conxunto de números ordenados en filas e columnas e con operacións específicas
Atención:Este artigo ou apartado precisa dun traballo de revisión.
Este artigo non cobre en absoluto moitos aspectos relevantes do tema.
Por favor, vexa a lista de problemas indicados neste modelo e mellóreo de acordo coas indicacións. Cando os problemas se resolvan, retire esta mensaxe, pero non quite esta mensaxe ata que estea todo solucionado. De ser posible, sería mellor substituír este marcador por outro máis específico.(Desde novembro de 2017)
En matemáticas, unha matriz é un conxunto de números ordenados en filas e columnas de forma rectangular, na que se pode definir un conxunto de operacións. As matrices teñen múltiples aplicacións, como na resolución de sistemas de ecuacións lineais, e son fundamentais na álxebra lineal.
Unha matriz en R é unha colección dobremente indexada de elementos dun anelR, é dicir, que os elementos disporanse en filas e columnas e que os elementos teñen definidos operacións semellantes a suma e ao produto.[1] A meirande parte deste artigo referirase as matrices de elementos nun corpo K, en particular, ás matrices reais ou complexas, é dicir, matrices cuxos elementos son números reais ou complexos, respectivamente. Un exemplo dunha matriz sería:
Os obxectos matemáticos que conforman a matriz son os seus elementos. As liñas horizontais chámanse filas, e as verticais, columnas.
Unha matriz de orde m×n ou, xeralmente, unha matriz m×n é unha matriz con m filas e n columnas, e m e n son as dimensións da matriz. Por exemplo, a matriz A anterior é unha matriz 2×3. A matriz 1×n será unha matriz fila, e a matriz n×1 será unha matriz columna.
Para referirmos ao conxunto de matrices de orde m×n, usaremos , onde é o anel ao que pertencen os elementos. No caso do conxunto de matrices cadradas e m=n, usaremos a notación de
As matrices adoitan denotarse con letras maiúsculas, en tanto que os seus elementos son denotados por letras minúsculas con dous índices. Aquí, usaremos a notación de dobre subindexado para falar dos elementos dunha matriz A: o elemento de A na fila i e na columna j denótase por aij. Normalmente, unha matriz escribirase da seguinte forma:
Deste xeito, se:
entón a23 = 1 e a11 = 4. Ás veces, utilizarase Aij para representar aij e a notación de (aij) para referirse á matriz A cando a súa orde estea clara polo contexto. Hai que ter en conta que existen outras notación, nas que se escribirá para indicar o mesmo elemento.[2] Ás veces, para traballar comodamente coas columnas dunha matriz, escribiremos onde é a columna i-ésima.
Diremos que dúas matrices e son iguais cando teñen a mesma orde m×n e todos os elementos correspondentes son iguais, é dicir, .
No estudo das matrices, adoitase chamar escalar aos elementos do anel, é dicir, os escalares serán os números reais se o noso anel son os reais.
A multiplicación é unha das operacións máis sinxelas que poden ser feitas con matrices. Para multiplicar un número calquera por unha matriz m×n, basta multiplicar cada elemento de por . Así, a matriz resultante será tamén m×n e . Con iso, pódese pensar tamén na noción de dividir unha matriz por un número: basta multiplicala polo inverso dese número. Mais esa noción pode ser perigosa: en canto a multiplicación entre un número e unha matriz pode ser dita "conmutativa", o mesmo non vale para a división, pois non se pode dividir un número por unha matriz.
Se e son dúas matrices da mesma orde m×n, entón a suma é a matriz de orde m×n que se obtén ao sumar os elementos de cos elementos de que lle corresponden, é dicir, dadas as matrices e de mesma orde, e , entón a suma .
Por exemplo:
.
A matriz escríbese , e entón podemos definir a diferenza de dúas matrices: dadas as matrices e de mesma orde, e , entón a diferenza .
O produto de dúas matrices é só posíbel se o número de columnas da matriz da esquerda é o mesmo número de liñas da matriz da dereita. Se é unha matriz m×n e é unha matriz n×p, entón o produto é unha matriz m×p é .
Unha matriz cadrada é unha matriz co mesmo número de filas que de columnas, é dicir, son as matrices de orde nxn ou, simplemente, de orde n. Chamaremos ao conxunto de elementos da forma como diagonal principal.
Se todos os elementos da matriz por debaixo da diagonal principal son nulos , é unha matriz triangular superior. Analogamente, se os elementos que están por riba da diagonal principal son cero, entón é unha matriz diagonal inferior. Se todas os elementos que no estean na diagonal principal son nulos, diremos que é unha matriz diagonal.
Se os elementos da diagonal son , defínese como a matriz diagonal na que .
A matriz identidadede orde n é a matriz de orde nxn tal que todos os elementos da diagonal principal son iguais a 1, e o resto de elementos son iguais a 0, como:
Son un tipo especial de matrices cadradas, que toman o seu nome porque manteñen as matrices despois do produto: para toda matriz de orde mxn.
Pódense construír matrices destes tipos a partir doutras que non pertence, por exemplo, se é unha matriz cadrada, é unha matriz simétrica e é unha matriz antisimétrica, e para calquera matriz , é unha matriz simétrica.
Unha matriz cadrada de orde n, é invertible o non singular se existe unha matriz tal que , onde é a matriz identidade nxn. Se existe, entón denotarémola como a matriz inversa de ou . [3] A matriz inversa ten as seguintes propiedades:
Se e todas son matrices cadradas e invertibles, entón .
Se é simétrica, entón tamén.
Se existe a matriz inversa, entón esta ha de ser única.
A traza, , dunha matriz cadrada é a suma dos elementos da súa diagonal, é dicir, . Un exemplo sería
Pódese deducir pola definición de produto de matrices que:
Disto conclúese que a traza dun produto de máis de dúas matrices é independente dunha permutación cíclica de matrices, mais isto non se aplica en xeral a permutacións arbitrarias, por exemplo . Tamén temos que a traza dunha matriz é ten a mesma traza que a súa trasposta, isto é, .
O determinanteou dunha matriz cadrada é a única función matricial que leva ao conxunto á que cumpre:[4]
Ás propiedades 1 e 2 din que é unha función n-lineal para as columnas e a propiedade 3 di que é alternada para as columnas.
O determinante ten diferentes propiedades, entre as que salientan:
Unha matriz é invertible se e só se o seu determinante non é cero.
, polo que temos as mesmas propiedades para as filas que para as columnas.
O seu valor absoluto equivale á área (en ), ao volume (en ) ou ao volume xeneralizado (en ) do cubo que ten por costados aos vectores que corresponden coas columnas da matriz.
A álxebra de matrices é interesante para a representación de sistemas de ecuacións lineais. Por exemplo, supoñamos que queremos resolver o seguinte sistema:
Entón poderemos representalo pola ecuación de matrices , onde
Como neste caso temos que é invertible, entón:
En xeral, se é unha matriz mxn, é unha matriz columna n×1 e é outra matriz columna m×1, entón a ecuación é equivalente ao sistema de ecuacións
Como no caso anterior, se n = m e é invertible (as ecuacións son independentes), podemos escribir para resolver o sistema. En calquera outro caso, ou ben o sistema non té solucións ou ben té infinitas.
Hai diferentes métodos para traballar coas matrices dun xeito máis sinxelo, para o cal unha posibilidade é o uso de técnicas coñecidas como "descomposición matricial" ou "factorización matricial". Debido a que estas transformacións manteñen certas propiedades da matriz orixinal, como o determinante, o rango ou os autovalores, estas propiedades poden ser calculadas a partir da descomposición no canto da matricial orixinal. Deste xeito son utilizadas na análise numérica para realizar certas operacións matriciais de maneira máis eficiente.
En teoría de grafos, usando as matrices pódense representar grafos, atopar caracterizacións e demostrar resultados con técnicas de álxebra lineal. Entre as matrices que se utilizan salientan[5]:
A matriz de adxacencia, que garda a información de que vértices están conectados por unha aresta.
A matriz de incidencia, que almacena en aij un -1 se a aresta j sae do vértice i, 1 se entra e 0 no outros casos.
A matriz laplaciana, que se define como a matriz diferenza entre a matriz de grados e a matriz de adxacencia.
A matriz de distancias, que é a matriz que garda a distancia entre os vértices dun grafo.