2. 2
2. การเทากัน , การบวก และการทรานสโพสของเมทริกซ
บทนิยามที่ 2.1 กําหนดให A = (a i j ) m × n และ B = (b i j )p × q
เราจะกลาววา A = B ก็ตอเมื่อ m = p และ n = q (มิติเทากัน) และ
a i j = b i j สําหรับทุกๆ i = 1 , 2 , … , m และ
j = 1 , 2 , … , n
ตัวอยางเชน
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 11
21
≠ ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 011
021
เพราะวามิติไมเทากัน
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 11
21
≠ ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 11
31
เพราะวาสมาชิกในแถวที่ 1 หลักที่ 2 ของเมทริกซทั้งสองไมเทากัน เปนตน
บทนิยามที่ 2.2 กําหนดให A = (a i j ) m × n และ B = (b i j ) m × n
เราจะไดวา A + B = (a i j + b i j ) m × n
ขอใหนักเรียนลองพิจารณาตัวอยางตอไปนี้
ตัวอยางที่ 2.1 กําหนดให
A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 101
321
และ B = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 431
012
จงหา A + B
ขอสังเกต 1. เมทริกซสองเมทริกซจะบวกกันได ก็ตอเมื่อมีขนาดเทากัน
2. กําหนดให A , B และ C เปนเมทริกซที่มีขนาดเดียวกัน
เราจะได A + (B + C) = (A + B) + C
ตัวอยางที่ 2.2 กําหนดให A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
13
21
และ B = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
121
100
เราจะเห็นไดวา A ไมสามารถบวกกับ B ได เพราะวาเปนเมทริกซคนละขนาดกัน
ตัวอยางที่ 2.3 กําหนดให
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
210
yx1
+ ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ +−
233
yxx21
= ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
443
312
จงหาคา x และ y
ตัวอยางที่ 2.4 กําหนดให
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
211
0yx3
+ ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
011
2xy
= ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
222
221
จงหาคา x และ y
บทนิยามที่ 2.3 กําหนดใหA = (a i j ) m × n แลว
ทรานสโพส ของ A คือ n × m เมทริกซที่มีหลักที่ i เหมือนกับแถวที่ i ของเมทริกซ A เมื่อ
i = 1 , 2 , … , m เราใชสัญลักษณ At
แทนทรานสโพสของ A นั่นคือ
At
= (a j i ) n × m
3. 3
ตัวอยางเชน ถา
A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
654
321
เราไดวา
At
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
63
52
41
(เราจะเห็นไดวา หลักที่ 1 ของ A เหมือนกับแถวที่ 1 ของ At
หลักที่ 2 ของ A เหมือนกับแถวที่ 2 ของ At
หลักที่ 3 ของ A เหมือนกับแถวที่ 3 ของ At
)
ทฤษฎีบทที่ 2.1 สําหรับเมทริกซ A ใดๆ เราจะไดวา (At
)t
= A
3. การคูณเมทริกซดวยจํานวนจริงและการคูณเมทริกซดวยเมทริกซ
บทนิยามที่ 3.1 ถา A = [a i j ] และ c เปนจํานวนจริง แลว
cA = [ca i j ]
ตัวอยางเชน ถา
A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
132
101
เราจะไดวา
–3A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−−
−−−−
)1(3)3(3)2(3
)1(3)0(3)1(3
= ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−−−
−
396
303
และ 2A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
)1(2)3(2)2(2
)1(2)0(2)1(2
= ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
264
202
เปนตน
ตัวอยางที่ 3.1 กําหนดให
A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
401
151
, B = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 501
723
, C = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 042
831
จากสมการ 2A + D – 2B = C จงหาเมทริกซ D
ตัวอยางที่ 3.2 จงหาคา A จากสมการตอไปนี้
1. 3A + 5 ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 02
12
= ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
98
47
2. A – ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
60
24
= 3 ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 43
21
3.
t
60
24
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
– ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
01
10
= ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
31
22
+ A
บทนิยามที่ 3.2 การคูณเมทริกซดวยเมทริกซ
กําหนดให A = (a i j ) m × n และ B = (b i j ) n × r
ผลคูณ AB คือ
AB = (c i j ) m × r
โดยที่ c i j = a i 1 b 1 j + … + a i n b n j
7. 7
4.5 เมทริกซสมมาตร (symmetry matrix) คือเมทริกซที่มีสมาชิกแถวที่ i หลักที่ j เหมือนกับสมาชิกแถวที่ j หลักที่ i
ตัวอยางเชน
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
381
820
101
ทฤษฎีบทที่ 3.1 กําหนดให A , B , C เปนเมทริกซขนาด n × m และ 0 เปนเมทริกซศูนยขนาด n × m เราจะไดวา
(3.1.1) A + B เปนเมทริกซขนาด n × m
(3.1.2) A + (B + C) = (A + B) + C
(3.1.3) A + 0 = A = 0 + A
(3.1.4) A + (– A) = 0 = (– A) + A
(3.1.5) A + B = B + A
จากทฤษฎีบทที่ 3.1 ขอ (3.1.1) – (3.1.4) ทําใหทราบวาเซตของเมทริกซขนาด n × m กับการบวกเมทริกซ เปนกรุป (group)
โดยมี 0 เปนเอกลักษณการบวก และเมื่อรวมกับคุณสมบัติ ขอ (3.1.5) แลว จะไดวา กรุปนี้เปนกรุปสลับที่ (abelian group)
ทฤษฎีบทที่ 3.2 กําหนดให A , B , C เปนเมทริกซขนาด n × n แลว
(3.2.1) A(BC) = (AB)C
(3.2.2) A(B + C) = AB + AC
(3.2.3) AIn = A = InA
(3.2.4) (AB)t
= Bt
At
และ (ABC)t
= Ct
Bt
At
จากทฤษฎีบทที่ 3.2 ขอ (3.2.1) – (3.2.3) ทําใหเราทราบวา เซตของเมทริกซไมเอกฐานขนาด n × n กับการคูณเมทริกซนั้น
เปนกรุปที่มี In เปนเอกลักษณการคูณ
แบบฝกหัดที่ 2
กําหนดให A , B และ C เปนเมทริกซขนาด 2 × 2 ขอความตอไปนี้ถูกหรือผิด
…………… 1) ถา AB = AC แลว B = C
…………… 2) ถา AB = AC และ A ≠ 0 แลว B = C
…………… 3) (A + B)2
= A2
+ 2AB + B2
…………… 4) ถา AB = 0 แลว A = 0 หรือ B = 0
…………… 5) ถา AA = 0 แลว A = 0
…………… 6) ถา A ≠ 0 และ B ≠ 0 แลว AB ≠ 0
…………… 7) ถา A + B = A + C แลว B = C
…………… 8) ถา A ≠ 0 , B ≠ 0 แลวจะหาเมทริกซ X ซึ่ง AX = B ได
…………… 9) ถา AA ≠ 0 แลว A ≠ 0
…………… 10) ถา k เปนจํานวนจริงใดๆ (kA)t
= kAt
8. 8
4. ดีเทอรมินันต (Determinant)
บทนิยามที่ 4.1 ถา A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
2221
1211
aa
aa
เปนเมทริกซจัตุรัสขนาด 2 × 2 แลว
เรานิยาม ดีเทอรมินันตของ A คือ a11a22 – a21a12 และเราจะใชสัญลักษณ
det (A) , | A | หรือ
2221
1211
aa
aa
แทนดีเทอรมินันตของ A
ตัวอยางที่ 4.1 ให A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡−
12
43
และ B = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ −
30
14
จงหา det(A) และ det(B)
วิธีทํา det (A) = (– 3) (1) – (4) (2) = – 11
det (B) = (4) (3) – (0) (– 1) = 12
บทนิยามที่ 4.2 กําหนดเมทริกซ A = ( a i j )n × n ซึ่ง n > 2 เราจะนิยาม
ไมเนอรของ a i j ดวยดีเทอรมินันตของเมทริกซที่ไดจากการตัดแถวที่ i และหลักที่ j ของเมทริกซ A ออก
เขียนแทนไมเนอรของ a i j ดวย M i j (A)
ตัวอยางที่ 4.2 กําหนดให
A =
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
321
110
213
จงหา M32(A) และ M12(A)
บทนิยามที่ 4.3 กําหนดให A = (a i j) โดยที่ n > 2 เรานิยามโคแฟคเตอรของ a i j คือ (– 1)i+j
M i j(A)
เราใชสัญลักษณ c i j(A) แทนโดยแฟคเตอรของ a i j นั่นคือ
c i j(A) = (– 1)i+j
M i j(A)
ตัวอยางที่ 4.3
ให a , b , c เปนจํานวนจริง และ A =
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
11c
11b
01a
ให C i j(A) คือโคแฟคเตอรของสมาชิกในตําแหนงแถวที่ i หลักที่ j ของ A
ถา C12(A) = 1 และ det (A) = – 5 แลว a เทากับคาในขอใดตอไปนี้
1. – 5 2. – 1 3. 2 4. 3
ตัวอยางที่ 4.4
กําหนดให A =
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−−
−
1yx
083
4yx
โดยที่โคแฟคเตอรของ a21 = – 6 , โคแฟคเตอรของ a23 = 4
แลวโคแฟคเตอรของ a32 มีคาเทากับขอใดตอไปนี้
1. – 14 2. – 13 3. 13 4. 14
10. 10
ตัวอยางที่ 4.8
ให R เปนเซตของจํานวนจริง และ f : R → R กําหนดโดย
f(x) = det
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡ −
−
x3log
x53log
1x
x
เซตคําตอบของสมการ f(x) = 0 เปนสับเซตของเซตในขอใดตอไปนี้
1. [0 , 1] 2. {0} ∪ (1 , ∞)
3. [– 1 , 0] 4. (– ∞ , – 1) ∪ {0}
ตัวอยางที่ 4.9
สําหรับจํานวนจริง x ใดๆ ให Ax เปนเมทริกซ กําหนดโดย
Ax =
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
xcosxcos2
xsin2xsin2
2
2
ถา S = { x | – 2π ≤ x ≤ 2π และ Ax เปนซิงกูลารเมทริกซ}
แลว S จะมีจํานวนสมาชิกกี่ตัว
ตัวอยางที่ 4.10 จงหาจํานวนเต็มบวก x ทั้งหมดที่ทําให เมทริกซ ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
x1
xx
มีคาดีเทอรมินันตไมเกิน 30
ทฤษฎีบทที่ 4.2 ทฤษฎีบทเกี่ยวกับดีเทอรมินันตที่ควรทราบ มีดังนี้
ถา A = [ a i j ] โดยที่ a i j ∈ R และ n เปนจํานวนเต็มที่มากกวา 2 แลว
(สําหรับขอ 4.2.3 – 4.2.7 ใชไดในกรณีที่ n = 2 ดวย)
(4.2.1) det (A) = a i 1 C i 1 (A) + a i 2 C i 2 (A) + … + a i n C i n (A)
(4.2.2) det (A) = a 1 j C 1 j (A) + a 2 j C 2 j(A) + … + a n j C n j (A)
(4.2.3) ถา A มีสมาชิกในแถวใดแถวหนึ่ง (หรือหลักใดหลักหนึ่ง) เปนศูนยทุกตัวแลว det (A) = 0
(4.2.4) ถาสลับที่กันระหวางแถว สองแถวใดๆ (หรือหลัก สองหลักใดๆ) ของ A แลว ดีเทอรมินันตของ
เมทริกซใหมคือ – det (A)
(4.2.5) ถา A มีสมาชิกสองแถว (หรือสองหลักใด) เหมือนกันแลว det (A) = 0
(4.2.6) ถาคูณสมาชิกทุกตัวในแถวใดแถวหนึ่ง (หรือหลักใดหลักหนึ่ง) ของ A ดวยคาคงตัว c แลว
ดีเทอรมินันตของเมทริกซใหม คือ c det (A)
(4.2.7) ถาเปลี่ยนแถวใดแถวหนึ่ง (หรือหลักใดหลักหนึ่ง) ของ A โดยใชคาคงตัวที่ไมใชศูนยคูณสมาชิก
ทุกตัวในแถวใดแถวหนึ่ง (หรือหลักใดหลักหนึ่ง) ของ A แลวนําไปบวกกับสมาชิกในแถว (หรือหลัก)
ที่ตองการเปลี่ยนนั้นโดยบวกสมาชิกในลําดับเดียวกันเขาดวยกัน แลวใชผลบวกแทนที่สมาชิกเดิม
แลวดีเทอรมินันตของเมทริกซใหมจะเทากับ det (A)
11. 11
ทฤษฎีบทที่ 4.3 ถา A = ( a i j ) , B = ( b i j ) เมื่อ n ≥ 2 แลว
(4.3.1) det (A) = det (At
)
(4.3.2) det (AB) = det(A) det (B) ดังนั้น det (An
) = (det A)n
(4.3.3) det (cA) = cn
det (A)
(4.3.4) det (In) = 1
แบบฝกหัด
1. กําหนดให A และ B เปน 2 × 2 เมทริกซใดๆ ขอใดตอไปนี้ถูก
1. ถา det (A) = det (B) แลว A = B 2. det (A2
) = 2 det (A)
3. det ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
2
A
=
2
1
det(A) 4. det(AB) = det(B) det(A)
2. ให A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−12
31
และ B = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
− 21
y4
ถา det (AB + B) = 84 แลว y มีคาเทากับเทาใด
3. ถา A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
13
31
แลว det(–2A3
At
(A + At
) ) เทากับขอใดตอไปนี้
1. 768 2. – 768 3. 384 4. – 384
4. ให A เปนเมทริกซจัตุรัสมิติ 4 × 4 และ Mij(A) คือไมเนอรของ aij
ถา M23(A) = 5 แลว M32(2At
) เทากับขอใดตอไปนี้
1. 10 2. 20 3. 40 4. 80
5. กําหนดให A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
x3cosx2cos
x3sinx2sin
โดยที่ x ∈ [–
2
π
,
2
π
]
จงหาคา x ที่ทําให
det (A2
) + det (– A) + det (2I) = 6
6. ถา A = [ ] nnija
×
เมื่อ aij เปนจํานวนจริง และ n เปนจํานวนเต็มที่มากกวา 1 แลว
ขอความตอไปนี้ ขอใดผิด
1. det(AAt
) = det(A2
)
2. det(kA)2
= k2n
det(A2
) เมื่อ k เปนจํานวนจริง
3. det(A2
+ A) = [det(A) + 1]det(A)
4. [det(A)] I = A(adjA) = (adj A)A
5. การหาอินเวอรสการคูณของเมทริกซ
ทฤษฎีบทที่ 5.1 ถา A = (a i j ) เมื่อ n > 1 แลว
A เปนเมทริกซเอกฐาน (ไมมีอินเวอรสการคูณ) ก็ตอเมื่อ det (A) = 0
A เปนเมทริกซซึ่งไมเอกฐาน (มีอินเวอรสการคูณ) ก็ตอเมื่อ det (A) ≠ 0
12. 12
บทนิยามที่ 5.1 ถา A = ( a i j ) เมื่อ n > 1 แลว
เมทริกซผูกพัน (adjoint matrix) ของ A คือทรานสโพสของเมตริกซ ( C i j (A) )
เราจะใชสัญลักษณ adj A แทนเมทริกซผูกพันของ A ดังนั้น
adj A = ( C i j (A) )t
เมื่อ C i j (A) คือ โคแฟคเตอรของ a i j
(ดูตัวอยางการหา adj A ไดจากตัวอยางที่ 5.2)
ทฤษฎีบทที่ 5.2 ถา A = ( a i j ) เมื่อ n > 1 แลว
A–1
=
)Adet(
1
adj A
เมื่อ det (A) ≠ 0 และ A–1
คืออินเวอรสการคูณของ A
ขอสังเกต เมทริกซจัตุรัส A ที่จะมีอินเวอรสการคูณไดนั้นจําเปนที่คาดีเทอรมินันตตองไมเทากับศูนย
ทฤษฎีบทที่ 5.3 ถา A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
dc
ba
และ det (A) ≠ 0
A–1
= ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
− ac
bd
bcad
1
ตัวอยางที่ 5.1 กําหนดให A = ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
43
21
จงหา A–1
ตัวอยางที่ 5.2 กําหนดให A =
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
210
210
321
จงหา A–1
(ถามี)
แบบฝกหัด
1. ให M =
⎭
⎬
⎫
≠≠⎪⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
0b,0a
b,a
0b
a0
และ
ริงเปนจํานวนจ
สําหรับเมทริกซ A , B ใดๆ ใน M ขอใดตอไปนี้เปนจริง
1. A–1
∈ M และ At
B ∈ M
2. A–1
∈ M และ At
B ∉ M
3. A–1
∉ M และ At
B ∈ M
4. A–1
∉ M และ At
B ∉ M
2. กําหนดให A =
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
012
010
321
และ x =
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
r
q
p
ถา A2
(adj A) X =
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
0
6
1
แลว P มีคาเทากับเทาไร