שינויים
/* תשובה */
תהי מטריצה <math>A\in\mathbb{F}^{m\times n}</math>. מגדירים 4 מרחבים עיקריים:
*'''מרחב העמודות''' של A. זהו המרחב הנפרש על ידי עמודות המטריצה A. נסמן <math>C(A)=span\{C_1(A),...,C_n(A)\}=\{Ax\; | \; x\in \mathbb{F}^n\}\leq\mathbb{F}^m</math>
*'''מרחב השורות''' של A. זהו המרחב הנפרש על ידי עמודות שורות המטריצה A. נסמן <math>R(A)=span\{R_1(A),...,R_m(A)\}=\{A^tx\; | \; x\in \mathbb{F}^m\}=C(A^t)\leq\mathbb{F}^n</math>
*'''מרחב האפס''' של A. זהו מרחב הפתרונות של המערכת ההומוגנית <math>Ax=0</math>. נסמן <math>N(A)=\{x\in\mathbb{F}^n|Ax=0\}\leq\mathbb{F}^n</math>
*'''מרחב האפס השמאלי''' של A. זהו מרחב הפתרונות של המערכת ההומוגנית <math>A^tx=0</math>. נסמן <math>N(A^t)=\{x\in\mathbb{F}^m|A^tx=0\}=\{x\in\mathbb{F}^m|x^tA=0\} \leq \mathbb{F}^m</math>
\end{array}\right) \; | \; a,b\in \mathbb{R}\}
</math>
==== יישום: השלמה לבסיס ====
ראינו שמרחב השורות לא משתנה בדירוג. לכן כדי למצוא וקטור שאינו במרחב השורות, אפשר להסתכל הצורה המדורגת ולמצוא וקטור שאינו נמצא במרחב השורות של המדורגת.
כמו שראינו, אם <math>v\not\in span\{v_1,\dots, v_n\}</math> אזי <math>\{v_1,\dots v_n,v\}</math> בת"ל. ואם נמצא קבוצה בת"ל מקס' אזי היא בסיס.
דוגמא:
השלם את <math>
\{
\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix},
\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix},
\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix}
\}
</math>
לבסיס.
נדרג
<math>
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 1 & 1 \\
2 & 1 & 1 & 3 \\
1 & 1 & 1 & 2 \end{pmatrix}
\to
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 1 & 1 \\
0 & 1 & -1 & 1 \\
0 & 1 & 0 & 1
\end{pmatrix}
\to
\begin{pmatrix}
1 & 0 & 1 & 1 \\
0 & 1 & -1 & 1 \\
0 & 0 & 1 & 0
\end{pmatrix}
</math>
ומכאן רואים כי
<math>
\begin{pmatrix}
0 & 0 & 0 & 1
\end{pmatrix}
</math>
אינו במרחב השורות. אם נוסיף אותו
<math>
\{
\begin{pmatrix} 1 \\ 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix},
\begin{pmatrix} 2 \\ 1 \\ 1 \\ 3 \end{pmatrix},
\begin{pmatrix} 1 \\ 1 \\ 1 \\ 2 \end{pmatrix},
\begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix}
\}
</math>
נקבל קבוצה בת"ל מגודל 4 ולכן בסיס
=== מרחב העמודות ===
</math>
תרגיל: נסו להוכיח את הטענה שהשתמשנו בה בתרגיל. טענה: מרחב העמודות <math>C(A)=\span \{C_{i_1}(A),\dots C_{i_r}(A)\}</math> כאשר <math>i_1,\dots i_r</math> אלו עמודות הציר במטריצה המדורגת.
הדרכה: השתמשו בעבודה <math>E</math> המטריצה המדרגת הפיכה ולכן בתליות ופרישה של עמודות לא מתקלקלים... (ניסוח לא פורמאלי)
'''משפט: ''' <math>rankA=dimRdim[R(A)]=dimCdim[C(A)]</math> '''הגדרה:''' הדרגה של <math>A</math> מוגדרת להיות <math>rank(A)=n-dimNdim[R(A)]</math> ====אבחנה: מימדי מרחבים המטריצה והדרגה==== תהי <math>A</math> מטריצה. אלה המספרים הבאים שווים למספר (זה נובע מהחומר שלמדנו עד עכשיו):*דרגת המטריצה*מימד מרחב העמודות*מימד מרחב השורות*מספר השורות השונות מאפס בצורה הקנונית*מספר האיברים הפותחים*מספר עמודות הציר*מספר המשתנים התלויים, ומימד המספרים הבאים שווים:*מספר המשתנים החופשיים*מימד מרחב האפס שווה למספר הפתרונות של המערכת ההומוגנית מכיוון שמספר המשתנים החופשייםועוד מספר המשתנים התלויים שווה לסך כל המשתנים, וזהו מספר העמודות במטריצה, נובע שדרגת המטריצה ועוד מימד מרחב הפתרונות שווים למספר העמודות. כלומר '''משפט''' (הדרגה עבור מטריצות) עבור <math>A\in \mathbb{F}^{m\times n}</math> מתקיים <math>rank(A)+\dim N(A) = n</math> זיכרו זאת, בהמשך נוכיח משפט הדרגה הכללי ====תרגיל==== יהיו <math>A\in\mathbb{F}^{m\times n},B\in\mathbb{F}^{n\times p}</math> מטריצות הוכח: <math>rank(AB)\leq rank(A),rank(B)</math> הוכחה: ש"ל <math>dim[C(AB)]\leq dim[C(A)]</math>נסמן <math>\{a_{1},\dots,a_{l}\}</math> בסיס למרחב העמודות. בנוסף <math>C(AB)=span \{C_1(AB),\dots , C_p(AB)\}=span\{AC_{1}(B),\dots,AC_{p}(B)\}</math>כיוון שלכל <math>i</math> מתקיים כי <math>AC_{i}(B)</math> הוא צ"ל של עמודות <math>A</math>מקבלים ש <math>C(AB)=span\{AC_{1}(B),\dots,AC_{p}(B)\}\subseteq span\{a_{1},\dots,a_{l}\}=C(A)</math> ולכן <math>dim[C(AB)]\leq dim[C(A)]</math>. באופן דומה <math>dim[R(AB)]\leq dim[R(A)]</math> (בעזרת <math>dim[R(AB)]\leq dim[R(A)]</math>) מסקנה: יהיו <math>A\in\mathbb{F}^{m\times n},B\in\mathbb{F}^{n\times n}</math> ו - <math>B</math> הפיכה אזי <math>rank(AB)=rank(A)</math> הוכחה: <math>rank(A)=rank(ABB^{-1})\leq rank(AB)\leq rank(A)</math>
=== מרחב האפס ===
תרגיל: תהא <math>A\in\mathbb{F}^{m\times n}</math> ותהא <math>E\in\mathbb{F}^{m\times m}</math> מטריצה הפיכה. הוכח <math>N(A)=N(EA)</math>. פתרון: (<math>\supseteq</math>) יהא <math>x\in N(EA)</math> אזי <math>EAx=0</math> נכפיל ב <math>E^{-1}</math> משמאל ונקבל <math>Ax=0</math> כלומר <math>x\in N(A)</math> (<math>\subseteq</math>) יהא <math>x\in N(A)</math> אזי <math>Ax=0</math> נכפיל ב <math>E</math> משמאל ונקבל <math>EAx=0</math> כלומר <math>x\in N(EA)</math> אם ניקח <math>E</math> להיות המטריצה שמדרגת את <math>A</math> נקבל את '''דוגמא.מסקנה:'''דירוג אל מקלקל את מרחב האפס. תרגיל: מצא את מרחב האפס של<math>A=\left(\begin{array}{cccc}1 & 2 & 3 & 4\\0 & 1 & 0 & 1\\1 & 3 & 3 & 5\end{array}\right)</math>. פתרון: אחרי דירוג קיבלנו<math>\left(\begin{array}{cccc}1 & 2 & 3 & 4\\0 & 1 & 0 & 1\\0 & 0 & 0 & 0\end{array}\right)\to\left(\begin{array}{cccc}1 & 0 & 3 & 2\\0 & 1 & 0 & 1\\0 & 0 & 0 & 0\end{array}\right)</math>ולכן מרחב האפס הוא (<math>z=t,w=s</math>) <math>N(A)=\{\left(\begin{array}{c}-2s-3t\\-s\\t\\s\end{array}\right)=t\left(\begin{array}{c}-3\\0\\1\\0\end{array}\right)+s\left(\begin{array}{c}-2\\-1\\0\\1\end{array}\right)\; | \; t,s\in \mathbb{R}\} =span\{\left(\begin{array}{c}-3\\0\\1\\0\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}-2\\-1\\0\\1\end{array}\right)\}</math>. ====דוגמא נוספת====
מצא בסיס למרחב האפס של המטריצה <math>\begin{pmatrix}1 & 0 & 1 & 1 \\ 2 & 1 & 1 & 2\\ 1 & 1 & 0 & 1\end{pmatrix}</math>
=== מרחב האפס השמאלי ===
תרגיל: מצא מצא את מרחב האפס השמאלי של<math>A=\left(\begin{array}{cccc}1 & 2 & 3 & 4\\0 & 1 & 0 & 1\\1 & 3 & 3 & 5\end{array}\right)</math> פתרון: צ"ל <math>N(A^{t})</math>. נדרג את <math>A^{t}</math> <math>\left(\begin{array}{ccc}1 & 0 & 1\\2 & 1 & 3\\3 & 0 & 3\\4 & 1 & 5\end{array}\right)\to\left(\begin{array}{ccc}1 & 0 & 1\\0 & 1 & 1\\0 & 0 & 0\\0 & 1 & 1\end{array}\right)\to\left(\begin{array}{ccc}1 & 0 & 1\\0 & 1 & 1\\0 & 0 & 0\\0 & 0 & 0\end{array}\right)</math> עבור <math>z=t</math> נקבל <math>N(A^{t})=\{\left(\begin{array}{c}-t\\-t\\t\end{array}\right)\; | \; t\in \mathbb{R}\} =span\{\left(\begin{array}{c}-1\\-1\\1\end{array}\right)\}</math> ===סיכום: אלגוריתם למציאת '''שלושת''' מרחבי המטריצה <math>Cׂ(A),R(A),N(A)</math>===
#דרג את המטריצה (ניתן גם לדרג קנונית אך לא חובה)
#'''השורות השונות מאפס''' מהוות בסיס למרחב השורה
#'''העמודות במטריצה המקורית''' המהוות עמודות ציר (כלומר יש איבר פותח בעמודה בצורה הקנונית), מהוות בסיס למרחב העמודה
#הצב פרמטרים במקום המשתנים החופשיים#מצא ומצא את הפתרון הכללי#פרק את הפתרון הכללי לצירוף לינארי של וקטורים קבועים כפול הפרמטרים#למערכת ההומוגנית ששווה למרחב האפס. ('''הוקטורים הקבועים''' מהווים בסיס למרחב האפס)
'''שימו לב:''' בהנתן מרחב כלשהו (פולינומים, מטריצות, פונקציות) ניתן לבצע את החישובים על מרחב הקואורדינטות. כפי שראינו בשיעור שעבר, מציאת בסיס למרחבים רבים שקולה למציאת בסיס למרחב האפס של מטריצה מסוימת.
===סיכום בנושא מימדי מרחבים המטריצה והדרגהתרגילים===תהי ==== תרגיל ====תהא <math>A מטריצה\in\mathbb{F}^{m\times n}</math>. המספרים הבאים שווים ראינו כי <math>dimR(זה נובע מהחומר שלמדנו עד עכשיוA):*דרגת המטריצה*מימד מרחב העמודות*מימד מרחב השורות*מספר השורות השונות מאפס בצורה הקנונית*מספר האיברים הפותחים*מספר עמודות הציר*מספר המשתנים התלויים+dimN(A)=n</math>. במקרה שהשדה הוא ממשי נקבל תוצאה חזקה יותר.
תהא <math>A\in\mathbb{R}^{m\times n}</math>. נסמן <math>B_R</math> בסיס למרחב השורות ו <math>B_N</math> בסיס למרחב האפס אזי <math>B_R\cup B_N</math>
בסיס ל <math>\mathbb{R}^n</math> (שימו לב שזה אכן תוצאה יותר חזקה))
'''פתרון.'''מכיוון שמספר המשתנים החופשיים ועוד מספר המשתנים התלויים שווה לסך כל המשתנים, וזהו מספר העמודות במטריצה, נובע שדרגת המטריצה ועוד מימד מרחב הפתרונות שווים למספר העמודות משהרגע ראינו כי סכום המימדים מקיים <math>dimR(A)+dimN(A)=n</math> לפי משפט המימדים מספיק להוכיח שהחיתוך בינהם הינו אפס.
יהא <math>v\in R(A)\cap N(A)</math> אזי <math>\exists w : A^tw=v, Av=0 </math> ולכן <math>AA^tw=0</math> נכפיל ב <math>w^t</math> משמאל
ונקבל כי <math>0=w^tAA^tw=(A^tw)^t(A^tw)=v^tv</math> זה גורר כי <math>v=0</math> (זיכרו כי במקרה הממשי <math>v^tv=\sum_{i=1}^nv_i^2</math>
<math>\dim (R(A)+N(A))=\dim R(A)+\dim N(A) - \dim(R(A)\cap N(A)) = \dim R(A)+\dim N(A) =n</math> כיוון ש <math>R(A)+N(A)\subseteq \mathbb{R}^n</math> מאותו מימד נקבל כי הם שווים. '''פתרון.הערה:'''מכיוון שהרגע ראינו כיוון שהמשפט נכון לכל מטריצה, ניתן ליישמו גם על השיחלוף ולקבל כי סכום המימדים מקיים <math>dimR\mathbb{R}^m=C(A)\oplus N(A^t)</math> לדוגמא עבור<math>A=\left(\begin{array}{cccc}1 & 2 & 3 & 4\\0 & 1 & 0 & 1\\1 & 3 & 3 & 5\end{array}\right)</math> מצאנו כי <math>B_{R}=\{\left(\begin{array}{c}1\\2\\3\\4\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}0\\1\\0\\1\end{array}\right)\},\,B_{C}=\{\left(\begin{array}{c}1\\0\\1\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}2\\1\\3\end{array}\right)\}, \\B_{N}=\{\left(\begin{array}{c}-3\\0\\1\\0\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}-2\\-1\\0\\1\end{array}\right)\}\,,B_{N(A^{t})}=\{\left(\begin{array}{c}-1\\-1\\1\end{array}\right)\}</math> לפי המשפט <math>\{\left(\begin{array}{c}1\\2\\3\\4\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}0\\1\\0\\1\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}-3\\0\\1\\0\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}-2\\-1\\0\\1\end{array}\right)\}</math>בסיס ל <math>\mathbb{R}^{4}</math>ו <math>\{\left(\begin{array}{c}1\\0\\1\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}2\\1\\3\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}-1\\-1\\1\end{array}\right)\}</math>בסיס ל <math>\mathbb{R}^{3}</math> ====שאלה====מתי כדאי לשים וקטורים בעמודות מטריצה ולדרג, ומתי כדאי לשים אותם בשורות מטריצה ולדרג? =====תשובה=====ראשית, הכוונה כמובן שלא שמים את הוקטורים בשורות/עמודות, אלא את הקואורדינטות, אבל נזרום עם זה. כעת, לשאלה עצמה: השאלה היא תמיד מה רוצים לבדוק. 1. אם רוצים לבדוק אם יש תלות בין הוקטורים - אז אמליץ לשים בעמודות. כי אז פתרון לא טריוויאלי למערכת הנוצרת נותן לנות את הצ"ל השווה 0. לכן אם יש לנו מספר וקטורים כמימד המרחב ואנחנו רוצים לבדוק אם הם בת"ל (ובגלל זה בסיס) כדאי לשים בעמודות. 2. אם נתונים לנו מספר וקטורים שפורשים מרחב כלשהו, ואנחנו מחפשים מתוכם בסיס (ורוצים לזרוק את הוקטורים התלויים) - אז אמליץ לשים בעמודות. כי אז נוכל לקחת את הוקטוריים המקוריים המתאימים לעמודות ציר בצורה המדורגת של המטריצה שבנינו, והם מהווים בסיס. 3. אם נתונים לנו מס' וקטורים בת"ל ואנחנו רוצים להוסיף עליהם כדי להגיע לבסיס של מרחב כלשהו - אז אמליץ לשים בעמודות, בתוספת לעמודות המהוות בסיס של המרחב המבוקש. ואז מכיון שעמודות אלה בת"ל, נקבל שיהיה איבר מוביל בעמודות המתאימות במדורגת, וגם נדע אילו וקטורים להוסיף - המתאימים לעמודות עם מוביל במדורגת. ==== תרגיל ====השלימו את קבוצת הוקטורים (נתון שהם בת"ל) הבאה<math>\left\{ \left(\begin{array}{c}1+dimNi\\1\\3\\0\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}2\\1-i\\2+i\\5\end{array}\right)\right\}</math> לבסיס של <math>\mathbb{C}^{4}</math> ==== תרגיל====הוכיחו (בצורה פשוטה): כל מטריצה לא ריבועית אינה הפיכה. ==== תרגיל ====תהא <math>A\in\mathbb{R}^{n\times n}</math> נגדיר<math>B=\left(\begin{array}{c}A\\A\end{array}\right)ו C=\left(\begin{array}{c}A\\A^{t}\end{array}\right)</math> . הוכיחו/הפריכו: 1.לכל <math>A</math> מתקיים <math>\text{rank} A=\text{rank} B</math> 2. לכל <math>A</math> מתקיים <math>\text{rank} A=\text{rank} C</math> 3. קיימת <math>A</math> שעבור <math>\text{rank} C=2\text{rank} A</math> 4. קיימת <math>A</math> שעבור <math>\text{rank}C>2\text{rank} A</math> ==== תרגיל ==== תהא A ריבועית מסדר nכך ש <math>A^2=0</math> הוכיחו כי <math>rank(A)\leq n/2</math> פתרון: מהנתון נקבל כי כל עמודה של A נמצאת במרחב האפס של A ולכן מרחב העמודות מוכל ב מרחב האפס <math>2rank(A)\leq \dim N(A)+\dim C(A)=n </math>. נחלק ב 2 ונקבל את המבוקש. ==== תרגיל ==== תרגיל. יהיו <math>A,B\in\mathbb{F}^{n\times n}</math> כך ש <math>rank(A)+rank(B)>n</math>. הוכח <math>AB\not=0</math> הוכחה: נניח בשלילה כי <math>AB=0</math>כלומר לכל <math>i</math> מתקיים <math>C_i(AB)=AC_{i}(B)=0</math> ומכאן ש <math>\forall i C_i(B)\in N(A)</math> ולכן <math>C(B)\subseteq N(A)</math> <math> rank(B)=dim(C(B))\leq dim(N(A))\Leftarrow</math>ואז <math> rank(B)+rank(A)\leq dim(N(A))+rank(A)=n\Leftarrow</math>סתירה לנתון. ==== תרגיל ==== תהא <math>A\in \mathbb{F}^{m\times n} , B\in \mathbb{F}^{n\times p}</math>. הוכח שאם עמודות <math>AB</math> בת"ל אז גם עמודות <math>B</math> בת"ל הוכחה: מהנתון <math>rank (AB)= p</math> ואז <math>p = rank (AB)\leq rank B \leq p</math> ומכאן ש <math> rankB=p</math> כלומר עמודות B בת"ל ==== תרגיל ==== תהא <math>A= \begin{pmatrix}1 & 1 & * \\1 & * & 1 \\* & 1 & * \\\end{pmatrix}</math> נניח כי למערכת <math>Ax=0</math> יש 2 פתרונות בת"ל. מצא את <math>A</math> פתרון: מהנתון נקבל כי <math>\dim N(A)\geq 2</math> כיוון ש <math>A\neq 0</math> נקבל כי <math>\dim N(A)= 2</math> לפי משפט הדרגה נקבל כי <math>rank(A)=1</math> כלומר כל העמודות ת"ל בראשונה (כי אין עמודת אפסים). לכן העמודה השניה היא כפולה של העמודה הראשנה וכן העמודה השלישית היא כפולה של העמודה הראשונה. מצורת המטריצה נקבל כי בעצם העמודה השניה שווה לעמודה הראשונה וכן השלישית ולכן <math>A= \begin{pmatrix}1 & 1 & 1 \\1 & 1 & 1 \\1 & 1 & 1 \\\end{pmatrix}</math> ==== תרגיל ====יהיו <math>A,B\in \mathbb{F}^{m\times n}</math> מטריצות. הוכיחו כי <math>rank(A+B)\leq rank(A)+rank(B)</math> פתרון:מתקיים כי <math>C(A+B)\subseteq C(A)+C(B)</math> ולפי משפט המימדים מספיק להוכיח שהחיתוך בינהם הינו אפס<math> dim[C(A)+C(B)]\leq dimC(A)+ dimC(B)</math> ==== תרגיל ====יהיו <math>A,B\in \mathbb{F}^{m\times n}</math> מטריצות.הוכיחו כי <math>rank(A-B) \geq |rank(A)-rank(B)|</math>
