Matrix

Matrizen

#Definition Matrix

Für Zahlen ai,j∈K, i=1,…,m, j=1,…,n, heißt das Zahlenschema

A=[a1,1a1,2…a1,na2,1a2,2…a2,n⋮⋮⋱⋮am,1am,2…am,n]=[ai,j]=[ai,j]i=1,…,mj=1,…,n

eine m×n-Matrix mit Einträgen in K. Die Menge aller m×n-Matrizen mit Einträgen in K wird mit Km,n bezeichnet. Eine Matrix heißt quadratisch, falls m=n gilt.

Wichtige Matrizen: Nullmatrix, Einheitsmatrix, Zeilen-/Spaltenvektor

Zwei besonders wichtige Matrizen sind die Nullmatrix, deren Einträge alle 0 sind:

0=0m,n=[0]=[00…000…0⋮⋮⋱⋮00…0]∈Km,n,

sowie die Einheitsmatrix (auch Identität) die quadratisch ist (m=n)

In:=[10…001⋱⋮⋮⋱⋱00…01]∈Kn,n.

Ist m=1, also/Users/richard/Projects/WiRe/wr_praxis_1/.venv/bin/python -m pip install matplotlib$$ A = \begin{bmatrix} a_{1,1} & a_{1,2} & \dots & a_{1,n} \end{bmatrix} \in \mathbb{K}^{1,n}, $$
so nennt man A einen Zeilenvektor. Ist hingegen n=1, also

A=[a1,1a2,1⋮am,1]∈Km,1,

so nennt man A einen Spaltenvektor oder kurz Vektor in Km,1, und man schreibt kürzer

Km:=Km,1.
#Definition : Addition und Skalarmultiplikation von Matrizen

Seien A=[ai,j], B=[bi,j]∈Km,n zwei m×n-Matrizen und λ∈K. Dann ist die Summe von A und B die Matrix

A+B=[ai,j+bi,j]∈Km,n

und die Multiplikation mit einem Skalar (kurz: Skalarmultiplikation) ist die Matrix

λA=[λai,j]∈Km,n.

Beachten Sie, dass nur Matrizen gleicher Größe addiert werden können. Bei der Summe und Skalarmultiplikation ist das Ergebnis wieder eine m×n-Matrix, also von der gleichen Größe wie die ursprünglichen Matrizen.

#Satz : Rechenregeln für die Skalarmultiplikation

Für A,B∈Km,n und α,β∈K gilt

  1. α(βA)=(αβ)A,
  2. α(A+B)=αA+αB,
  3. (α+β)A=αA+βA,

Daher ist Km,n mit der Addition und Skalarmultiplikation ein K-Vektorraum. Dieser hat die Basis {Ei,j∣i=1,…,m;j=1,…,n}, wobei Ei,j∈Km,n eine 1 in Eintrag (i,j) hat und alle anderen Einträge Null sind. Daher ist dim⁡(Km,n)=mn.

Matrizenmultiplikation

#Definition : Matrizenmultiplikation

Seien A=[ai,j]∈Km,n und B=[bi,j]∈Kn,p. Dann ist

AB:=[∑k=1nai,kbk,j]=[ai,1b1,j+ai,2b2,j+⋯+ai,nbn,j]∈Km,p.

Ausgeschrieben bedeutet das

AB=[∑k=1na1,kbk,1∑k=1na1,kbk,2…∑k=1na1,kbk,p∑k=1na2,kbk,1∑k=1na2,kbk,2…∑k=1na2,kbk,p⋮⋮⋱⋮∑k=1nam,kbk,1∑k=1nam,kbk,2…∑k=1nam,kbk,p].
#Satz : Rechenregeln für die Matrizenmultiplikation

Für Matrizen A,B,C mit geeigneter Größe und für α∈K gilt

  1. A(BC)=(AB)C,
  2. A(B+C)=AB+AC,
  3. (A+B)C=AC+BC,
  4. α(AB)=(αA)B=A(αB),
  5. ImA=A=AIn für A∈Km,n.

Im Allgemeinen ist AB≠BA.

Inverse Matrix

#Definition : Inverse

Eine quadratische Matrix A∈Kn,n heißt invertierbar, falls es eine Matrix B∈Kn,n gibt mit

BA=In$$und$$AB=In$$.DieMatrix$B$istdanneindeutigbestimmt,wirddie∗Inverse∗von$A$genanntundmit$A−1$bezeichnet.$In$isteineEinheitsmatrix
#Satz : Eigenschaften Invertierbarer Matrizen

Sind A,B∈Kn,n invertierbar, so gelten

  1. A−1 ist invertierbar mit (A−1)−1=A.
  2. AB ist invertierbar mit (AB)−1=B−1A−1.

Invertierbarkeit von Matrizen

#Definition : Berechnung der Inversen

Ist A∈Kn,n (quadratisch), so gehen wir wie folgt vor, um A−1 zu berechnen (falls A invertierbar ist).

  1. Bringe [A|In] mit elementaren Zeiloperationen in NZSF [C|D].
  2. Wenn Rang(A)≠pn ist, ist A nicht invertierbar und wir können aufhören
  3. Wenn Rang(A)=n ist, so ist C=In und A−1=D
Spezialfall für A∈K2,2

Sei A∈K2,2 invertierbar und gegeben durch $$A = \begin{bmatrix}a & b \ c &d\end{bmatrix}$$
Dann ist die Inverse gegeben durch $$A^{-1} = \frac{1}{ad-bc} \begin{bmatrix}d & -b \ -c & a\end{bmatrix}$$

Transposition

Definition 12.17: Transponierte

Definition 12.17 (Transponierte). Die Transponierte der Matrix A=[ai,j]∈Km,n ist die n×m-Matrix

AT:=[bi,j]∈Kn,m,wobei bi,j=aj,i.

Bei der Transposition werden also die Zeilen von A zu den Spalten von AT. (Lies: AT als „A transponiert“.)

#Satz : Rechenregeln für die Transponierte

Für A,B∈Km,n, C∈Kn,l und α∈K gilt:

  1. (AT)T=A,
  2. (A+B)T=AT+BT,
  3. (αA)T=αAT,
  4. (AC)T=CTAT.

Adjungierte Matrix

#Definition : Adjungierte (Hermitesche) Matrix

Die Adjugierte der Matrix A=[ai,j]∈Cm,n ist die n×m-Matrix

AH:=[bi,j]∈Cn,m, wobei bi,j=aj,i―.

(Lies: AH als „A hermitesch“ oder „A adjungiert“.)

Die Adjungierte von A ist also die Transponierte, wo zusätzlich alle Einträge komplex konjugiert werden. Statt AH wird auch die Bezeichnung A∗ verwendet.

#Satz : Rechenregeln für die Adjungierte

Für A,B∈Cm,n, C∈Cn,l und α∈C gilt:

  1. (AH)H=A,
  2. (A+B)H=AH+BH,
  3. (αA)H=α―AH,
  4. (AC)H=CHAH.

Der Rang einer Matrix

#Definition : Rang einer Matrix

Der Rang von A∈Km,n ist die Anzahl der Zeilen ungleich Null in einer Zeilenstufenform von A und wird mit Rang(A) bezeichnet.

Sei A∈Km,n.

  1. Rang (A)≥0 und (Rang(A)=0⇔A=0)
  2. Rang(A)≤m, da A nur m Zeilen hat
  3. RangA<=n, da höchstens eine Stufe pro Spalte existieren kann

Der Rang einer Matrix ist die maximale Anzahl linear unabhängiger Zeilen oder - was dasselbe ist - die maximale Anzahl linear unabhängiger Spalten der Matrix.

Unterschiede zwischen Matrizen und Zahlen

Bemerkungen

Seien A,B Matrizen.
1)Im Allgemeinen gilt AB≠BA, selbst wenn beide Produkte definiert sind.
2) Aus A≠0 folgt nicht, dass A invertierbar ist. Auch dann nicht, wenn A quadratisch ist.
3) Aus AB=0 folgt im Allgemeinen nicht dass A=0 oder B=0 sein müssen.
4) Ist AB=0 und A invertierbar, so folgt B=A−1AB=A−10=0
5) Ist AB=0 und B invertierbar, so folgt genauso, dass A=0.