เครื่องคิดเลขเมทริกซ์
ในบริบททางคณิตศาสตร์เมทริกซ์เป็นอาร์เรย์สี่เหลี่ยมผืนผ้าของตัวเลขสัญลักษณ์หรือนิพจน์ที่เรียงตามแถวและคอลัมน์ เมทริกซ์มักใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์เช่นฟิสิกส์คอมพิวเตอร์กราฟิกทฤษฎีความน่าจะเป็นสถิติแคลคูลัสการวิเคราะห์เชิงตัวเลขและอื่นๆ
มิติของเมทริกซ์ aโดยปกติจะแสดงเป็น m × n. . นั่นหมายความว่า a มีค่ะ m แถว และ n คอลัมน์. เมื่ออ้างอิงค่าเฉพาะในเมทริกซ์(เรียกว่าองค์ประกอบ)ตัวแปรที่มีสองsubscriptมักใช้เพื่อระบุตําแหน่งของแต่ละองค์ประกอบในเมทริกซ์ ยกตัวอย่างเช่น aผม, เจที่ไหน i=1 และ j=3, a1 , 3 เป็นค่าขององค์ประกอบในคอลัมน์ที่สามของบรรทัดแรกของเมทริกซ์ที่กําหนด
การคํานวณเมทริกซ์เช่นการเพิ่มการคูณการลบและอื่นๆ คล้ายกับสิ่งที่คนส่วนใหญ่อาจคุ้นเคยกับคณิตศาสตร์พื้นฐานและพีชคณิตแต่ในบางแง่มุมมันแตกต่างกันและมีข้อจํากัดบางประการ ต่อไปนี้เป็นคําอธิบายของการดําเนินการเมทริกซ์ที่เครื่องคิดเลขนี้สามารถทําได้
การบวกเมทริกซ์
การบวกเมทริกซ์สามารถทําได้เฉพาะกับเมทริกซ์ที่มีขนาดเท่ากันเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าเมทริกซ์สามารถเพิ่มได้เฉพาะเมื่อทั้งสองเมทริกซ์เป็น m × n. . ตัวอย่างเช่นคุณสามารถเพิ่มสองหรือมากกว่า 3 × 3, 1 × 2, หรือ 5 × 4 เมทริกซ์. คุณไม่สามารถเพิ่ม 2 คูณ 3 และหนึ่ง 3 คูณ 2 เมทริกซ์ a 4 คูณ 4 และหนึ่ง 3 × 3เดี๋ยว. จํานวนแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ทั้งหมดที่เพิ่มต้องตรงกัน
ถ้าเมทริกซ์มีขนาดเท่ากันเมทริกซ์จะถูกดําเนินการโดยการเพิ่มองค์ประกอบที่สอดคล้องกันในเมทริกซ์ ยกตัวอย่างเช่นถ้าคุณให้เมทริกซ์สองตัว a และ บี, โดยมีธาตุ aผม, เจ, และ บีผม, เจเพิ่มเมทริกซ์โดยการเพิ่มแต่ละองค์ประกอบแล้วใส่ผลลัพธ์ลงในเมทริกซ์ใหม่, c,ตําแหน่งที่สอดคล้องกันในเมทริกซ์:
ในเมทริกซ์ข้างต้น a1 , 1 = 1; a1 , 2 = 2; บี1 , 1 = 5; บี1 , 2 = 6; เดี๋ยวก่อน. เราเพิ่มองค์ประกอบที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ cผม, เจ. . เพิ่มค่าในแถวและคอลัมน์ที่เหมาะสม:
a1 , 1 บวก1 , 1 = 1 + 5 = 6 = c1 , 1 |
a1 , 2 บวก1 , 2 = 2 + 6 = 8 = c1 , 2 |
a2,1 บวก2,1 = 3 + 7 = 10 = c2,1 |
a2 , 2 บวก2 , 2 = 4 + 8 = 12 = c2 , 2 |
ดังนั้น เมทริกซ์ c ใช่ :
การลบเมทริกซ์
การดําเนินการของการลบเมทริกซ์เป็นพื้นฐานเช่นเดียวกับการเพิ่มเมทริกซ์ข้างต้นยกเว้นว่าค่าจะลดลงแทนที่จะเพิ่ม หากจําเป็นโปรดดูข้อมูลและตัวอย่างด้านบนสําหรับคําอธิบายสัญลักษณ์ที่ใช้ในตัวอย่างต่อไปนี้ เช่นการบวกเมทริกซ์เมทริกซ์ของการดําเนินการลบต้องมีขนาดเท่ากัน ถ้าเมทริกซ์มีขนาดเท่ากันการลบเมทริกซ์จะดําเนินการโดยการลบองค์ประกอบในแถวและคอลัมน์ที่เกี่ยวข้อง:
a1 , 1 - บี1 , 1 1 - 5 = - 4 = c1 , 1 |
a1 , 2 - บี1 , 2 2 - 6 - 4 - c1 , 2 |
a2,1 - บี2,1 3 - 7 - 4 - c2,1 |
a2 , 2 - บี2 , 2 เนเธฃเธฒเธเธฐเนเธเนเธเธเธตเนเธเธธเธเนเธกเนเธกเธตเธญเธขเธนเนเนเธซเธก2 , 2 |
ดังนั้น เมทริกซ์ c ใช่ :
คูณเมทริกซ์
คูณสเกลาร์ :
เมทริกซ์สามารถคูณด้วยค่าสเกลาร์ได้โดยการคูณแต่ละองค์ประกอบในเมทริกซ์ด้วยสเกลาร์ ตัวอย่างเช่นถ้าเราให้เมทริกซ์ a และสเกลาร์ c:
ผลิตภัณฑ์ของมัน c และ a ใช่ :
เมทริกซ์-คูณเมทริกซ์:
คูณสอง(หรือมากกว่า)เมทริกซ์มีความซับซ้อนมากกว่าการคูณสเกลาร์ ในการคูณสองเมทริกซ์จํานวนคอลัมน์ในเมทริกซ์แรกต้องตรงกับจํานวนแถวในเมทริกซ์ที่สอง ตัวอย่างเช่นคุณสามารถใช้ 2 × 3 เมทริกซ์คูณ a 3 คูณ 4 เมทริกซ์ แต่ไม่ใช่ 2 × 3 เมทริกซ์คูณ a สี่ คูณ 3. .
สามารถคูณได้:
a = | |
a1 , 1 | a1 , 2 | a1 , 3 |
a2,1 | a2 , 2 | aสอง สาม |
| |
---|
|
; บี = | |
บี1 , 1 | บี1 , 2 | บี1 , 3 | บี1 , 4 |
บี2,1 | บี2 , 2 | บีสอง สาม | บี2, 4 |
บี3,1 | บี3,2 | บี3,3 | บี3,4 |
| |
---|
|
ไม่สามารถคูณได้ :
a = | |
a1 , 1 | a1 , 2 | a1 , 3 |
a2,1 | a2 , 2 | aสอง สาม |
| |
---|
|
; บี = | |
บี1 , 1 | บี1 , 2 | บี1 , 3 |
บี2,1 | บี2 , 2 | บีสอง สาม |
บี3,1 | บี3,2 | บี3,3 |
บี4,1 | บี4,2 | บี4,3 |
| |
---|
|
โปรดสังเกตว่าเมื่อเมทริกซ์ถูกคูณ a × b ไม่จําเป็นต้องเท่ากับ b × a. . ในความเป็นจริงเพียงเพราะว่า a สามารถคูณได้ บี ไม่ได้หมายความว่า บี สามารถคูณได้ a. .
ถ้าขนาดเมทริกซ์ถูกต้องและสามารถคูณได้เมทริกซ์จะถูกคูณโดยการดําเนินการผลิตภัณฑ์จุด ผลิตภัณฑ์จุดรวมถึงการคูณองค์ประกอบที่สอดคล้องกันในแถวของเมทริกซ์แรกด้วยองค์ประกอบที่สอดคล้องกันในคอลัมน์ของเมทริกซ์ที่สองจากนั้นผลลัพธ์จะรวมเพื่อให้ได้ค่า ผลิตภัณฑ์จุดสามารถดําเนินการได้เฉพาะในลําดับความยาวเท่ากันเท่านั้น นี่คือเหตุผลที่จํานวนคอลัมน์ของเมทริกซ์แรกต้องตรงกับจํานวนแถวของเมทริกซ์ที่สอง
จุดจะกลายเป็นค่าในแถวและคอลัมน์ที่สอดคล้องกันของเมทริกซ์ใหม่ c. . ตัวอย่างเช่นจากเมทริกซ์ที่คูณได้ข้างต้นบรรทัดสีฟ้าใน a คูณคอลัมน์สีน้ําเงิน บี กําหนดค่าในคอลัมน์แรกของบรรทัดแรกของเมทริกซ์ c. . นี้เรียกว่าผลิตภัณฑ์จุดในบรรทัดที่1 a คอลัมน์ที่ 1 ของ บี:
a1 , 1× บี1 , 1 +a1 , 2× บี2,1 +a1 , 3× บี3,1 ค=1 , 1
ดําเนินการผลิตภัณฑ์จุดบนแต่ละบรรทัด a ทุกคอลัมน์ บี จนกว่าการรวมกันทั้งหมดของทั้งสองจะเสร็จสมบูรณ์ เพื่อที่จะหาค่าขององค์ประกอบที่สอดคล้องกันในเมทริกซ์ c. . ตัวอย่างเช่นเมื่อคุณดําเนินการจุดในบรรทัดที่1 a คอลัมน์ที่ 1 ของ บี, ผลลัพธ์จะเป็น c1 , 1 เมทริกซ์ c. . ผลิตภัณฑ์จุดในบรรทัดที่1 a และคอลัมน์ที่ 2 บี จะเป็น c1 , 2 เมทริกซ์ cและอื่น ๆ ดังที่แสดงในตัวอย่างต่อไปนี้ :
a = | | ; บี = | |
5 | 6 | หนึ่ง | หนึ่ง |
เจ็ด | 8 | หนึ่ง | หนึ่ง |
หนึ่ง | หนึ่ง | หนึ่ง | หนึ่ง |
| |
---|
|
ในกรณีนี้เมื่อสองเมทริกซ์ถูกคูณจํานวนแถวของเมทริกซ์ผลลัพธ์จะเท่ากับจํานวนแถวของเมทริกซ์แรก aและจํานวนคอลัมน์เดียวกันกับเมทริกซ์ที่สอง, บี. . เพราะว่า a ใช่ 2 ค่ะ 3 และ บี ใช่ 3 ค่ะ สี่, c จะเป็นหนึ่งใน 2 ค่ะ สี่ เมทริกซ์. สีที่นี่ช่วยในการกําหนดว่าทั้งสองเมทริกซ์สามารถคูณได้และประการที่สองช่วยในการกําหนดมิติของเมทริกซ์ผลลัพธ์ ต่อไปเราสามารถกําหนดค่าองค์ประกอบได้ c โดยการดําเนินการผลิตภัณฑ์จุดต่อแถวและแต่ละคอลัมน์ดังนี้:
จุดต่อแถวและแต่ละคอลัมน์คํานวณได้ดังนี้ c แสดงเป็น :
c1 , 1 = 1 × 5 + 2 × 7 + 1 × 1 = 20 |
c1 , 2 = 1 × 6 + 2 × 8 + 1 × 1 = 23 |
c1 , 3 = 1 × 1 + 2 × 1 + 1 × 1 = 4 |
c1 , 4 = 1 × 1 + 2 × 1 + 1 × 1 = 4 |
c2,1 3 × 5 + 4 × 7 + 1 × 1 = 44 |
c2 , 2 = 3 × 6 + 4 × 8 + 1 × 1 = 51 |
cสอง สาม = 3 × 1 + 4 × 1 + 1 × 1 = 8 |
c2, 4 = 3 × 1 + 4 × 1 + 1 × 1 = 8 |
เอนโทรปีของเมทริกซ์
สําหรับเครื่องคิดเลขนี้"เอนโทรปีของเมทริกซ์"หมายถึงเอนโทรปีของเมทริกซ์ที่กําหนด ตัวอย่างเช่นเมื่อใช้เครื่องคิดเลข"เอนโทรปี2"ของเมทริกซ์ที่กําหนด aซึ่งหมายความว่า a2. . นอกเหนือจากกฎการคูณของเมทริกซ์แล้วฟังก์ชันของดัชนีเมทริกซ์จะเหมือนกับฟังก์ชันปกติของคณิตศาสตร์ดังนั้นเฉพาะเมทริกซ์สี่เหลี่ยม(เมทริกซ์ที่มีจํานวนแถวและคอลัมน์เดียวกัน)สามารถยกระดับเป็นเอนโทรปีได้ นี่เป็นเพราะเมทริกซ์ที่ไม่ใช่สี่เหลี่ยม aไม่สามารถคูณตัวเองได้ a × aในกรณีนี้ไม่สามารถคํานวณได้ หากจําเป็นโปรดดูที่ส่วนการคูณเมทริกซ์เพื่อทบทวนวิธีการคูณเมทริกซ์ ในมุมมอง :
a เอ็นโทรปีของ 2 คือ:
เช่นเดียวกับดัชนีในบริบททางคณิตศาสตร์อื่นๆ a3, จะเท่ากับ a × a × a, aสี่ จะเท่ากับ a × a × a × aและอื่นๆ.
การเปลี่ยนเมทริกซ์
การเปลี่ยนเมทริกซ์(โดยปกติจะแสดงเป็น" t "เป็นดัชนี)เป็นการดําเนินการที่พลิกเมทริกซ์ไปตามทแยงมุมของเมทริกซ์ ซึ่งจะนําไปสู่การแลกเปลี่ยนดัชนีแถวและคอลัมน์ของเมทริกซ์ซึ่งหมายความว่า aภายในคอ ในเมทริกซ์ a, กลายเป็น aไวประสาท(ย่อมาจากจิตเตอร์รี่) อยู่ aที. . หากจําเป็นโปรดดูคําอธิบายด้านบนของสัญลักษณ์ที่ใช้
หนึ่ง; หนึ่ง m × n เมทริกซ์, โอนดังนั้นจึงจะกลายเป็น n × m เมทริกซ์ดังแสดงในตัวอย่างต่อไปนี้:
คอลัมน์ของเมทริกซ์
ค่าของเมทริกซ์คือค่าที่สามารถคํานวณได้จากองค์ประกอบของเมทริกซ์ ใช้สําหรับพีชคณิตเชิงเส้นแคลคูลัสและเนื้อหาทางคณิตศาสตร์อื่นๆ ตัวอย่างเช่นคอลัมน์สามารถใช้เพื่อคํานวณเมทริกซ์ผกผันของเมทริกซ์หรือแก้สมการเชิงเส้น
มีหลายวิธีและสูตรในการคํานวณเมทริกซ์ สูตรLeibnizและสูตรlaplaceเป็นสูตรที่ใช้กันทั่วไปสองสูตร
คอลัมน์ของเมทริกซ์2×2 :
คอลัมน์ของ a 2 คูณ 2 เมทริกซ์สามารถคํานวณได้โดยใช้สูตรleibnizซึ่งเกี่ยวข้องกับคณิตศาสตร์พื้นฐานบางอย่าง เมทริกซ์ที่กําหนด a:
ของการจัดอันดับ a ใช้สูตรของLeibnizคือ:
|a|= | | =คริสต์ศักราช - ก่อนคริสต์ศักราช |
โปรดทราบว่าการจัดเรียงแถวมักจะแสดงด้วย"| | "รอบๆเมทริกซ์ที่กําหนด ในมุมมอง :
|a|= | | = | 2 × 8 - 4 × 6 | = | 8 - 8 |
คอลัมน์ของเมทริกซ์ 3 × 3 :
วิธีหนึ่งในการคํานวณคอลัมน์คือ 3 × 3 เมทริกซ์ได้จากการใช้สูตรlaplace สูตรlaplaceและสูตรleibnizสามารถแสดงเป็นทางคณิตศาสตร์แต่เกี่ยวข้องกับการใช้สัญลักษณ์และแนวคิดและไม่ได้กล่าวถึงที่นี่ ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของวิธีการคํานวณการจัดเรียงของaโดยใช้สูตรlaplace 3 × 3 เมทริกซ์
จากจุดนี้ เราสามารถคํานวณ a โดยใช้สูตร leibniz 2 คูณ 2 เมทริกซ์คํานวณการจัดเรียงของเมทริกซ์2×2เนื่องจากการคูณแบบสเกลาร์ของเมทริกซ์เป็นเพียงการคูณค่าทั้งหมดของเมทริกซ์ด้วยสเกลาร์เราสามารถ 2 คูณ 2 โดยสเกลาร์แสดงดังนี้:
|a|= | |
= |
a ( ei-fh ) - b ( di-fg ) + c ( dh-eg )
|
นี้สามารถทําให้ง่ายขึ้น:
|a|= aei+bfg+cdh-ceg-bdi-afh
นี่คือสูตร leibniz ของ a 3 × 3 เมทริกซ์.
เมทริกซ์4×4และเมทริกซ์ที่สูงขึ้น:
คอลัมน์ของ a 4 คูณ 4 เมทริกซ์และวิธีการคํานวณขั้นสูงและ 3 × 3ใช้สูตรlaplaceหรือสูตรleibniz เช่นเดียวกับตัวอย่างข้างต้น 3 × 3 เมทริกซ์คุณอาจสังเกตเห็นรูปแบบที่ช่วยให้คุณสามารถ"ลดความซับซ้อน"ของเมทริกซ์ที่กําหนดลงในคูณสเกลาร์ของเมทริกซ์มิติที่ลดลงนั่นคือ 4 คูณ 4 ลดลงเป็นชุดของสเกลาร์คูณ 3 × 3 เมทริกซ์ซึ่งแต่ละคู่ตามมา สเกลาร์×เมทริกซ์ที่เรียบง่าย สัญลักษณ์บวกและลบเปลี่ยน(เช่นสัญลักษณ์บวกและลบเพิ่มหรือลบ)
กระบวนการนี้รวมถึงการวนรอบแต่ละองค์ประกอบในบรรทัดแรกของเมทริกซ์ ในที่สุดเราจะได้รับนิพจน์ที่แต่ละองค์ประกอบในบรรทัดแรกจะถูกคูณด้วยเมทริกซ์มิติต่ํา(ต่ํากว่าเมทริกซ์ต้นฉบับ) องค์ประกอบของเมทริกซ์มิติต่ําจะถูกกําหนดโดยการป้องกันแถวและคอลัมน์ที่scalarที่เลือกและส่วนที่เหลือเป็นเมทริกซ์มิติต่ํา โปรดดูตัวอย่างด้านล่างเพื่ออธิบาย
ที่นี่เราเลือกองค์ประกอบก่อน a. . องค์ประกอบสีฟ้าคือสเกลาร์ aและจะเป็น 3 × 3 เราจําเป็นต้องหาชุดของเมทริกซ์:
|a|= |
a | บี | c | d |
e | f | จี | h |
ผมเหรอ | j | k | l |
m | n | o | พี |
|
= |
|
ต่อไปเราเลือกธาตุ บี:
a | บี | c | d |
e | f | จี | h |
ผมเหรอ | j | k | l |
m | n | o | พี |
| & rarr |
|
ดําเนินการต่อในลักษณะเดียวกันกับองค์ประกอบ c และ d, และสลับสัญลักษณ์ ( - + - ... ) แต่ละคํา :
|a|= |
a | บี | c | d |
e | f | จี | h |
ผมเหรอ | j | k | l |
m | n | o | พี |
|
|
|
เราจะดําเนินกระบวนการนี้ต่อไป 3 × 3 เมทริกซ์(ดังที่แสดงข้างต้น)จนกว่าเราจะลดลง 4 คูณ 4 เมทริกซ์แปลงเป็นสเกลาร์คูณด้วย 2 คูณ 2 เมทริกซ์ซึ่งเราสามารถคํานวณสูตรคอลัมน์โดยใช้สูตรLeibniz อย่างที่เห็น มันกลายเป็นเรื่องน่าเบื่ออย่างรวดเร็ว แต่นี่เป็นชนิดที่สามารถใช้ n × n เมื่อคุณเข้าใจรูปแบบ มีวิธีอื่นๆในการคํานวณการจัดเรียงของเมทริกซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นแต่ต้องเข้าใจแนวคิดและสัญลักษณ์ทางคณิตศาสตร์อื่นๆ
การกลับค่าของเมทริกซ์
เมทริกซ์ผกผัน a แสดงเป็น a-1ที่ไหน a-1 ใช่คําตรงกันข้าม a ถ ้ าต ่ อไปนี ้ เป ็ นจริง :
a × a-1 a=-1× a = i ซึ่ง ผมเหรอ เป็นเมทริกซ์หน่วย
รูปแบบการแสดงตัว :
เมทริกซ์หน่วยเป็นเมทริกซ์สี่เหลี่ยมจัตุรัสที่มี"1"บนเส้นทแยงมุมและ"0"ที่อื่นๆ เมทริกซ์หน่วยเป็นเมทริกซ์ที่เทียบเท่ากับตัวเลข"1" ตัวอย่างเช่น ตัวเลข 1 คูณด้วยตัวเลขใด ๆ n เท่ากับ n. . เช่นเดียวกับเมทริกซ์หน่วยคูณด้วยเมทริกซ์ขนาดเดียวกัน: a × i = a. . โปรดทราบว่าเมทริกซ์หน่วยสามารถมีมิติที่สองได้ ตัวอย่างเช่นเมทริกซ์ทั้งหมดด้านล่างเป็นเมทริกซ์หน่วย จากซ้ายไปขวา 2 คูณ 2, 3 × 3, และ 4 คูณ 4 รูปแบบการแสดงตัว :
| ; | | ; | |
หนึ่ง | 0 | 0 | 0 |
0 | หนึ่ง | 0 | 0 |
0 | 0 | หนึ่ง | 0 |
0 | 0 | 0 | หนึ่ง |
| |
---|
| . . . |
นี่ n × n ดังนั้นเมทริกซ์หน่วยคือ:
ผมเหรอn = | |
หนึ่ง | 0 | 0 | . . . | 0 |
0 | หนึ่ง | 0 | . . . | 0 |
0 | 0 | หนึ่ง | . . . | 0 |
. . . | . . . | . . . | . . . | . . . |
0 | 0 | 0 | . . . | หนึ่ง |
| |
---|
|
เมทริกซ์ผกผันของ 2 × 2 เมทริกซ์ :
กลับค่า 2 คูณ 2 เมทริกซ์คุณสามารถใช้สมการต่อไปนี้:
a-1 = | |
= |
|
= |
หนึ่ง | | | | คริสตกาล - ก่อนคริสตกาล |
|
ตัวอย่างเช่นสมมติว่า:
ถ้าคุณจะทดสอบสิ่งนี้จริงๆแล้ว a คุณจะพบทั้งสองอย่าง:
เทียบเท่ากับหน่วยเมทริกซ์:
เมทริกซ์ผกผันของ 3 × 3 เมทริกซ์ :
นับถอยหลังของ a 3 × 3 เมทริกซ์ซับซ้อนในการคํานวณ มีสูตรการคํานวณด้านล่างแต่จะไม่คํานวณ ในมุมมอง :
ในกรณีนี้ :
a= ei-fh; บี=- (ดิ-เอฟจี); cdh-eg
d=- (ไบ-ช์): e= ai-cg; f=- (อา-บีจี)
gbf - ce; h=- (เอฟ-ซีดี); ผมเหรอae - bd
4 คูณ 4 มีความซับซ้อนมากขึ้น มีวิธีอื่น ๆ ที่จะคํานวณพวกเขา.