симметрична. Если симметричные относительно главной диагонали элементы отличаются друг от друга знаком (ûft/ — — alk),a элементы главной диагонали равны нулю, то матрица называется антисим метричной. Такова, например, матрица
Квадратная матрица, у которой все элементы, кроме элементов главной диагонали, равны нулю, называется диагональной матри цей. Если у диагональной матрицы все элементы главной диагонали
равны |
друг другу, матрица называется скалярной, если они |
все |
равны |
единице, матрица называется единичной и обозначается |
(1). |
Если все элементы матрицы равны нулю, матрица называется |
нуле |
вой и обозначается (0). Приведем в качестве примеров диагональную, скалярную, единичную и нулевую матрицы третьего порядка:
Для всякой квадратной матрицы можно рассчитать по извест ным правилам определитель. Если определитель матрицы равен нулю, то матрица называется особенной, если он не равен нулю — неосо бенной.
2. Действия над матрицами. Две матрицы называются равными, если у них один и тот же порядок и если все соответствующие их
элементы совпадают, т. е. (А) — |
(В), |
если akt |
= Ьы. |
Чтобы сложить |
две матрицы, надо сложить их |
соответствующие |
элементы, т. е. |
(С) = (А) + (В), если сы |
= ак1 |
А- Ьы. |
Точно так же производится |
вычитание матриц: (D) = (А) — |
|
(В), |
если dkl |
= ак1 — Ъы. Разность |
между двумя равными |
матрицами равна нулевой |
матрице (А) — |
— (А) = (0). Умножить матрицу |
на скалярную величину — значит |
умножить каждый |
из |
элементов |
матрицы |
на эту |
величину, т. е. |
(В) = m (А),, если |
bkl |
= |
mak!. |
Заметим отличие от |
определителя, |
умножение элементов которого на m ведет за собой умножение определителя на тп, где п — порядок определителя.
Наиболее важным для дальнейшего является умножение двух матриц. Это действие возможно только тогда, когда число столбцов первой матрицы равно числу строк второй. Пусть первая матрица
(А) имеет порядок m х п, вторая матрица (В) — порядок n X р. Умножение возможно, и произведение (С) = (А)(В) является мат рицей порядка m X р. Каждый элемент сік матрицы (С) получается путем почленного перемножения элементов і-й строки матрицы (А) на элементы А-го столбца матрицы (В) и суммирования всех произ ведений:
п |
|
Сік= 2 ^jbjk^anblkA-йіфыАг... |
+ ainbnk. |
Умножение матриц, как правило, не переместителыю, т. е.
(А)(В)Ф(В)(А).
Пусть, например, дана зависимость между у н х в виде уравне
ний с матрицей |
коэффициентов (.4): |
|
|
у\ = апхх + а12х2 - f а13х3, |
(Д) — Іа и а и а і з |
\ |
У2 = |
СІ21Х1 + ^22*2 + а23Х3> |
\ Û 2 1 0 2 2 û 2 3 |
/ ' |
а также зависимость между Z и у в виде уравнений с матрицей коэффициентов (В):
Zj = &иУі -\- ö1 2 t/2 ,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Z2 |
= & 2 1 У і 4- Ь22і/г, |
|
|
|
|
|
|
|
Z4 |
== ЬыУі + о42г/2, |
|
|
|
|
Определим зависимость между Z и х путем подстановки: |
Zi = (оцйц |
- f b12a2l) |
xx - f (bual2 |
+ bl2a22) |
x2 |
+ (6-п я1 3 + 6i2 o2 3 ) x3 ; |
Z 2 |
= (/b21an + b.}2a.n) |
X\ - f (ô2 1 «1 2 |
+ b22a22) |
x2 |
- f (ô2 1 a1 3 + |
b22a23) x3, |
Z3 |
= (frsiûn + |
^32«2i) * i + (b31au |
+ b32a22) |
x2 + |
(bsla13 + |
632Ö23) *з, |
Z4 |
= (041ЙЦ + |
6 |
4 2 ö 2 1 ) Xx - f (Vûl 2 |
+ &42«22) * 2 |
+ |
041^ 13 4" ^ 4 2 « 2 3 ) *3 - |
Видно, что матрица коэффициентов последних четырех уравне ний является произведением матриц (В)(А). Следует заметить, что умножение (А) на (В) невозможно, так как число столбцов (А) равно трем, а число строк (В) — четырем. Приведенные выше урав нения можно написать проще, вводя матрицы-столбцы
Тогда |
|
|
|
(у) = (А)(х), |
(Z) = {B)iy), |
(Z) = (В) (А) (х). |
Легко проверить следующие |
тождества относительно нулевой |
и единичной матриц: |
|
|
|
(A)(0) = (0)(А) |
= (0), |
(A)(1) = (1)(Л) = (А). |
Далее заметим, что вследствие некоммутативности умножения матриц необходимо строго придерживаться порядка перемножения. Например,
{(А) + (В)] [(А) - (В)] = (Л)2 - (А)(В) + (В)(А) - (Bf.
3. Транспонированная, присоединенная и обратная матрицы. Особое действие, которое можно применять в матричном исчисле нии, — транспонирование матрицы. Транспонировать матрицу — значит заменить у нее строки столбцами, а столбцы строками. Для матрицы (Л) транспонированная матрица обозначается (А)'. Напри мер,
а21а22а23! |
\ |
|
« 1 . 4 U 2 3 ' |
Транспонирование симметричной квадратной матрицы оставляет ее неизменной.
Если в неособенной квадратной матрице заменить все элементы их алгебраическими дополнениями и транспонировать ее, то полу
чается матрица, которая |
называется присоединенной или взаимной. |
Она обозначается (А). |
Например, |
Найдем произведение матрицы (А) на ее присоединенную мат рицу: (С) = (A)(Ä). Каждый элемент этого произведения
п |
|
п |
% AUj, |
|
сік = У] |
%• A'ik = |
У] |
|
/ = |
1 |
і = 1 |
|
где Akj — алгебраическое |
дополнение |
к элементу akj. Если |
i = k, |
то эта сумма — разложение определителя | А | по элементам |
строки |
і, и поэтому равна величине определителя А. Если же і ф k, то сумма также является разложением определителя, который отли
чается от |
определителя | А \ тем, что у него строчка і |
заменена |
строчкой |
k, |
т. е. определителя с двумя одинаковыми строчками. |
Но величина |
такого |
определителя равна нулю. Поэтому |
сік |
= А, |
если i |
k; |
сіи — 0, |
если і ф k. Таким образом, матрица |
(С) |
ока |
зывается скалярной матрицей. Все элементы ее главной диагонали равны А, все остальные равны нулю:
(С) = (Л)(Л) = ( и а ••• и ] = Д|
Итак,
(Л) (Л) = А(1).
Матрицы (Л) и д (Л) дают в произведении единичную матрицу. Матрица
(ЛГ=4(Л)
называется матрицей, обратной матрице (А). Ясно, что ( Л ) ( Л Г = ( Л Г (Л) = (1).
П Р И Л О Ж Е Н И Е I I I М А Т Р И Ц А Р А С С Е Я Н И Я
I . Нормировка напряжений и токов. Возможность введения коэф фициентов отражения показывает, что имеется аналогия при рас смотрении четырехполюсников с сосредоточенными и распределен ными параметрами (длинных линий). На входе четырехполюсника роль волнового сопротивления линии играет внутреннее сопротив ление генератора Z,, а роль нагрузки — входное сопротивление четырехполюсника ZB X . В дальнейшем будем считать, что внутрен нее сопротивление генератора активно (rL — Zj) и что коэффициент отражения определяется равенством (17.103). Можно считать, что на входе четырехполюсника имеется падающая и отраженная волны, причем
U^UÏ + Ûï, ii = ~(Ût-Ûr), |
(17.108) |
где знак «плюс» обозначает падающую, знак «минус» — отраженную волну. Поэтому
tff = j ^ i + V i ) , £/Г=4(^і-/і'-1 ). |
(17.109) |
Коэффициент отражения равен отношению напряжений отражен ной и падающей волн:
^ВХ |
j |
p__ Uï U\ — ' i r i _ ZBX —ri _ _ r i |
\\Q~J |
ri
в соответствии с (17.103). Из (17.110) следует, что при отражении играет роль лишь отношение входного сопротивления к внутреннему сопротивлению генератора. Поэтому для упрощения следует ввести нормированное сопротивление:
где знак «Д» указывает на нормировку. Тогда коэффициент отра жения
р = Ъх~1 |
. |
(17.112) |
z B X + l |
|
|
После нормировки сопротивления естественно произвести также нормировку напряжений и токов, чтобы сопротивление согласно (17.111) было безразмерным:
|
|
Ü = |
^у rг,, |
Іг^ІгѴп. |
(17.113) |
Тогда |
равенства |
(17.109) будут |
иметь вид: |
|
|
Ü | |
= - j ^ |
= |
+ |
сѴ=-^=4('Л-Л)- |
(17.114) |
После |
нормировки напряжения и токи имеют |
одинаковые раз |
мерности. |
|
|
|
|
|
|
Все сказанное относительно входа четырехполюсника |
можно |
повторить |
и относительно |
его выхода и получить |
равенства, ана |
логичные равенствам (17.114). Сопротивлением, относительно кото рого надо производить нормировку, является сопротивление на
грузки г2: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tf+ = ^ |
= J - ( t f a + / a ) , |
Ü^ = -ß= = \(Ü2-h). |
(17.115) |
Так как вход и выход четырехполюсника |
при этой трактовке |
равноправны, |
положительные направления падающих и отражен |
|
|
ных волн приняты такими, как пока |
|
|
зано |
на рис. 17.25. |
|
|
|
|
|
2. |
Определение |
матрицы |
рассея |
|
|
ния. |
При |
изучении |
процессов, |
про |
|
|
текающих в многополюсниках, т. е. в |
Рис. |
17.25 |
системах |
с |
тремя |
и более |
парами |
зажимов, |
часто |
целесообразно |
рас |
|
|
сматривать |
явления |
следующим об |
разом. К некоторым зажимам многополюсника |
приходит |
энер |
гия в виде |
падающих «волн», часть |
этой |
энергии поглощается |
в многополюснике, часть же |
уходит в |
|
виде |
отраженных |
«волн». |
Интересными являются соотношения между отраженными и пада ющими «волнами». Такая трактовка процессов в многополюсниках (и, в частности, в четырехполюсниках) особенно важна при рас смотрении сверхвысокочастотных цепей (дециметровых и санти метровых волн). При этих частотах трудно пользоваться понятиями «напряжение» и «ток». Зато термины «падающая волна», «отраженная волна», а также «мощность» имеют вполне определенный смысл.
Вэтих случаях вполне целесообразна удобная нормировка на
пряжений |
и токов, так как |
полная мощность |
в комплекс |
ной форме |
имеет |
одинаковые |
выражения для |
нормированных |
и ненормированных |
величин. Согласно (17.113) |
|
|
|
S = £//*==(?/*. |
(17.116) |
Явления в многополюсниках здесь не рассматриваются. Рас смотрим, как и раньше, четырехполюсники.