Калькулятор следа матрицы

Добро пожаловать в Калькулятор следа матрицы — интерактивный инструмент для вычисления следа любой квадратной матрицы (суммы элементов на главной диагонали). След обманчиво прост, но чрезвычайно важен: он равен сумме собственных значений, остается неизменным при преобразованиях подобия и встречается повсюду — от квантовой механики до машинного обучения. Этот калькулятор обеспечивает пошаговое вычисление, проверку собственных значений, след степеней матрицы, определение свойств и визуальную тепловую карту с выделением диагонали.

Что такое след матрицы?

След матрицы A размера n×n, обозначаемый как tr(A), определяется как сумма диагональных элементов:

След имеют только квадратные матрицы (с одинаковым количеством строк и столбцов). Это одна из двух наиболее фундаментальных скалярных функций матрицы — вторая — определитель.

След и собственные значения

Одним из самых замечательных свойств следа является его связь с собственными значениями:

Это верно даже тогда, когда собственные значения являются комплексными числами — мнимые части для вещественных матриц всегда взаимно уничтожаются, гарантируя вещественный след. Это тождество следует из того, что и след, и сумма собственных значений равны коэффициенту при \(x^{n-1}\) в характеристическом многочлене \(\det(A - xI)\), взятому с обратным знаком.

Ключевые свойства следа

Линейность

След является линейным функционалом в пространстве матриц:

• \(\text{tr}(A + B) = \text{tr}(A) + \text{tr}(B)\)
• \(\text{tr}(cA) = c \cdot \text{tr}(A)\) для любого скаляра c

Циклическое свойство

След инвариантен относительно циклических перестановок произведений матриц:

Примечание: это не означает, что в общем случае tr(ABC) = tr(BAC). Допускаются только циклические перестановки.

Инвариантность при подобии

Если B = P^-1AP для некоторой обратимой матрицы P, то tr(B) = tr(A). Это делает след инвариантом подобия, то есть он не зависит от выбора базиса.

Инвариантность при транспонировании

tr(A) = tr(A^T), поскольку транспонирование матрицы не меняет диагональные элементы.

Связь с нормой Фробениуса

Применение следа

Специальные типы матриц и их следы

След степеней матрицы и тождества Ньютона

Следы степеней матрицы, tr(A), tr(A²), tr(A³), ..., содержат полную информацию о спектре собственных значений. С помощью тождеств Ньютона эти следы степеней позволяют восстановить весь характеристический многочлен:

Это означает, что последовательность следов {tr(A), tr(A²), ..., tr(Aⁿ)} полностью определяет собственные значения матрицы A.

Часто задаваемые вопросы

Что такое след матрицы?

След квадратной матрицы A, обозначаемый tr(A), — это сумма элементов на главной диагонали: tr(A) = a₁₁ + a₂₂ + ... + a_nn. Он определен только для квадратных (n×n) матриц. След — один из самых фундаментальных инвариантов матрицы в линейной алгебре.

Как след связан с собственными значениями?

След матрицы равен сумме ее собственных значений (с учетом алгебраической кратности): tr(A) = λ₁ + λ₂ + ... + λ_n. Это объясняется тем, что след и сумма собственных значений являются коэффициентом при x^n-1 в характеристическом многочлене, взятым с противоположным знаком.

Каковы основные свойства следа?

Ключевые свойства: (1) Линейность: tr(aA + bB) = a·tr(A) + b·tr(B). (2) Инвариантность при транспонировании: tr(A) = tr(A^T). (3) Циклическое свойство: tr(ABC) = tr(BCA) = tr(CAB). (4) Инвариантность при подобии: tr(P^-1AP) = tr(A). (5) tr(A^TA) = сумма квадратов всех элементов = ‖A‖²_F (квадрат нормы Фробениуса).

Почему след важен в линейной алгебре?

След — это инвариант подобия, он не меняется при смене базиса. Вместе с определителем след характеризует поведение линейных преобразований. В физике след встречается в квантовой механике (ожидаемые значения), общей теории относительности (скаляр Риччи) и статистической механике (статистические суммы). В машинном обучении он используется в регуляризации и ядерных методах.

Что такое бесследная матрица?

У бесследной матрицы tr(A) = 0, что означает, что сумма ее диагональных элементов равна нулю. Бесследные матрицы образуют алгебру Ли sl(n), которая играет центральную роль в теоретической физике и дифференциальной геометрии. Любую матрицу можно разложить как A = (tr(A)/n)I + B, где B — бесследная матрица.

Как рассчитать след матрицы?

Чтобы рассчитать след: (1) Определите элементы главной диагонали a₁₁, a₂₂, ..., a_nn — это элементы, у которых индекс строки равен индексу столбца. (2) Сложите их: tr(A) = a₁₁ + a₂₂ + ... + a_nn. Например, для [[1,2],[3,4]] след равен 1 + 4 = 5.

Дополнительные ресурсы

• След матрицы — Википедия
• Алгоритмы поиска собственных значений — Википедия (англ.)
• Характеристический многочлен — Википедия