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輸入計算

數學公式

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結果

Matrix A to the power n (A2)
7 10
15 22
矩陣大小 2 x 2
指數 n 2

什麼是矩陣次方計算器?

這個工具能將方陣 A 提升至整數次方 n,寫作 \(A^{n}\)。它會把矩陣自我相乘 n 次,並回傳計算後的結果矩陣,適用於由實數組成的 2x2、3x3 與 4x4 矩陣。矩陣次方在線性代數中無所不在:馬可夫鏈與轉移矩陣、圖的鄰接矩陣冪(用來計算路徑數量)、離散動態系統,以及像費氏數列這類遞迴關係,都會用到它。

使用方式

先選擇矩陣大小,接著在格子裡逐格輸入 A 的每個元素(可使用小數與負數),然後填入整數指數 n 並按下計算。n = 0 會得到單位矩陣,n = 1 會原樣回傳 A,n ≥ 2 則進行反覆相乘。若 A 可逆,你也可以輸入負的 n,計算器會先求出反矩陣,再將其提升至 |n| 次方。

計算公式

矩陣次方以遞迴方式定義:\(A^{0} = I\)(單位矩陣)、\(A^{1} = A\)、\(A^{n} = A \cdot A^{n-1}\)。兩個 j×j 矩陣的乘積 \(C = A \cdot B\),其元素為 \(C[i][k] = \sum A[i][m] \cdot B[m][k]\)。 $$A^{\,n} = \underbrace{A \cdot A \cdots A}_{n\ \text{times}}$$ 本計算器採用「平方求冪法」以提升運算效率,但結果與單純反覆相乘完全相同。矩陣次方只有在 A 為方陣(列數 = 行數)時才有定義。

展示 A 的 n 次方為矩陣 A 的 n 個副本反覆相乘的示意圖
矩陣冪 Aⁿ 表示將矩陣 A 自乘 n 次。

實例演算

設 A = [[1, 2], [3, 4]],n = 2。則 \(A^{2} = A \cdot A\),得到 $$c_{11} = 1 \cdot 1 + 2 \cdot 3 = 7,\quad c_{12} = 1 \cdot 2 + 2 \cdot 4 = 10$$ $$c_{21} = 3 \cdot 1 + 4 \cdot 3 = 15,\quad c_{22} = 3 \cdot 2 + 4 \cdot 4 = 22$$ 因此 \(A^{2} = [[7, 10], [15, 22]]\)。再平方一次(或計算 \(A^{3} = A^{2} \cdot A\)),則得 \(A^{3} = [[37, 54], [81, 118]]\)。

將 2x2 矩陣平方得到結果矩陣的演算範例
透過將一個 2x2 矩陣自乘來計算 A²。

常見問題

n = 0 會回傳什麼?依照慣例,會回傳同樣大小的單位矩陣 I。

可以使用負指數嗎?可以,前提是 A 可逆(行列式 ≠ 0)。\(A^{-k}\) 等於 \(\left(A^{-1}\right)^{k}\)。 $$A^{\,n} = \left(A^{-1}\right)^{\left|n\right|},\quad \det(A) \neq 0$$ 若行列式為 0,結果便無定義,計算器會提出警告。

為什麼有些元素會出現很小的小數?當次方很大或元素數值很大時,浮點數捨入誤差可能會累積;結果約捨入至 14 位有效數字。

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