Ingyenes tananyagok

Lineáris algebra

Gyakorló feladatsor: mátrixok

Nyolc feladat végigvezetett megoldással: műveletek, szorzás és a nem-kommutativitás, transzponált, determináns, inverz, rang és mátrixegyenlet.

20 perc olvasás

1. Feladatok

Ehhez a feladatsorhoz a mátrixok alapjai anyaga kell. Elöl mindenhol csak a feladat áll: próbáld meg előbb magadtól, és csak utána nyisd le a megoldást. A nehézség fokozatosan nő, az utolsó két feladat pedig már több eszközt használ egyszerre.

1. feladat

Legyen A=(1231)A=\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & -1 \end{pmatrix} és B=(0124)B=\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 2 & 4 \end{pmatrix}. Számold ki: A+2BA+2B és ABA-B.

Megoldás

Az összeadás és a skalárral szorzás elemenként történik; a két mátrix mérete azonos, tehát elvégezhető.

2B=(0248)A+2B=(1477)2B=\begin{pmatrix} 0 & 2 \\ 4 & 8 \end{pmatrix}\quad\Longrightarrow\quad A+2B=\begin{pmatrix} 1 & 4 \\ 7 & 7 \end{pmatrix}
AB=(10213214)=(1115)A-B=\begin{pmatrix} 1-0 & 2-1 \\ 3-2 & -1-4 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -5 \end{pmatrix}

2. feladat

Legyen A=(1234)A=\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} és B=(0110)B=\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}. Számold ki ABAB-t és BABA-t. Mit tapasztalsz?

Megoldás

A szorzat ii-edik sorának jj-edik eleme az első mátrix ii-edik sorának és a második jj-edik oszlopának skaláris szorzata.

AB=(10+2111+2030+4131+40)=(2143)AB=\begin{pmatrix} 1\cdot0+2\cdot1 & 1\cdot1+2\cdot0 \\ 3\cdot0+4\cdot1 & 3\cdot1+4\cdot0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 4 & 3 \end{pmatrix}
BA=(01+1302+1411+0312+04)=(3412)BA=\begin{pmatrix} 0\cdot1+1\cdot3 & 0\cdot2+1\cdot4 \\ 1\cdot1+0\cdot3 & 1\cdot2+0\cdot4 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 3 & 4 \\ 1 & 2 \end{pmatrix}

ABBAAB\ne BA: a mátrixszorzás nem kommutatív. Ez a legfontosabb különbség a számokkal való szorzáshoz képest, és emiatt kell minden átalakításnál figyelni a sorrendre.

3. feladat

Legyen A=(102311)A=\begin{pmatrix} 1 & 0 & 2 \\ 3 & 1 & -1 \end{pmatrix} és B=(120140)B=\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \\ 4 & 0 \end{pmatrix}. Számold ki ABAB-t, és ellenőrizd, hogy (AB)T=BTAT(AB)^{T}=B^{T}A^{T}.

Megoldás

  1. Méretek. AA egy 2×32\times3-as, BB egy 3×23\times2-es mátrix. A belső méretek megegyeznek (3 = 3), tehát a szorzás elvégezhető, és az eredmény 2×22\times2-es lesz.
  2. AB=(1+0+82+0+03+046+1+0)=(9217)AB=\begin{pmatrix} 1+0+8 & 2+0+0 \\ 3+0-4 & 6+1+0 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 9 & 2 \\ -1 & 7 \end{pmatrix}
  3. A transzponált tehát (AB)T=(9127)(AB)^{T}=\begin{pmatrix} 9 & -1 \\ 2 & 7 \end{pmatrix}.
  4. A másik oldal: a transzponáltak fordított sorrendben szorzódnak.
    BTAT=(104210)(130121)=(9127)B^{T}A^{T}=\begin{pmatrix} 1 & 0 & 4 \\ 2 & 1 & 0 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1 & 3 \\ 0 & 1 \\ 2 & -1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 9 & -1 \\ 2 & 7 \end{pmatrix}
    A két eredmény megegyezik. Vedd észre, hogy ATBTA^{T}B^{T} el sem lenne végezhető: a méretek nem stimmelnének.

4. feladat

Számold ki az A=(3512)A=\begin{pmatrix} 3 & 5 \\ 1 & 2 \end{pmatrix} mátrix determinánsát és inverzét.

Megoldás

  1. detA=3251=10\det A=3\cdot 2-5\cdot 1=1\ne 0
    Nem nulla, tehát a mátrix invertálható.
  2. A 2×22\times2 inverz képlete: a főátlót cseréljük, a mellékátlót előjelet váltjuk, és osztunk a determinánssal.
    A1=1detA(dbca)=(2513)A^{-1}=\frac{1}{\det A}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 2 & -5 \\ -1 & 3 \end{pmatrix}
  3. Ellenőrzés — ez sosem maradhat el:
    AA1=(6515+15225+6)=(1001)A\,A^{-1}=\begin{pmatrix} 6-5 & -15+15 \\ 2-2 & -5+6 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}

5. feladat

Számold ki két módszerrel: det(213014121)\det\begin{pmatrix} 2 & 1 & 3 \\ 0 & -1 & 4 \\ 1 & 2 & 1 \end{pmatrix}.

Megoldás

  1. Sarrus-szabállyal. Három „lefelé” haladó szorzat pozitívan, három „felfelé” haladó negatívan:
    2(1)1+141+3023(1)12421012(-1)1+1\cdot4\cdot1+3\cdot0\cdot2-3(-1)1-2\cdot4\cdot2-1\cdot0\cdot1
    =2+4+0+3160=11=-2+4+0+3-16-0=-11
  2. Kifejtéssel az első sor szerint. Az előjelek váltakoznak: +,,++,-,+.
    2142110411+301122\begin{vmatrix} -1 & 4 \\ 2 & 1 \end{vmatrix}-1\begin{vmatrix} 0 & 4 \\ 1 & 1 \end{vmatrix}+3\begin{vmatrix} 0 & -1 \\ 1 & 2 \end{vmatrix}
    =2(18)1(04)+3(0+1)=18+4+3=11=2(-1-8)-1(0-4)+3(0+1)=-18+4+3=-11
  3. A két módszer ugyanazt adja. Érdemes tudni, hogy a Sarrus-szabály csak háromszor hármas determinánsra érvényes; négyszer négyestől kezdve csak a kifejtés (vagy sorműveletekkel való egyszerűsítés) marad.

6. feladat

Mely λ\lambda értékekre nem invertálható az A=(λ23λ1)A=\begin{pmatrix} \lambda & 2 \\ 3 & \lambda-1 \end{pmatrix} mátrix?

Megoldás

  1. Egy mátrix pontosan akkor nem invertálható, ha a determinánsa nulla. Írjuk fel a determinánst λ\lambda függvényeként:
    detA=λ(λ1)23=λ2λ6\det A=\lambda(\lambda-1)-2\cdot3=\lambda^{2}-\lambda-6
  2. λ2λ6=(λ3)(λ+2)=0\lambda^{2}-\lambda-6=(\lambda-3)(\lambda+2)=0
  3. Tehát λ=3\lambda=3 vagy λ=2\lambda=-2 esetén nem invertálható; a többi λ\lambda-ra igen. (Ez a feladattípus a sajátértékek felé mutat: ott is egy determináns nullává tételéből jönnek a keresett értékek.)

7. feladat

Mennyi az A=(123246111)A=\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 4 & 6 \\ 1 & 1 & 1 \end{pmatrix} mátrix rangja?

Megoldás

  1. A rang a lineárisan független sorok száma; a legegyszerűbben sorműveletekkel derül ki.
  2. A második sor az első kétszerese, tehát S22S1S_{2}-2S_{1} csupa nullát ad. A harmadikból vonjuk le az elsőt:
    (123246111)(123000012)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 4 & 6 \\ 1 & 1 & 1 \end{pmatrix}\longrightarrow\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & -1 & -2 \end{pmatrix}
  3. A nulla sort a végére téve lépcsős alakot kapunk két nemnulla sorral, tehát rang(A)=2\operatorname{rang}(A)=2.
  4. Ellenőrzés: mivel a rang kisebb 3-nál, a determinánsnak nullának kell lennie — és valóban, a második sor az első számszorosa.

8. feladat

Oldd meg az AX=BAX=B mátrixegyenletet, ahol A=(3512)A=\begin{pmatrix} 3 & 5 \\ 1 & 2 \end{pmatrix} és B=(1021)B=\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}.

Megoldás

  1. Szorozzunk balról A1A^{-1}-gyel. A sorrend itt nem mindegy: A1AX=A1BA^{-1}AX=A^{-1}B, tehát X=A1BX=A^{-1}B. Ha jobbról szoroznánk, AXA1AXA^{-1} jönne ki, amiből nem esik ki az AA.
  2. Az inverz a 4. feladatból ismert: A1=(2513)A^{-1}=\begin{pmatrix} 2 & -5 \\ -1 & 3 \end{pmatrix}.
  3. X=(2513)(1021)=(210051+60+3)=(8553)X=\begin{pmatrix} 2 & -5 \\ -1 & 3 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 2-10 & 0-5 \\ -1+6 & 0+3 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} -8 & -5 \\ 5 & 3 \end{pmatrix}
  4. Ellenőrzés:
    AX=(24+2515+158+105+6)=(1021)=BAX=\begin{pmatrix} -24+25 & -15+15 \\ -8+10 & -5+6 \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 2 & 1 \end{pmatrix}=B

Elakadtál menet közben?

Egy tananyag megmutatja, hogyan működik a dolog. Azt viszont, hogy pontosan hol csúszik el nálad, egy óra alatt derítjük ki. Foglalj egy alkalmat, vagy beszéljük meg egy ingyenes konzultáción, mire van szükséged.