Pre Calculus. Matrices

1 Pre­Calculus Matrices 2015­03­23 www.njctl.org 2 Table of Content Introduction to Matrices Matrix Arithmetic Scalar Multiplication Addition S...
Author: Diane Owens
4 downloads 2 Views 4MB Size
1

Pre­Calculus Matrices

2015­03­23 www.njctl.org

2

Table of Content

Introduction to Matrices Matrix Arithmetic Scalar Multiplication Addition Subtraction Multiplication Solving Systems of Equations using Matrices Finding Determinants of 2x2 & 3x3 Finding the Inverse of 2x2 & 3x3 Representing 2­ and 3­variable systems Solving Matrix Equations Circuits

3

Table of Content

Circuits Definition Properties Euler Matrix Powers and Walks Markov Chains

4

Introduction to Matrices Return to  Table of  Contents

5

A matrix is an ordered array. The matrix consists of rows and columns.

Columns

Rows

This matrix has 3 rows and 3 columns,  it is said to be 3x3.

6

What are the dimensions of the following matrices?

7

1

How many rows does the following matrix have?

8

2

How many columns does the following matrix have?

9

3

How many rows does the following matrix have?

10

4

How many columns does the following matrix have?

11

5

How many rows does the following matrix have?

12

6

How many columns does the following matrix have?

13

Matrices can be named with a capital letter.

A subscript can be used to tell the  dimensions of the matrix

14

How many rows does each matrix have?  How many columns?

15

7

How many rows does the following matrix have?

16

8

How many columns does the following matrix have?

17

9

How many rows does the following matrix have?

18

10

How many columns does the following matrix have?

19

We can find an entry in a certain  position of a matrix.  To find the number in the third  row,fourth column of matrix M write  m3,4   

20

21

11

Identify the number in the given position.

22

12

Identify the number in the given position.

23

13

Identify the number in the given position.

24

14

Identify the number in the given position.

25

Matrix Arithmetic Return to  Table of  Contents

26

Scalar Multiplication Return to  Table of  Contents

27

A scalar multiple is when a single number  is multiplied to the entire matrix. To multiply by a scalar, distribute the  number to each entry in the matrix.

28

Try These

29

find   6A

Answer

Given:

Let B = 6A, find b 1,2

30

15

Find the given element.

31

16

Find the given element.

32

17

Find the given element.

33

18

Find the given element.

34

Addition Return to  Table of  Contents

35

To add matrices, they must have the same dimensions. That is, the same number of rows, same number of columns. Given:

State whether the following addition problems are possible or not possible.

36

After checking to see addition is possible, add the corresponding elements.

37

38

19

Add the following matrices and find the given element.

39

20

Add the following matrices and find the given element.

40

21

Add the following matrices and find the given element.

41

22

Add the following matrices and find the given element.

42

Subtraction Return to  Table of  Contents

43

To be able to subtract matrices, they must have the  same dimensions, like addition.

Method 1: Subtract corresponding elements.

Method 2: Change to addition with a negative scalar.

Note:  Method 2 adds a step but less likely to have a sign error.

44

45

23

Subtract the following matrices and find the given  element.

46

24

Subtract the following matrices and find the given  element.

47

25

Subtract the following matrices and find the given  element.

48

26

Subtract the following matrices and find the given  element.

49

50

27

Perform the following operations on the given matrices  and find the given element.

51

28

Perform the following operations on the given matrices  and find the given element.

52

29

Perform the following operations on the given matrices  and find the given element.

53

30

Perform the following operations on the given matrices  and find the given element.

54

Multiplication Return to  Table of  Contents

55

Multiplication, like addition, not all matrices  can be multiplied. The number of columns in the first matrix has  to be the same as the number of rows in the  second matrix.

56

State whether each pair of matrices can be multiplied, if so  what will the dimensions of the their product be?

Compare the answers from column 1 to column 2: Does AB=BA?   Conclusions?

57

31

Can the given matrices be multiplied and if so,what size  will the matrix of their product be? A yes, 3x3 B yes, 4x4

C yes, 3x4 D they cannot be multiplied

58

32

Can the given matrices be multiplied and if so,what size  will the matrix of their product be? A yes, 3x3 B yes, 4x4

C yes, 3x4 D they cannot be multiplied

59

33

Can the given matrices be multiplied and if so,what size  will the matrix of their product be? A yes, 3x3 B yes, 4x4

C yes, 3x4 D they cannot be multiplied

60

34

Can the given matrices be multiplied and if so,what size  will the matrix of their product be? A yes, 3x3 B yes, 4x4

C yes, 3x4 D they cannot be multiplied

61

To multiply matrices, distribute the rows  of first to the columns of the second.   Add the products.

62

Try These

63

Try These

64

Try These

65

35

Perform the following operations on the given matrices  and find the given element.

66

36

Perform the following operations on the given matrices  and find the given element.

67

37

Perform the following operations on the given matrices  and find the given element.

68

38

Perform the following operations on the given matrices  and find the given element.

69

Solving Systems of  Equations  using Matrices Return to  Table of  Contents

70

Finding  Determinants of  2x2 & 3x3 Return to  Table of  Contents

71

A determinant is a value assigned to a square matrix.  This  value is used as scale factor for transformations of matrices.

The bars for determinant look like  absolute value signs but are not.

72

To find the determinant of a 2x2 matrix: The product of the primary diagonal minus the product  of the secondary diagonal.

Example:

73

Try These:

74

39

Find the determinant of the following:

75

40

Find the determinant of the following:

76

41

Find the determinant of the following:

77

42

Find the determinant of the following:

78

Finding the Determinant of a 3x3 Matrix Use the first row of the matrix to expand the 3x3 to 3  2x2 matrices, then use the 2x2 method. Eliminate the both  the row and  column the 1 is in.

Eliminate the both  the row and  column the 2 is in.

Eliminate the both  the row and  column the 3 is in.

The second number is subtracted. Had 2 been a negative then this  would subtracting a negative.

79

80

Eliminate the appropriate row and column in each.  Rewrite as 3 2x2 determinants. Solve.

81

Eliminate the appropriate row and column in each.  Rewrite as 3 2x2 determinants. Solve.

82

Eliminate the appropriate row and column in each.  Rewrite as 3 2x2 determinants. Solve.

83

Begin the expansion by rewriting the determinant 3 times with the  first row with the coefficients. Eliminate the appropriate row and column in each.  Rewrite as 3 2x2 determinants. Solve.

84

Begin the expansion by rewriting the determinant 3 times with the  first row with the coefficients. Eliminate the appropriate row and column in each.  Rewrite as 3 2x2 determinants. Solve.

85

43

Find the determinant of the following:

86

44

Find the determinant of the following:

87

45

Find the determinant of the following:

88

46

Find the determinant of the following:

89

Finding the Inverse of  2x2 & 3x3 Return to  Table of  Contents

90

The Identity Matrix  ( I )  is a square matrix with 1's on its primary  diagonal and 0's as the other elements.

2x2 Identity Matrix:

3x3 Identity Matrix:

4x4 Identity Matrix:

91

Property of the IdentityMatrix

92

The inverse of matrix A is matrix A­1. The product of a matrix and its inverse is the  identity matrix, I.

example:

93

Note:  Not all matrices have an inverse. • matrix must be square • the determinant of the matrix cannot = 0

94

Finding the inverse of a 2x2 matrix

Example: Find the inverse of matrix M.

95

check:

96

Find the inverse of matrix A

97

Find the inverse of matrix A

98

Find the inverse of matrix A

99

Find the inverse of matrix A

100

Inverse of a 3x3 Matrix This technique involves creating an Augmented Matrix to start.

Matrix we want  the inverse of.

Identity Matrix

Note: This technique can be done for any size square matrix.

101

Inverse of a 3x3 Matrix Think of this technique, Row Reduction, as a number puzzle. Goal: Reduce the left hand matrix to the identity matrix. Rules: • the entire row stays together, what ever is done to an element  of a row is done to the entire row • allowed to switch any row with any other row • may divide/multiply the entire row by a non­zero number • adding/subtracting one entire row from another is permitted Caution: Not all square matrices are invertible, if a row on the left  goes to all zeros there is no inverse.

102

Now we know the rules, let's play.

Beginning  matrix

Subtracted  2 times row  1 from row 2

Switched  rows 1&2

Subtracted  6 times row  1 from row 3

Divided  row 1  by 4

Switched  rows 2&3

103

Cont.  from  previous  slide Div row  2 by  ­4

Div  row  3 by  4.5

Sub 1.5  times  row 2  from  row 1

Sub  ­.625  times  row 3  from  row 2 Sub  1.1875  times row  3 from  row 1

104

We began with this:

We ended with this:

Meaning the inverse of                        is

105

Find the inverse of:

106

Find the inverse of:

107

Representing 2­ and 3­ Variable Systems Return to  Table of  Contents

108

Solving Matrix Equations Return to  Table of  Contents

109

Matrices can be used to solve systems of equations. Consider the system of equations:

Note: equations need to be in standard form. Rewrite the system into a product of matrices:

coefficients

variables

constants

110

To solve this equation, you need to isolate the  variables, but how? The inverse of the coefficient matrix multiplied to  both sides will work. Think of it as:

111

Solve:

Step 1: Step 2: find the inverse of

112

Step 3: 

Recall that in matrix multiplication, the commutative  property doesn't hold true. The associative property does work: (AB)C=A(BC)

The solution to the system is x = 3 and y = 7.

113

Rewrite each system as a product of matrices.

114

Find x and y

115

Find x and y

116

47

Is this system ready to be made into a matrix  equation?  

Yes No

 

117

48

Which of the following is the correct matrix equation for  the system?

A

 

C

 

B

 

D

 

118

49

What is the determinant of: A

­17

B

­13

C

13

D

17

119

50

What is the inverse of: A

 

B

 

C

 

D

 

120

51

Find the solution to                    What is the x­value?

121

52

Find the solution to                    What is the y­value?

122

53

Is this system ready to be made into a matrix  equation?  

Yes No

 

123

54

Which of the following is the correct matrix equation for  the system?

A

 

C

 

B

 

D

 

124

55

What is the determinant of: A

­10

B

­2

C

2

D

10

125

56

What is the inverse of: A

 

B

 

C

 

D

 

126

57

Find the solution to                    What is the x­value?

127

58

Find the solution to                    What is the y­value?

128

For systems of equations with 3 or more variables,  create an augmented matrices with the coefficients  on one side and the constants on the other.

Row reduce. When the identity matrix is on the left,  the solutions are on the right.

129

Start

Swapped row 2  and 3 (rather divide by 3 than 7)

Swap Rows  1&2 Subtract 5  times row 1  from row 2 Subtract row  1 from row 2

Divide row 2 by ­3

Add 7 times  row 2 to row 3 Subtract 2  times row 2  from row 1

130

From Previous  slide

Divide row 3  by ­37/3 Subtract 2/3  times row 3  from row 2 Subtract 5/3  times row 3  from row 1

The solution to the system is  x = 1, y = 1, and z = 2.

131

Convert the system to an augmented matrice.  Solve using row reduction

132

Convert the system to an augmented matrice.  Solve using row reduction

133

Convert the system to an augmented matrice.  Solve using row reduction

134

Circuits Return to  Table of  Contents

135

Definition Return to  Table of  Contents

136

A Graph of a network consists of vertices (points) and edges  (edges connect the points)

The points marked v are the vertices, or nodes, of the network. The edges are e.

137

Edge

endpoints 

138

Vocab

Adjacent edges share a vertex. Adjacent vertices are connected  by an edge. e5 and e6  are parallel because  they connect the same vertices. A e1 and e7  are loops. v8 is isolated because it is not  the endpoint for any edges. A simple graph has no loops and  no parallel edges.

139

Make a simple graph with vertices {a, b, c, d} and as  many edges as possible.

140

59

Which edge(s) are loops? A e1

G

v1

B e2

H

v2

C e3

I v3

D e4

J

v4

E e5

F

e6

141

60

Which edge(s) are parallel? A e1

G

v1

B e2

H

v2

C e3

I v3

D e4

J

v4

E e5

F

e6

142

61

Which edge(s) are adjacent to e4? A e1

G

v1

B e2

H

v2

C e3

I v3

D e4

J

v4

E e5

F

e6

143

62

Which vertices are adjacent to v4? A e1

G

v1

B e2

H

v2

C e3

I v3

D e4

J

v4

E e5

F

e6

144

63

Which vertex is isolated? A e1

G

v1

B e2

H

v2

C e3

I v3

D e4

J

v4

E e5

F

none

145

Some graphs will show that an edge can be  traversed in only one direction, like one way  streets.

This is a directed graph.

146

An adjacency matrix shows the number of paths from one  vertex to another.

So row 4 column 5 shows that there  is 1 path from v4 to v5.

147

64

How many paths are there from v2 to v3?

148

65

Which vertex is isolated?

149

Properties Return to  Table of  Contents

150

Complete Graph Every vertex is connected to every other by one edge. So at  a meeting with 8 people, each person shook hands with  every other person once. The graph shows the handshakes.

So all 8 people shook hands 7 times, that would seem like 56  handshakes.  But there 28 edges to the graph.  Person A  shaking with B and B shaking with A is the same handshake.

151

Complete Graph The number of edges of a complete graph is

152

66

The Duggers, who are huggers, had a family reunion.  50 family members attended.  How many hugs were  exchanged?

153

Degrees The degree of a vertex is the number edges that have  the vertex as an endpoint.

Loops count as 2.

The degree of a network is the sum of the degrees of the  vertices.  The degree of the network is twice the number of  edges. Why?

154

67

What is the degree of A?

A C

B

155

68

What is the degree of B?

A C

B

156

69

What is the degree of C?

A C

B

157

70

What is the degree of the network?

A C

B

158

Corollaries: • the degree of a network is even • a network will have an even  number of odd vertices

159

Can odd number of people at a party shake hands  with an odd number of people?

Think about the corollaries. An odd number of people means how  many vertices?

Corollaries: • the degree of a network  is even • a network will have an  even number of odd  vertices

An odd number of handshakes means what is the degree of those verticces?

160

Euler Return to  Table of  Contents

161

Konisberg Bridge Problem Konisberg was a city in East Prussia, built on the banks of  the Pregol River.  In the middle of the river are 2 islands,  connected to each other and the banks by a series of  bridges.  

The Konisberg Bridge Problem asks if it is possible to travel  each bridge exactly once and end up back where you started?

162

In 1736, 19 year old Leonhard Euler, one of the greatest  mathematicians of all time, solve the problem. Euler, made a graph of the city with the banks and islands  as vertices and the bridges as edges.

He then developed rules about traversable graphs.

163

Traversable A network is traversable if each edge can be  traveled travelled exactly once.

In this puzzle, you are asked to  draw the house,or envelope,  without repeating any lines.

Determine the degree of each vertex.   Traversable networks will have 0 or 2 odd  vertices. If there are 2 odd vertices start at  one and end at the other.

164

Euler determined that it was not  possible  because there are 4 odd  vertices.

165

A walk is a sequence of edges and vertices from a to b. A path is a walk with no edge repeated.(Traversable) A circuit is a path that starts and stops at the same vertex. An Euler circuit is a circuit that can start at any vertex.

166

For a network to be an Euler circuit, every vertex  has an even degree.

167

71

Which is a walk from v1 to v5? A v1,e3,v3,e4, v5 B v1,e2,v2,e3,v3,e5,v4,e7,v5

v1

e2

e4

C v1,e3,e2,e7,v5 D v1, e3,v3,e5,v4,e7,v5

e3

v3

e5

e1

v4

v2

e7 v5

e8

168

72

Is this graph traversable?  

Yes No

 

e3

v3

v1

e4 e5

e1

v4

v2

e7 v5

e8

169

Connected vertices have at least on walk connecting them.

e3

v3

v1

e4 e5

e1

v4

v2

e7 v5

e8

Connected graphs have all connected vertices

170

For all Polyhedra,

Euler's Formula V ­ E + F = 2 V is the number vertices E is the number of edges F is the number of faces Pentagonal Prism

10 ­ 15 + 7 = 2

Tetrahedron

4 ­ 6 + 4 =2

171

Apply Euler's Formula to circuits. Add 1 to faces for the not enclosed region.

Euler's Formula V ­ E + F = 2 V is the number vertices E is the number of edges F is the number of faces

V=5 E=7 F=3+1

V=7 E=9 F=3+1

172

73

How many 'faces' does this graph have?

173

74

How many 'edges' does this graph have?

174

75

How many 'vertices' does this graph have?

175

76

For this graph, what does V ­ E + F= ?

176

Matrix Powers  and Walks Return to  Table of  Contents

177

Earlier in this unit, we looked at adjacency matrices  for directed graphs.

178

There are also adjacency matrices for undirected  graphs.

a1 a4

a2

main diagonal

a3

What do the numbers on the main diagonal represent?

What can be said about the halves of adjacency matrix?

179

The number of walks of length 1 from a1 to a3 is 3. How many walks of length 2 are there from  a1  to a3?  By raising the matrix to the power of the  desired length walk, the element in the 1st  row 3rd column is the answer.

a1 a4

a2 a3

Why does this work?  When multiplying, its the 1st row, all the walks  length one from a1, by column 3, all the walks length 1 from a3.

180

77

How many walks of length 2 are there from a2 to a4?

a1 a4

a2 a3

181

78

How many walks of length 3 are there from a2 to a2?

a1 a4

a2 a3

182

79

How many walks of length 5 are there from a1 to a3?

a1 a4

a2 a3

183

Markov  Chains Return to  Table of  Contents

184

During the Super Bowl, it was determined that the   commercials could be divided into 3 categories: car,  Internet sites, and other. The directed graph below  shows the probability that after a commercial aired  what the probability for the next type of commercial. .40

C

.60

.20

Suggest Documents