ماتریس خودتوان

ماتریس خود توان: فرض کنید ‎A‌‏ یک ماتریس ‌‎ $ n \times n $ ‎ ‏باشد. ماتریس ‌‏A‎ را خود توان نامیم، هرگاه توانش با خودش برابر باشد یعنی رابطه زیر برقرار باشد:

‌‎$ A \times A = A‌‎^{2} = A $‌‌‌‎

مثال ۱. کدام یک از ماتریسهای زیر خود توان هستند.

۱. $A=\begin{bmatrix}-1&1&1\\-1&1&1\\-1&1&1\\ \end{bmatrix}$

برای بررسی خودتوانی ماتریس فوق کافی است ماتریس A را یکبار در خودش ضرب نمایید. لذا داریم:

۱. $A*A=\begin{bmatrix}-1&1&1\\-1&1&1\\-1&1&1\\ \end{bmatrix} *‌ \begin{bmatrix}-1&1&1\\-1&1&1\\-1&1&1\\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix}1-1-1&-1+1+1&-1+1+1\\+1-1-1&-1+1+1&-1+1+1\\1-1-1&-1+1+1&-1+1+1\\ \end{bmatrix} = \begin{bmatrix}-1&1&1\\-1&1&1\\-1&1&1\\ \end{bmatrix}$

همانطور که مشاهده می‌کنید، ماتریس حاصل شده با ماتریس اولیه برابر می‌باشد. لذا طبق تعریف ماتریس خود توان این ماتریس، یک ماتریس خود توان می‌باشد.

۲. $B =\begin{bmatrix}\frac{1}{2}&\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{bmatrix}$

برای بررسی خودتوانی  ماتریس B کافی است آن را یکبار در خودش ضرب نماییم. لذا داریم:

۲. $B*B =\begin{bmatrix}\frac{1}{2}&\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{bmatrix}*\begin{bmatrix}\frac{1}{2}&\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\frac{1}{4}+\frac{1}{4}&\frac{1}{4}+\frac{1}{4}\\ \frac{1}{4}+\frac{1}{4}& \frac{1}{4}+\frac{1}{4}\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\frac{1}{2}&\frac{1}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{bmatrix}$

تمرین ۱. بررسی کنید ماتریس زیر خود توان است.

$ C=\begin{bmatrix}\frac{2}{3}&-\frac{1}{3}&-\frac{1}{3}\\-\frac{1}{3}&\frac{2}{3}&-\frac{1}{3}\\-\frac{1}{3}&-\frac{1}{3}&\frac{2}{3}\end{bmatrix} $

نکته ۱. فرض کنید A‌‏ ماتریس مربعی خود توان باشد. در اینصورت به ازای هر عدد طبیعی n‌‌‎ داریم:

‎$‌‌‎A^{n}=A‎$‎

نکته ۲. فرض کنید که A‌‌‎ یک ماتریس خود توان باشد. ثابت کنید که I‎ -‎ A یک ماتریس خود توان است.

برا بررسی خود توانی  ماتریس I-A کافی است، این ماتریس را یکبار در خودش ضرب نمایید. لذا داریم:

$(I-A)*(I-A)=(I-A)^{2}=I^2-2AI+A^2=I-2A+A=I-A$

همانطور که مشاهده می‌کنید I-A یک ماتریس خودتوان خواهد شد.

تمرین ۲. فرض کنید A یک ماتریس مربعی $n \times n$ و خود توان باشد. در این صورت عبارت زیر را ثابت کنید.

$\forall n‎\in \mathbb{N‌‎}, (I+A)^{n}=‎I‎+‎(2^{n} ‎-1)A‎$‌‎