1.2 Matritsa va Chiziqli Algebra — Nazariya
Hafta: 3 | Masalalar: 30 | Qiyinlik: ⭐⭐⭐
Kirish
Matritsa — sonlarni to'rtburchak jadval ko'rinishida tartibga solish usuli. Robotika va dronlarda matritsalar hamma joyda:
- 🔄 Koordinata transformatsiyalari — robot qo'lini boshqarish
- 🎯 Aylanishlar — dronning yo'nalishini o'zgartirish
- 📊 Tenglamalar sistemasi — kinematika yechimlari
- 🤖 Kalman filtri — sensor ma'lumotlarini qayta ishlash
1. Matritsa Asoslari
Ta'rif
m×n matritsa — m ta qator va n ta ustundan iborat jadval:
A=a11a21⋮am1a12a22⋮am2⋯⋯⋱⋯a1na2n⋮amn
Maxsus Matritsalar
Kvadrat matritsa (n×n):
A=147258369
Birlik matritsa (Identity):
I=100010001
Diagonal matritsa:
D=d1000d2000d3
Nol matritsa:
O=[0000]
Simmetrik matritsa (A=AT):
A=123245356
2. Matritsa Amallari
Qo'shish va Ayirish
Faqat bir xil o'lchamdagi matritsalar uchun:
A+B=[a11+b11a21+b21a12+b12a22+b22]
Skalyarga Ko'paytirish
kA=[ka11ka21ka12ka22]
Matritsa Ko'paytirish
A (m×n) va B (n×p) uchun natija C (m×p):
Cij=k=1∑naik⋅bkj
Matritsa ko'paytirish kommutativ emas: AB=BA
[1324]×[5768]=[1(5)+2(7)3(5)+4(7)1(6)+2(8)3(6)+4(8)]=[19432250]
Transpozitsiya
Qator va ustunlarni almashtirish:
A=[142536]⇒AT=123456
Xossalari:
- (AT)T=A
- (A+B)T=AT+BT
- (AB)T=BTAT
- (kA)T=kAT
3. Determinant
2×2 Matritsa
det(A)=∣A∣=acbd=ad−bc
3×3 Matritsa (Sarrus qoidasi)
det(A)=adgbehcfi=aei+bfg+cdh−ceg−bdi−afh
Kofaktor usuli
det(A)=j=1∑n(−1)1+ja1jM1j
Bu yerda M1j — minor (1-qator va j-ustunni olib tashlagandan keyingi determinant).
Xossalari
- det(I)=1
- det(AT)=det(A)
- det(AB)=det(A)⋅det(B)
- det(kA)=kndet(A) (n×n matritsa uchun)
- Agar qator/ustun nollardan iborat bo'lsa: det(A)=0
- 2D: parallellogramm yuzi
- 3D: parallelepiped hajmi
- det(A)=0 — tizim yechimga ega emas yoki cheksiz yechim
4. Teskari Matritsa
Ta'rif
A−1 — A ning teskari matritsasi, agar:
AA−1=A−1A=I
Mavjudlik sharti
Teskari matritsa mavjud ⟺ det(A)=0
2×2 Matritsa uchun
A−1=det(A)1[d−c−ba]
A=[4276]det(A)=4(6)−7(2)=24−14=10
A−1=101[6−2−74]=[0.6−0.2−0.70.4]
Umumiy usul (Adjoint)
A−1=det(A)1adj(A)
Bu yerda adj(A) — kofaktorlar matritsasining transpozitsiyasi.
Xossalari
- (A−1)−1=A
- (AB)−1=B−1A−1
- (AT)−1=(A−1)T
- det(A−1)=det(A)1
5. Chiziqli Tenglamalar Sistemasi
Matritsa ko'rinishi
⎩⎨⎧a11x1+a12x2+⋯+a1nxn=b1a21x1+a22x2+⋯+a2nxn=b2⋮am1x1+am2x2+⋯+amnxn=bm
Matritsa shaklida: Ax=b
Yechish usullari
1. Teskari matritsa:
x=A−1b
2. Kramer qoidasi:
xi=det(A)det(Ai)
Bu yerda Ai — A ning i-ustuni b bilan almashtirilgan matritsa.
3. Gauss eliminatsiyasi:
Kengaytirilgan matritsani qatorli operatsiyalar bilan soddalashtirish.
Gauss Usuli
[A∣b]→[I∣x]
Qatorli operatsiyalar:
- Ikki qatorni almashtirish
- Qatorni nolmas songa ko'paytirish
- Bir qatorga boshqa qatorning ko'paytmasini qo'shish
{2x+y=5x−y=1[211−1∣∣51]R1↔R2[12−11∣∣15]R2−2R1[10−13∣∣13]R2/3[10−11∣∣11]R1+R2[1001∣∣21]Javob: x=2, y=1
6. Xos Qiymatlar va Xos Vektorlar
Ta'rif
λ — A ning xos qiymati (eigenvalue), agar:
Av=λv
Bu yerda v=0 — xos vektor (eigenvector).
Topish usuli
1. Xarakteristik tenglama:
det(A−λI)=0
2. Xos vektorlar:
Har bir λ uchun (A−λI)v=0 ni yeching.
A=[4213]Xarakteristik tenglama:
det[4−λ213−λ]=(4−λ)(3−λ)−2=0λ2−7λ+10=0⇒λ1=5,λ2=2λ1=5 uchun xos vektor:
[−121−2]v=0⇒v1=[11]λ2=2 uchun:
v2=[1−2]
Qo'llanilish
- Barqarorlik tahlili — boshqarish tizimlari
- Tebranish modlari — mexanik tizimlar
- PCA — ma'lumotlarni tahlil qilish
- Inertia tensori — qattiq jism dinamikasi
7. Matritsa Dekompozitsiyalari
LU Dekompozitsiya
A=LU
- L — pastki uchburchak matritsa
- U — yuqori uchburchak matritsa
Tenglamalar yechishda samarali: Ax=b → Ly=b, Ux=y
QR Dekompozitsiya
A=QR
- Q — ortogonal matritsa (QTQ=I)
- R — yuqori uchburchak matritsa
Xos qiymatlarni hisoblash va eng kichik kvadratlar usulida qo'llaniladi.
SVD (Singular Value Decomposition)
A=UΣVT
- U, V — ortogonal matritsalar
- Σ — diagonal matritsa (singular qiymatlar)
Qo'llanilish:
- Tasvirni siqish
- Pseudoinverse hisoblash
- Rang aniqlash
8. Robotikada Qo'llanilish
Aylanish Matritsalari (2D)
θ burchakka aylanish:
R(θ)=[cosθsinθ−sinθcosθ]
Aylanish Matritsalari (3D)
X o'qi atrofida:
Rx(θ)=1000cosθsinθ0−sinθcosθ
Y o'qi atrofida:
Ry(θ)=cosθ0−sinθ010sinθ0cosθ
Z o'qi atrofida:
Rz(θ)=cosθsinθ0−sinθcosθ0001
Aylanish + siljish bir matritsada:
T=[R0t1]=r11r21r310r12r22r320r13r23r330txtytz1
Xulosa
| Tushuncha | Qo'llanilish |
|---|
| Determinant | Yechim mavjudligi, hajm |
| Teskari matritsa | Tenglamalar yechish |
| Xos qiymatlar | Barqarorlik, tebranish |
| Aylanish matritsasi | Robot/dron yo'nalishi |
| Homogen transformatsiya | Robot kinematikasi |
Keyingi Qadam
📝 Masalalar — 30 ta masala yeching!