2 е просто едно матрично уравнение AX=BAX = B, където AA е матрицата на коефициентите, X=(xy)X = \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}, а BB е стълбът на десните страни. Ако det⁡A≠0\det A \ne 0, умножаваме отляво по A−1A^{-1}: X=A−1BX = A^{-1}B. Като разпишем, получаваме точно правилото на Крамер.

Пример

Да решим 3x+2y=7, x+4y=93x + 2y = 7,\ x + 4y = 9 с обратна матрица.

  1. A=(3214)A = \begin{pmatrix} 3 & 2 \\ 1 & 4 \end{pmatrix}, det⁡A=12−2=10\det A = 12 - 2 = 10, A−1=110(4−2−13)A^{-1} = \frac{1}{10}\begin{pmatrix} 4 & -2 \\ -1 & 3 \end{pmatrix}
  2. X=A−1(79)=110(28−18−7+27)=110(1020)=(12)X = A^{-1}\begin{pmatrix} 7 \\ 9 \end{pmatrix} = \frac{1}{10}\begin{pmatrix} 28 - 18 \\ -7 + 27 \end{pmatrix} = \frac{1}{10}\begin{pmatrix} 10 \\ 20 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ 2 \end{pmatrix}
  3. Отговор: x=1x = 1, y=2y = 2. Проверка: 3+4=73 + 4 = 7 ✓; 1+8=91 + 8 = 9 ✓

За големи системи (с хиляди неизвестни) компютрите не смятат детерминанти, а изключват неизвестните едно по едно по редовете на таблицата – метод на Гаус. Това е същата идея като в „Девет глави“, само че с много повече числа.

7. Тренажор

Произведения, детерминанти, обратни матрици и системи. Дробните отговори въвеждай като 3/2, отрицателните – с минус.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0
(3123)(xy)=(−9−13)\begin{pmatrix} 3 & 1 \\ 2 & 3 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -9 \\ -13 \end{pmatrix}

Колко е xx?

8. Матриците около нас

Компютърната графика описва завъртания, мащабиране и перспектива с матрици. Таблиците с вероятности за преход от едно състояние в друго (вериги на Марков) се използват в прогнози за времето, в прости модели на езика и при подреждането на уеб страници в търсачките. Степените на матрицата (1110)\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} дават числата на Фибоначи (виж Прогресии), а обратимите матрици – прости шифри.

0 / 6

🎮 Завъртане в игра

В компютърна игра героят стои в точката (4; 2)(4;\ 2), а камерата завърта света на 90° обратно на часовниковата стрелка около началото с матрицата (0−110)\begin{pmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}. Къде ще се окаже героят?

🛒 Сметки за два класа

Клас А купува 5 тетрадки и 10 химикалки, клас Б – 8 тетрадки и 4 химикалки. Тетрадката струва 2,50 €, химикалката – 1,20 €. Запишете покупките като матрица, умножете по стълба с цените и намерете сметката на всеки клас.

🌦️ Времето утре и вдругиден

Прост модел: след слънчев ден следва слънчев с вероятност 0,8 и дъждовен с 0,2; след дъждовен – слънчев с 0,4 и дъждовен с 0,6. Днес е слънчево. С каква вероятност ще е слънчево вдругиден? Към какво число клони тази вероятност след много дни?

🐇 Фибоначи с матрица

Числата на Фибоначи (1, 1, 2, 3, 5, …) се получават от степените на M=(1110)M = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}: Mn=(Fn+1FnFnFn−1)M^n = \begin{pmatrix} F_{n+1} & F_n \\ F_n & F_{n-1} \end{pmatrix}. Намерете F10F_{10} и пресметнете det⁡M10=F11F9−F102\det M^{10} = F_{11}F_9 - F_{10}^2.

🔐 Шифър на Хил

Двойка букви се кодира като двойка числа и се умножава по K=(3211)K = \begin{pmatrix} 3 & 2 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}. Получено е съобщението (19; 8)(19;\ 8). Разшифровайте го с обратната матрица.

🦌 Популация по възрасти

В модел на популация млади (MM) и възрастни (VV) животни се менят всяка година така: новите млади са 2V2V, а възрастните са 0,5M+0,8V0{,}5M + 0{,}8V. В началото има 100 млади и 50 възрастни. Колко ще са след две години?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

9. ⚠️ Чести грешки

Умножение елемент по елемент

✗ (abcd)(efgh)=(aebfcgdh)\displaystyle \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}\begin{pmatrix} e & f \\ g & h \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} ae & bf \\ cg & dh \end{pmatrix}

✓ ред по стълб: c11=ae+bg\displaystyle c_{11} = ae + bg

Разместване на множителите

✗ AB=BA\displaystyle AB = BA

✓ в общия случай AB≠BA\displaystyle AB \ne BA

Детерминанта на сбор

✗ det⁡(A+B)=det⁡A+det⁡B\displaystyle \det(A + B) = \det A + \det B

✓ det⁡(AB)=det⁡A⋅det⁡B\displaystyle \det(AB) = \det A \cdot \det B

Детерминанта на 2A\displaystyle 2A

✗ det⁡(2A)=2det⁡A\displaystyle \det(2A) = 2\det A

✓ за 2×2\displaystyle 2 \times 2: det⁡(2A)=4det⁡A\displaystyle \det(2A) = 4\det A

Обратна матрица

✗ A−1=(1a1b1c1d)\displaystyle A^{-1} = \begin{pmatrix} \frac{1}{a} & \frac{1}{b} \\ \frac{1}{c} & \frac{1}{d} \end{pmatrix}

✓ A−1=1ad−bc(d−b−ca)\displaystyle A^{-1} = \frac{1}{ad - bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}

Обратна на произведение

✗ (AB)−1=A−1B−1\displaystyle (AB)^{-1} = A^{-1}B^{-1}

✓ (AB)−1=B−1A−1\displaystyle (AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}

10. 🎯 Бърз тест

1 / 9
✓ 0

Матрицата A\displaystyle A е с размер 2×3\displaystyle 2 \times 3, а B\displaystyle B – 3×4\displaystyle 3 \times 4. Какъв е размерът на AB\displaystyle AB?

11. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво В· Национален кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво С· Международна олимпиада

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая; отговорите – в произволен ред.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

12. Обобщение

  • ✓ Матрицата е таблица m×nm \times n; събираме елемент по елемент, умножаваме с число – всеки елемент
  • ✓ Матрицата 2×22 \times 2 е трансформация на равнината; стълбовете ѝ са образите на e1e_1 и e2e_2
  • ✓ ABAB – „ред по стълб“; това е последователното прилагане на BB и AA; в общия случай AB≠BAAB \ne BA
  • ✓ det⁡A=ad−bc\det A = ad - bc – коефициентът, с който се умножават лицата (знакът – ориентацията); det⁡(AB)=det⁡A⋅det⁡B\det(AB) = \det A \cdot \det B
  • ✓ A−1=1ad−bc(d−b−ca)A^{-1} = \frac{1}{ad - bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}, съществува точно при det⁡A≠0\det A \ne 0
  • ✓ Системата AX=BAX = B има решение X=A−1BX = A^{-1}B – правилото на Крамер в матричен вид

💡 Интересен факт

Детерминантите се появяват преди матриците: японският математик Секи Такакадзу и Лайбниц стигат до тях независимо един от друг в края на XVII век, докато решават системи уравнения. Самите матрици като самостоятелни обекти, с които се смята, идват повече от 150 години по-късно – при Кейли. А днес умножението на огромни матрици е основната операция, която изпълняват видеокартите – и в графиката, и в изкуствения интелект.