Bài giảng Đại số tuyến tính - Chương 2, Phần 1: Ma trận. Định thức, hệ phương trình tuyến tính - Nguyễn Hải Sơn

 CHƯƠNG II: MA TRẬN-ĐỊNH THỨC -HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH I. MA TRẬN II. ĐỊNH THỨC III. HẠNG MA TRẬN-MA TRẬN NGHỊCH ĐẢO IV. HỆ PHƯƠNG TRÌNH TUYẾN TÍNH BÀI 1                   §1: Ma Trận 1.1 Các khái niệm a) Định nghĩa: Ma trận là một bảng gồm m.n số thực (phức) được viết thành m hàng và n cột như sau: 11 12 1 21 22 2 1 2 ... ... ... ... ... ... ... n n m m mn a a a a a a a a a              Ký hiệu: A = [aij]mn 11 12 1 1 21 22 2 2 1 2 1 2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... j n j n i i ij in m m mj mn a a a a a a a a a a a a a a a a                    Hàng thứ nhất Hàng thứ i Cột thứ 2 Cột thứ j aij: Phần tử nằm ở hàng i cột j mn: gọi là cấp của ma trận §1: Ma Trận  §1: Ma Trận Ví dụ: 1 0 2 3 1.5 5 A       2 8 6 2 9 0 0 7 2 B          23 33 đường chéo chính21a  §1: Ma Trận b) Các ma trận đặc biệt. 1. Ma trận không: ij 0, , .a i j  Ví dụ: 0 0 0 0 0 0O        (tất cả các phần tử đều = 0)  §1: Ma Trận 2. Ma trận vuông: m = n. Ví dụ: 0 7 81 3 ; 4 2 02 7 5 0 2              Ma trận vuông cấp 2 Ma trận vuông cấp 3 (số hàng = số cột) Đ/n: Ma trận vuông n hàng, n cột được gọi là ma trận vuông cấp n.  §1: Ma Trận Ví dụ: Cho ma trận vuông cấp n . Các phân tử gọi là các phần tử chéo. Đường thẳng qua các phần tử chéo gọi là đường chéo chính. [ ]A aij iia 2 8 6 2 9 0 0 7 2 B          33 đường chéo chính  3. Ma trận chéo: là ma trận vuông có: §1: Ma Trận ij 0, .a i j   (các phần tử ngoài đường chéo chính = 0) Ví dụ: 2 0 0 0 4 0 0 0 9          11 22 0 ... 0 0 ... 0 ... ... ... ... 0 0 ... nn a a a              §1: Ma Trận 4. Ma trận đơn vị: là ma trận chéo có: 1, 1, 2,..., .iia i n   Ký hiệu: E, En ( hoặc I, In). Ví dụ: 2 3 1 0 ... 01 0 01 0 0 1 ... 0, 0 1 0 ,0 1 .. .. ... ..0 0 1 0 0 ... 1                           nE E E  §1: Ma Trận 5. Ma trận tam giác: là ma trận vuông có 0, .ija i j   Ví dụ: 1 2 5 4 0 3 1 0 0 0 2 6 0 0 0 9            (tam giác trên) 0, .ija i j   (tam giác dưới) 2 0 0 0 7 1 0 0 0 8 2 0 2 9 1 5             MT tam giác trên MT tam giác dưới  §1: Ma Trận 6. Ma trận cột:là ma trận có n=1. Ma trận cột có dạng:   11 21 1 :.. i m m a a a a              7. Ma trận hàng: là ma trận có m=1. Ma trận hàng có dạng:  11 12 1 ... na a a  8. Ma trận chuyển vị: cho ma trận A=[aij]mn, ma trận chuyển vị của ma trận A ký hiệu: AT và xác định AT=[bij]nm với bij=aji với mọi i,j. (chuyển hàng thành cột, cột thành hàng ) §1: Ma Trận Ví dụ: 1 61 2 5 2 76 7 9 5 9 TA A                NX: ( )T TA A  1.2. Ma trận bằng nhau: ij ij , , .             ij ijm n m nA a b B a b i j §1: Ma Trận VD a 1 2 1 1 y 9 b 0 x 3 0              a 1 b 3 x 9 y 2          Chú ý: Chỉ xét 2 ma trận bằng nhau nếu chúng cùng cỡ.  §1: Ma Trận 1.3. Các phép toán trên ma trận: a. Phép cộng hai ma trận: (cùng cỡ) ij ij ij ijmn mn mn a b a b             1 2 0 3 3 5 2 4 4 2 1 5                                Ví dụ: -1 1 5 3 (cộng theo từng vị trí tương ứng)  Bài tập: Tính 2 3 3 3 4 2 1 4 6 1 7 2 4 2 0 6 3 2                                5 7 -1 0 2 11 8 -2 1 §1: Ma Trận ) ) ) ( ) ( )            i A B B A ii A A iii A B C A B C Các tính chất: Giả sử A,B,C, θ là các ma trận cùng cấp, khi đó: §1: Ma Trận  §1: Ma Trận 1.3. Các phép toán trên ma trận: b. Phép nhân một số với một ma trận: ij ij. ,mn mna a           Ví dụ: 3 2 0 2 7 4 5 0 2 1                   0 14 8 10 0 -4 2 (các phần tử của ma trận đều được nhân cho )  Bài tập: Tính 2 3 3 4 0 5 1                   0 15 §1: Ma Trận -9 12 -3  Các tính chất: là hai ma trận cùng cấp, khi đó , , ,R A B    §1: Ma Trận ) ( ) ) ( ) ) ( ) ( ) ) 1 i A B A B ii A A A iii A A iv A A                    §1: Ma Trận  Chú ý: 1 3 6 5 5 2 4 5 1 3 3 2                     ( 1)A B A B     Nhận xét: trừ 2 ma trận là trừ theo vị trí tương ứng  §1: Ma Trận 2 4 1 323 7 2 4                   Bài tập: Tính 2+(-2).1=0 0 -2 7 -1  §1: Ma Trận 1.3 Các phép toán trên ma trận: c. Phép nhân hai ma trận: Cho hai ma trận Khi đó ma trận gọi là tích của hai ma trận A, B. Trong đó: ; ,mp pnA B [ ]mp pn ij mnA B c 1 1 2 2 ... , 1, ; 1, .ij i j i j ip pjc a b a b a b i m j n       1ia 2ia ipa Hàng thứ i của ma trận A. 1 jb 2 jb pjb Cột thứ j của ma trận B. Như vậy = hàng thứ i của ma trận A nhân tương ứng với cột thứ j của ma trận B rồi cộng lại. i jc  Ví dụ: Nhân hai ma trận sau: 33 32 32 3 2 1 1 2 0 1 4 3 0 2 3 0 4 1                               = 5 Chú ý: hàng 1 nhân cột 2 viết vào vị trí 12c số cột của A= số hàng của B §1: Ma Trận 33 32 32 3 2 1 1 2 13 5 0 1 4 3 0 2 3 0 4 1                               Ví dụ: Nhân hai ma trận sau: §1: Ma Trận -4  §1: Ma Trận Ví dụ: Tính 2 4 11 4 2 2 3 01 0 4 3 5 1                 23 33 23 Hàng 1 Cột 1 = 16 2 3 10 16 3  §1: Ma Trận  Bài tập: Tính 1 2 3 3 1 0 4 2 2 0 5 1 1 6 3                      Chú ý: - Muốn nhân A với B thì số cột của A = số hàng của B. Do đó, việc tồn tại AB không suy ra được việc tồn tại BA. -Nói chung §1: Ma Trận 1 4 1 4 5 2 5 3 1 3 1 4 0 4 19 2 10 4 1 0 25 1623                                     Ví dụ: AB BA      3 3 3 61 2 11 1 2 4 4 4 8                      Các tính chất: Ta giả sử các ma trận có cấp phù hợp để tồn tại ma trận tích §1: Ma Trận ) ( ) ( ) ) ( ) ) ( ) )          i A BC AB C ii A B C AB AC iii A B C AC BC iv AE EA A ( E là MT đơn vị)   Ví dụ: §1: Ma Trận 1 5 7 1 0 0 1 5 7 8 4 2 0 1 0 8 4 2 3 1 0 0 0 1 3 1 0 1 0 0 1 5 7 1 5 7 0 1 0 8 4 2 8 4 2 0 0 1 3 1 0 3 1 0                                                             AE A EA A  *Chú ý: - Nếu A, B là các ma trân vuông cấp n thì AB và BA tồn tại và cũng là ma trận vuông cấp n. - Kí hiệu: Am = A.AA (m ma trận A) - Đa thức của ma trận: Cho đa thức và ma trận vuông Khi đó: [ ]ij nA a 1 0 1( ) ...n nn nP x a x a x a    1 0 1( ) ...   n nn n nP A a A a A a E §1: Ma Trận  §1: Ma Trận  Bài tập: Cho và ma trận Tính f(A) =? 2( ) 3 4f x x x   1 2 3 0 3 4 0 0 2 A           §1: Ma Trận 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 0 0 0 3 4 0 3 4 3 0 3 4 4 0 1 0 0 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 1                                         2 3( ) 3 4f A A A I   0 14 26 0 14 32 0 0 6           1.4 Các phép biến đổi sơ cấp trên ma trận: 1. Nhân một số khác không với một hàng (cột) của ma trận. Ký hiệu: 2. Đổi chỗ hai hàng (cột) của ma trận. Ký hiệu: 3. Cộng vào một hàng (cột) với một hàng (cột) khác đã nhân thêm một số khác không. Ký hiệu: ( ) i ih cA B ( ) i j i jh h c cA B ( )  i j i jh h c cA B §1: Ma Trận   Ví dụ: Đưa ma trận sau về dạng ma trận hình thang. 1 1 2 0 2 1 1 3 4 5 2 1 1 7 3 2            -5 3?-1  Ta làm cho phần dưới đường chéo chính = 0. 03 14h h 9 10 -1 04 1 1h h 8 5 2  Ta lặp lại như trên cho phần ma trận này -5=-1+(-2)2 §1: Ma Trận 2 1( 2) 1 1 2 0 0              h h  §1: Ma Trận 2 1 3 1 4 1 ( 2) 4 1 1 1 2 0 1 1 2 0 2 1 1 3 0 1 5 3 4 5 2 1 0 9 10 1 1 7 3 2 0 8 5 2 h h h h h h                               1 1 2 0 0 1 5 3 0 0 0             3 29h h -35 26 0 4 28h h -35 26 4 3( 1) 1 1 2 0 0 1 5 3 0 0 35 26 0 0 0 0 h h               §1: Ma Trận  Ví dụ: Đưa ma trận sau về dạng ma trận hình thang: 0 2 1 2 1 3 3 0 5          1 2 2 1 3 0 2 1 3 0 5 h h          3 12 ( 3)h h  2 1 3 0 2 1 0        -3 1 2 1 3 0 2 1 0 0          3 22 3h h -1  §1: Ma Trận  Bài tập: Đưa ma trận sau về dạng ma trận hình thang: 3 14h h 1 2 1 0 2 3 0 5 4 1 2 0 3 0 5 7            1 2 1 0 0 0 0             2 12h h 4 13h h -1 2 5 -7 6 0 6 2 7 3 27h h 4 26h h  §1: Ma Trận 1 2 1 0 0 1 2 5 0 0 8 35 0 0 14 37             4 38 14h h 1 2 1 0 0 1 2 5 0 0 8 35 0 0 0 194            40 MỘT SỐ ĐỀ THI Câu 1. Cho ma trận và đa thức Tính . Tìm ma trận X thỏa mãn (Đề 1- K55) 2 1 5 3        A 2( ) 3 5 1  f x x x ( )f A 2 3(5 )  tA A X A Câu 2. Cho ma trận và đa thức Tính . Tìm ma trận Y thỏa mãn (Đề 2- K55) 1 3 2 7        A 2( ) 8 1  f x x x 2 3(8 )  tY A A A( )f A Câu 3. (6/2014) Tìm ma trận X thỏa mãn 1 3 2 1 1(i) X X2 4 1 2 3                     3 3 2 1 2 3(ii) X2 4 1 2 0 1                    