Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Широко используется во многих разделах теоретической и прикладной математики

Главная > Документ

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

3. ОПРЕДЕЛИТЕЛИ МАТРИЦ И ИХ СВОЙСТВА

Определители вводятся только для квадратных матриц как некоторое правило, формирующее значение определителя по элементам матрицы. Если элементы матрицы числа, то определитель будет числом; если элементы матрицы функции, то и определитель будет функцией и так далее. Обозначается определитель любой квадратной матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийодним из следующих символов Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийНеособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Определяющее правило составления определителя введем индуктивно, то есть будем выражать значение определителя матрицы размера Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений(определитель порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений) через определители меньших порядков.

Определитель Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийматрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийположим равным элементу Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Так, например, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Определителем порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийназовем число, которое будем находить по правилу разложения по первой строке матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийразмера Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

В этой и во всех последующих формулах минором Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийэлемента Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийназывается определитель порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, полученный вычеркиванием из исходной матрицы строки с номером Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийи столбца с номером Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Отсюда определитель второго порядка находится по правилу

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

т. е. составляется разность произведений элементов, стоящих на главной диагонали, и элементов, стоящих на побочной диагонали.

Так Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Определитель третьего порядка по общей формуле сначала выражается через определители второго порядка и далее определители первого порядка:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений=

= Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений=

= Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Если в последнем выражении определителя третьего порядка в одну группу собрать произведения со знаком плюс, а во вторую – произведения со знаком минус, то мы получим формулу раскрытия определителя по правилу Саррюса:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений=Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

(определитель третьего порядка равен сумме произведений его элементов, находящихся на главной диагонали и в вершинах равнобедренных треугольников, основания которых параллельны главной диагонали, минус сумму произведений элементов, находящихся на побочной диагонали и в вершинах равнобедренных треугольников, основания которых параллельны побочной диагонали).

Вычислим по правилу Саррюса следующий определитель третьего порядка

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений=

=Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

В теории определителей важную роль играет следующая основная теорема , которую мы приводим без доказательства. Определим, предварительно, алгебраическое дополнение Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийлюбого элемента Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийпо формуле

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Как следует из определяющей формулы, алгебраическое дополнение может отличаться от минора только знаком.

Теорема (о разложении определителя по любой строке или столбцу).

Определитель порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийравен сумме произведений элементов любой его строки или столбца на соответствующие алгебраические дополнения.

Например, формула разложения определителя по Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийтой строке в соответствии с основной теоремой имеет вид:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Этой теоремой широко пользуются при вычислении определителей, стараясь выбирать те строки или столбцы, которые содержат больше нулей.

Перечислим основные свойства определителей.

Свойство 1. Определитель транспонированной матрицы равен определителю исходной матрицы, то есть Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Это свойство непосредственно следует из основной теоремы о разложении определителя по любой строке или столбцу.

Свойство 2. Знак определителя изменяется на противоположный при перестановке двух произвольных строк (столбцов) местами.

Свойство 3. Если каждый элемент некоторой строки (столбца) определителя представлен в виде суммы двух слагаемых, то исходный определитель равен сумме двух определителей, у которых все строки (столбцы), кроме данной, прежние, а в данной строке (столбце) в первом определителе стоят первые слагаемые, а во втором – вторые слагаемые:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Это свойство следует из основной теоремы о разложении определителя по любой строке или столбцу, если разложить определитель по строке (столбцу), который содержит суммы элементов.

Свойство 4. Если каждый элемент некоторой строки (столбца) определителя умножить на постоянный множитель, то исходный определитель умножится на этот множитель. Это свойство следует из основной теоремы о разложении определителя по любой строке или столбцу, если разложить определитель по строке (столбцу), который содержит постоянный множитель.

Свойства 3 и 4 могут применяться многократно и составляют, так называемые, линейные свойства определителей.

Свойство 5. Если определитель содержит хотя бы одну строку (столбец), состоящий из нулевых элементов, то он равен нулю.

Это свойство следует из основной теоремы о разложении определителя по любой строке или столбцу, если разложить определитель по строке (столбцу), который содержит только нулевые элементы.

Свойство 6. Если определитель содержит две одинаковые строки (столбца), то он равен нулю.

Действительно, если переставить в матрице с определителем Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийдве равные строки, то эта матрица не изменится и будет иметь тот же определитель Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. С другой стороны, по свойству 2, знак определителя изменяется на противоположный при перестановке любых двух строк матрицы. Отсюда значение определителя равно Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Таким образом получается, что Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, что и требовалось доказать.

Свойство 7. Если к некоторой строке (столбцу) определителя прибавить линейную комбинацию некоторых других строк (столбцов), то величина определителя не изменится.

Это свойство следует из линейных свойств определителя и свойства 6.

Теорема (теорема аннулирования).

Сумма произведений элементов строки (столбца) определителя на алгебраические дополнения к элементам любой другой строки (столбца) равна нулю.

Напишем формулу разложения определителя по первой строке

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Вид этой формулы не зависит от того, какие конкретно значения имеют элементы первой строки. Поместим в первую строку элементы любой другой строки. Тогда мы получим определитель с двумя одинаковыми строками, который по свойству 6 равен нулю. Кроме того, в этом случае алгебраические дополнения, которые остались в формуле разложения соответствующими первой строке, не будут соответствовать той строке, которую мы поместили на место первой строки. Таким образом, мы получили, что сумма произведений элементов любых строк, кроме первой, на алгебраические дополнения элементов первой строки, равно нулю. Аналогично, используя теорему о разложении определителя по любой строке (столбцу), доказывается теорема для остальных строк и столбцов.

Теорема (об определителе произведения двух матриц).

Определитель произведения двух матриц равен произведению определителей матриц сомножителей Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Теорема приводится без доказательства. Следующий пример

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

иллюстрирует сформулированную теорему.

4. СИСТЕМЫ ЛИНЕЙНЫХ УРАВНЕНИЙ

Общая система из Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийлинейных алгебраических уравнений с Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийнеизвестными Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийимеет вид

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Коэффициенты при неизвестных Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийобъединяют в так называемую матрицу системы Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, неизвестные Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений– в матрицу – столбец неизвестных Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, а правые части уравнений объединяют в матрицу – столбец Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Учитывая введенные обозначения и определения умножения и равенства матриц, исходную систему уравнений записывают в виде Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Обычно, для более краткой записи нижние индексы матриц опускают и систему уравнений в матричной форме представляют в виде Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Если все правые части уравнений равны нулю, то систему называют однородной , если же хотя бы одна из правых частей системы отлична от нуля, то систему называют неоднородной . Если число уравнений равно числу неизвестных, то матрица ее коэффициентов квадратная, а саму систему называют квадратной .

Конечная последовательность чисел Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийназывается решением системы уравнений, если при подстановке этих чисел вместо неизвестных Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийвсе уравнения системы обращаются в верные равенства. Множество всех решений системы называют общим решением системы.

Система уравнений называется совместной , если она имеет хотя бы одно решение. В обратном случае систему называют несовместной, а ее множество решений является пустым множеством. Если решение системы единственное, то такую систему называют определенной , если же система имеет более чем одно решение, то – неопределенной . Далее будет доказано, что неопределенные системы могут иметь только бесконечно много решений. Таким образом, любая система может иметь одно решение, бесконечно много решений или не иметь вообще ни одного решения.

Рассмотрим несколько характерных примеров.

Система уравнений Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений— квадратная, неоднородная, имеет единственное решение Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, так что является определенной. Система Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийимеет более одного решения. Например, ее решениями являются значения: Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений; Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений; Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Такая система называется неопределенной. Система Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийне имеет ни одного решения. Такая система называется несовместной.

Исследование линейных систем начнем с решения квадратных систем. Введем предварительно необходимые определения. Если определитель матрицы не равен нулю, то такие матрицы будем именовать неособенными или невырожденными . Если же определитель матрицы равен нулю, то такую матрицу будем называть особенной или вырожденной .

Матрицу Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийназывают обратной к Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, если Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийудовлетворяет условиям

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Справедлива следующая теорема.

Теорема (о существовании и единственности обратной матрицы).

Любая квадратная матрица имеет единственную обратную матрицу, вычисляемую по формуле Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, тогда и только тогда, когда исходная матрица невырожденная.

МатрицаНеособенная матрица коэффициентов системы уравненийназывается присоединенной по отношению к матрице Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, и ее столбцы состоят из алгебраических дополнений к элементам, расположенным в соответствующих строках исходной матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Докажем, что условие Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, является достаточным условием для существования обратной матрицы. На главной диагонали произведения матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийна обратную матрицу Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийстоят суммы произведений элементов строк матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийна соответствующие этим элементам строк алгебраические дополнения. Эти суммы дают значения определителя, который по условию теоремы не равен нулю. Любые элементы произведения матриц Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, не лежащие на главной диагонали, равны нулю, так как там стоят суммы произведений элементов строк матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийна алгебраические дополнения к элементам других строк.

Таким образом: Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Аналогично доказывается, что произведение Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, что означает существование обратной матрицы в виде, указанном в формулировке теоремы.

Покажем, что эта матрица единственная. Предположим, что имеется хотя бы одна матрица Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, также удовлетворяющая условиям Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Умножая равенство Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийслева на матрицу Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, получим цепочку следований:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

что доказывает единственность обратной матрицы.

Докажем, что условие Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийявляется необходимым , то есть из существования обратной матрицы должна следовать не особенность исходной матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Действительно, из теоремы об определителе произведения матриц и определения обратной матрицы следует, что Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Отсюда можно сделать вывод, что Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийиНеособенная матрица коэффициентов системы уравнений, так как иначе их произведение не могло бы равняться отличному от нуля числу 1. Теорема полностью доказана.

Отметим, что в процессе доказательства теоремы было показано, что определитель обратной матрицы равен обратной величине определителя исходной матрицы, то есть вычисляется по формуле Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Квадратная матрица Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, обладающая свойством Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, называется ортогональной . Следующие основные свойства обратных матриц:

1) Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, 2) Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, 3) Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

доказываются обычно по методу представления в общем виде элементов матриц, стоящих слева и справа от знаков равенств.

Рассмотрим пример вычисления обратной матрицы методом присоединенной матрицы, то есть путем составления алгебраических дополнений, для следующей матрицы третьего порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Ее определитель вычислим методом разложения по первой строке Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Так как определитель матрицы не равен нулю, то матрица неособенная, и поэтому можно составлять обратную матрицу Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Вычислим алгебраические дополнения элементов матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Обратной матрицей для матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийявляется следующая матрица:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Для того чтобы проверить правильность составления обратной матрицы, следует исходную матрицу умножить на обратную ей матрицу. В результате должна получиться единичная матрица соответствующего размера.

С помощью обратной матрицы, найденной вышеуказанным способом, удобно решать невырожденные квадратные системы с небольшим числом неизвестных. При этом решение системы находится за конечное число шагов и явно выражается через коэффициенты системы и свободные члены. Правило решения такой системы формулируется в следующей теореме.

Если в квадратной системе уравнений определитель матрицы коэффициентов не равен нулю, то система имеет единственное решение, которое находится либо матричным способом по формуле Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, либо по формулам Крамера Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

где матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийполучены из матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийзаменой Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений-тых столбцов на столбец правых частей системы.

В соответствии с теоремой о существовании и единственности обратной матрицы, для невырожденной матрицы коэффициентов нашей системы существует единственная обратная матрица Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Умножая нашу систему, имеющую в матричной форме вид Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, слева на обратную матрицу Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, получим: Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Таким образом, доказано, что матричным способом вектор – столбец решений Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийнаходится в единственном виде по формуле Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Если далее формулу Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийпредставить в покомпонентной записи, то для компонент Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийвектора неизвестных Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийбудем иметь формулы

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

так как суммы в круглых скобках представляют собой разложения определителей Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийпо Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений-тым столбцам матриц Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Таким образом, теорема Крамера полностью доказана.

Решим для примера следующую систему уравнений: Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Матрица коэффициентов этой системы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийнеособенная, так как Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Присоединенная матрица Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийимеет вид Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Отсюда Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

т. е. Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Если ту же систему уравнений решать с помощью формул Крамера, то:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Отметим, что в нашем примере мы находили определители в числителях формул Крамера, используя разложения по столбцам свободных членов. Однако, как следует из теоремы о разложении определителя по любым строкам или столбцам, можно было выбрать любые удобные строки или столбцы.

Для исследования и решения систем линейных уравнений в общем виде введем предварительно понятие о ранге матрицы.

Пусть в матрице Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийразмера Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийпроизвольно выбраны Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийстрок и Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийстолбцов. Элементы, стоящие на пересечении выбранных строк и столбцов, образуют квадратную матрицу Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийпорядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, определитель которой Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийназывается минором порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийматрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Базисным минором произвольной матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийразмера Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийназывают любой ее минор порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, если он отличен от нуля, а все миноры порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийлибо равны нулю, либо не существуют (выходят за размеры исходной матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений). Порядок базисного минора называется рангом матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийи обозначается Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Строки и столбцы, на пересечении которых находится базисный минор, называются базисными строками и базисными столбцами .

Отметим, что у матрицы может быть несколько базисных миноров, причем каждому из них соответствуют свои базисные строки и столбцы. Если матрица Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийявляется квадратной порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийи невырожденной, то по определению ее ранг равен числу Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, то есть Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, так как определитель порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийотличен от нуля, а других определителей более высокого порядка не существует. Все строки и все столбцы такой матрицы являются базисными.

Если размеры Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийматрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийне очень большие, то ранг матрицы вычисляют, пользуясь методом окаймляющих миноров .

Пусть в матрице найден некоторый минор порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, отличный от нуля. Рассмотрим лишь те миноры порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, которые содержат в себе (окаймляют) выделенный минор. Если все окаймляющие миноры равны нулю, то ранг матрицы равен Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Если же среди окаймляющих миноров найдется ненулевой минор порядка Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, то процедура повторяется, пока ранг не будет найден.

Пример. Найдем методом окаймляющих миноров ранг следующей матрицы

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Фиксируем минор порядка два, отличный от нуля, Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, стоящий в первых двух строках, и в третьем и четвертом столбцах матрицы.

Минор порядка три, стоящий в левом верхнем углу, Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийокаймляет предшествующий минор и также отличен от нуля. Однако, оба возможных окаймляющих минора порядка четыре равны нулю:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Таким образом, ранг матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийнайден по методу окаймляющих миноров и равен трем.

Видео:Решение системы уравнений методом Крамера.Скачать

Решение системы уравнений методом Крамера.

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

webkonspect.com — сайт, с элементами социальной сети, создан в помощь студентам в их непростой учебной жизни.

Здесь вы сможете создать свой конспект который поможет вам в учёбе.

Чем может быть полезен webkonspect.com:

  • простота создания и редактирования конспекта (200 вопросов в 3 клика).
  • просмотр конспекта без выхода в интернет.
  • удобный текстовый редактор позволит Вам форматировать текст, рисовать таблицы, вставлять математические формулы и фотографии.
  • конструирование одного конспекта совместно с другом, одногрупником.
  • webkonspect.com — надёжное место для хранения небольших файлов.

Видео:Матричный метод решения систем уравненийСкачать

Матричный метод решения систем уравнений

Нахождение обратной матрицы: три алгоритма и примеры

Видео:Математика без Ху!ни. Метод Гаусса. Совместность системы. Ранг матрицы.Скачать

Математика без Ху!ни. Метод Гаусса. Совместность системы. Ранг матрицы.

Что значит найти обратную матрицу?

Нахождение обратной матрицы — процесс, который состоит из достаточно простых действий. Но эти действия повторяются так часто, что процесс получается довольно продолжительным. Главное — не потерять внимание при решении.

При решении наиболее распространённым методом — алгебраических дополнений — потребуется:

  • вычислять определители, поэтому нелишне открыть в новом окне материал по вычислению определитедей;
  • находить миноры и алгебраические дополнения — подробно об этом также в соответствующем материале;
  • транспонировать матрицы.

При решении примеров мы разберём эти действия подробнее. А пока узнаем, что гласит теория об обратной матрице.

Для обратной матрицы существует уместная аналогия с обратным числом. Для каждого числа a, не равного нулю, существует такое число b, что произведение a и b равно единице: ab = 1 . Число b называется обратным для числа b. Например, для числа 7 обратным является число 1/7, так как 7*1/7=1.

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Обратной матрицей, которую требуется отыскать для данной квадратной матрицы А, называется такая матрица

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

произведение на которую матрицы А справа является единичной матрицей, т.е,
Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. (1)

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Единичной матрицей называется диагональная матрица, у которой все диагональные элементы равны единице.

Нахождение обратной матрицы — задача, которая чаще решается двумя методами:

  • методом алгебраических дополнений, при котором, как было замечено в начале урока, требуется находить определители, миноры и алгебраические дополнения и транспонировать матрицы;
  • методом исключения неизвестных Гаусса, при котором требуется производить элементарные преобразования матриц (складывать строки, умножать строки на одно и то же число и т. д.).

Для особо любознательных существуют и другие методы, например, метод линейных преобразований. На этом уроке разберём три упомянутых метода и алгоритмы нахождения обратной матрицы этими методами.

Теорема. Для каждой неособенной (невырожденной, несингулярной) квадратной матрицы можно найти обратную матрицу, и притом только одну. Для особенной (вырожденной, сингулярной) квадратной матрицы обратная матрица не существует.

Квадратная матрица называется неособенной (или невырожденной, несингулярной), если её определитель не равен нулю, и особенной (или вырожденной, сингулярной), если её определитель равен нулю.

Обратная матрица может быть найдена только для квадратной матрицы. Естественно, обратная матрица также будет квадратной и того же порядка, что и данная матрица. Матрица, для которой может быть найдена обратная матрица, называется обратимой матрицей.

На сайте есть онлайн калькулятор для нахождения обратной матрицы. Вы можете открыть его в новом окне уже сейчас, если держите перед собой ваши собственные задания. А мы разберём несколько разминочных.

Видео:Решение системы уравнений методом обратной матрицы.Скачать

Решение системы уравнений методом обратной матрицы.

Нахождение обратной матрицы методом алгебраических дополнений (союзной матрицы)

Для неособенной квадратной матрицы А обратной является матрица

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, (2)

где Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений— определитель матрицы А, а Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений— матрица, союзная с матрицей А.

Разберём ключевые понятия, которые потребуются для решения задач — союзная матрица, алгебраические дополнения и транспонированная матрица.

Пусть существует квадратная матрица A:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Транспонированная относительно матрицы A матрица A’ получается, если из строк матрицы A сделать столбцы, а из её столбцов — наоборот, строки, то есть заменить строки столбцами:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Остановимся на минорах и алгебраических дополнениях.

Пусть есть квадратная матрица третьего порядка:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Вычислим алгебраическое дополнение элемента Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, то есть элемента 2, стоящего на пересечении первой строки и второго столбца.

Для этого нужно сначала найти минор этого элемента. Он получается вычёркиванием из определителя строки и столбца, на пересечении которых стоит указанный элемент. В результате останется следующий определитель, который и является минором элемента Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Алгебраическое дополнение элемента Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийполучим, если умножим Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, где i — номер строки исходного элемента, а k — номер столбца исходного элемента, на полученный в предыдущем действии минор этого исходного элемента. Получаем алгебраическое дополнение элемента Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

По этой инструкции нужно вычислить алгебраические дополнения всех элементов матрицы A’, транспонированной относительно матрицы матрица A.

И последнее из значимых для нахождение обратной матрицы понятий. Союзной с квадратной матрицей A называется матрица Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийтого же порядка, элементами которой являются алгебраические дополнения соответствующих элементов определителя матрицы Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, транспонированной относительно матрицы A. Таким образом, союзная матрица состоит из следующих элементов:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Алгоритм нахождения обратной матрицы методом алгебраических дополнений

1. Найти определитель данной матрицы A. Если определитель равен нулю, нахождение обратной матрицы прекращается, так как матрица вырожденная и обратная для неё не существует.

2. Найти матрицу, транспонированную относительно A.

3. Вычислить элементы союзной матрицы как алгебраические дополнения марицы, найденной на шаге 2.

4. Применить формулу (2): умножить число, обратное определителю матрицы A, на союзную матрицу, найденную на шаге 4.

5. Проверить полученный на шаге 4 результат, умножив данную матрицу A на обратную матрицу. Если произведение этих матриц равно единичной матрицы, значит обратная матрица была найдена верно. В противном случае начать процесс решения снова.

Пример 1. Для матрицы

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

найти обратную матрицу.

Решение. Для нахождения обратной матрицы необходимо найти определитель матрицы А . Находим по правилу треугольников:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Следовательно, матрица А – неособенная (невырожденная, несингулярная) и для неё существует обратная.

Найдём матрицу, союзную с данной матрицей А.

Найдём матрицу Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, транспонированную относительно матрицы A:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Вычисляем элементы союзной матрицы как алгебраические дополнения матрицы, транспонированной относительно матрицы A:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Следовательно, матрица Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, союзная с матрицей A, имеет вид

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Замечание. Порядок вычисления элементов и транспонирования матрицы может быть иным. Можно сначала вычислить алгебраические дополнения матрицы A, а затем транспонировать матрицу алгебраических дополнений. В результате должны получиться те же элементы союзной матрицы.

Применяя формулу (2), находим матрицу, обратную матрице А:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Видео:Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvyСкачать

Решение системы уравнений методом обратной матрицы - bezbotvy

Нахождение обратной матрицы методом исключения неизвестных Гаусса

Первый шаг для нахождения обратной матрицы методом исключения неизвестных Гаусса — приписать к матрице A единичную матрицу того же порядка, отделив их вертикальной чертой. Мы получим сдвоенную матрицу Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Умножим обе части этой матрицы на Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, тогда получим

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

Неособенная матрица коэффициентов системы уравненийи Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Алгоритм нахождения обратной матрицы методом исключения неизвестных Гаусса

1. К матрице A приписать единичную матрицу того же порядка.

2. Полученную сдвоенную матрицу преобразовать так, чтобы в левой её части получилась единичная матрица, тогда в правой части на месте единичной матрицы автоматически получится обратная матрица. Матрица A в левой части преобразуется в единичную матрицу путём элементарных преобразований матрицы.

2. Если в процессе преобразования матрицы A в единичную матрицу в какой-либо строке или в каком-либо столбце окажутся только нули, то определитель матрицы равен нулю, и, следовательно, матрица A будет вырожденной, и она не имеет обратной матрицы. В этом случае дальнейшее нахождение обратной матрицы прекращается.

Пример 2. Для матрицы

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

найти обратную матрицу.

Решение. Составляем сдвоенную матрицу

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

и будем её преобразовывать, так чтобы в левой части получилась единичная матрица. Начинаем преобразования.

Умножим первую строку левой и правой матрицы на (-3) и сложим её со второй строкой, а затем умножим первую строку на (-4) и сложим её с третьей строкой, тогда получим

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Чтобы по возможности не было дробных чисел при последующих преобразованиях, создадим предварительно единицу во второй строке в левой части сдвоенной матрицы. Для этого умножим вторую строку на 2 и вычтем из неё третью строку, тогда получим

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Сложим первую строку со второй, а затем умножим вторую строку на (-9) и сложим её с третьей строкой. Тогда получим

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Разделим третью строку на 8, тогда

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Умножим третью строку на 2 и сложим её со второй строкой. Получается:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Переставим местами вторую и третью строку, тогда окончательно получим:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Видим, что в левой части получилась единичная матрица, следовательно, в правой части получилась обратная матрица Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений. Таким образом:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Можно проверить правильность вычислений, умножим исходную матрицу на найденную обратную матрицу:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

В результате должна получиться обратная матрица.

Пример 3. Для матрицы

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

найти обратную матрицу.

Решение. Составляем сдвоенную матрицу

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

и будем её преобразовывать.

Первую строку умножаем на 3, а вторую на 2, и вычитаем из второй, а затем первую строку умножаем на 5, а третью на 2 и вычитаем из третьей строки, тогда получим

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Первую строку умножаем на 2 и складываем её со второй, а затем из третьей строки вычитаем вторую, тогда получим

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Видим, что в третьей строке в левой части все элементы получились равными нулю. Следовательно, матрица вырожденная и обратной матрицы не имеет. Дальнейшее нахождение обратной марицы прекращаем.

Видео:Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvyСкачать

Метод Крамера за 3 минуты. Решение системы линейных уравнений - bezbotvy

Нахождение обратной матрицы методом линейных преобразований

Матрицы теснейшим образом связаны с системами линейных уравнений. Каждой матрице соответствует система линейных уравнений, коэффициенты в которой есть элементы матрицы. И наоборот, системе линейных уравнений соответствует некоторая матрица.

Поэтому существует метод линейных преобразований для нахождения обратной матрицы. Для решения задач нам будет достаточно знать, что линейное преобразование — это система линейных уравнений, вид которой будет приведён ниже в алгоритме.

Алгоритм нахождения обратной матрицы методом линейных преобразований

1. Для данной невырожденной матрицы A составить линейное преобразование — систему линейных уравнений вида

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

где a ij — элементы матрицы A.

2. Решить полученную систему относительно y — найти для предыдущего линейного преобразование обратное линейное преобразование

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений,

в котором A ij — алгебраические дополнения элементов матрицы A, Δ — определитель матрицы A. Внимание! Алгебраические дополнения располагаются как в транспонированной матрице, то есть для элементов строки — в столбце, а для элементов столбца — в строке.

3. Находим коэффициенты при y: Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений, которые и будут элементами матрицы, обратной для матрицы A.

4. Пользуясь элементами, найденными на шаге 3, записать найденную обратную матрицу.

Наиболее наблюдательные могли заметить, что по сути метод линейных преобразований — это тот же метод алгебраических преобразований (союзной матрицы), но с другой формой записи. Для кого-то метод линейных преобразований может оказаться более удобным как более компактный.

Пример 4. Найти обратную матрицу для матрицы

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Сначала проверим, не равен ли нулю определитель данной матрицы. Он не равен нулю, следовательно, обратная матрица существует.

Для данной матрицы записываем линейное преобразование:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

Находим линейное преобразование, обратное предыдущему, для этого потребуется находить алгебраические дополнения (урок откроется в новом окне). Запишем обратное линейное преобразование:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Коэффициенты при иксах в обратном линейном преобразовании — это элементы обратной матрицы для матрицы A. Таким образом нашли обратную матрицу:

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений

Видео:Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.Скачать

Математика без Ху!ни. Метод Гаусса.

Найти обратную матрицу самостоятельно, а затем посмотреть решение

Пример 5. Найти обратную матрицу для матрицы

Неособенная матрица коэффициентов системы уравнений.

📹 Видео

Система линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Матричный метод.Скачать

Система линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Матричный метод.

Решение систем линейных уравнений с помощью матрицСкачать

Решение систем линейных уравнений с помощью матриц

ФСР. Система однородных уравнений. Общее решениеСкачать

ФСР.  Система однородных уравнений.  Общее решение

Система линейных уравнений. Общее решение. Метод ГауссаСкачать

Система линейных уравнений.  Общее решение. Метод Гаусса

Решение системы уравнений методом ГауссаСкачать

Решение системы уравнений методом Гаусса

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решенийСкачать

15. Однородная система линейных уравнений / фундаментальная система решений

Решение системы уравнений методом Гаусса 4x4Скачать

Решение системы уравнений методом Гаусса 4x4

2.2. Системы линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Метод Крамера. Метод ГауссаСкачать

2.2. Системы линейных уравнений. Метод обратной матрицы. Метод Крамера. Метод Гаусса

12. Метод Гаусса решения систем линейных уравнений. Часть 1.Скачать

12. Метод Гаусса решения систем линейных уравнений. Часть 1.

9. Метод обратной матрицы для решения систем линейных уравнений / матричный методСкачать

9. Метод обратной матрицы для решения систем линейных уравнений / матричный метод

Матрица интенсивностей. Система уравнений КолмогороваСкачать

Матрица интенсивностей. Система уравнений Колмогорова

Решение системы уравнений методом Крамера 2x2Скачать

Решение системы уравнений методом Крамера 2x2
Поделиться или сохранить к себе: