Понятие минора k-ого порядка. Ранг матрицы. Понятие базиса в системе строк (столбцов) матрицы. Теорема о ранге матрицы (о базисном миноре)



Минором k-ого порядка произвольной матрицы А наз определитель матрицы, составленной из любых k строк и k столбцов матрицы A

Ранг матрицы r(A) – это наивысший порядок отличных от 0 миноров этой матрицы

Ранг матрицы тесно связан с понятием линейной независимости строк (столбцов) матрицы. Рассмотрим произвольную матрицу А. Обозначим через Аj   – j-ый столбец матрицы А.

Рассмотрим систему S={Ai1, Ai2, …, Aik} – набор столбцов матрицы А.

Система столбцов S матрицы А, наз линейно-зависимой, если существует набор чисел l1l2…lk среди кот есть отличные от 0, такой, что åj=1kljAij=0

Столбцы, входящие в систему S, наз-ся линейно-зависимыми.

В случае, когда набора чисел l1l2…lk при кот выполняется последнее соотношение не существует, то тогда система S наз линейно-независимой.

Выражение L=åj=1kljAij=l1 Ai1 + l2 Ai2 + … + lk Aik стоящее в левой части первого выражения наз-ся линейной комбинацией столбцов системы S.

Система столбцов S матрицы А наз базисом системы всех столбцов матрицы А, если:

1) система S линейно-независима

2) любой столбец матрицы А может быть представлен в след виде линейной комбинации столбцов системы S, т.е. для каждого р=1, n

Аp = åj=1kljp Aip

Аналогично определяются понятия линейной зависимости-независимости строк матрицы, базиса в системе строк.

Любой отличный от 0 минор матрицы, порядок которого равен рангу этой матрицы наз её базисным минором

Теорема о ранге (базисном миноре)

Ранг матрицы равен максимальному числу линейно-независимых ее столбцов (строк), при этом система столбцов (строк) матрицы, содержащая базисный минор образует базис системе всех столбцов (строк)  матрицы

Методы поиска ранга матрицы: метод окаймляющих миноров и метод элементарных преобразований

Метод окаймляющих миноров

Пусть некоторый минор матрицы k-ого порядка Мk¹0, тогда ранг этой матрицы по меньшей мере равен k, т.е. r(A) ³ k . Рассмотрим все окаймляющие (содержащие в себе минор Мk) миноры k+1 порядка. Если все они равны 0, то значит ранг матрицы равен k, но если найдётся хотя бы один Mk+1¹0, тогда процедура повторяется снова

Метод элементарных преобразований

Основан на том, что эл-ые преобразования не изменяют ранга матрицы. Метод заключается в осуществлении последовательности эл-ых преобразований над строками (столбцами) исходной матрицы. В результате все эл-ты становятся равными = за исключением S эл-ов главной диагонали. Следовательно, ранг матрицы равен S.

Св-ва ранга

1) 0≤ r(A) £ min {m,n}

2) r(AВ) £ min {r(A) r(В) }

3) r(A) = r(AT)= r(AАт)

4) r(A+В) ≤ r(A) + r(В)

5) ранг произведений некоторой матрицы А слева или справа на невырожденную матрицу подходящего размера равен рангу исходной матрицы. r(AВ)= r(СA) , │В│≠ 0, │С│≠ 0

 

9 СЛУ и формы ее записи (представления): развернутая, матричная и векторная.

СЛУ наз любая конечная совокупность линейных уравнений.

Рассмотрим выражение Аx=b, где

  a11 a12...a1n

A= a21 a22 ...a2n       

  am1 am2 ...amn

   b1

   b2

b= ....       

   bm

 

  x1

  x2

x= ...   

  xn

Это выражение, где матрица А- задана, правая часть (b) задана, а вектор-столбец х неизвестен, наз СЛУ в матричной форме представления.

Пользуясь операцией умножения матриц, первое выражение можно представить в виде:

а11х112х2+…а1nxn=b1

a21x1+a22x2+...a2nxn=b2

....................................

am1x1+am2x2+...amnxn=bm

Это выражение представляет собой развернутую форму СЛУ.

Ещё одной формой представления СЛУ явл векторная форма записи:

åj=1nAjxj=b здесь Аj – j-ый столбец матрицы А,

Гл задачей, связанной со СЛУ является задача ее решения.

Решением СЛУ является упорядоченный набор чисел х1 х2 … хn или вектор-столбец

  x1

  x2

x= ...    

  xn

который после подстановки в СЛУ обращает их в тождество.

СЛУ наз совместной если у неё есть хотя бы одно решение в противном случае эта система наз несовместной

Совместная СЛУ наз определённой, если у неё есть только одно решение и неопределённой в противном случае.

2 СЛУ наз эквивалентными или равносильными, если множества их решений совпадают.

Если правая часть СЛУ равна 0 (b=0), то такая СЛУ наз однородной, иначе СЛУ наз неоднородной

 

10 Понятие элементарного преобразования СЛУ и виды элементарных преобразований СЛУ

Элементарное преобразование СЛУ – преобразования (целенаправленные изменения) , кот оставляют СЛУ эквивалентными.

К элементарным преобразованиям относятся следующие:

1) перестановка любых 2ух уравнений местами

2) удаление из СЛУ «пустых» уравнений вида 0х1+0х2+…0хn=0

3) умножение обоих частей в каком-либо ур-ии СЛУ на число l¹0

4) прибавление к какому-либо из уравнению СЛУ др уравнения этой же СЛУ, умноженного на произвольное число l¹0.

Эти эл-ые преобразования удобно представлять в виде эл-ых преобразований строк т.н. расширенной матрицы-системы (A½b), получаемой приписыванием к матрице А справа вектор-столбца b правой части СЛУ.

 

11 Теорема Кронекера-Капелли

Данная теорема отвечает на вопрос о существовании решений СЛУ.

Теорема Кронекера-Капелли СЛУ Ах=b совместна тогда и только тогда, когда ранг матрицы-системы А равен рангу расширенной матрицы-системы: r(A) =r(A½B)

Расширеннаяматрица-система (A½b), получается приписыванием к матрице А справа вектор-столбца b правой части СЛУ.

Следствие: Однородная СЛУ Ах=0 имеет не нулевое решение, тогда и только тогда, когда ранг матрицы системы меньше числа её неизвестных

 

12 Метод Крамера решения СЛУ

Этот метод предназначен для решения СЛУ в которых количество уравнений равно числу неизвестных т.е. матрица-система является квадратной.

Метод применяется только для тех СЛУ, где определитель не равен 0.

В основе метода лежит теорема Крамера:

Справедливы утверждения:

1) СЛУ Ах=b имеет единственное решение тогда и только тогда, когда │А│¹0

2) Если │А│¹0, то решение может быть найдено по формуле:

xjj (b)/Д

где Д=│А│, Дj (b)– это определитель матрицы-системы, в кот ее j-ый столбец заменен на столбец правой части b.

 

13 Метод Гаусса решения СЛУ

Основан на том факте, что элементарные преобразования СЛУ дают эквивалентные системы.

Метод Гаусса состоит в последовательной реализации шагов, на каждом из кот производятся следующие действия:

1) Из системы, полученной после предыдущих шагов, удаляются все пустые уравнения вида: 0х1+0х2+…0хn=0

если в оставшейся системе имеется хотя бы одно противоречивое уравнение вида

1+0х2+…0хn=b¹0 то исходная СЛУ несовместна, т.е. не имеет решений.

2) Пусть противоречивых уравнений нет. Тогда 1 из уравнений выбирается за разрешающее уравнение и одно из неизвестных – за разрешающее неизвестное. К этому выбору предъявляются следующие требования:

а) на предыдущих шагах выбранное уравнение не было разрешающим

б) в разрешающем уравнении коэффициент при разрешающем неизвестном должен быть отличен от 0. Этот коэффициент наз разрешающим элементом

3) Разрешающая неизвестная исключается из всех уравнений кроме разрешающего. Для этого разрешающее уравнение прибавляется к каждому из уравнений СЛУ после умножения на подходящее число.

Преобразования заканчиваются, если ни одно из уравнений не может быть взято за разрешающее (все они перебывали в этой роли). Те неизвестные, которые в процессе преобразований были разрешающими наз базисными. Те неизвестные, которые не были разрешающими наз свободными.

Если число уравнений финальной СЛУ равно числу неизвестных, то тогда все эти неизвестные побывали в числе разрешающих и исходная СЛУ имеет единственное решение, непосредственно вытекающее из финальной СЛУ.

В случае, когда число уравнений финальной системы меньше числа неизвестных, то тогда те неизвестные, которые не были в качестве разрешающих, объявляются свободными и могут принимать любые значения.

Неизвестные, которые побывали в качестве разрешающих наз базисными. Значения базисных переменных полностью определяются свободными и непосредственно вытекают из финальной СЛУ.

Замечания:

1) Реализация метода Гаусса даёт ответ на вопрос о совместности системы. Система совместна тогда и только тогда, когда при реализации метода Гаусса не возникает противоречивых уравнений

2) В процессе преобразований Гаусса допускаются промежуточные преобразования СЛУ.

3) В любой момент преобразования Гаусса м.б. остановлены. Текущая система м.б. рассмотрена в качестве исходной и преобразования м.б. возобновлены по другой схеме.

 

14 Балансовая модель Леонтьева

Применяется для решения различных задач, связанных с экономикой нескольких отраслей.

Необходимыми условиями для применения модели являются: 1) неизменность структурных связей отраслей экономики; 2) отсутствие революционных изменений в технологиях пр-ва отраслей.

Рассмотрим экономику из n взаимосвязанных отраслей. Обозначим через xi (i=1,n) объем валового выпуска i-ой отрасли за некоторый период в условных единицах. Через zij обозначим количество продукции i-ой отрасли, которой за тот же период было потреблено j-ой отраслью.

Если экономика находится в стабильном состоянии, то должно выполняться уравнение баланса:

x1=z11+z12+...+z1n+y1

x2=z21+z22+...+z2n+y2

..................................              (1)

xn=zn1+zn2+...+znn+yn

Леонтьев предположил, что величины zij взаимных потреблений отраслей явл-ся линейными функциями пр-ва и опис-ся как:

(2) zij=aij*xj, где aij – структурный коэффициент, содержательно означающий количество продукции i-ой отрасли (в усл ед), кот необходимо затратить для пр-ва единицы продукции j-ой отрасли. Матрица А = (aij), эл=ты кот – структурные коэф-ты наз-ся структурной матрицей.

Структурная матрица и определяет структуру взаимодействия всех отраслей эк-ки.

Подстановка (2) в (1) дает:

x1=a11x1+a12x2+...+a1nxn+y1

       (3)       x2=a21x1+a22x2+...+a2nxn+y2

xn=an1x1+an2x2+...+annxn+yn

Пусть:

   x1

х= … - вектор валового выпуска отраслей

   xn

   y1

у= ... – вектор конечного продукта отраслей

   yn

тогда систему (3) можно записать в компактом виде х=Aх+у – балансовая модель Леонтьева. C помощью этой модели можно решать множество прикладных задач экономики.

 

15 Понятия точки, радиус-вектора точки в многомерном пространстве. Понятие вектора, его модуля, скалярного произведения векторов. Формула, определяющая угол между векторами. Понятие ортогональности векторов.

Точка – абстрактный объект, хар-ся только расположением.

Любая точка Х хар-ся в плоскости двумя числами (х12) наз координатами этой точки.

Направленный отрезок из начала координат в точку Х – радиус-вектор этой точки. Его длина или модуль есть число ½х½=Öх1222 . любой направленный отрезок в плоскости, имеющий такой же модуль и направление наз вектором х.

Компоненты вектора х1 и х2 определяют положение точки Х на плоскости, если начало вектора х совпадает с началом координат. В подробной записи вектора отображают матрицами вектор-столбца хт=(х1 х2).

Для векторов определены операции умножения их на число, сложения. При этом для двумерных векторов удобны геометрические схемы для операций сложения(умножения) на число. 

Операции скалярного умножения опред-ся след образом:

<х,у> = х1у1 + х2у2

<х,у> = хту

Углом jxy  м/у векторами 2-мерного пространства  наз угол, опред-ый по формуле:

jxy  = arcos (<х,у>  /½x½½y½)= arcos ( x1y1+x2y2 / Öх1222 * Öу1222)

Аналогично точкой в n-мерном пространстве наз-ся объект, характ-емый набором чисел (x1,x2,...xn). эти числа наз координатами точки. Точка, все координаты кот равны 0 наз точкой начала координат.

Направленный отрезок, соединяющий начало координат с координатой (x1,x2,...xn) наз радиус-вектором этой точки. Запись х Î Rn указывает, что это радиус-вектор, имеющий n-компонент (направленный отрезок в n-мерном пространстве).

По определению модулем (длиной) вектора х наз число, определенное по формуле: ½х½=Öåi=1nxi2

Углом jxy между векторами n-мерного пространства наз угол:

jxy  = arcos (<х,у> /½x½½y½) = arcos (åi=1nxiyi / Öåi=1nxi2*Öåi=1nyi2)

2 вектора х, у Î Rn наз ортогональными (перпендикулярными), если их скалярное произведение равно 0, т.е. <х,у> = 0.

Элементы векторного пространства Rn можно интерпретировать как точки и как радиус-векторы, направленные отрезки из начала координат в эти точки, поэтому далее под фразой «xÎRn» будем понимать точку n-мерного пространства с радиус-вектором х.

Введём понятие отрезка в n-мерном пространстве.

Любая точка P на отрезке XY может быть представлена соответствующим радиус-вектором,

Zp=x+l(y-x), где lÎ[0,1]. Эта формула наз формулой отрезка и м.б. переписана в след виде:

zp=(1-l)x+ly, где lÎ[0,1]

Эти формулы без всяких изменений переносятся на n-мерные пространство.

 

16 Понятие линейной комбинации и выпуклой линейной комбинации векторов. Понятия линейной независимости и линейной зависимости векторов. Понятие базиса и канонического базиса в Rn. Понятие отрезка, соединяющего две точки в Rn. Формула отрезка.

Система S={x1,x2...xk} где xiÎRn i=1,k n-мерных векторов наз линейно-зависимой, а вектора этой системы линейно-зависимыми, если существуют числа l1,l2,…lk ÎR1 среди кот есть отличные от 0, такие что: åi=1klixi=0     (1)

В противном случае система S наз линейно-независимой, а образующие её вектора линейно- независимыми векторами.

Выражение L=åi=1klixi (2) наз линейной комбинацией векторов системы S.

Если числа li  выражения (1) удовлетворяют требованию li ≥ 0 (i=1,k) и åi=1kli=1, то тогда выражение (2) наз выпуклой линейной комбинацией.

Система S={x1,x2...xk} наз базисом в пространстве Rn, если выполняются следующие условия:

1) хi ÎRn

2) Система S линейно-независима

2) Любой вектор yÎRn м.б. представлен в виде линейной комбинации векторов системы S

Система векторов {e1,e2,...en}, где:

e1T=(1,0...0); e2T=(0,1,...0); ...............; en-1T=(0,0,...0,1,0); enT=(0,0,...0,1) наз каноническим базисом n-мерного пространства

Отталкиваясь от плоскости введём понятие отрезка в n-мерном пространстве.

Любая точка P на отрезке XY может быть представлена соответствующим радиус-вектором,

Zp=x+l(y-x), где lÎ[0,1]. Эта формула наз формулой отрезка и м.б. переписана в след виде:

zp=(1-l)x+ly, где lÎ[0,1]

Эти формулы без всяких изменений переносятся на n-мерные пространство.

 

17 Понятие выпуклого множества. Теорема о пересечении выпуклых множеств. Понятие гиперплоскости в Rn. Понятие полупространства.

Множество точек n-мерного пространства содержащие все точки отрезка соединяющего любые 2 точки этого множества наз выпуклым множеством

Теорема о пересечении выпуклых множеств

Пересечение любого числа выпуклых множеств явл выпуклым множеством.

Множество точек xÎRn удовлетворяющих условию cTx=b, где bÎRn - некоторое фиксированное число, наз гиперплоскостью в n-мерном пространстве

Уравнение cTx=b наз уравнением гиперплоскости

Теорема о разделяющей гиперплоскости

Любая гиперплоскость разделяет все пр-во Rn на 2 непересекающихся множества p1 и p2, наз полупространствами: p1={xÎRn:cTx£b}, p2={xÎRn:cTx>b}

18 Теорема о разделяющей гиперплоскости. Теорема о выпуклости полупространства. Понятие выпуклого многогранника.

Теорема о разделяющей гиперплоскости

Любая гиперплоскость разделяет все пр-во Rn на 2 непересекающихся множества p1 и p2, наз полупространствами: p1={xÎRn:cTx£b}, p2={xÎRn:cTx>b}

Теорема о выпуклости полупространства

Полупространство явл выпуклым множеством.

По теореме о пересечении выпуклых множеств пересечения конечного числа полупространств явл выпуклым множеством и наз выпуклым многогранником

 

19 Понятие системы линейных неравенств. Графический метод решения системы линейных неравенств.

Система с1тх £b1

            с2тх £b2

             ……..

            сnтх £bn     наз системой линейных неравенств

здесь с1 с2 … сn ÎRn ; b1 b2 … bnÎRn фиксированы.

Множество точек xÎRn, удовлетворяющих этой системе, наз решением системы линейных неравенств.

В случае малой размерности (когда n £ 3) для системы лин нер-в можно рименять графический метод ее решения.

В основе метода лежат теоремы о разделяющей гиперплоскости и о выпуклости полупространства.

Суть:

1) для каждого i-ого неравенства сiтх £bi  строится графическим образом плоскость (n=3) или прямая (n=2), получаемая заменой знака неравенства на знак равенства. Такая плоскость (прямая) наз критической. Она разделяет все пространство на область «хороших», удовлетворяющих неравенству точек и «плохих».

2) проводится подстановка любой точки, не лежащей на критической прямой, в текущее неравенство, тем самым определяется область «хороших» и «плохих» точек.

3) после выявления «хороших» полупространств для каждого неравенства производится их пересечение.

 

20 Постановка задачи математического программирования (ЗМП). Разновидности ЗМП

ЗМП или оптимизационной задачей наз задача вида: f(x)®max(min) xÎДÌRn, где f(x) – целевая функция, ДÌRn – область допустимых значений

Решить ЗМП - либо найти все такие x*ÎД : f(x*)³f(x) (f(x*)£f(x)) "xÎД, либо установить неразрешимость поставленной задачи

"xÎД наз допустимым решением (планом ЗМП)

"x* уд-щее условию x*ÎД : f(x*)³f(x) (f(x*)£f(x)) наз оптимальным решением (планом) задачи.

В качестве целевой функции f(x) могут выступать функции, выражающие прибыль, объём производства, затраты, потери и т.д. Область допустимых решений Д как правило задается системой уравнений и неравенств.

Разновидности ЗМП:

1) В случае, когда область ограничений совпадает с областью определения целевой функции имеет ЗМП без ограничений: f(x)®max(min) xÎ Rn

2) Если область ограничений задается системой уравнений, то такая ЗМП наз ЗМП канонической формы (ЗМП с ограничением равенства): f(x)®max(min)

g1(x)=b1

g2(x)=b2

………

gm(x)=bm

3) Если область ограничений задается системой неравенств, то такая ЗМП наз ЗМП с ограничениями-неравенствами: f(x)®max(min)

g1(x) ≤ b1

g2(x) ≤ b2

………..

gm(x) ≤ bm

4) ЗМП со смешанными ограничениями имеет вид: f(x)®max(min)

g1(x)=b1

……….

gm(x)=bm

h1(x) ≤ b1

………..

hk(x) ≤ bk

 

21 Понятия эпсилон-окрестности точки, предельной точки, замкнутого множества, ограниченного множества, точки локального (глобального) и условного (безусловного) экстремума.

Множество ДÌRn наз ограниченным множеством, если расстояние ρ(х,у) = ½х-у½ между 2 любыми точками х и у ÎД меньше некоторого числа l < ∞, т.е. если "х,уÎД ρ(х,у) = √åi=1n(xi-yi)2 < l < ∞

Эпсилон-окрестностью Oe(z) точки zÎRn наз множество точек, отстоящих от z менее чем на e, т.е. Oe(z)={ хÎRn : ρ(х,z) < e}

Точка zÎRn наз предельной точкой множества Д, если есть последовательность принадлежащих множеству Д точек xnÎД, предел кот равен точке z: limn→∞xn=z.  

Множество Д наз замкнутым множеством, если оно содержит все свои предельные точки (отрезок)/

Незамкнутое множество – это интервал, в кот не входят крайние точки.

Множество Д наз компактным множеством, если оно одновременно ограничено и замкнуто

Точка xÎД наз внутренней точкой множества Д если $ e>0 : Oe(x)ÌД В противном случае точка наз граничной точкой множества Д

Точка z ÎД наз точкой условного локального max(min) функции f(x) в области Д если существует эпсилон-окрестность точки z, такая что "xÎOe(z)ÇД f(x)≤f(z) – для max (f(x)≥f(z) – для min)

Точка zÎД наз точкой условного глобального max(min), если f(x)≤f(z) "xÎД (f(x)≥f(z) "xÎД)

Экстремум функции f(x) – это либо ее max, либо ее min.

Говорят, что функция f(x) имеет в точке zÎД локальный (глобальный) безусловный экстремум если точка z является точкой локального (глобального) max или min во всей области определения функции f(x).

 

22. Понятия частной производной функции, стационарной точки функции, градиента и матрицы Гессе.

Частной производной f’xj(z) = df(z)/dxj первого порядка функции f(x) в точке z по переменной xj наз величина: f’xj(z) = limD®0 (f(z1,z2,…, zj-1, zj+Dj, zj+1,…zn)-f(z))/Dj \

Т.о. частная производная функции f(x) по переменной xj определяется точно так же как обычная производная по переменной xj при условии, что все другие переменные при этом являются const.

Говорят, что функция f(x) дифференцируема в точке zÎRn, если у неё в этой точке существуют все частные производные 1ого порядка по всем аргументам.

Говорят, что функция f(x) непрерывно дифференцируема в точке zÎRn, если все ее частные производные 1ого порядка непрерывны.

Точка zÎRn наз стационарной точкой функции f(x), если все частные производные 1ого порядка равны 0, т.е. f’xj(z) = 0.

Частной производной второго порядка f”xixj(z) = ¶2f(z)/¶xi¶xj функции f(x) в точке z наз частная производная первого порядка от частной производной первого порядка.

Квадратная матрица Hnxn=(hij)nxn наз матрицей Гессе функции f(x) в точке z, если ее элементы определяются: hij= f”xixj(z).

Выражение G (H, x) = xT Hx = ∑i=1nj=1n hij xi xj наз квадратичной формой матрицы Hnxn=(hij)nxn

Градиентом Ñf(x) функции f(x) в точке z наз вектор, компонентами кот являются частные производные 1ого порядка функции ÑTf(z)=(f’x1(z), f’x2(z),… , f’xn(z))

 

23 Понятие квадратичной формы матрицы. Понятие положительной (отрицательной) определённости матрицы

Выражение G (H, x) = xT Hx = ∑i=1nj=1n hij xi xj наз квадратичной формой матрицы Hnxn=(hij)nxn

Квадратная матрица Н наз положительно (неотрицательно) определённой, если справедливо соотношение "x¹0 G(Н,x) >0 .

Квадратная матрица Н наз отрицательно (неположительно) определённой, если справедливо соотношение "x¹0 G(Н,x) <0

Матрица Н наз неопределенной матрицей, если приведенное выше соотношение не выполняется.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 744; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!