книги из ГПНТБ / Дроздов Н.Д. Линейная алгебра в теории уравнивания измерений
.pdfматрица 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 |
?В = 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 |
-і |
|
— 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 (АРВ) |
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 [Е |
— (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 (д 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 |
(А2)~г |
= |
В2, |
где (А2)~е |
— произвольная псевдообратная |
|||||
матрица |
такая, что |
квадратная |
матрица Ах |
(А2)~* |
= |
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 |
[В2] |
= |
L |
[ВХК]. |
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) (н8В) 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 = |
{Ьх , |
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 |
(І = |
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+ 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 |
(АРг) |
&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 |
\В 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 |
|
||
\х0\ |
«^ |
' - «' |
- |
|
|
|
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 ( _ £ 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\ ^ |
|В_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 |