Матрицы и определители: задачи с пошаговыми решениями

Другие названия: определитель матрицы · обратная матрица · детерминант

Бесплатные задачи по теме Матрицы и определители с рисунками, подсказками и подробными решениями. Каждый раз новые значения, трёх уровней: определитель 2×2, 3×3 и произведения, собственные значения и системы.

Бесплатная задачаЛёгкая
A =9−6−8−5

Найдите определитель det A показанной матрицы A.

A = [9 −6; −8 −5]

Точный ответ: целое число, без округления.

Следующая задача →

Что вы отрабатываете

  1. Лёгкаяопределитель 2×2
  2. Средняя3×3 и произведения
  3. Сложнаясобственные значения и системы

Основные формулы

определитель 2×2
det = ad − bc
Обратная матрица 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Продукт
(AB)ij = Σk AikBkj
Собственные значения
det(A − λI) = 0
Правило Крамера
xi = det(Ai)/det(A)

Изучите тему «Матрицы и определители» с нуля

1Матрицы и определитель 2×2

Матрица — это таблица чисел, расположенных в строках и столбцах. Матрица с 2 строками и 3 столбцами называется матрицей 2×3: сначала строки, затем столбцы.

Инженеры используют матрицы, чтобы записывать сразу много уравнений. Система 2x + y = 5 и x − y = 1 хранится как матрица [2 1; 1 −1] её коэффициентов.

У квадратной матрицы есть одно особое число — её определитель, обозначаемый det A. Для матрицы 2×2 это произведение элементов одной диагонали минус произведение элементов другой.

abcdA =+ad−bc
det A = a·d − b·c

Для [3 1; 2 4] определитель равен 3·4 − 1·2 = 10.

Если det A = 0, у матрицы нет обратной, а у системы уравнений нет единственного решения.

Самопроверка Чему равен определитель [4 2; 3 5]? (Строка 1: 4 2, строка 2: 3 5.)
  1. 14
  2. 26
  3. 9
  4. −14

Ответ: 14. a·d − b·c = 4·5 − 2·3 = 20 − 6 = 14. Сумма двух произведений даёт 26, а bc − ad даёт −14.

2Определители 3×3 и произведения

Для матрицы 3×3 разложите по первой строке. Каждый элемент умножается на свой минор: определитель 2×2, который остаётся после вычёркивания строки и столбца этого элемента.

det A = a11·M11 − a12·M12 + a13·M13

Знаки идут + − + вдоль первой строки. Эту схему знаков легче всего забыть.

Произведение матриц AB строится из строк A и столбцов B. Элемент в строке i и столбце j — это строка i матрицы A, умноженная на столбец j матрицы B: перемножьте пары и сложите.

[1 2; 3 4] · [5; 6] = [1·5 + 2·6; 3·5 + 4·6] = [17; 39]

Произведение существует, только когда в A столько же столбцов, сколько строк в B. В общем случае AB не равно BA.

Самопроверка A = [2 1; 0 3] и B = [1 4; 2 1]. Чему равен элемент в строке 1 и столбце 2 матрицы AB?
  1. 13
  2. 4
  3. 6
  4. 9

Ответ: 9. Строка 1 матрицы A — это (2, 1), а столбец 2 матрицы B — (4, 1): 2·4 + 1·1 = 9. Умножение только соответствующих элементов даёт 1·4 = 4, а 13 — это элемент BA.

3Собственные значения и системы

Собственное значение λ матрицы A — это число, для которого A·v = λ·v при некотором векторе v ≠ 0. Матрица лишь растягивает этот вектор, не поворачивая его.

Собственные значения находят из характеристического уравнения. Здесь I — единичная матрица [1 0; 0 1].

det(A − λI) = 0

Для матрицы 2×2 оно превращается в квадратное уравнение. Его средний коэффициент — след a + d, а свободный член — det A:

λ² − (a + d)·λ + (ad − bc) = 0

Для [4 1; 2 3]: λ² − 7λ + 10 = 0, поэтому (λ − 2)(λ − 5) = 0, и собственные значения равны 2 и 5.

Правило Крамера решает систему с помощью определителей. Замените столбец i матрицы A правой частью, чтобы получить Ai, тогда xi = det Ai / det A.

Для 2x + y = 5 и x − y = 1: det A = −3 и det Ax = 5·(−1) − 1·1 = −6, поэтому x = −6/−3 = 2.

Самопроверка Каково большее собственное значение матрицы [2 1; 1 2]?
  1. 1
  2. 2
  3. 3
  4. 4

Ответ: 3. λ² − 4λ + 3 = 0 даёт (λ − 1)(λ − 3) = 0, поэтому собственные значения равны 1 и 3. 4 — это след, то есть сумма собственных значений, а не одно из них.

4Метод по шагам

  1. Аккуратно перепишите матрицу со всеми знаками минус.
  2. Определитель 2×2: ad − bc.
  3. Определитель 3×3: для каждого элемента первой строки вычеркните его строку и столбец и найдите минор 2×2.
  4. Объедините со знаками + − +: a11M11 − a12M12 + a13M13.
  5. Собственные значения: запишите λ² − (a + d)λ + det A = 0 и решите квадратное уравнение.
  6. Проверка: строка из нулей или две одинаковые строки всегда дают det A = 0.

Совет: раскладывайте по строке или столбцу с большим числом нулей. Каждый нулевой элемент избавляет от одного минора.

5Разобранный пример

Пройдите каждый шаг. Попробуйте предсказать следующий, прежде чем открыть его.

Разобранный пример

Найдите определитель матрицы 3×3 A = [2 1 0; 1 3 1; 0 2 4].

1

Первый минор

210131024A =

Вычеркните строку 1 и столбец 1 элемента 2. Остаётся [3 1; 2 4].

M11 = 3·4 − 1·2 = 10
2

Второй минор

210131024A =

Вычеркните строку 1 и столбец 2 элемента 1. Остаётся [1 1; 0 4].

M12 = 1·4 − 1·0 = 4
3

Третий минор

Элемент a13 равен 0, поэтому его слагаемое равно 0 при любом миноре. Его можно пропустить.

4

Объедините со знаками + − +

det A = 2·10 − 1·4 + 0 = 20 − 4 = 16
5

Проверьте ответ

Для матриц 3×3 правило Саррюса даёт то же значение: три произведения по «нисходящим» диагоналям минус три произведения по «восходящим».

(2·3·4 + 1·1·0 + 0·1·2) − (0·3·0 + 2·1·2 + 1·1·4) = 24 − 8 = 16
Ответ

det A = 16

6Типичные ошибки

  • Забывать знак минус у среднего слагаемого в разложении 3×3.
  • Вычислять bc − ad вместо ad − bc.
  • Терять знак минус, когда элемент отрицателен: −2 · −3 равно +6.
  • Умножать матрицы поэлементно вместо «строка на столбец».
  • Принимать след или диагональный элемент за собственное значение вместо решения характеристического уравнения.
Самопроверка Чему равен определитель [1 2 0; 3 1 0; 0 0 2]?
  1. 10
  2. 14
  3. −10
  4. −14

Ответ: −10. det = 1·(1·2 − 0) − 2·(3·2 − 0) + 0 = 2 − 12 = −10. Использование + для среднего слагаемого даёт 2 + 12 = 14 — самую частую ошибку.

7Как выглядят экзаменационные задачи

  • Лёгкая: определитель матрицы 2×2, часто с отрицательными элементами. Используйте ad − bc.
  • Средняя: определитель 3×3 или произведение матриц. Раскладывайте по первой строке со знаками + − +.
  • Сложная: собственные значения матрицы 2×2 или одна неизвестная системы 2×2 по правилу Крамера.

Быстрая проверка собственных значений: их сумма должна равняться следу a + d, а произведение — det A.

Изучайте шаг за шагом в приложенииИзучайте шаг за шагом в приложении

Разобранные примеры

Пример 1Лёгкая
A =1−8−10

Найдите определитель det A показанной матрицы A.

A = [1 −8; −1 0]

Найти: det A

Показать подсказки
  1. Для матрицы 2×2 det = ad − bc.
  2. a и d стоят на главной диагонали, b и c — на побочной.
  3. ad = 0.
Показать ответ и пошаговое решение

Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.

Произведения диагоналей

ad − bc = 1·0 − (−8)·(−1) = 0 − 8 = −8

Ответ

det A = −8
Пример 2Средняя
A =−153−5−1−3−513

Найдите определитель det A показанной матрицы 3×3 A.

A = [−1 5 3; −5 −1 −3; −5 1 3]

Найти: det A

Показать подсказки
  1. Разложите по первой строке со знаками + − +.
  2. Каждое слагаемое — элемент, умноженный на определитель 2×2, оставшийся после вычёркивания его строки и столбца.
  3. миноры: 0, −30, −10.
Показать ответ и пошаговое решение

Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.

Миноры 2×2 первой строки

M₁₁ = 0, M₁₂ = −30, M₁₃ = −10

Разложение по строке

det A = (−1)·0 − 5·(−30) + 3·(−10) = 120

Ответ

det A = 120
Пример 3Сложная
A =−3−5−2−4b =19

Решите систему −3x − 5y = 1 и −2x − 4y = 9. Найдите x.

−3x − 5y = 1−2x − 4y = 9

Найти: x

Показать подсказки
  1. Правило Крамера: x = det(Aₓ)/det(A), где в Aₓ первый столбец заменён правой частью.
  2. det A = 2.
  3. det Aₓ = 41.
Показать ответ и пошаговое решение

Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.

Определитель матрицы коэффициентов

det A = (−3)·(−4) − (−5)·(−2) = 2

Замените столбец x

det Aₓ = 1·(−4) − (−5)·9 = 41
x = 41/2 = 20,5

Ответ

x = 20,5
y = −12,5

Вопросы и ответы

Матрицы и определители: что это?

Инженеры используют матрицы, чтобы записывать сразу много уравнений. Система 2x + y = 5 и x − y = 1 хранится как матрица [2 1; 1 −1] её коэффициентов.

У квадратной матрицы есть одно особое число — её определитель, обозначаемый det A. Для матрицы 2×2 это произведение элементов одной диагонали минус произведение элементов другой.

Матрицы и определители: как решать задачи шаг за шагом?

Матрицы: определитель матрицы 2×2 равен ad − bc. Для 3×3 разложите по строке: каждый элемент умножается на определитель матрицы 2×2, оставшейся после вычёркивания его строки и столбца, с чередующимися знаками + − +. Собственные значения λ удовлетворяют det(A − λI) = 0; для 2×2 это λ² − (след)·λ + det = 0.

Матрицы и определители: что вы тренируете?
  • Лёгкая: определитель 2×2
  • Средняя: 3×3 и произведения
  • Сложная: собственные значения и системы

В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ. Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.

Как проходят занятия

  • В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ.
  • Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.
  • Ваш прогресс, ошибки и сохранённые задачи остаются, поэтому перед экзаменом вы сможете всё повторить.

Калькуляторы

Курсы с этой темой

Другие темы: Математика и статистика

Лист заданий для печати