Matriisiyhtälöt#

Yhtälössä voi tuntemattomana joskus olla kokonainen matriisi eikä vain yksittäinen matriisin alkio. Jos tuntematon matriisi on yhtälössä kerrottu jollakin luvulla, tai jos siihen on lisätty tai siitä on vähennetty jokin tunnettu matriisi, yhtälö ratkeaa samoilla toimenpiteillä kuin tavalliset ensimmäisen asteen yhtälöt. Yhtälöön voi siis lisätä tai siitä voi vähentää puolittain jonkin matriisin, kuten tavallisen yhtälön ratkaisussa voidaan tehdä reaaliluvuilla. Matriisiyhtälön voi myös kertoa puolittain jollakin luvulla.

Esimerkki

Ratkaise matriisi \(X\) yhtälöstä \(X+\begin{bmatrix}3&2\\1&5\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}10&6\\2&0\end{bmatrix}\).

Esimerkki

Ratkaise matriisi \(X\) yhtälöstä \(3X=\begin{bmatrix}9&24\\-3&27\end{bmatrix}\).

Käänteismatriisien hyödyntäminen#

Jos tuntematon matriisi esiintyy yhtälössä kahden (tai useamman) matriisin tulossa, hyödynnetään käänteismatriiseja ja niiden ominaisuutta: \(A^{-1}A=I, AA^{-1}I\). Matriisien jakolaskua ei ole määritelty, vaan sitä vastaa käänteismatriisilla kertominen. Se, miten käänteismatriisilla kertominen pitää suorittaa, riippuu siitä, millaisessa matriisitulossa tuntematon matriisi esiintyy.

Ratkaise matriisi \(X\) yhtälöstä \(AX=B\), missä \(A\) ja \(B\) ovat tunnettuja matriiseja.

Kerrotaan puolittain vasemmalta \(A\):n käänteismatriisilla: \(A^{-1}AX=A^{-1}B\).

Yhtälö sievenee muotoon \(IX=A^{-1}B\) ja edelleen \(X=A^{-1}B\).

Octave-komento: X=inv(A)*B

Ratkaise matriisi \(X\) yhtälöstä \(XA=B\), missä \(A\) ja \(B\) ovat tunnettuja matriiseja.

Kerrotaan yhtälön puolittain oikealta \(A\):n käänteismatriisilla: \(XAA^{-1}=BA^{-1}\), joka sievenee muotoon \(XI=BA^{-1}\) ja edelleen \(X=BA^{-1}\). Kertolasku pitää suorittaa molemmilla puolilla yhtälöä samalla tavalla: käänteismatriisi \(B^{-1}\) tulee kertolaskuun viimeiseksi!

Octave-komento: X=B*inv(A)

Ratkaise matriisi \(X\) yhtälöstä \(AXB=C\), missä \(A\), \(B\) ja \(C\) ovat tunnettuja matriiseja.

Yhtälön molemmat puolet pitää kertoa vasemmalta käänteismatriisilla \(A^{-1}\) ja oikealta käänteismatriisilla \(B^{-1}\):

\(A^{-1}AXBB^{-1}=A^{-1}CB^{-1}\)

Käänteismatriisien ja vastaavien matriisien tulojen paikalle tulee yksikkömatriisi:

\(IXI=A^{-1}CB^{-1}\)

Yksikkömatriisin laskusääntöjen mukaan \(IX=X\) ja \(XI=X\), joten ratkaisu on

\(X=A^{-1}CB^{-1}\)

Octave-komento: X=inv(A)*C*inv(B)

Näitä laskusääntöjä voi yhdistää matriisien yhteen- ja vähennyslaskuun sekä reaaliluvuilla kertomiseen seuraavien esimerkkien mukaisesti.

Esimerkki

Ratkaise \(X\) yhtälöstä \(AXB=C\), jossa \(A=\begin{bmatrix}1&2\\2&2\end{bmatrix}, B=\begin{bmatrix}0&1\\2&3\end{bmatrix}\) ja \(C=\begin{bmatrix}10&1\\100&2\end{bmatrix}\).

Esimerkki

Ratkaise edellisen esimerkin matriisiyhtälö Octavella.

Esimerkki

Ratkaise yhtälö \(4X+\begin{bmatrix}10 & 2 \\ 0 & 7\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}20 & 30 \\ 35 & 25 \end{bmatrix}\).

Esimerkki

Ratkaise yhtälö \(X\begin{bmatrix}1 & 2 \\ 3 & 4\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}1 & 0 \\ 2 & 1\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}20 & 30 \\ 35 & 25 \end{bmatrix}\).

Salausmatriisit

Viestien salaus on eräs esimerkki matriisiyhtälöjen ja käänteismatriisien hyödyntämisestä. Eräs tapa koodata viestejä salattuun muotoon on määritellä jokaista kirjainta vastaava luku sekä tietty salausmatriisi. Salausmatriisin on oltava säännöllinen neliömatriisi, ja siinä on oltava alkioita vähintään yhtä monta kuin salattavassa viestissä. Tutustu salauksen periaatteeseen esimerkin avulla.