Math ClubMath Club
v1 · padrão canônico

Урок 32 — Операции с матрицами

Сумма, умножение на скаляр, матричное произведение. Умножение как композиция линейных преобразований.

Used in: 1.º ano EM (álgebra linear elementar) · Equiv. Math I japonês cap. matrizes · Equiv. Klasse 11 alemã (Matrizen)

(AB)ij=k=1naikbkj(AB)_{ij} = \sum_{k=1}^{n} a_{ik} b_{kj}
Choose your door

Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Операции

Сумма и разность

Для матриц одинаковой размерности: (A+B)ij=aij+bij(A + B)_{ij} = a_{ij} + b_{ij}

Умножение на скаляр

(αA)ij=αaij(\alpha A)_{ij} = \alpha \cdot a_{ij}

Матричное произведение

Определено только когда число столбцов AA = число строк BB: Am×nBn×p=(AB)m×pA_{m \times n} \cdot B_{n \times p} = (AB)_{m \times p}

(AB)ij=k=1naikbkj\boxed{(AB)_{ij} = \sum_{k=1}^n a_{ik} b_{kj}}

Свойства

  • Ассоциативность: (AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC).
  • Дистрибутивность: A(B+C)=AB+ACA(B + C) = AB + AC.
  • НЕ коммутативно: в общем случае ABBAAB \neq BA.
  • Единица: AI=IA=AAI = IA = A.
  • Нуль: AO=OA=OAO = OA = O.

Почему матричное произведение «странное»

Потому что оно соответствует композиции линейных преобразований: применить сначала BB, а потом AA — то же самое, что применить ABAB. Порядок важен, потому что важна композиция.

Exercise list

30 exercises · 7 with worked solution (25%)

Application 20Understanding 2Modeling 6Challenge 1Proof 1
  1. Ex. 32.1Application
    Вычислите (1234)+(5102)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} + \begin{pmatrix} 5 & -1 \\ 0 & 2 \end{pmatrix}.
  2. Ex. 32.2Application
    Вычислите 3(2110)3 \cdot \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}.
  3. Ex. 32.3Application
    Вычислите (1234)(5678)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{pmatrix}.
  4. Ex. 32.4Application
    Вычислите (1234)(1001)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix} — что получится?
  5. Ex. 32.5ApplicationAnswer key
    Вычислите (1234)(0000)\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}.
  6. Ex. 32.6ApplicationAnswer key
    Умножьте матрицу 2×32 \times 3 на 3×23 \times 2 — какова размерность результата?
  7. Ex. 32.7Application
    Вычислите (123456)(789)\begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 7 \\ 8 \\ 9 \end{pmatrix}.
  8. Ex. 32.8Application
    Проверьте ABBAAB \neq BA для A=(1101)A = \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}, B=(1011)B = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}.
  9. Ex. 32.9ApplicationAnswer key
    A2A^2 для A=(0110)A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}.
  10. Ex. 32.10Application
    (A+B)(A+B) против (A2+2AB+B2)(A^2 + 2AB + B^2). Когда совпадают? (Когда AB=BAAB = BA.)
  11. Ex. 32.11Application
    Вычислите (1234)2\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix}^2.
  12. Ex. 32.12Application
    Умножьте (cosθsinθsinθcosθ)\begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix} на (10)\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \end{pmatrix}.
  13. Ex. 32.13ApplicationAnswer key
    Вычислите произведение (1000)(0001)\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}.
  14. Ex. 32.14Application
    Проверьте дистрибутивность: A(B+C)=AB+ACA(B+C) = AB + AC для матриц вашего выбора.
  15. Ex. 32.15Application
    Для A2×3A_{2 \times 3} и B3×4B_{3 \times 4}, размерность ABAB? А BABA? (BABA не существует.)
  16. Ex. 32.16Application
    Покажите, что ATBT=(BA)TA^TB^T = (BA)^T.
  17. Ex. 32.17Application
    Вычислите (2003)(45)\begin{pmatrix} 2 & 0 \\ 0 & 3 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 4 \\ 5 \end{pmatrix}.
  18. Ex. 32.18Application
    Покажите, что произведение двух диагональных матриц диагонально.
  19. Ex. 32.19Application
    Вычислите (1201)3\begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}^3.
  20. Ex. 32.20Application
    Для какой AA выполняется A2=AA^2 = A? (Идемпотентная — проекция.)
  21. Ex. 32.21ModelingAnswer key
    В команде игроки забивают голы GG и делают ассисты AA. Умножение на значения: G3+A1G \cdot 3 + A \cdot 1 очков. Смоделируйте как матричное произведение.
  22. Ex. 32.22Modeling
    В нейронной сети слой y=Wx+b\mathbf{y} = W\mathbf{x} + \mathbf{b} — матричное произведение.
  23. Ex. 32.23Modeling
    Расчёт Маркова: распределение π\pi' = πP\pi P — произведение вектор-матрица.
  24. Ex. 32.24Modeling
    Поворот в плоскости: (cosθsinθsinθcosθ)(xy)\begin{pmatrix} \cos\theta & -\sin\theta \\ \sin\theta & \cos\theta \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} вращает (x,y)(x, y) на угол θ\theta.
  25. Ex. 32.25ModelingAnswer key
    В PageRank собственный вектор матрицы переходов веба — это «рейтинг» — итеративное произведение.
  26. Ex. 32.26Modeling
    Матрица аффинного преобразования в компьютерной графике: объединяет вращение + перенос + масштаб.
  27. Ex. 32.27Understanding
    Покажите, что умножение на единичную матрицу ничего не меняет. (Прямо из определения.)
  28. Ex. 32.28Understanding
    Покажите, что нулевая матрица при умножении даёт нулевую матрицу.
  29. Ex. 32.29Challenge
    Найдите A0A \neq 0 и B0B \neq 0 такие, что AB=0AB = 0. (Существуют — делители нуля!)
  30. Ex. 32.30ProofAnswer key
    Докажите ассоциативность: (AB)C=A(BC)(AB)C = A(BC).

Источники этого урока

Updated on 2026-04-29 · Author(s): Clube da Matemática

Found an error? Open an issue on GitHub or submit a PR — open source forever.