Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Дроздов Н.Д. Линейная алгебра в теории уравнивания измерений

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.33 Mб
Скачать

матрица решений уравнения R*y = О, а В — фундаментальная матрица решений уравнения Ау — 0.

2) Если В = ЦБ, Р* ||— произвольная невырожденная квад­ ратная матрица, разбитая на два вертикальных блока 5 и Р * , т о

В " 1 =

'I, где R — фундаментальная матрица решений

 

АЧР*)

уравнения Ру = 0, а А* — фундаментальная матрица решений

уравнения В*у

= 0.

 

 

 

А

Из (173)

 

 

 

 

также

имеем,

{А^)А + В{^В) = \\АР\

ВЦ

= Е

что

 

 

 

 

 

II А II" 1

\Ар-,

В\

(174')

 

 

R *-

 

 

 

 

 

Это отношение приводит к интересной интерпретации общего решения уравнения A v + w = 0 со строчно-невырождеиной ма­ трицей А, которое с учетом (74) примет вид

v = Bx + d = Bx— AP4v=\\ Ay, В\ — ID X

здесь d = A~pw при фиксированной Р — частное решение этого уравнения, а Б — фундаментальная матрица решении уравнения Ау — 0. Отсюда, принимая во внимание (174') и (165") и свойства •обратных матриц, получим

 

 

і?

А " і

— W

 

А

 

 

 

-W

 

 

 

 

R - B \

X

 

 

(R*B)-!R*

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е

 

0

 

А

 

 

-w

 

 

 

 

 

 

0

(R*B)~1

 

R*

 

 

х

 

 

 

 

А

Е 0

-IV

 

А

 

— W

 

А

- і

• w

 

 

 

 

 

 

R*

0

R*B

X

 

R*

 

R*Bx

 

R*

 

с

где

с =

R*Bx.

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сказанное можно подытожить так.

 

 

 

0 можно рас­

 

Теорема 47. Общее решение уравнения Av -\-w =

сматривать как решения систем уравнений

 

 

 

 

 

 

 

Av =

-iv

или

 

Av =

— w

 

 

(175)

 

 

 

nBv

=

х

R*v =

с

 

 

 

 

 

 

 

A

была

ква-

где

Б

фиксируется лишь

так, чтобы

матрица

R*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'дратной невырожденной. При этом элементы блока х или с столбца свободных членов могут принимать всевозможные значения.

 

Уравнение

R*v

=

с из

(175) будем называть дополнением

си­

стемы уравнений

A v =

—w

до системы с невырожденной

квадрат­

ной

матрицей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим

 

теперь

матрицу

I x

=

Т РВ)

АН'1,

подобную

матрице

(Ар*) А,

где

А ..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

T-^jAp-,

(Д*)ЗЧ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R*

 

 

 

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А (Ар*) А

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I (А?)

 

 

 

 

 

Т (Ар*) A - j R

*

А -1R^p^ ^Ар^_х А

0

 

 

потому

что

АА~р =

 

Е,

a PR = 0. Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

||

*Р . (R*)

 

 

|| Е

0 «

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

~1 о

о Г

 

 

 

так

как,

с

учетом

(165'),

A

(R*)~B*

 

АВ

(R*B)~1 =

0,

ибо

по

условию,

что

В — фундаментальная

матрица

решений

системы

уравнений Ау = 0, имеем АВ = 0.

Блок Е

матрицы 1 х имеет

размеры т X т, где т — число строк (равное рангу) матрицы

А.

Поэтому

rang

I x =

rang А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По

(173)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/а

=

ТВ(R*B)

 

Т"1

=

Т

— (А~р)

А]

Т - 1

= Е — Т(Ар*)

АТ~г

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II

о

о

 

 

 

 

 

Здесь блок Е х имеет размеры (п — m) X (п — т), где (п — т) — число строк (равное рангу) матрицы В. Поэтому rang 1 2 =

=rang В.

Так как ранги подобных матриц одинаковы, то

rang (Ар) А = rang А и rang В В) = rang В.

Кроме того, собственные числа подобных матриц одинаковы, а собственные числа диагональных матриц равны диагональным

элементам. Поэтому

собственными числами матриц (Ар*) А

и В (Ъ*В) являются единицы и нули.

§

63. g-ОБРАТНЫЕ МАТРИЦЫ

Матричное уравнение АХ = В со строчно-невырояеденной ма­ трицей А всегда имеет решения X = (Ар*) В, что проверяется непосредственной подстановкой в исходное уравнение. При этом разным Р будут отвечать разные решения. По теореме 15 уравнение

ВХ =

С с столбцово-невырожденной матрицей В имеет единствен­

ное решение. Умножив ВХ

С слева на любую матрицу р*В,

по­

лучим

X = R * B C . Теперь

все R приводят

к одному и тому

же

ответу.

 

 

"

. ;!

 

Между этими крайними случаями уравнения - вида В Х = С

могут

быть промежуточные

случаи, когда

В не і является

ни

строчно-невырожденной, ни

столбцово-невырожденной- -и| потому

не существует матриц, псевдообратных к В. Поэтому имеет смысл

ввести следующее понятие.

 

 

 

 

 

 

Всякая матрица

В"

называется

g-обратной к В, если для

лю­

бого совместного

уравнения

В Х =

С произведение В~С

является

его решением ([28],

[43]).

 

 

 

 

 

 

Теорема 48.

Матрица В" является g-обратной

к

В

тогда

и только-.тогда,

когда

она

удовлетворяет условию

В В _ В

=

В.

Л Уравнение

ВХ =

В, очевидно, совместно, так как

удовлет­

воряется при X

=

Е.

Если

В~ является g-обратной

к

В,

то

по

определению матрица В~В является его решением. Подставляя

его в уравнение, получим равенство

ВВ"В

=

В.

 

 

 

 

Пусть теперь матрица В -

удовлетворяет условию ВВ~В

=

В.

Рассмотрим совместное уравнение

В Х

= С, которое можно

запи­

сать и как ВВ~ВХ

=

С или ВВ"С =

С. А это означает, что В"С —

его

решение,

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, g-обратной для В матрицей можно также назвать вся­

кую матрицу

В", удовлетворяющую условию

[40 ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(176)

 

Как было

показано в начале

параграфа,

псевдообратные

ма­

трицы

являются g-

обратными. В другом крайнем случае, когда

 

вв-в = в.

 

 

 

 

 

 

В

0, любая

матрица D подходящего

размера

g-обратна

к ней,

так как 0D0 =

0. Ввиду тривиальности этого случая в дальнейшем

всегда

полагаем, что

В Ф 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л

Рассмотрим

теперь произвольную матрицу В. Пусть

в ней

столбцы Ь-г,,

6;.,

. . ., Ъ; — базисные,

так

что любой столбец

bj(j

=

1,

2, . . ., т) линейно

выражается

через

них, т. е.

 

 

 

 

 

 

bj

=

rkiljbtt - j - htjbi.

+

• • . +

hrjbtr.

 

(177)

 

Иначе

это можно

записать как

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

В =

ВА,

 

 

 

 

(178)

 

 

hi,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ч

 

 

 

К а

 

 

• • Я-tjm

 

 

 

 

В:

 

 

 

 

b2ir

и А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rJni,

 

 

Ьпіг

 

 

 

 

hir2

• • - 'Xiftn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

здесь В — столбцово-невырожденная по построению, а А — строч- но-невырожденная, так как по (177) каждый ее столбец с номером

; = ik (к = 1, 2, . . ., г) должен

иметь

вид

 

 

 

1

0

 

 

0

-

0

1

 

=

0

 

>

• • •

 

0

0

1

Поэтому

минор det Е,

стоящий на пересечении этих

столбцов

и всех г строк, отличен

от нуля, т. е. является базисным.

 

Представление

(178)

не единственно, так как ВХАХ

=

В2А2,

если А2

= К~1АХ,

а В2 = ВХК.

Других способов перехода от

•одного представления к другому нет. Действительно, если ВХАХ

=

= В2А2,

где Вх

и В2,

а также Ах

я А2 — одинакового

размера

столбцово-невырожденные и строчно-невырожденные матрицы, то

ВХАХ

2)~г

=

В2,

где 2)~е

— произвольная псевдообратная

матрица

такая, что

квадратная

матрица Ах

2)~*

=

К

невы­

рожденная. Итак, В2

— ВХК и потому ВХАХ

= ВХКА2.

Умножая

•обе части этого равенства слева на произвольную

 

~еВг,

полу­

чим А х — КА 2 или А 2

= К" 1 ^! . Как мы знаем, L [А 2]

=

L [К~1А х]

и L

2]

=

L

ХК].

у

 

 

 

 

 

Итак, доказана следующая

теорема.

 

 

 

 

"Теорема 49. Всякую матрицу

В можно представить в виде (178),

где

В — столбцово-певырожденная, а А

строчно-невырожден-

ная матрицы. В любом таком представлении линейные оболочки столбцов матрицы В и строк матрицы А одинаковы.

Теперь докажем основную теорему о выражении g-обратных

матриц через псевдообратные.

 

Теорема 50. Всякая матрица В имеет ^-обратные матрицы.

Если В = ВА, где В — столбцово-невырожденная, а А

— строч-

но-невырожденная матрицы, то В~ тогда и только тогда

является

^-обратной к В, когда она может быть представлена в виде

В" = (Аре) (£В).

(179)

При этом В" зависит только от выбора L [В]ж L \Р ] и не' зави­ сит от множественности представления (178).

Л Пусть В~ ^-обратная к В, т. е. удовлетворяет условию

ВВ~В = В или ВАВ'ВА

— ВА. Умножим обе его

части

слева

на произвольную ~"В, а справа — на произвольную

А~г.

Полу­

чим равенство АВ'В =

Е. Из него, как имеющего решение

урав­

нения с неизвестной матрицей В~В, получаем В~В = (Ajf)

Е =

= А~р . Отсюда в свою очередь как из имеющего решение уравне­

ния с неизвестным В", получается (179).

 

 

 

 

Наоборот, всякая

матрица {Ар') (R'B)

 

является

g-обратной

к В = ВА у так как

 

 

 

 

 

 

 

 

В (Ар3) 8В) В = ВА (А?)

($В)

ВА

= ВА = В.

Кроме представления В =

В А,

рассмотрим любое другое пред­

ставление В = В\АХІ

где Вх

=

ВК,

а

Ах =

К~гА.

По (179)

и свойству 3 псевдообратных матриц

 

 

 

 

 

В" = (А-ХР) @ВХ)

= [(К-М)рЧ Ы (ВК)]

=

(А?)

КК-1

(J?B) =

=(Ар')(Ъ'В).

Следовательно,

В~ зависит

только от L [Р] и

L [ДI и не за­

висит от множественности представления (178).

у

 

 

 

 

Рассмотрим задачу косого проектирования на подпростран­

ство L

[23] в

случае, когда

 

33 =

х ,

Ь2 ,

. . ., Ь,.}

может

быть

и линейно

зависимым.

 

Пусть

23' =

{b\,

Ь,-8, . . ., Ь,-,„)

— его

базисные векторы, так что все векторы из 23 линейно

выражаются

через

них:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ь,- = ХсЛ, +

КцЪь

+

. . . +

hj>lm

=

1 , 2 , . . . ,

г).

 

 

Иначе, 23 = 23'А, где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А =

^it 1

 

^І;2

• • МгГ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Яі

-t

 

7\j{

о .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v n 1

 

'лі'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

как уже выяснено на стр. 172, строчно-невырожденная.

 

 

 

Если

теперь подобно

тому,

как это делалось

в

§ 61,

пред­

ставить

произвольный

вектор

х

£ Еп

в

виде

х

= 2 3 с + х "

=

= 23' (Ас) - j - х", то в соответствии с § 61 А с =

(дШ ' ) - 1

(91х) — решение

задачи

косого

проектирования

на L [23] = L [23'] перпендику­

лярно

подпространству

L

[91] с

каркасом 9Ї полного ранга. Так

как А — строчно-невырожденная, то с = (Ар*) (9Ш')_ 1

(9іх), где А~р —

произвольная

псевдообратная

матрица

для

А.

Переходя

к

ко­

ординатному

представлению

в

базисе $

с

метрической

матри­

цей G и матрицами В, В,

R

 

каркасов 23, 23', 9Ї и столбцом х

вектора х, получим, что В =

ВА

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с =

Ар

(R*GB)-!

R*Gx

= (Ар)

(<f&B) x =

Brx.

 

 

 

Каркас

21

подпространства

L

[21],

ортогонально

дополня­

ющего L

[23 Ідо En,

также

может быть линейно зависимым. Пред­

ставим

его

в

виде

21 =

21 'С,

 

где

2Г — базисный

каркас

L

[21 ],

а С — строчно-невырожденная матрица. Поэтому неявное уравне­

ние 2lx" =

w линейного

многообразия можно представить с уче­

том (85) как

(21'С) х "

=

С* (21'х") = w. Е с л и ^ — базисный кар­

кас подпространства

L

l^p],

ортогонально дополняющего до Еп

подпространство L [91], перпендикулярно которому ведется про­

ектирование

на L [23], то х"

6 L [ ф ] , т. е. х " = tyk и потому

С* (21,(^Р) к — w. Отсюда, умножая это равенство слева на любую

матрицу ~=С*, псевдообратную к С*, получим

(21/ с Р) к = ~*С*и>.

Поэтому к (%'ty)-1 (-Е С*) тъх" = °£> (%,cp)~x

("Е С*) w — иско­

мое решение задачи косого проектирования в векторной форме.

Переходя к координатному представлению

в базисе $ с

метриче­

ской матрицей G и матрицами А, А ' и і3 * каркасов

2t, 21'

и Чр

и столбцом'х" векторах х", для уравнения

21х" =

(91 'С)

х"

— w

получим с учетом (85) представление A*Gx" = С* (A' "G) х" = w или после введения обозначений А — A * G и А' = A ' 'G

Лж" = С*А'а;" = ш.

Полученное я<е решение задачи косого проектирования пред­ ставится в координатной форме как

х" = Р* (A'^GP*)'1

(ГС*) w =

P* (А'Р*)-1 (£С*) w =

=

(Af)p4VC*)w

= A-w.

Так ^-обратные матрицы связаны с задачей косого проектиро­ вания векторов на подпространство^ [58], натянутое на произ­ вольный каркас.

§64. ВЫРАЖЕНИЕ РЕШЕНИЙ УРАВНЕНИЙ

СПОМОЩЬЮ g-ОБРАТНЫХ МАТРИЦ

Как уже сказано, для совместной системы уравнений Вх = с всякий столбец В - с является решением. Но для всякого ли реше­ ния xL этого уравнения найдется такая B f , что xL = Втс?

В общем случае ответ на этот вопрос отрицательный. Так, для однородного уравнения Вх = 0 всякая В - приводит лишь к нуле­

вому решению В""0 = 0, тогда как фактически могут

существо­

вать и ненулевые

решения.

 

 

 

Неоднородное

уравнение

 

 

 

 

Вж = с

(сфО)

 

(180)

в соответствии с (178) можно представить в виде ВАх

=

с или,

умножая обе его части слева на произвольную ~*В,

 

 

 

Ax = ~>Bc = d.

 

(181)

При этом d ф

0. Действительно

с = Bd, и при d =

0 было бы

с = 0 t что противоречит условию

(180). Рассмотрим общее

реше­

ние уравнения (180) или (181)

 

 

 

 

х = Се -J- х';

 

(182)

здесь х' — любое фиксированное частное решение, е — произ­ вольный столбец нужных размеров, а С — фундаментальная матрица решений уравнения Ау = 0.

Теорема 5 1 . Если уравнение (180) неоднородно, то для любого значения столбца е в выражении (182) его общего решения най­ дется такая матрица se C, что

е = -$С(-х").

А Пусть в формуле (181) А — m X n-матрица. Тогда С является m X r-матрицей, где г ~ п — пг, и по (182) порядок столбца е равен г. Поэтому для осуществления линейной связи е с (—х') достаточно знать некоторую матрицу D r x n , такую, что

е = D {—х'). Кроме того, потребуем от D, чтобы она была псевдо­ обратной слева к С, т. е. удовлетворяла условию DC = Е. В итоге получаем уравнения

C*D* = E

 

С*

Д* =

^ 1

(183)

(-x')*D*

= e*

Е

 

 

 

с. определяемой матрицей D*. Так как п > г хотя бы на единицу,

а (—х')* — строка,

то

матрица С =

С*

, невертикальна.

 

 

 

 

№)

I.

 

•Строки матрицы С* здесь линейно независимы, поэтому матрица С может быть строчно-вырожденной лишь в том случае, если (—х')* линейно выражается через строки матрицы С*, т. е. если найдется такой столбец Z, что —х' = С1. Подставляя его в (182), получим х = С (е — I). При е = I это приводит к нулевому решению урав­ нения (180), что противоречит предположению о его неоднород­ ности. Следовательно, в условиях данной теоремы матрица урав­ нения (183) строчно-невырожденная, и потому по следствию 1 теоремы Кронекера — Капелли это уравнение совместно, v

Отсюда, как следствие, получаем следующее.

Теорема 52. Для всякого решения х совместной неоднородной системы уравнений Вх = с найдется такая матрица В - , что

х— В~с.

ДВсякое решение х этого уравнения получается из общего решения уравнения х = Се -f- х' при фиксированном е. Но по те­

ореме 51 существует ёе С такая, что е =

gs C (—х'). Поэтому

х

=

=

—С (~iC) х' +

х' =

[Е — С

(s*C) ] дг'или с учетом

(173) и (181)

х

= (Ар*) Ах'

=

(Ajf)

СВВ)

с

= В'с,

так

как

по

(181)

Ах

=

=

~гВс

для

любого решения

х

уравнения

Вх

с,

в том

числе

и для х',

которое получается из (182) при е

=

0.

v

 

 

 

§65. ГЛАВНЫЕ g-ОБРАТНЫЕ МАТРИЦЫ

Для обратных матриц А _ 1 А = А А - 1 = Е. Здесь рассмотрим свойства матриц В - В и В В _ в произвольном случае g-обращения.

Нетрудно проверить, что матрицы В - В и В В - всегда идемпотентны. Действительно

(В-В) (В-В) = В" (ВВ-В) = В-В; (ВВ") (ВВ- ) = (ВВ-В) в - = ВВ".

Рядом особых свойств обладают те В", для которых матрицы В"В и ВВ" являются проекционными, т. е. не только идемпотентными, но и симметричными. Как отмечалось в главе 7, проек­ ционные матрицы представляют собой естественное обобщение понятия единичных матриц на вырожденный случай, и надо ожи­ дать, что такие g-обратные матрицы в каком-то смысле будут более похожими на обычные обратные матрицы. Поэтому инте­ ресно рассмотреть такое понятие.

Всякую матрицу В* назовем главной ^-обратной к В, если она удовлетворяет условиям [41, 42]:

1)ВВ + В = В (является ^-обратной).

2)(ВВ+ )* = В В + (ВВ + — проекционная).

3)+ В)* = В+ В (В+ В — проекционная).

ДПусть В — В — столбцово-невырожденная матрица кар­

каса

23 в

базисе $ с

метрической матрицей

G. Тогда из

(171)

и (171') видно, что из всех матриц В (R1B)

только матрица В

(ввЩ

осуществляет ортогональное проектирование на L [231. А так как

(см.

§ 54)

проекционная матрица — это

матрица ортогональ­

ного

проектирования,

рассматриваемая

в

ортонормированном

базисе, т. е. при G = Е, то В (ЪгВ) — проекционная матрица. Матрица же ~вгВВ — Е — проекционная, так как она единич­ ная. Поэтому согласно определению для В существует и притом

единственная главная g-обратная матрица В+

= ~вВ.

Для слу­

чая, когда В = А — строчно-невырождеиная

матрица,

аналогич­

ные рассуждения, опирающиеся на выражения (172) и (172'), при­

водят к утверждению

существования

и

единственности главной

g-обратной матрицы, которая находится

как А + = А~£.

Главные ^-обратные

матрицы для

столбцово-невырожденных

матриц В и строчно-невырожденных матриц А будем называть

главными

псевдообратными

матрицами

и

обозначать

симво­

лами ~1В

и А-1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если матрица В не является строчноили столбцово-невы-

рожденной, то

по (178)

ее

можно представить в виде В =

В А,

а

по

(179)

имеем:

В~

=

(Ау)

(~£-В).

Поэтому

В~В =

=

(A?)

(SB) ВА = (А?)

А,

а

ВВ~ =

ВА

Рг)

&В) =

В

($В),

и, следовательно, по только что доказанному эти матрицы являются проекционными тогда и только тогда, когда А]/ и ВВВ — главные псевдообратные матрицы. А это означает, что существует

только

единственная главная g-обратная матрица для В, равная

В + =

(A'1) ("IS) . V

Итак, с учетом (165') и (165") имеем следующее.

Теорема 53. Всякая матрица В имеет и притом единственную

главную g-обратную матрицу В+ . При этом если В = А

строчно-

невырожденная, то

 

(184')

В* = А-1

= А*(АА*)-1;

если В = В столбцово-невырожденная, то

 

В+ = -1В

= (В*Ву1В*;

(184")

если же В не является строчноили столбцово-невырожденной,

т. е. когда имеет место представление В = ВА,

то

B + = (4 - i)( - iB) .

(185)

Ряд экстремальных свойств главных g-обратных матриц "сле­ дует из такой теоремы.

12 Заказ 2041

177

Теорема 54. Если L [Р* ] ф L [Л* ] и L [R ] Ф L [В ], то

 

 

 

|| (Л"*) СI ^|| (Л?) С ||;

 

 

 

 

 

 

 

||D(-^)||<||D(i^)||

 

 

 

 

 

при всех С или D подходящих размеров. При этом

среди них

всегда найдутся такие С и D для которых

выполняются

строгие

неравенства.

Если

же

С — строчно-невырожденная

или

D —

столбцово-невырожденная,

то

неравенство

необходимо

строгое.

Л Из (173), в частности, имеем, что Е

= ( Л - 1 ) А + В

( - 1 5 ) ,

где В — фундаментальная

матрица

решений уравнения 'Ау

0.

Умножим это равенство справа на (А~р) Сх,

где х — произвольный

столбец, а С — произвольная матрица. Получим

 

 

 

 

 

[А?)

Сх = (А-1)

Сх і

 

В (-Щ (Aps)

Сх.

 

 

(186)

Очевидно,

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Л;1 ) Сх = А*

(А А*)'1

Сх = A*z

Є L

[А*],

 

 

 

где z — ( Л Л * ) - 1 Сх, а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В{-Щ

 

(Ар)

Cx =

Bu£L[B],

 

 

 

 

где введено

обозначение

и

=

(~ЛВ)

 

(Ар*) Сх. Так как АВ

=

0, то

L [А*] _1_ L

J, если определить

скалярное произведение

столб-,

цов z и w правилом (z, w) = z*w. Поэтому левая часть (186) пред­

ставляет собой гипотенузу, а правая

— сумму двух катетов прямо­

угольного треугольника. По теореме Пифагора

 

|(Л>Е )Сх|2

= |(Л-1 )СхГ- + |В(-1 Р)(Ля')Сх|2 .

(187)

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

 

1 (Лр£ ) С*|

|(Л - *)С»|

 

 

 

 

1*1

"

1*1

 

 

Если х 0 — максимальный вектор матрицы ( Л - 1 ) С, то по

(153)

^ - ^ ' - . « ( Л - Ч С І ,

а

| яе01

Щ1р1^(А-ЛС1

 

0\

«^

' - «'

-

 

 

Поэтому, рассматривая все эти неравенства и равенства вместе,

получаем

 

 

 

 

 

 

II

) c i > i ^ f l ^ i ^ 1

( ^ о 1 Н 1 (л-1 ) с л

 

или Ц(Л-і) С

||^ || (А~ре) С ||.

 

 

 

 

Предположим теперь, что в правой части (187)

 

 

 

В(-1В)(А?)Ся

= 0

 

(188)

при всех С подходящих размеров. Так как здесь и х — произволь­ ный столбец, то у = Сх произвольно и по теореме 1 необходимо,

сучетом (184") и (165'), чтобы

В{-Щ (Л?) = В (В*В)'1 В*Р* {АР*)'1 = 0.

 

Умножением этого условия слева наВ ( _ £ В ) и справа на

АР*

 

приходим

к

условию

В*Р*

 

= 0.

Если

же

С. = С

строчно-

 

невырожденная матрица и требование (188) выполняется при про­

 

извольном

х,

то В

(В*В)~УВ*Р*

(АР*)'1

С =

0.

Умножая

это

 

условие слева яаВ^В

( _ Е В) и справа на С~г (АР*),

также

придем

 

к условию В *Р*

=

0,

которое в сравнении с условием В *А*

=

0

 

означает, что L [А*] = L [Р*].

Поэтому

при

L [А*]ф

 

L

[Р*]

 

найдется

такое

С,

что второе

слагаемое

в (187)

положительно

 

и

поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I A-iCx\

 

 

| Ар'Сх

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1*1

 

^

1*1

'

 

 

 

 

 

 

 

 

в частности, это неравенство выполняется, если С —

произвольная

 

строчно-невырожденная матрица. Отсюда

|| А~гС

|| <

|| AjfG \\.

 

Второе неравенство теоремы доказывается аналогично,

v

 

 

 

 

Рассмотрим ряд следствий из теоремы 54.

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие

1. || В+ В .|| =

 

||ВВ+

Ц = 1. Для всех остальных

В"

верны неравенства

||В~В

|| >

1 и

||ВВ~ | | > 1 .

 

 

 

 

 

 

 

Л

По

(178)

В

=

ВА,

а по

(179)

В"

=

(Аї?)

( # В ) .

Поэтому

 

ВВ~

— В

(в В),

а В - В

=

(Ар)

А.

В

§

61 показано, что

собствен­

 

ными числами таких матриц служат единицы и нули. По тео­

 

реме

40 норма

симметричных

матриц

В В +

и В + В

равна

макси­

 

мальному

собственному

числу,

т.

 

е.

Ц В В +

|| = || В+ В

|| =

1.

Остальные матрицы ВВ" и В - В несимметричны и для них тео­

 

рема 40 неверна. По теореме же 54 при С =

А и

D =2?

получаем,

 

что при L

\РТф

L

[А}

и L

[R] ф L [В J ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

І В+В || =

|| (А-1)

А |!<|| (A?)

A J = || В-В К;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

||ВВ-|| = ||В(-іБ)||<||Б(5^)|| = ||ВВ-||,

 

 

 

 

 

отсюда с

учетом

равенств

]] В 4

В

|| =

|| В В +

|) =

1 получим,

что

|| В - В

|| > 1

и

|| ВВ"

|| > 1 .

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие

2.

Если уравнение

В Х

=

К

совместно, то решение

 

X

=

В +

К

обладает наименьшей

нормой

среди

всех

решений

 

X

=

В - К , т. е.

||В+ К

||*== ЦВ-К ||. В частности, если К

=

к —

 

столбец, то |В+

к\ ^

_А| (здесь длина любого вектора-столбца Ъ

 

определяется

как | Ъ | =

] / Ъ*Ь).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л

Пусть

в

соответствии

с

(178)

В

— ВА.

Тогда

уравнение

 

В Х = К примет

вид В АХ

=

К или, если ввести обозначение

 

АХ — Y, J3Y =

К. Так

как

столбцы

вертикальной матрицы В

 

линейно независимые, то по теореме 15 это уравнение имеет един­

 

ственное

решение У,

которое

можно

получить, умноживБУ

=

 

=

К

слева на любую R*B

и,

в частности, на _ 1

5 . Отсюда Y =

 

=

д\5К =

_ 1

Б К

при любом

L [В],

и,

значит,

всякое

решение

 

уравнения ВХ

=

К можно записать в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

= В _ К = (A?)

G?J3) К =

(Ар1)

СЩ

К.-

 

 

 

 

 

12*

179

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ