Матричное исчисление для чайников. Урок 1. Понятие матрицы.

Матричное исчисление (или матричная алгебра) - это раздел математики, который изучает матрицы. Матрицы присутствуют во многих расчетных задачах, например, решение систем линейных уравнений (когда их много), в задачах оптимизации и так далее. Поэтому очень важно знать и понимать этот раздел математики. Итак, сначала мы познакомимся с самим понятием матрицы.

Матрица - это просто таблица чисел. Сама обычная таблица. У нее есть строки и столбцы. Но есть еще и научное определение матрицы, его тоже надо знать. а звучит оно вот так: "Пусть дано некоторое числовое поле K. Тогда прямоугольную таблицу чисел из поля K:

будем называть матрицей".

Тут использовано еще одно, может быть, незнакомое вам понятие - числовое поле. Давайте и с ним определимся. Итак, числовое поле - это любая совокупность чисел, в пределах которой выполнимы и однозначны четыре операции: сложение, вычитание, умножение и деление на число, отличное от нуля. Таким образом, к числовому полю принадлежать все нормальные числа, колесные, кстати, тоже (см. также циклы уроков Комплексные числа для чайников и Комплексные числа для чайников (платный раздел)). А вот если кто-нибудь изобретет какие-нибудь "экзотические" числа, для которых не будет хотя бы одного однозначно выполнимого из перечисленных четырех математических операций, то уже нельзя будет сказать, что эти числа принадлежат к числовому полю.

Если говорить простыми словами, то матрицей считается только таблица чисел, а также любых других математических объектов, которые можно нормально складывать, вычитать, умножать и делить. А вот если в таблицу поместить нечто, что нельзя, к примеру, складывать, то это будет уже не матрица. Дело в том, что над матрицами тоже можно делать некоторые математические действия, которые сводятся к действиям над входящими в матрицу числами. А если в матрице будут не числа, а невесть что, например, строки, или какие-нибудь экзотические объекты, то над такой таблицей мы уже не сможем произвести те математические операции, которые можем делать над матрицей.

Итак, давайте еще раз обсудим, что может быть внутри матрицы, а что нет. Могут быть числа, комплексные (так как их можно складывать, вычитать и делить). Могут быть функции и математические выражение, если результатом их вычисления будет число (или комплексное число).  Действительно, если у нас есть некая функция и есть некая функция , результат вычисления которых "нормальное" число, то кто нам машет совершить операцию , или, например, ?

Числа n и m - это размеры матрицы, если они одинаковые, то такая матрица называется квадратной. В этом случае число n, равное m, называется порядком матрицы. В общем случае, когда m и n не равны, матрица называется прямоугольной. Числа, входящие в матрицу, называются элементами матрицы.

Рассмотрим, как матрица обозначается. В самом начале урока я показал общее обозначение матрицы. Существует еще упрощенное: , где i=1,2,3...m, j=1,2,3,... n.  При двухиндексном обозначении элементов матрицы всегда первый индекс показывает номер строки, а второй - номер столбца.

Матрицу также обозначают одной буквой, например, A. Если A - это квадратная матрица порядка n, то можно записать 

У квадратной матрицы может быть определитель. Определитель матрицы обозначают или . До определителей мы еще доберемся, сейчас я лишь вкратце скажу, что это такое. Итак, определитель (или детерминант) - это многочлен, комбинирующий элементы квадратной матрицы таким образом, что его значение сохраняется при транспонировании и линейных комбинациях строк или столбцов. Под транспонированием понимается "переворачивание" матрицы - строки становятся столбцами, а столбцы строками.

Существуют также особые виды матрицы, которые могут иметь отдельные обозначает. В частности, прямоугольную матрицу вида:

или, говоря иными словами, матрицу, состоящую из одного столбца, принято обозначать вот так .  Такая матрица называется столбцевой. Матрица бывает также и строчной:

Обозначается она вот так:

Если все элементы квадратной матрицы, кроме главной диагонали, равны нулю:

То такая матрица называется диагональной. Обозначается она вот так:

Символ - это так называемый символ Кронекера:

Другое обозначение диагональной матрицы:

Также есть обозначения для отдельных строк и столбцов матрицы. Итак, пусть у нас есть матрица . Тогда i-ую строку обозначим как :

А j-ый столбец будем обозначать как :

Рассмотрим еще такое понятие, как линейное преобразование. Пусть у нас есть система линейных уравнений вида:

Или, если записать его сокращенно:

Преобразование всех величин x в величины y при помощи указанных формул называются линейным преобразованием. Коэффициенты этого линейного преобразования образуют матрицу