Násobení matic

Pro součin matic musí být počet sloupců v první matici roven počtu řádků ve druhé matici. Výsledná matice má počet řádků první matice a počet sloupců druhé matice.

Součin matic[1][2] hovorově též maticové násobení (neplést se skalárním násobkem matice) je v matematice zobecnění součinu čísel na matice. Formálně se dá definovat jako binární operace na maticích odpovídajících typů. Využívá se v matematice, fyzice a jejich aplikacích, obvykle pro popis skládání lineárních zobrazení.

Speciálním případem násobení matic je součin matice typu a vektoru braného jako matice o typu (sloupcový vektor). Tento součin lze interpretovat jako aplikaci lineárního zobrazení reprezentovaného transformační maticí na vektor.

Formální definice

Pokud je matice typu a je matice typu , jejich součin je matice typu definovaná vztahem

pro všechny prvky výsledné matice indexované a .

Ve většině případů jsou prvky matice čísla, ale mohou to být jakékoli druhy matematických objektů, pro které je definováno sčítání a násobení, které jsou asociativní a takové, že sčítání je komutativní a násobení je distributivní s ohledem na sčítání, typicky prvky nějakého tělesa. Prvky mohou být dokonce samotné matice (bloková matice).

U reálných matic lze prvek v -tém řádku a -tém sloupci výsledné matice lze také chápat jako standardní skalární součin vektoru -tého řádku první matice s vektorem -tého sloupce druhé matice.

Tečka se v součinu vynechává a píše se pouze .[2]

Ukázka výpočtu

Schéma součinu dvou matic a .

Součin matic a je

Prvky matice zůstávají v řádcích tak, jak jsou, a prvky v matici se rozmístí opět do levého a pravého sloupce.

Použití

Historicky bylo násobení matic zavedeno pro usnadnění a objasnění výpočtů v lineární algebře. Tento silný vztah mezi maticovým součinem a lineární algebrou zůstává je fundamentální v celé matematice, stejně jako ve fyzice, chemii, inženýrství a informatice.

Soustavy lineárních rovnic

Obecný tvar soustavy lineárních rovnic je

Při použití stejné notace jako výše je zápis soustavy ekvivalentní jednoduché maticové rovnici

.

Lineární zobrazení

Pokud má vektorový prostor konečnou bázi, každý z jeho vektorů je jednoznačně reprezentován konečnou posloupností skalárů, nazývanou vektor souřadnic, tvořenou souřadnicemi vektoru vzhledem k bázi. Tyto vektory souřadnic tvoří další vektorový prostor, který je izomorfní původnímu vektorovému prostoru. Vektor souřadnic je běžně zapisován jako sloupcový vektor, což je matice pouze s jedním sloupcem. Sloupcový vektor pak představuje jak souřadnicový vektor, tak i vektor původního vektorového prostoru.

Lineární zobrazení prostoru dimenze do vektorového prostoru dimenze převádí sloupcový vektor

na sloupcový vektor

Lineární zobrazení je proto definováno maticí

a zobrazuje sloupcový vektor na maticový součin

.

Je-li další lineární zobrazení z předchozího vektorového prostoru dimenze , do vektorového prostoru dimenze , pak jej lze reprezentovat maticí řádu . Přímý výpočet ukazuje, že matice složeného zobrazení je rovna součinu . Obecný vzorec , který definuje složené zobrazení, je jedním z specifických případů asociativity maticového součinu:

Geometrické rotace

Při použití systému kartézských souřadnic v euklidovské rovině je rotace o úhel kolem počátku (počátek odpovídá nulovému vektoru) lineární zobrazení. Přesněji, kde výchozí bod i jeho obraz jsou zapsány jako sloupcové vektory.

Složení rotací o úhel a pak o úhel odpovídá maticovému součinu ve druhé rovnosti jsou použity součtové vzorce. Výsledné složení odpovídá rotaci o úhel , jak lze očekávat.

Skalární součin, bilineární forma a seskvilineární forma

Standardní skalární součin dvou reálných sloupcových vektorů lze zapsat maticovým součinem

kde je řádkový vektor získaný pomocí transpozice . (Výsledná matice je zde ztotožněna se svým jediným prvkem.)

Obecněji lze jakoukoli bilineární formu ve vektorovém prostoru konečného rozměru vyjádřit jako maticový součin

a jakoukoliv seskvilineární formu lze vyjádřit jako

kde je hermitovsky sdružený vektor k vektoru .

Alokace zdrojů v ekonomii

Výpočet prvku v levém dolním rohu součinu odpovídá všem možným cestám (zvýrazněné) od suroviny ke konečnému výrobku v grafu toku výroby.

Jako příklad si představme fiktivní továrnu, která používá 4 druhy surovin k výrobě 3 meziproduktů, , které se následně používají k výrobě 3 druhů výrobků, .

Matice   a   udávají množství surovin potřebných pro výrobu meziproduktů, respektive množství meziproduktů potřebných pro výsledné výrobky. Například k výrobě jednoho meziproduktu je třeba jedna jednotka suroviny , dvě jednotky , žádné a jedna jednotka , což odpovídá prvnímu sloupci matice .

Součin pak přímo udává množství surovin potřebných pro výrobu jednotlivých výrobků. Například prvek v levém dolním rohu je vypočítán jako , což odpovídá tomu, že jednotek je potřeba k výrobě jednoho výrobku . Jmenovitě jedna jednotka je třeba pro , 2 pro a pro každý ze dvou meziproduktů , které jsou potřeba pro jeden kus , viz obrázek.

Aby bylo možné vyrobit např. 100 výrobků , 80 a 60 , lze potřebné množství surovin vypočítat jako

tj. jednotek , jednotek , jednotek a jednotek .Matice součinu může být použita k výpočtu množství surovin i pro jiné počty výrobků.[3]

Vlastnosti

Rovnosti uvedené v následujících odstavcích platí, pokud mají výsledky operací smysl.

  • Součin matice s jednotkovou maticí zprava i zleva má za výsledek matici , tj. .
  • Maticový součin je asociativní, tedy .
  • Maticový součin není komutativní, tedy existují příklady matic, pro něž platí .
  • Maticový součin je distributivní vůči sčítání, tj. .
  • Maticový součin je lineární vůči násobení skalárem (typicky reálné nebo komplexní číslo), tj. .
  • Matice vzhledem k součinu mohou být dělitelé nuly, tj. součin dvou nenulových matic může být nulová matice, například
.
  • Součin matic typu a typu lze vyjádřit jako
,
kde jsou sloupce matice a řádky matice . (Neboli jsou sloupce .) Zde každý sčítanec je matice typu , protože sloupcové vektory odpovídají maticím o jednom sloupci.
  • Transpozice součinu matic je součin transponovaných matic v opačném pořadí, tj.
  • Inverzní matice součinu regulárních matic je součin inverzních matic v opačném pořadí, tj.
  • Hermitovské sdružení (hermitovská transpozice) součinu matic je součin matic hermitovsky sdružených v opačném pořadí, tj.
  • Maticový součin odpovídá skládání lineárních zobrazení, které matice reprezentují.

Součiny čtvercových matic

Mocniny matice

Čtvercovou matici lze umocnit na jakoukoli nezápornou celočíselnou mocninu tím, že ji opakovaně násobíme stejným způsobem jako u běžných čísel, konkrétně

Výpočet -té mocniny matice potřebuje maticových součinů, pokud se provádí triviálním algoritmem (opakované násobení). Protože to může být velmi časově náročné, obecně se dává přednost použití umocňování pomocí druhé mocniny, které vyžaduje nejvýše maticových součinů, a je tedy mnohem efektivnější.

Snadným případem umocňování je diagonální matice. Protože součin diagonálních matic se rovná prostému vynásobení odpovídajících diagonálních prvků dohromady, získáme -tou mocninu diagonální matice umocněním prvků na diagonále na -tou:

Regulární a singulární matice

Označme množinu čtvercových matic řádu s prvky z okruhu , což je v praxi často těleso.

V je součin definován pro každou dvojici matic. Toto dělá z okruh, který má jednotkovou matici za neutrální prvek.

Pokud je , mnoho matic nemá inverzní prvek vůči násobení, např. nulová matice. Pokud inverzní prvek existuje, značí se a nazývá se inverzní matice k matici . Splňuje:

Matice, která má inverzi, je regulární matice, někdy též invertibilní matice. Pokud inverzní matici nemá, nazývá se singulární matice.

Součin matic je regulární, právě když je každý z činitelů i regulární. V tomto případě platí

Determinant součinu

Determinant součinu čtvercových matic je součin jejich determinantů.

.

Tento vztah platí kdykoli je komutativní okruh, jmenovitě i v tělesech.

Výpočetní složitost

Výpočetní složitost výše popsaného algoritmu je (počítáme čísel; pro každé potřebujeme aritmetických operací). Existují však algoritmy s nižší složitostí vhodné pro matice vyšších řádů. Nejpoužívanější z nich je Strassenův algoritmus se složitostí . Nižší složitost u tohoto algoritmu však získáváme za cenu snížené numerické stability. Asymptoticky nejrychlejší ze známých algoritmů je Coppersmithův-Winogradův algoritmus (), který je však použitelný až pro matice tak velkých řádů, že je nelze zpracovávat pomocí současných počítačů[4].

Teoreticky by se dala složitost ještě snížit, ale nikdy nemůže být menší než , protože je třeba spočítat čísel.

Hledání nejkratší cesty v grafu

Algoritmy pro násobení matic s malou výpočetní složitostí lze využít i pro hledání nejkratší cesty v grafu z každého do každého vrcholu. To má v nejjednodušší podobě složitost . V tomto případě se však nepoužívá zde popsané násobení matic, ale upravená verze, kde je místo sčítání výběr nejmenšího prvku a místo násobení sčítání, proto nelze použít například Strassenův algoritmus, který využívá operaci odčítání jako inverzní operaci ke sčítání, která k operaci není.

Graf lze popsat maticí vzdáleností . Pokud je pro výpočty operace sčítání dvou čísel definována jako jejich minimum, a místo násobení se použije sčítání, je možno matici nejkratších cest získat jako () kde je řád matice vzdáleností. Při reálném výpočtu není třeba cyklicky násobit původní maticí, ale vždy se vynásobí vzniklé výsledky - nejkratší cesty jsou získány po násobeních. Je-li použit pro násobení algoritmus se složitostí menší než , složitost hledání cest se tímto postupem sníží.

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Matrix multiplication na anglické Wikipedii.

  1. Slovník školské matematiky. Praha: SPN, 1981. 240 s. 
  2. a b ČSN EN ISO 80000-2 (011300). Veličiny a jednotky - Část 2: Matematika. Česká agentura pro standardizaci, 2020-11-01. detail.
  3. Peter Stingl. Mathematik für Fachhochschulen – Technik und Informatik. 5th. vyd. Munich: Carl Hanser Verlag, 1996. ISBN 3-446-18668-9. (German)  Zde: příklad 5.4.10, s.205-206
  4. Robinson, Sara (2005), "Toward an Optimal Algorithm for Matrix Multiplication Archivováno 31. 3. 2010 na Wayback Machine.", SIAM News 38 (9), http://www.siam.org/pdf/news/174.pdf Archivováno 31. 3. 2010 na Wayback Machine.

Literatura

  • BÄRTSCH, Hans-Jochen. Matematické vzorce. Praha: Academia, 2006. 832 s. ISBN 80-200-1448-9. Kapitola Matice, s. 180–198. 
  • BEČVÁŘ, Jindřich. Lineární algebra. 1. vyd. Praha: Matfyzpress, 2019. 436 s. ISBN 978-80-7378-392-1. 
  • HLADÍK, Milan. Lineární algebra (nejen) pro informatiky. 1. vyd. Praha: Matfyzpress, 2019. 328 s. ISBN 978-80-7378-378-5. S. 39. 
  • OLŠÁK, Petr. Lineární algebra [online]. Praha: 2007 [cit. 2023-02-20]. Dostupné online. 
  • MOTL, Luboš; ZAHRADNÍK, Miloš. Pěstujeme lineární algebru [online]. [cit. 2023-02-20]. Dostupné online. 

Související články

Externí odkazy

Read other articles:

Chloé MortaudLahirChloé Mortaud19 September 1989 (umur 34)Lisieux, FranceTinggi5 ft 11 in (1,80 m)Pemenang kontes kecantikanGelarMiss France 2009Warna rambutBlackWarna mataBrownKompetisiutamaMiss France 2009 (Winner) Miss Universe 2009 (Top 10) Miss World 2009 (3rd runner-up) Situs webwww.chloekingmortaud.com Chloé Mortaud (lahir 19 September 1989) adalah Aktris dan pemenang kontes kecantikan yang meraih gelar sebagai Miss Prancis pada tahun 2009. Dia mewakili wilayah ...

 

Fischlham Lambang kebesaranKoordinat: 48°05′19″N 13°57′04″E / 48.08861°N 13.95111°E / 48.08861; 13.95111Koordinat: 48°05′19″N 13°57′04″E / 48.08861°N 13.95111°E / 48.08861; 13.95111NegaraAustriaNegara bagianAustria HuluDistrikWels-LandPemerintahan • Wali kotaFranz Steininger (ÖVP)Ketinggian353 m (1,158 ft)Zona waktuUTC+1 (CET) • Musim panas (DST)UTC+2 (CEST)Kode pos4652Kode area telepon0...

 

ينبوع الشبابمعلومات عامةجزء من أساطير أيرلندية[1] جانب من جوانب magic drink rejuvenates (en) [2] السكان الأصليون لـ إيرلنديون[3]آيسلنديون[4]بريطون[5] رمز الفهرس D1338.1.1. يُصوِّر سحرتأثيرتغير تعديل - تعديل مصدري - تعديل ويكي بيانات ينبوع الشباب (بالإنجليزية: The Fountain Of Youth)‏...

Class of chemical compounds The core structure of thienodiazepines Not to be confused with thienobenzodiazepine or thienotriazolodiazepine. A thienodiazepine[1] is a heterocyclic compound containing a diazepine ring fused to a thiophene ring. If R1 and R2 are part of a triazole ring, the substance is called a thienotriazolodiazepine. The thienodiazepine structure forms the central core of some pharmaceutical and recreational drugs, including: Bentazepam Clotiazepam Since thienodiazepi...

 

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed.Find sources: Aermacchi AL-60 – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (August 2011) (Learn how and when to remove this template message) LASA-60 / AL-60 / C4M Kudu Operational Aermacchi AL-60B-2 registered in Germany Role Utility aircraftType of aircraft Manufacturer L...

 

Private university in Ada, Ohio, U.S. Ohio Northern UniversityFormer namesNorthwestern Ohio Normal School (1871–1885)Ohio Normal University (1885–1903)[1]MottoEx diversitate vires (Latin)Motto in EnglishOut of diversity strengthTypePrivate collegeEstablished1871; 153 years ago (1871)Religious affiliationUnited Methodist ChurchAcademic affiliationsSpace-grantEndowment$160.3 million (2019)[2]PresidentMelissa J. Baumann[3]ProvostJuliet K. H...

Concept in urban design for healthRush hour in Copenhagen, where 62% of the population commute by bicycle to their work or study places each day Further information: Active design and Healthy community design Healthy city is a term used in public health and urban design to stress the impact of policy on human health. It is a municipality that continually improves on a physical and a social level until environmental and pathological conditions are reached establishing an acceptable morbidity r...

 

Short-lived puppet state of Imperial Japan, c. 1945 Empire of VietnamĐế quốc Việt Nam (Vietnamese)[a]越南帝國 (Classical Chinese[b] and Japanese[c])1945 Flag before and after 12 June 1945Motto: Dân vi quý民為貴The people are the most preciousAnthem: Đăng đàn cungThe Emperor Mounts His ThroneViệt Nam minh châu trời ĐôngVietnam – Pearl of the OrientImperial sealHoàng Đế chi bảo皇帝之寶Dark green: Empire of VietnamLigh...

 

Masjid Langgar Tinggi, tahun 1949 Masjid Langgar Tinggi, 2019 Masjid Langgar Tinggi, lk. tahun 1900, tatkala Kali Angke masih berfungsi sebagai jalur transportasi Masjid Langgar Tinggi adalah salah satu masjid tua di wilayah DKI Jakarta. Masjid yang terletak di Kelurahan Pekojan, Kecamatan Tambora, Jakarta Barat, ini semula dibangun sebagai langgar oleh seorang orang Arab pada tahun 1249 H atau 1829 M. Sejarah Pada papan di atas pintu masuk masjid ditulis bahwa Masjid Langgar Tinggi didirikan...

American game show host (1925–1975) Larry BlydenBlyden in 1962BornIvan Lawrence Blieden(1925-06-23)June 23, 1925Houston, Texas, U.S.DiedJune 6, 1975(1975-06-06) (aged 49)Agadir, MoroccoResting placeForest Park Lawndale CemeteryAlma materSouthwestern Louisiana InstituteUniversity of HoustonStella Adler Studio of ActingOccupation(s)Actor, stage producer and director, game show hostYears active1948–1975Spouse Carol Haney ​ ​(m. 1955; div.&#...

 

اشتباكات الصحراء الغربية 2020 جزء من نزاع الصحراء الغربية خريطة الصحراء الغربية. موقع الاشتباكات معلّم بدائرة حمراء. معلومات عامة التاريخ 13 نوفمبر 2020 – الآن(3 سنوات، و6 شهور، و2 أيام) الموقع الجدار الأمني المغربي في الصحراء الغربية21°25′34″N 16°57′31″W / 21.426111111111...

 

Historical population estimates and average annual growth rateYearPop.±% p.a.179014,520—    183920,940+0.75%185725,561+1.11%189133,500+0.80%Source: INSEE estimates Census population and average annual growth rateYearPop.±% p.a.193637,005—    194625,499−3.66%195427,863+1.11%196133,505+2.67%196744,392+4.80%197455,125+3.14%198273,022+3.58%1990114,678+5.80%1999156,790+3.54%2007213,031+3.91%2012239,648+2.38%2017268,700+2.31%Graphs are unavailable du...

David WallDavid Wall in 2013Nationality AustralianBorn19 January 1983 (1983-01-19) (age 41)Sydney, New South WalesSupercars Championship careerCar number4Current teamBrad Jones Racing(Endurance race co-driver)Championships0Races151Wins0Podiums2Pole positions0 David Wall (born 19 January 1983) is an Australian racing driver competing in the Porsche Carrera Cup Australia Championship. He currently drives the No. 38 Porsche 911 GT3 Cup for Wall Racing. Biography As the son of lon...

 

الاحتراق – تفاعل أكسدة-اختزال حيث يستخدم فيه الأكسجين كمادة مؤكسدة. تمثيل لعملية أكسدة-اختزال : تعطي ذرة الهيدروجين إلكترونا لذرة الفلور ، ثم تتحد معه. تفاعلات الأكسدة والاختزال أو الأكسدة والإرجاع[1] هي تفاعلات كيميائية يحدث فيها تغير في عدد أكسدة ذرات المواد المتف...

 

NGC 2551   الكوكبة الزرافة[1]  رمز الفهرس NGC 2551 (الفهرس العام الجديد)PGC 23608 (فهرس المجرات الرئيسية)[2]UGC 4362 (فهرس أوبسالا العام)2MASX J08245029+7324432 (Two Micron All-Sky Survey, Extended source catalogue)IRAS F08192+7334 (IRAS)MCG+12-08-038 (فهرس المجرات الموروفولوجي)Z 331-40 (فهرس المجرات وعناقيد المجرات)Z 0819.1+7335 (فهرس ال�...

Railway station in Liepāja, Latvia Liepāja StationLiepāja Station in 2010General informationCoordinates56°31′26.91″N 21°1′0.93″E / 56.5241417°N 21.0169250°E / 56.5241417; 21.0169250Platforms2Tracks11HistoryOpened1871 Liepāja Station is the railway station for Liepāja on the Jelgava – Liepāja Railway.[1] History The station was built in 1871 as the first station in the Libau–Romny Railway, Libau being the German name of the city in use at t...

 

Grey's Anatomy is an American medical drama television series that premiered on the American Broadcasting Company (ABC) as a mid-season replacement on March 27, 2005.[1] The series focuses on the fictional lives of surgical interns and residents as they evolve into seasoned doctors while trying to maintain personal lives. The show's premise originated with Shonda Rhimes, who serves as an executive producer, along with Betsy Beers, Mark Gordon, Krista Vernoff, Rob Corn, Mark Wilding, ...

 

Yearly celebrations held in countries influenced by Christianity A patronal feast or patronal festival[a][3] (Spanish: fiesta patronal; Catalan: festa patronal; Portuguese: festa patronal; Italian: festa patronale; French: fête patronale) is a yearly celebration dedicated – in countries influenced by Christianity – to the 'heavenly advocate' or 'patron' of the location holding the festival, who is a saint or virgin. The day of this celebration is called patronal feast day...

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed.Find sources: History of Mongolia – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (January 2015) (Learn how and when to remove this message) History of Mongolia Timeline States Rulers Nobility Culture Politics Geography Language Religion Prehistoric period Afanasievo culture ...

 

Artikel ini tidak memiliki referensi atau sumber tepercaya sehingga isinya tidak bisa dipastikan. Tolong bantu perbaiki artikel ini dengan menambahkan referensi yang layak. Tulisan tanpa sumber dapat dipertanyakan dan dihapus sewaktu-waktu.Cari sumber: Sergey Sobyanin – berita · surat kabar · buku · cendekiawan · JSTORSergey Sobyanin Nama dalam bahasa asli(ru) Сергей Семёнович Собянин BiografiKelahiran21 Juni 1958 (65 tahun)Nyaksi...