Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 1. Обобщим теперь результаты предыдущей главы. Первое обобщение совершенно формально; второе же имеет более существенную природу. Для обозначения компонент векторов и элементов матриц мы ставили индексы соответствующих координатных осей. До сих пор координатные оси обозначались номерами 1,2 , $3, \ldots, n$. В дальнейшем мы будем обозначать координатные оси по элементам произвольного множества. Если $G$ есть некоторое множество объектов $g, h, i, \ldots$, то вектор $\boldsymbol{v}$ в пространстве этого множества $G$ является набором чисел $v_{g}, v_{h}, v_{i}, \ldots$ Разумеется, можно приравнивать (складывать и т. д.) только векторы, определенные в одном и том же пространстве, так как только в этом случае компоненты соответствуют элементам одного и того же множества. Аналогичная система обозначений будет использована для матриц. Чтобы матрица $\boldsymbol{\alpha}$ могла быть примененной к вектору $\boldsymbol{v}$ с компонентами $v_{g}, v_{h}, v_{i}, \ldots$, столбцы матрицы $\boldsymbol{\alpha}$ должны быть размечены (пронумерованы) элементами того же множества $G$, с помощью которого размечены компоненты вектора $\boldsymbol{v}$. В простейшем случае строки также именуются элементами $g, h, i, \ldots$ этого множества, и $\boldsymbol{a}$ преобразует вектор $\boldsymbol{v}$ в пространстве $G$ в вектор $\boldsymbol{\alpha} \boldsymbol{v}$ том же пространстве. Таким образом, где $j$ – некоторый элемент множества $G$, и $l$ пробегает все элементы этого множества. Например, координатные оси могут быть обозначены тремя буквами $x, y, z$. Тогда величина $v$ с компонентами $v_{x}=1, v_{y}=0, v_{z}=-2$ является вектором и Вышеприведенное простое обобщение является чисто формальным; оно вводит лишь другую систему обозначения координатных осей и компонент векторов и матриц. Две матрицы, денствующие на векторы того же пространства, могут быть перемножены, как и матрицы в предыдущей главе. Выражение эквивалентно выражению где $j$ и $k$ являются двумя элементами множества $G$, а $l$ пробегает все элементы этого множества. где $j$ – элемент множества $F$, а $l$ пробегает все элементы множества $G$. Такая матрица, элементы которой помечены элементами различных множеств, называется прямоугольной матрицей, в отличие от квадратных матриц предыдущей главы; она преобразует вектор $\boldsymbol{v}$ в пространстве $G$ в вектор $\boldsymbol{w}$ в пространстве $F$. В общем случае множество $F$ не обязательно содержит то же число элементов, что и множество $G$. Если они содержат одно и то же число элементов, матрица имеет равное число строк и столбцов и называется „квадратной в более широком смысле слова\”. Пусть множество $G$ содержит символы *, $\triangle, \square$, а множество $F-$ числа 1 и 2. Тогда есть прямоугольная матрица. (Здесь снова сверху и справа указаны обозначения столбцов и строк.) Она преобразует вектор с компонентами $v_{*}=1, v_{\triangle}=0, v_{\square}=-2$ в вектор Компонентами $w_{1}$ и $w_{2}$ вектора $w$ тогда будут эквивалентно соотношению где $j$ – элемент множества $E, k$ – элемент множества $G$, а $l$ пробегает все элементы множества $F$. Прямоугольная матрица $\boldsymbol{\alpha}$ преобразует вектор в пространстве $G$ в вектор в пространстве $F$; матрица $\beta$ тогда преобразует этот вектор в вектор пространства $E$. Поэтому матрица $\gamma$ преобразует вектор пространства $G$ в вектор пространства $E$. Пусть опять множество $G$ есть совокупность символов *, $\triangle$, $\square$, множество $F$ содержит буквы $x$ и $y$, а множество $E$ – числа 1 и 2. Тогда, если мы имеем, например, и Сложение двух прямоугольных матриц, так же как и двух векторов, предполагает, что они определены в одной и той же координатной системе, т. е. разметка строк обеих матрии $и$ разметка столбцов обеих матрии также совпадают. В соотношении Теорема 1. Мы можем говорить об определителе прямоугольной матрицы, если она имеет одинаковое число строк и столбцов, хотя они могут быть пронумерованы различным образом. Для матриц, „квадратных в более широком смысле\”, правило, по которому определитель произведения равен произведению определителей, по-прежнему справедливо. Теоремы 2 и 3. Ассоциативный закон также имеет место для умножения прямоугольных матриц: Ясно, что все умножения в правой части этого равенства могут действительно быть выполнены, если только это может быть сделано в левой части, и наоборот. Теоремы 4, 5 и 6 . Под матрицей 1 всегда будем понимать квадратную матрицу со строками и столбцами, размеченными с помощью элементов одного и того же множества. Умножение на нее всегда может быть опущено. Матрицы, являющиеся квадратными в более широком смысле имеют обратные только в том случае, если их определитель не обращается в нуль. Для прямоугольных матриц с различным числом строк и столбцов обратная матрица не определена вовсе. Если $\boldsymbol{\alpha}$ есть матрица, являющаяся квадратной лишь в широком смысле, то из равенства следует, что разметка столбцов $\beta$ совпадает с разметкой строк матрицы $\boldsymbol{\alpha}$. Кроме того, разметка строк матрицы 1 должна совпадать с разметкой строк $\beta$, а ее столбцов – с разметкой столбцов $\boldsymbol{\alpha}$. Поскольку 1 является квадратной в собственном смысле слова, разметка столбцов $\alpha$ должна совпадать также с разметкой строк $\beta$. Строки матрицы $\beta$, обратной матрице $\alpha$, размечаются элементами того же множества, что и столбиы $\alpha$; ее столбиы – теми же элементами, что и строки а. Для всякой матрицы $\boldsymbol{\alpha}$, являющейся квадратной в широком смысле и имеющей отличный от нуля определитель, существует такая обратная матрица $\beta$, что Следует, однако, заметить, что строки и столбцы матрицы 1 в (2.4) размечены иначе, чем матрицы 1 в (2.4а). Теорема 7. Что касается сложения и нулевой матрицы, для прямоугольных и квадратных матриц справедливы одни и те же па зила. Однако степени прямоугольных матриц не могут быть построены, так как умножение $\boldsymbol{\alpha}$ на $\boldsymbol{\alpha}$ предполагает, что разметка столбцов $\boldsymbol{\alpha}$ совпадает с разметкой строк $\boldsymbol{\alpha}$, т. е. что матрица $\boldsymbol{\alpha}$ является квадратной матрицей в узком смысле. Теоремы 8, 9 и 10. Для прямоугольных матриц понятия диагональной матрицы и следа не имеют смысла; преобразование подобия также не определено. Рассмотрим соотношение Из него следует, что матрицы $\beta$ и $\sigma$ имеют одну и ту же разметку строк, которая совпадает с разметкой столбцов матрицы $\sigma^{-1}$ и поэтому также и столбцов матрицы $\beta$. Следовательно, матрица $\beta$ является квадратной в узком смысле; аналогично, матрица $\boldsymbol{\alpha}$, разметка строк которой должна соответствовать разметке столбцов матрицы $\sigma$ и разметка столбцов – разметке строк $\sigma^{-1}$, должна быть квадратной в узком смысле. С другой стороны, сама матрица о может быть квадратной в широком смысле: разметка строк и столбцов матрицы $\boldsymbol{\alpha}$ отлична тогда от разметки строк и столбцов матрицы $\beta$. Преобразования подобия, которые меняют нумерацию строк и столбцов, особенно важны. Теория преобразований в квантовой механике является примером таких преобразований. Введение прямоугольных матриц весьма выгодно, несмотря на кажущиеся усложнения, к которым оно приводит, поскольку с их помощью можно достигнуть существенных упрощений, Вышеизложенное не следует рассматривать как жесткую схему; скорее оно приведено для того, чтобы приучить читателя мыслить в терминах этих величин. Использование подобных более сложных матриц будет всегда поясняться специально, за исключением случаев, когда разметка строк и столбцов очевидна из формы и определения элементов матриц, так что дальнейшие пояснения становятся излишними. Для ясности записи точка с запятой отделяет индексы строк от индексов столбцов. Среди таких матриц особенно важное значение имеет прямое произведение $\gamma$ двух матриц $\left(\alpha_{i k}\right.$ ) и $\left(\beta_{j l}\right)$ : Равенство (2.5) равносильно равенству ${ }^{1}$ ) Если $\boldsymbol{\alpha}$ имеет $n_{1}$ строк и $n_{2}$ столбцов, а матрица $\beta$-соответственно $n_{1}^{\prime}$ строк и $n_{2}^{\prime}$ столбцов, то матрица $\gamma$ имеет точно $n_{1} n_{1}^{\prime}$ строк и $n_{2} n_{2}^{\prime}$ столбцов. В частности, если $\boldsymbol{\alpha}$ и $\beta$ обе являются квадратными матрицами, то прямое произведение $\alpha \times \beta$ есть квадратная матрица. Теорема 1. Если $\boldsymbol{\alpha} \overline{\boldsymbol{\alpha}}=\overline{\boldsymbol{\alpha}}$ и $\beta \bar{\beta}=\bar{\beta}$ и если $\boldsymbol{\alpha} \times \boldsymbol{\beta}=\gamma$ и $\bar{\alpha} \times \bar{\beta}=\bar{\gamma}$, то $\gamma \bar{\gamma}=\overline{\boldsymbol{\alpha}} \times \overline{\bar{\beta}}$ или Иначе говоря, матричное произведение двух прямых произведений есть прямое произведение этих двух матричных произведений. Чтобы показать это, рассмотрим и Ho и Поэтому, из (2.8) и (2.9) следует теорема 1, а именно равенство (2.7). В формальных расчетах с матрицами необходимо проверять, действительно ли возможно обозначенное умножение. В гл. 1, где мы всюду имеем дело с квадратными матрицами с $n$ строками и $n$ столбцами, это, разумеется, всегда имело место. Однако в общем случае следует проверить, что разметка строк первого сомножителя в матричном произведении совпадает с разметкой столбцов второго, т. е. что они имеют одинаковые наименования индексов. Прямое произведение двух матриц всегда может быть построено с помощью (2.6). Матрицы обобщенного типа с несколькими индексами М. Борн и Йордан назвали „суперматрицей“. Они рассматривают матрицу $\left(\alpha_{i j ; k l}\right)$ как матрицу $\left(A_{i k}\right)$, элементы которой $A_{i k}$ сами являются матрицами. При этом $A_{l k}$ есть та матрица, в которой число $\alpha_{i j ; k l}$ встречается в $j$-й строке и $l$-м столбце: Теорема 3. Ecли $\alpha=\left(A_{i i^{\prime}}\right) u \beta=\left(B_{i^{\prime} i^{n}}\right)$, то $\alpha \beta=\gamma=\left(C_{i i^{n}}\right)$, где Правая часть (2.11) состоит из суммы произведении матричных умножений. Мы имеем С другой стороны, Поэтому и теорема 3 доказана. Конечно, в правой части (2.11) следует соблюдать аккуратность в смысле порядка сомножителей, тогда как в соответствующем соотношении для умножения простых матриц в этом не было необходимости. С этим единственным ограничением суперматрицы можно умножать по правилам умножения простых матриц. Их можно разбить на субматрицы, как показано пунктирными линиями, позаботясь о том, чтобы числа столбцов в субматрицах при разбиении первой матрицы (на 2 и 3) совпадали с числами строк в субматрицах при разбиении второй. Тогда обе матрицы (2.12) сокращенно можно записать в виде Произведение двух матрии (2.12) можно записать как С другой стороны, выражение не имеет смысла, поскольку число столбцов матрицы $B_{11}$, например, отлично от числа строк $A_{11}$.
|
1 |
Оглавление
|