Математика: темы

Линейная алгебра

Формулы и правила по теме «Линейная алгебра».

120 формул

Таблица формул

Показаны 1-60 из 120. Остальные формулы доступны на соседних страницах подборки.

Формула Запись Тема Для чего нужна
Длина вектора в Rn $\|x\|=\sqrt{x_1^2+x_2^2+\dots+x_n^2}$ Матрицы, определители Длина вектора в евклидовом пространстве показывает, насколько далеко точка с координатами вектора находится от начала координат. Формула обобщает теорему Пифагора на любое число координат.
Скалярное произведение векторов $a\cdot b=\sum_{i=1}^{n}a_i b_i$ Матрицы, определители Скалярное произведение складывает попарные произведения координат двух векторов и дает число. Через него находят длину, угол между векторами, ортогональность и проекции.
Косинус угла между векторами $\cos\varphi=\frac{a\cdot b}{\|a\|\,\|b\|}$ Матрицы, определители Косинус угла между двумя ненулевыми векторами равен скалярному произведению, деленному на произведение их длин. Формула переводит координаты в геометрический угол.
Матричное произведение $(AB)_{ij}=\sum_{k=1}^{m}a_{ik}b_{kj}$ Матрицы, определители Матричное произведение строит элемент новой матрицы как скалярное произведение строки первой матрицы и столбца второй. Порядок множителей важен.
Определитель матрицы 2x2 $\det\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}=ad-bc$ Матрицы, определители Определитель матрицы 2x2 равен разности произведений диагоналей. Он показывает, во сколько раз линейное преобразование меняет ориентированную площадь.
Определитель матрицы 3x3 по правилу Саррюса $\det A=a_{11}a_{22}a_{33}+a_{12}a_{23}a_{31}+a_{13}a_{21}a_{32}-a_{13}a_{22}a_{31}-a_{11}a_{23}a_{32}-a_{12}a_{21}a_{33}$ Матрицы, определители Правило Саррюса дает быстрый способ вычислить определитель матрицы 3x3 как сумму трех произведений по нисходящим диагоналям минус сумму трех произведений по восходящим диагоналям.
Обратная матрица 2x2 $A^{-1}=\frac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}$ Матрицы, определители Обратная матрица 2x2 существует только при ненулевом определителе. Она обращает действие исходной матрицы: A^{-1}A = I, то есть возвращает исходный вектор.
Решение системы 2x2 по правилу Крамера $x=\frac{\Delta_x}{\Delta},\quad y=\frac{\Delta_y}{\Delta}$ Матрицы, определители Правило Крамера выражает решение системы двух линейных уравнений через определители. Метод работает, когда главный определитель системы не равен нулю.
Ранг матрицы через миноры $\operatorname{rank}A=\max\{r:\text{существует ненулевой минор порядка }r\}$ Матрицы, определители Ранг матрицы равен наибольшему порядку ненулевого минора. Он показывает, сколько строк или столбцов матрицы действительно независимы.
След матрицы $\operatorname{tr}A=a_{11}+a_{22}+\dots+a_{nn}$ Матрицы, определители След квадратной матрицы равен сумме элементов главной диагонали. Он сохраняется при замене базиса и связан с собственными значениями.
Характеристический многочлен матрицы 2x2 $p(\lambda)=\lambda^2-\operatorname{tr}(A)\lambda+\det(A)$ Матрицы, определители Характеристический многочлен матрицы 2x2 выражается через след и определитель. Его корни являются собственными значениями матрицы.
Матричная форма системы линейных уравнений $Ax=b$ Матрицы, определители Матричная форма Ax = b записывает систему линейных уравнений как произведение матрицы коэффициентов на столбец неизвестных. Такая запись позволяет решать систему не как набор отдельных строк, а как единый линейный объект.
Расширенная матрица системы $\left[A\mid b\right]$ Матрицы, определители Расширенная матрица [A|b] объединяет коэффициенты системы и правые части в одну таблицу. Она нужна для метода Гаусса, потому что при преобразовании строк меняются и коэффициенты, и правые части.
Элементарные преобразования строк $R_i\leftrightarrow R_j,\quad R_i\leftarrow cR_i\ (c\ne0),\quad R_i\leftarrow R_i+cR_j$ Матрицы, определители Элементарные преобразования строк - это три допустимые операции, которые заменяют систему на эквивалентную: перестановка строк, умножение строки на ненулевое число и прибавление кратной строки.
Прямой ход метода Гаусса $R_i\leftarrow R_i-\frac{a_{ik}}{a_{kk}}R_k$ Матрицы, определители Прямой ход метода Гаусса зануляет коэффициенты под ведущими элементами. В результате система приводится к ступенчатому виду, из которого решение находят обратной подстановкой.
Обратная подстановка в методе Гаусса $x_i=\frac{b'_i-\sum_{j=i+1}^{n}u_{ij}x_j}{u_{ii}}$ Матрицы, определители Обратная подстановка находит неизвестные после прямого хода метода Гаусса. Она идет снизу вверх по ступенчатой системе: сначала последняя ведущая переменная, затем предыдущие.
Ступенчатый вид матрицы $p_1<p_2<\dots<p_r,\quad a_{ij}=0\ \text{ниже ведущих элементов}$ Матрицы, определители Ступенчатый вид матрицы - это форма, где ведущие элементы ненулевых строк смещаются вправо при движении вниз, а под каждым ведущим элементом стоят нули.
Приведенный ступенчатый вид матрицы $\operatorname{rref}(A)$ Матрицы, определители Приведенный ступенчатый вид, или RREF, усиливает обычный ступенчатый вид: каждый ведущий элемент равен 1, а в его столбце все остальные элементы равны 0.
Метод Гаусса-Жордана $\left[A\mid b\right]\sim\left[I\mid x\right]$ Матрицы, определители Метод Гаусса-Жордана продолжает метод Гаусса до приведенного ступенчатого вида. Если система имеет единственное решение, расширенная матрица превращается в [I|x], и ответ читается сразу.
Ранг расширенной матрицы системы $\operatorname{rank}[A\mid b]$ Матрицы, определители Ранг расширенной матрицы показывает, добавляет ли столбец правых частей новое независимое условие к строкам матрицы коэффициентов. Это ключ к проверке совместности системы.
Теорема Кронекера-Капелли $\operatorname{rank}A=\operatorname{rank}[A\mid b]$ Матрицы, определители Теорема Кронекера-Капелли дает точный критерий совместности линейной системы: решение существует тогда и только тогда, когда ранги матрицы коэффициентов и расширенной матрицы равны.
Условие несовместности линейной системы $\operatorname{rank}A<\operatorname{rank}[A\mid b]$ Матрицы, определители Линейная система несовместна, если ранг расширенной матрицы больше ранга матрицы коэффициентов. Это означает, что правые части добавляют противоречивое условие, которое нельзя получить из левых частей уравнений.
Условие единственного решения линейной системы $\operatorname{rank}A=\operatorname{rank}[A\mid b]=n$ Матрицы, определители Линейная система с n неизвестными имеет единственное решение, если она совместна и общий ранг равен числу неизвестных. Тогда все переменные ведущие, свободных параметров не остается.
Условие бесконечного числа решений линейной системы $\operatorname{rank}A=\operatorname{rank}[A\mid b]<n$ Матрицы, определители Совместная линейная система имеет бесконечно много решений, если общий ранг меньше числа неизвестных. Тогда остаются свободные переменные, и все решения описываются параметрами.
Число свободных переменных в линейной системе $k=n-\operatorname{rank}A$ Матрицы, определители В совместной линейной системе число свободных переменных равно числу неизвестных минус ранг матрицы коэффициентов. Эти переменные становятся параметрами общего решения.
Общее решение линейной системы через параметры $x=x_p+t_1v_1+\cdots+t_kv_k$ Матрицы, определители Общее решение совместной линейной системы записывают как одно частное решение плюс линейную комбинацию направлений однородной системы. Параметров столько, сколько свободных переменных.
Размерность пространства решений однородной системы $\dim\ker A=n-\operatorname{rank}A$ Матрицы, определители Размерность пространства решений однородной системы Ax = 0 равна числу неизвестных минус ранг матрицы A. Это частный и особенно важный случай подсчета свободных переменных.
Ядро линейного отображения $\ker T=\{v\in V\mid T(v)=0\}$ Матрицы, определители Ядро линейного отображения - это множество всех векторов, которые переходят в нулевой вектор. По ядру сразу видно, теряет ли отображение информацию и может ли оно быть инъективным.
Образ линейного отображения $\operatorname{Im}T=\{T(v)\mid v\in V\}$ Матрицы, определители Образ линейного отображения - это множество всех векторов, которые реально могут получиться на выходе. Для матрицы это столбцовое пространство, натянутое на ее столбцы.
Ранг линейного отображения $\operatorname{rank}T=\dim\operatorname{Im}T$ Матрицы, определители Ранг линейного отображения равен размерности его образа. Он показывает, сколько независимых направлений результата реально достижимо.
Дефект линейного отображения $\operatorname{def}T=\dim\ker T$ Матрицы, определители Дефект линейного отображения равен размерности его ядра. Он показывает, сколько независимых входных направлений отображение переводит в ноль.
Теорема о ранге и дефекте $\dim V=\operatorname{rank}T+\dim\ker T$ Матрицы, определители Теорема о ранге и дефекте говорит, что размерность исходного пространства равна сумме размерности образа и размерности ядра линейного отображения.
Критерий инъективности линейного отображения через ядро $T\text{ injective}\iff\ker T=\{0\}$ Матрицы, определители Линейное отображение инъективно тогда и только тогда, когда его ядро состоит только из нулевого вектора. Ненулевое ядро означает потерю различимости входов.
Критерий сюръективности линейного отображения через образ $T\text{ surjective}\iff\operatorname{Im}T=W$ Матрицы, определители Линейное отображение сюръективно, если его образ совпадает со всем пространством значений. В матричном языке это означает полный строковый ранг.
Размерности ядра и образа матрицы $\dim\ker A=n-r,\quad \dim\operatorname{Im}A=r$ Матрицы, определители Если матрица A имеет n столбцов и ранг r, то размерность ее ядра равна n-r, а размерность образа равна r. Это матричная форма теоремы о ранге и дефекте.
Базис векторного пространства $B=(e_1,\ldots,e_n),\quad V=\operatorname{span}B,\quad e_1,\ldots,e_n\ \text{линейно независимы}$ Матрицы, определители Базис векторного пространства - это набор векторов, который одновременно порождает все пространство и не содержит лишних зависимых направлений. Через базис любой вектор записывается единственным способом.
Координаты вектора в базисе $v=x_1e_1+\cdots+x_ne_n,\quad [v]_B=(x_1,\ldots,x_n)^T$ Матрицы, определители Координаты вектора в базисе - это коэффициенты единственного разложения вектора по базисным векторам. Сам вектор не меняется, меняется только числовая запись относительно выбранного базиса.
Размерность векторного пространства $\dim V=n\quad\Longleftrightarrow\quad \text{любой базис }V\text{ содержит }n\text{ векторов}$ Матрицы, определители Размерность конечномерного векторного пространства - это число векторов в любом его базисе. Она показывает, сколько независимых направлений нужно для описания всех элементов пространства.
Критерий базиса в Rn через определитель $A=[v_1\ \cdots\ v_n],\quad v_1,\ldots,v_n\text{ - базис }\mathbb R^n\Longleftrightarrow \det A\ne0$ Матрицы, определители В Rn набор из n векторов является базисом тогда и только тогда, когда определитель матрицы из этих векторов как столбцов не равен нулю.
Матрица базиса и стандартные координаты $v=P_B[v]_B,\quad P_B=[e_1\ \cdots\ e_n]$ Матрицы, определители Матрица базиса переводит координатный столбец в выбранном базисе в стандартные координаты. Ее столбцы - это сами базисные векторы, записанные в стандартной системе.
Переход координат между базисами $[v]_C=P_C^{-1}P_B[v]_B$ Матрицы, определители Переход координат между базисами переводит координатный столбец одного и того же вектора из базиса B в базис C. Сам вектор не меняется, меняется только его числовое описание.
Матрица оператора при смене базиса $[T]_C=S^{-1}[T]_B S,\quad [v]_B=S[v]_C$ Матрицы, определители При смене базиса матрица одного и того же линейного оператора меняется по формуле подобия. Это позволяет описывать один оператор разными матрицами без изменения самого действия на пространстве.
Лемма Штейница о замене $L\text{ независим},\ G\text{ порождает }V\quad\Rightarrow\quad |L|\le |G|$ Матрицы, определители Лемма Штейница о замене формализует идею, что независимых направлений не может быть больше, чем в порождающем наборе. Из нее следуют равенство числа векторов в любых базисах и корректность понятия размерности.
Критерий линейности отображения $T(\alpha u+\beta v)=\alpha T(u)+\beta T(v)$ Матрицы, определители Критерий линейности проверяет, сохраняет ли отображение сложение векторов и умножение на скаляр. Если равенство выполняется для любых u, v и скаляров alpha, beta, отображение линейно.
Матрица линейного отображения в стандартных базисах $T(x)=Ax,\quad A=\big[T(e_1)\ \cdots\ T(e_n)\big]$ Матрицы, определители Если T:R^n -> R^m линейно, то оно задается матрицей A размера m x n. Столбцы A равны образам стандартных базисных векторов области определения.
Столбцы матрицы линейного отображения $A e_j=a_j=T(e_j)$ Матрицы, определители j-й столбец матрицы линейного отображения равен образу j-го базисного вектора. Это позволяет читать действие отображения прямо по столбцам матрицы.
Матрица линейного отображения в произвольных базисах $[T(v)]_C=A_{C\leftarrow B}[v]_B,\quad A_{C\leftarrow B}=\big[[T(b_1)]_C\ \cdots\ [T(b_n)]_C\big]$ Матрицы, определители Матрица отображения в базисах B и C переводит координаты входного вектора в базисе B в координаты его образа в базисе C. Ее столбцы - координаты образов базисных векторов.
Композиция линейных отображений и произведение матриц $[S\circ T]=[S][T]$ Матрицы, определители Матрица композиции линейных отображений равна произведению их матриц в том же порядке применения справа налево: сначала T, затем S.
Тождественное линейное отображение и единичная матрица $\operatorname{Id}_V(v)=v,\quad [\operatorname{Id}_V]_{B\leftarrow B}=I_n$ Матрицы, определители Тождественное отображение оставляет каждый вектор без изменения. В одном и том же базисе его матрица равна единичной матрице I_n.
Обратное линейное отображение и обратная матрица $T^{-1}\text{ существует }\Longleftrightarrow A^{-1}\text{ существует},\quad [T^{-1}]=A^{-1}$ Матрицы, определители Если линейное отображение T представлено обратимой квадратной матрицей A, то обратное отображение представлено матрицей A^{-1}. Это верно при согласованных базисах.
Линейный оператор как квадратная матрица $T:V\to V,\quad [T]_B=A\in M_n(F),\quad [T(v)]_B=A[v]_B$ Матрицы, определители Линейный оператор - это линейное отображение пространства в себя. В выбранном базисе конечномерного пространства он записывается квадратной матрицей.
Линейный функционал как строка матрицы $f(v)=r[v]_B,\quad r=\big(f(b_1),\ldots,f(b_n)\big)$ Матрицы, определители Линейный функционал - это линейное отображение из пространства в поле скаляров. В выбранном базисе он записывается одной строкой, которая умножается на координатный столбец.
Собственное значение и собственный вектор $Av=\lambda v,\quad v\ne0$ Матрицы, определители Собственный вектор матрицы A - это ненулевой вектор, который после умножения на A остается на той же прямой. Собственное значение lambda показывает, во сколько раз этот вектор растягивается, сжимается или меняет направление.
Характеристическое уравнение матрицы $\det(A-\lambda I)=0$ Матрицы, определители Характеристическое уравнение det(A-lambda I)=0 находит те значения lambda, при которых у системы (A-lambda I)v=0 появляется ненулевое решение. Именно эти lambda являются собственными значениями матрицы.
Характеристический многочлен общей матрицы $p_A(\lambda)=\det(\lambda I-A)$ Матрицы, определители Характеристический многочлен квадратной матрицы A - это многочлен det(lambda I-A). Его корни являются собственными значениями A с учетом алгебраической кратности.
Собственное пространство матрицы $E_\lambda=\ker(A-\lambda I)$ Матрицы, определители Собственное пространство E_lambda - это множество всех векторов, которые удовлетворяют Av=lambda v, вместе с нулевым вектором. Оно равно ядру матрицы A-lambda I.
Алгебраическая кратность собственного значения $p_A(\lambda)=(\lambda-\lambda_0)^k q(\lambda),\quad q(\lambda_0)\ne0$ Матрицы, определители Алгебраическая кратность собственного значения lambda0 - это степень, с которой множитель lambda-lambda0 входит в характеристический многочлен.
Геометрическая кратность собственного значения $g(\lambda)=\dim E_\lambda=\dim\ker(A-\lambda I)$ Матрицы, определители Геометрическая кратность собственного значения - это размерность его собственного пространства. Она показывает, сколько независимых собственных направлений соответствует данному lambda.
Спектр матрицы $\sigma(A)=\{\lambda:\det(A-\lambda I)=0\}$ Матрицы, определители Спектр матрицы - это множество ее собственных значений. Для конечной квадратной матрицы он состоит из корней характеристического уравнения.
Сумма собственных значений равна следу $\lambda_1+\cdots+\lambda_n=\operatorname{tr}(A)$ Матрицы, определители Сумма собственных значений квадратной матрицы, взятых с алгебраическими кратностями, равна следу матрицы. След не меняется при смене базиса.