1.3 ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ...

21/12/2018 Μαθηματικά (Γ Γενικού Λυκείου - Ομ. Προσ/σμού Θετικών Σπουδών / Οικονομίας & Πληροφορικής): Ηλεκτρονικό Βιβλίο

http://ebooks.edu.gr/modules/ebook/show.php/DSGL-C105/492/3195,12956/ 1/13

1.3 ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ

Ορισμός του γινομένου δύο πινάκων

Ας υποθέσουμε ότι για την κατασκευή δύο ειδών γλυκισμάτων Γ1 και Γ2 χρειαζόμαστε τα υλικά σε kgπου φαίνονται στον παρακάτω 2 x 3 πίνακα:

Έστω επίσης ότι το κόστος σε δρχ. των υλικών αυτών ανά κιλό, για τα έτη 1992 και 1993, είναι όπωςδείχνει ο παρακάτω 3 x 2 πίνακας:

Για να βρούμε το κόστος σε δραχμές των υλικών του γλυκίσματος Γ1 , πολλαπλασιάζουμε τις ποσότητεςτων υλικών με τις αντίστοιχες τιμές και προσθέτουμε τα γινόμενα αυτά. Δηλαδή το κόστος του Γ1 το1992 ήταν

1,2 • 160 + 0,6 • 170 + 0,3 • 900 = 564

Η παραπάνω διαδικασία περιγράφεται με τη βοήθεια των πινάκων ως εξής:

O πίνακας 1x1 [564] λέγεται γινόμενο της πρώτης γραμμής του Α επί την πρώτη στήλη του Β.Αναλόγως, το κόστος του Γ1 το 1993 ήταν

1,2 • 180 + 0,6 • 200 + 0,3 • 1200 = 696

Δηλαδή παριστάνεται με το γινόμενο της πρώτης γραμμής του Α επί την δεύτερη στήλη του Β

Μαθηματικά (Θετικής και Τεχνολογικής Κατεύθυνσης) - Βιβλίο Μαθητή

A1.3: ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ

http://ebooks.edu.gr/modules/ebook/show.php/DSGL-C105/492/3195,12955/


http://ebooks.edu.gr/new/course-main.php?course=DSGL-C105

http://dschool.edu.gr/

http://ebooks.edu.gr/



Ομοίως, το κόστος του Γ2 το 1992 ήταν:

1,4 • 160 + 0,8 • 170 + 0,4 • 900 = 720 ή

ενώ το 1993 ήταν:

1,4 • 180 + 0,8 • 200 + 0,4 • 1200 = 892 ή

Ο πίνακας δείχνει το κόστος των δύο γλυκισμάτων κατά τα έτη 1992 και 1993. Ο

πίνακας Γ που προκύπτει με τον πιο πάνω τρόπο λέγεται γινόμενο του πίνακα Α με τον πίνακα Β καισυμβολίζεται με A • B ή AB , δηλαδή

Γενικά έχουμε τον ακόλουθο ορισμό:

OΡΙΣΜΟΣ

Αν Α = [α ik ] είναι ένας πίνακας μ x ν και B = [β kj ] είναι ένας ν x ρ πίνακας, τότε ορίζουμε ωςγινόμενο του πίνακα Α με τον πίνακα Β και το συμβολίζουμε με A • B ή με ΑΒ τον μ x ρ πίνακα,του οποίου κάθε στοιχείο γij είναι το άθροισμα των γινομένων των ν στοιχείων της i -γραμμής του Αμε τα αντίστοιχα ν στοιχεία της j -στήλης του Β. Δηλαδή,

Σχηματικά

Για παράδειγμα, το γινόμενο βρίσκεται ως εξής:










Επομένως,

Τονίζεται ότι το γινόμενο ΑΒ ορίζεται όταν ο αριθμός των στηλών του πίνακα Α είναι ίσος με τον αριθμότων γραμμών του πίνακα Β. Σχηματικά:

Για παράδειγμα, αν

τότε, σύμφωνα με τον παραπάνω ορισμό, ορίζονται τα γινόμενα και είναι AB, BA, AΓ και είναι

ενώ δεν ορίζονται τα γινόμενα ΒΓ, ΓΒ και ΓΑ.

Ιδιότητες του πολλαπλασιασμού των πινάκων

Αν λ, μ είναι πραγματικοί αριθμοί και Α, Β είναι πίνακες, τότε ισχύουν οι παρακάτω ιδιότητες με τηνπροϋπόθεση οτι ορίζονται οι πράξεις που σημειώνονται.

Αν με Ιν συμβολίσουμε τον ν x ν διαγώνιο πίνακα του οποίου κάθε στοιχείο










της κυρίας διαγωνίου είναι ίσο με 1, τότε για κάθε τετραγωνικό ν x ν πίνακα Α ισχύει:

Α Ιν = Ιν Α = Α

O πίνακας αυτός λέγεται μοναδιαίος πίνακας.

Για παράδειγμα, οι πίνακες είναι μοναδιαίοι.

Τον πίνακα Ιν θα τον συμβολίζουμε απλούστερα με Ι, όταν είναι προφανής ο τύπος του.

Αν τώρα Α είναι ένας μ x ν πίνακας, τότε ισχύουν

Α Ιν = Α και Ιμ Α =Α .

Για παράδειγμα

Η προσεταιριστική ιδιότητα μας επιτρέπει να γράφουμε ΑΒΓ για καθένα από τα ίσα γινόμενα Α(ΒΓ),(ΑΒ)Γ. Ομοίως, αν Α, Β, Γ, Δ είναι πίνακες τέτοιοι, ώστε να ορίζονται τα γινόμενα ΑΒ, ΒΓ, ΓΔ τότεέχουμε

και μπορούμε να γράφουμε AΒΓΔ για καθένα από τα γινόμενα αυτά. Γενικά, επειδή ισχύει η προσεταιριστική ιδιότητα, μπορεί να αποδειχτεί ότι όταν πολλαπλασιάζουμε έναν

αριθμό πινάκων Α 1 , Α 2 ,......., Α ν το γινόμενο θα είναι το ίδιο κατά οποιονδήποτε τρόπο και ανεκτελεστεί ο πολλαπλασιασμός, χωρίς όμως να αλλάξει η σειρά των παραγόντων και συμβολίζεται με Α1Α 2 .....Α ν.

Αν ο Α είναι ένας τετραγωνικός πίνακας, τότε ορίζονται τα γινόμενα ΑΑ, ΑΑΑ, ΑΑΑΑ, κτλ. και τασυμβολίζουμε με μορφή δυνάμεων ως εξής: Α 2 , Α 3 , Α 4 ,...., αντιστοίχως. Ορίζουμε επίσης Α 1 = A.

Αν p, q είναι θετικοί ακέραιοι, και κ πραγματικός αριθμός, αποδεικνύεται ότι:

ΣΧΟΛΙΟ

Γνωρίζουμε ότι για τον πολλαπλασιασμό των πραγματικών αριθμών ισχύει, επιπλέον, και ηαντιμεταθετική ιδιότητα. Δηλαδή, ισχύει α • β = β • α για οποιουσδήποτε α, β ϵ R. Η ιδιότητα, όμως,αυτή δεν ισχύει για τον πολλαπλασιασμό των πινάκων, αφού υπάρχουν πίνακες A, B με AB ≠BA. Γιαπαράδειγμα, αν

τότε AB ≠BA , αφού:










ενώ

Επειδή, λοιπόν, δεν ισχύει η αντιμεταθετική ιδιότητα οι ισότητες:

δεν ισχύουν πάντοτε. Στην περίπτωση, όμως, που ΑΒ = ΒΑ οι παραπάνω ισότητες ισχύουν.

ΕΦΑΡΜΟΓH

Δίνονται οι πίνακες Να αποδειχτεί ότι:

i) Α 2 = I, B 2 = − I και Α 2 + B 2 = Ο ii) ΑΒ + ΒΑ = Ιiii) (Α + Β) 2 ≠Α 2 + B 2 + 2AB.

ΛΥΣΗ

i) Είναι

Άρα Α 2 + B 2 = Ο

ii) Είναι

Άρα ΑΒ + ΒΑ = Ι

iii) Είναι

Άρα (Α + Β) 2 ≠Α 2 + B 2 + 2AB.

Αντιστρέψιμοι πίνακες










● Γνωρίζουμε ότι για κάθε πραγματικό αριθμό α με α ≠0 υπάρχει ο αντίστροφός του,που συμβολίζεταιμε 1/α ή α −1, για τον οποίο ισχύει αα −1 = α −1α = 1 .

Είναι λογικό τώρα να ρωτήσουμε: "Αν δοθεί ένας πίνακας Α μπορούμε να βρούμε έναν πίνακα Β τέτοιονώστε να ισχύει ΑΒ = ΒΑ = Ι;"

Σύμφωνα με τον πολλαπλασιασμό που ορίσαμε μια τέτοια ερώτηση έχει νόημα μόνο αν ο Α είναι έναςτετραγωνικός πίνακας. Οδηγούμαστε έτσι στον εξής ορισμό:

OΡΙΣΜΟΣ

Έστω Α ένας τετραγωνικός πίνακας τύπου ν x ν. Αν υπάρχει τετραγωνικός πίνακας Β τύπου ν x ν,τέτοιος ώστε να ισχύει ΑΒ = ΒΑ = Ι, τότε ο Α λέγεται αντιστρέψιμος πίνακας και ο Β αντίστροφοςτου Α.

Αν ένας πίνακας Α έχει αντίστροφο, τότε αποδεικνύεται ότι αυτός είναι μοναδικός και συμβολίζεται μεΑ −1. Έτσι έχουμε:

ΑΑ −1 = Α −1Α = Ι

Για παράδειγμα, αν

τότε έχουμε:

Άρα, ο Β είναι ο αντίστροφος του Α.

● Σύμφωνα με τον παραπάνω ορισμό, ο πίνακας Β είναι αντίστροφος του Α, όταν ΑΒ = Ι και ΒΑ = Ι.Αποδεικνύεται, όμως, ότι: ΘΕΩΡΗΜΑ

Αν για δυο πίνακες ισχύει μια από τις ισότητες

ΑΒ = Ι και ΒΑ = Ι ,

τότε θα ισχύει και η άλλη.

Με βάση αυτό το θεώρημα, για να αποδείξουμε ότι ένας ν x ν πίνακας Β είναι αντίστροφος ενός ν x νπίνακα Α, αρκεί να αποδείξουμε μία μόνο από τις ισότητες ΑΒ = Ι και ΒΑ = Ι.

● Τέλος, αν ένας πίνακας Α είναι αντιστρέψιμος, τότε ισχύουν οι ισοδυναμίες:

(i) AX = B ⇔ X = Α −1 B

(ii) XA = B ⇔ X = B Α −1

Πράγματι, για την (i) έχουμε:










― Αν AX = B, τότε Α −1AX = Α −1 B, οπότε X = Α −1 B.

― Αν X =Α −1 B, τότε AX = A Α −1 B, οπότε AX = B.

Ομοίως αποδεικνύεται και η (ii).

ΣΧΟΛΙΟ

Γνωρίζουμε ότι για τον πολλαπλασιασμό των πραγματικών αριθμών ισχύει επιπλέον και η ιδιότητα: "αν α • β = 0, τότε α = 0 ή β = 0". Η ιδιότητα, όμως, αυτή δεν ισχύει για τον πολλαπλασιασμό των

πινάκων, αφού π.χ. για τους πίνακες

ισχύει

χωρίς, ωστόσο, να είναι Α = Ο ή Β = Ο. Δηλαδή:

"Μπορεί ένα γινόμενο πινάκων να ισούται με το μηδενικό πίνακα, χωρίς κανένας να είναιμηδενικός". Στην περίπτωση όμως που ισχύει ΑΒ = Ο και ο ένας από τους πίνακες είναι αντιστρέψιμος, τότε ο άλλοςείναι μηδενικός. Πράγματι, αν ο Α είναι αντιστρέψιμος, τότε έχουμε διαδοχικά:

ΑΒ = ΟΑ −1 ΑB = Α −1 Ο

ΙΒ = ΟΒ = Ο

Aντίστροφος ενός πίνακα

Έστω ένας 2 x 2 πίνακας. Θα εξετάσουμε πότε αυτός αντιστρέφεται και θα βρούμε τον

τον αντίστροφό του. Για να αντιστρέφεται ο Α, πρέπει και αρκεί να υπάρχει πίνακας τέτοιος,

ώστε να ισχύει ΑX = I ή, ισοδύναμα,

Αρκεί, επομένως, τα συστήματα ( Σ 1) και ( Σ 2) να έχουν λύση. Τα συστήματα αυτά έχουν










Επομένως:

● Aν D≠0 , τότε τα συστήματα ( Σ 1) και ( Σ 2) έχουν μοναδική λύση, οπότε ο πίνακας Α αντιστρέφεται.Η λύση του ( Σ 1) είναι το ζεύγος (x, z) με

ενώ η λύση του ( Σ 2) είναι το ζεύγος (y, ω) με

Άρα οπότε ο αντίστροφος του Α είναι ο πίνακας

● Aν D = 0 , τότε ένα τουλάχιστον από τα συστήματα ( Σ 1) και ( Σ 2) είναι αδύνατο, οπότε ο πίνακας Αδεν αντιστρέφεται. Πράγματι.

α) Αν Dx ≠0 ή Dy ≠0 ή Dz ≠0 ή Dω ≠0, τότε ένα τουλάχιστον από τα συστήματα ( Σ 1) και ( Σ 2) θα είναιαδύνατο.

β) Αν Dx = Dy = Dz = Dω = 0, τότε α = β = γ = δ = 0, οπότε και πάλι τα δύο συστήματα θα είναι αδύνατα.

Αποδείξαμε λοιπόν ότι:

Για παράδειγμα:










ΕΦΑΡΜΟΓH

Δίνονται οι πίνακες

i) Nα βρεθεί ο αντίστροφος του πίνακα Α

ii) Να λυθεί η εξίσωση ΑΧ = Β

ΛΥΣΗ

i) Για τον πίνακα Α έχουμε Άρα

ii) Επειδή ο πίνακας Α είναι αντιστρέψιμος, έχουμε:

ΑΣΚΗΣΕΙΣ

Α΄ ΟΜΑΔΑΣ

1. Nα βρείτε τα γινόμενα και σε όποιες από τις παρακάτω περιπτώσεις ορίζονται:










2. Αν

Να βρείτε τους πίνακες: i) AB ii) ΑΒ − Γ iii) ΑΒΓ .

3. Tα στοιχεία για τις αμοιβές και τον αριθμό των εργατών σε δύο οικοδομικές εταιρείες Α και Β έχουνμε μορφή πινάκων ως εξής:

Να εκφράσετε με τη βοήθεια του πολλαπλασιασμού των πινάκων το σύνολο των αμοιβών των εργατώνστις δύο εταιρείες.

4. Σε καθεμιά από τις παρακάτω περιπτώσεις να αποδείξετε ότι ο πίνακας Β είναι αντίστροφος του Α.

5. Να βρείτε τον αντίστροφο, εφόσον υπάρχει, καθενός από τους παρακάτω πίνακες:

6. i) Να βρείτε τον αντίστροφο του πίνακα

ii) Να λύσετε την εξίσωση:

B΄ ΟΜΑΔΑΣ1. Αν τότε










i) Να βρείτε τις τιμές των x, y ϵ R για τις οποίες ισχύει Α 2 = xA + yI.

ii) Να υπολογίσετε τους πίνακες Α 3 και Α 4 .

2. Αν να βρείτε τον πραγματικό αριθμό x, ώστε να ισχύει

Α 3 − 10Α − xΙ = O.

3. Να βρείτε τους πίνακες α, β ϵ R για τους οποίους ισχύει Χ 2 = I.

4. Αν να αποδείξετε ότι:

i) A 2 = I, B 2 = I ii) (A − B) 2 = O, (A + B) 2 = 4I

iii) A2 − B 2 ≠(A + B) (A − B


i) Ο πίνακας Α αντιστρέφεται και να βρείτε τον Α −1.

ii) (Α + Α −1 ) ν = 2 ν Ι, ν ϵ Ν*.

6. Αν τότε:

i) Να αποδείξετε ότι A2(x) = A(2x), B 2(x) = − A(2x)

ii) Να αποδείξετε ότι A2(x) + B 2(x) = O

iii) Να λύσετε την εξίσωση A2(x) − B 2(x) = 2I.

7. Mια βιομηχανία επίπλων κουζίνας έχει δύο εργοστάσια E1 και E2. Οι πίνακες Μ και Ν δίνουν τις ώρεςεργασίας που απαιτούνται για την κατασκευή κάθε επίπλου και τις ωριαίες αμοιβές του προσωπικού σεδραχμές αντιστοίχως.










i) Να βρείτε τον πίνακα ΜΝ και να εξηγήσετε τι εκφράζει.

ii) Ποιο είναι το κόστος εργασίας για την παραγωγή μιας καρέκλας στο εργοστάσιο E1 και ενός πάγκουστο εργοστάσιο E2 ;


i) Α 3 = Ο και γενικά Α ν = Ο, ν ≥ 3

ii) Β 2 = Ι, Β 3 = Β και γενικά

9. Δίνεται ο πίνακας

i) Να αποδείξετε ότι Α −1(x) = A(− x)

ii) Να λύσετε την εξίσωση Α (x) = I.

10. Αν

i) Να αποδείξετε ότι Α (x)Α (y) = Α (x + y)

ii) Να βρείτε τη σχέση μεταξύ των x, y ώστε ο πίνακας Α (y) να είναι αντίστροφος του Α (x).

iii) Nα βρείτε τον αντίστροφο του πίνακα

11. Αν λ ϵ R , τότε

i) Να αποδείξετε ότι Α 2 = Ι, Α 3 = Α και γενικά ότι

ii) Αν λ = 2, να βρείτε τον πίνακα Χ για τον οποίο ισχύει

iii) Να υπολογίσετε το άθροισμα Ι + Α + Α 2 +....+ Α 10.

12. Δίνεται ο πίνακας

i) Να βρείτε τον αντίστροφο του πίνακα Α










ii) Να βρείτε τον πίνακα Χ σε κάθε μια από τις παρακάτω περιπτώσεις:

13. Αν τότε

i) Να αποδείξετε ότι Α 3 = − Ι και γενικά ότι

ii) Να βρείτε τις πραγματικές τιμές του x για τις οποίες ισχύει

x 2 Α 1992 + (x + 2)1989 = O .








1.3 ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ...

Documents

Transcript of 1.3 ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ...