Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Rzavinskay.pdf
Скачиваний:
662
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Лекция 2. Обратная матрица. Ранг матрицы

Построение обратной матрицы методом

присоединенной. Ранг матрицы. Нахождение ранга матрицы методами окаймляющих миноров

и элементарных преобразований

2.1. Обратная матрица

Далее будут рассматриваться квадратные матрицы. Единичная матрица

1

0

...

0

 

 

0

1

...

0

 

E =

 

 

... ...

 

n строк

...

...

 

0

0

...

1

 

 

 

14424443

nстолбцов

вумножении квадратных матриц порядка n играет роль, аналогичную роли числа единица в умножении чисел:

 

A AE = EA = A .

 

(2.1)

Действительно, пусть

a11

a12

...

a1n

 

 

 

 

a

a

22

...

a

 

 

A =

21

 

 

2n

.

... ...

... ...

 

 

 

 

a

a

 

...

a

 

 

 

n1

n2

 

nn

 

Непосредственная проверка дает:

AE = A . Аналогично EA = A , и

равенство (2.1) справедливо.

 

 

 

 

 

 

Утверждение 1 . Матрица E - единственная матрица,

обладающая свойством (2.1).

 

 

 

 

 

 

Доказательство. Пусть E′ такая, что

 

 

A AE

′

 

′

 

 

(2.2)

 

= E A = A .

 

Рассмотрим произведение EE′.

 

 

 

 

 

EE′

=

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EE′

=

 

E = E′.

 

 

 

 

 

 

 

 

E′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 1. Пусть

A

- произвольная квадратная матрица.

Матрица B

называется

правой

обратной

для

A ,

если AB = E .

Матрица C называется левой обратной для A , если CA = E .

Определение

2.

Квадратная

 

матрица

A

называется

вырожденной

(особенной),

если

 

A

 

= 0 ,

и

невырожденной

 

 

(неособенной), если

 

A

 

≠ 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Утверждение 2 . Вырожденная матрица не имеет ни правой, ни левой обратной.

Доказательство. Пусть A - вырожденная. Допустим, B - правая

обратная для A , т.е.

AB = E .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

AB

 

=

 

 

A

 

 

 

B

 

= 0 , но

 

AB

 

=

 

E

 

=1 , - что является

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теорема 2

 

 

 

 

 

 

 

A

 

=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

из лекции 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

противоречием, следовательно,

 

A не имеет правой обратной.

Аналогично доказывается, что A не имеет и левой обратной.

Утверждение 3 . Пусть ∆ - произвольный определитель порядка n . Сумма произведений всех элементов любого столбца (строки) на алгебраические дополнения соответствующих элементов другого столбца (строки) равна нулю.

Доказательство. Пусть

 

a11

...

a1 j

...

a1n

 

∆ =

a21

...

a2 j

...

a2n

.

 

... ... ... ... ...

 

 

an1

...

anj

...

ann

 

В силу теоремы о разложении по строке (лекция 1, теорема 1) имеем

∆ = a1 j A1 j + a2 j A2 j +... + anj Anj ,

где Akj - алгебраическое дополнение к элементу akj .

Пусть b1,b2 ,...,bn - произвольные вещественные числа. Рассмотрим сумму S = b1A1 j +b2 A2 j +... +bn Anj .

Привлекая ту же теорему о разложении по строке, можем записать

 

 

 

 

a11

 

...

b1

 

...

a1n

 

 

 

 

 

 

 

S =

a21

 

...

b2

 

...

a2n

 

 

 

 

 

 

 

 

... ... ... ... ...

.

 

 

 

 

 

an1

 

...

bn

 

...

ann

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j-й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

столбец

 

 

 

 

 

 

 

Возьмем в качестве чисел

bk ,

k =1,..., n ,

элементы i-го столбца

определителя ∆ , i ≠ j , тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S = a

A

+ a

A

 

+... + a

A

=

 

 

 

 

1i

1 j

 

2i

2 j

 

 

 

ni

 

nj

 

 

a11

...

a1i ...

a1i ...

a1n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

a21

...

a2i ...

a2i ...

a2n

 

 

 

 

=

0.

 

... ... ... ...

... ...

...

 

 

 

свойство

 

 

a

...

a

...

a

 

...

a

nn

 

определителя

 

 

n1

 

ni

 

 

ni

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i-й

 

 

 

j-й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

столбец

 

столбец

 

 

 

 

 

 

 

 

Утверждение 3 доказано.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Переходим к построению обратной матрицы методом присоединенной. Пусть A - невырожденная матрица порядка n :

 

 

a11

a12

...

a1n

 

 

 

 

a

a

...

a

 

 

A

=

 

21

22

 

2n

 

.

... ...

... ...

 

 

 

 

 

 

a

a

...

a

 

 

Матрица

 

 

n1

n2

 

nn

 

 

 

A11

A21

...

An1

 

 

 

 

 

 

 

A

A

...

A

 

 

=

 

12

22

 

n2

A

...

...

... ...

 

 

 

 

 

 

 

 

A

A

...

A

 

 

 

 

 

1n

2n

 

nn

называется присоединенной для A . Элементами матрицы A являются алгебраические дополнения к элементам матрицы A , причем

алгебраические дополнения к элементам i-й строки матрицы помещены в i-й столбец A .

Обозначим A = ∆ .

Матрица B = ∆1 A является правой и левой обратной для A .

Действительно,

 

 

 

 

 

 

∆

0 ...

0

1

0

...

0

 

 

1

 

 

1

 

0

∆ ...

0

 

0

1

...

0

 

 

AB = A

 

A

 

=

 

 

 

... ...

 

=

 

...

...

 

 

=

∆

 

 

 

 

 

 

 

теорема о

∆ ...

...

...

...

 

 

 

 

 

разложении по строке

 

 

0

0 ...

 

 

0

0

...

1

 

 

 

 

 

 

и утверждение 3

 

 

∆

 

 

 

A

E.

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, матрица

B =

 

 

A

-

правая обратная для A .

∆

Аналогично

1

A A = E , и матрица B =

1

A

является и левой обратной

∆

∆

для A . Она называется обратной для A и обозначается A−1 .

Итак,

 

 

 

 

A

A ...

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

21

 

 

 

 

n1

 

 

 

 

A

−1

=

1

A12

A22 ...

 

An2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆ ... ... ...

 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

A

...

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1n

 

2n

 

 

 

 

nn

 

 

Утверждение 4 . Матрица

A−1 - единственная

обратная

для A .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Действительно, допустим, C такая, что CA = AC = E .

 

Рассмотрим CAA−1 = C (AA−1 )

= CE = C .

С

 

другой

стороны,

CAA−1 = (CA)A−1 = EA−1 = A−1 , следовательно C = A−1 .

 

Пример 1. Найти

 

 

 

 

 

2

8

 

 

A−1 для матрицы A =

3

7

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Имеем

∆ =

 

A

 

=14 −24 = −10 ≠ 0 ,

следовательно, A−1

 

 

существует.

Находим алгебраические дополнения к элементам матрицы A и составляем присоединенную матрицу:

 

 

7

−8

 

A11 = 7, A12 = −3, A21 = −8, A22 = 2, A

=

−3

2

.

 

 

 

Откуда A−1 = −

1

 

7

 

 

−8

 

−0,7

0,8

 

 

 

 

 

 

 

−3

 

 

 

=

0,3

−0, 2

.

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Пример 2. Решить матричное уравнение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

4

 

 

8

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

X =

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

2

3

 

 

 

Решение. Обозначим

 

 

A =

 

2

4

8

1

. Тогда исходное

 

 

 

3

,

B =

2

 

уравнение принимает вид

 

 

 

 

7

 

3

 

 

 

AX = B .

 

 

 

(2.3)

Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

=

 

 

2 4

 

=14 −12 = 2

≠ 0 A−1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Домножим обе части уравнения (2.3) слева на матрицу A−1 и получим

X = A−1B .

Итак,

A−1

=

1

 

7

−4

 

,

 

 

−3

2

 

2

 

 

 

 

 

X =

1

7

−4 8

1

 

1

56 −8

7 −12

24

−5 / 2

 

 

−3

2

 

2

3

 

=

 

 

−24

+ 4

−3 +6

 

=

−10

3/ 2

.

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Упражнения.

 

Докажите следующие свойства обратной

матрицы.

 

 

 

 

1

 

1. Если ∆ =

 

A

 

, то

 

A−1

 

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.(AB)−1 = B−1 A−1 .

3.(AT )−1 = (A−1 )T .

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]