Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Konev-Linear_Algebra.pdf
Скачиваний:
59
Добавлен:
18.03.2016
Размер:
1.13 Mб
Скачать

Обратная матрица

Следовательно,

 

 

 

2

 

5

 

A1 =

1

adj A =

 

 

 

 

 

.

 

det A

 

 

Тогда

 

 

1

 

3

 

4 1

2 5 7

17

 

X =

 

 

 

 

=

5

 

.

 

3 1 1 3

 

12

Проверка:

 

 

 

 

 

 

 

 

X A =

7

17

3 5

4 1

B .

 

12

 

 

=

 

 

 

5

1 2

3 1

 

3.4. Вычисление обратной матрицы методом элементарных преобразований

Предположим, что матрица A неособенная и изложим еще один метод нахождения обратной матрицы, основанный на элементарных операциях над строками. Алгоритм чрезвычайно прост по своей сути.

Сначала составляется расширенная матрица – присоединением к матрице A единичной матрицы E:

a

L a

 

1

L

0

 

 

1,1

1,n

 

 

 

 

 

( A | E) = L L L

 

L L L .

 

L an,n

 

0

 

1

 

an,1

 

L

 

Затем с помощью элементарных операций над строками расширенная матрица преобразуется к виду (E | B).

И это все:

A1 = B .

В данном контексте под элементарными преобразованиями понимается:

1)Умножение строки на любое ненулевое число.

2)Прибавление к одной строке любой другой, при желании предварительно умноженной на любое число.

Пример. Найти обратную матрицу для матрицы

A =

 

3

4

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4

 

1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Преобразуем расширенную матрицу

 

 

 

 

 

 

 

.

( A | I ) =

 

 

 

Вычтем из первой строки удвоенную вторую строку:

 

 

1 2

 

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4

 

1 0

1 0

 

1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

0 1

 

 

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

45

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обратная матрица

Затем вычтем первую строку из второй строки:

1 0

 

1

 

2

1 0

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

0 2

 

 

 

 

1 3

 

 

1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разделим вторую строку на 2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

1 0

 

1

 

2

 

 

1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 .

 

 

 

 

 

 

1 3

 

 

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1 2

 

 

1 2

 

4

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

=

 

1

 

3

 

=

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2 1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

Проверка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AA1 =

1

3 4

 

 

2

 

4

 

1

 

2 0

1 0

= E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

1 3

 

 

 

 

 

0 2

0 1

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A1 A =

1

 

2

 

 

 

 

 

 

4

 

3 4

 

1

 

2 0

 

1 0

 

= E .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1 3

 

 

1 2

 

 

0 2

 

0 1

 

 

Метод работает.

Упражнения к главе 3.

1. Найти миноры и алгебраические дополнения элементов второй строки

 

3

2

3

 

 

матрицы

 

4

1

6

 

 

 

A =

.

 

 

 

 

7

5

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

3

2

3

 

2. Дана матрица

 

 

4

1

 

. Найти все недиагональные элементы

A =

6

 

 

 

 

7

5

 

 

 

 

 

 

1

 

 

матричного произведения A adj A .

 

 

 

 

3.

5

4

 

2

6

Решить для X матричное

Даны матрицы A =

и

B =

7

.

 

3

2

 

1

 

 

 

уравнение AX = B.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

5

 

4.

 

 

 

2

4

0

 

Найти обратную матрицу для A =

.

 

 

 

 

3

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

46

 

 

 

Системы линейных уравнений

4. Системы линейных уравнений

4.1.Ранг матрицы

Говорят, что ранг матрицы A размерности m ×n равен r, если существует хотя бы одна несингулярная подматрица r -го порядка, тогда как любая подматрица более высокого порядка является сингулярной.

Если это определение озвучить в терминах определителей, то оно будет выглядеть примерно так:

Матрица A размерности m ×n имеет ранг r, если существует хотя бы один отличный от нуля определитель r-го порядка, тогда как определитель любой подматрицы более высокого порядка равен нулю.

Очевидно, что

rank A min{m, n}.

Для вычисления ранга матрицы можно использовать метод элементарных преобразований строк и столбцов – в точности тот самый метод, который применяется для вычисления определителей. Будет уместным напомнить основные операции метода:

1.Перестановка строк или столбцов.

2.Умножение строки ил столбца на ненулевое число.

3.Прибавление к строке (столбцу) другой строки (столбца), предварительно умноженной на любое число.

Строки или столбцы, содержащие одни нули, могут быть опущены. Целью элементарных преобразований является приведение матрицы

к ступенчатой форме, т.е. к квазитреугольному виду вроде того, что представлено ниже:

2

7

2

0

1

 

0

6

1

3

3

 

A =

 

 

0

0

1

4

2

 

 

 

Очевидно, что определитель третьего порядка, составленный из элементов первых трех строк и столбцов, отличен от нуля, и ранг матрицы равен 3:

2 7 2 0 6 1 = 2 6 (1) 0 . 0 0 1

Теорема. В результате элементарных преобразований матрицы ее ранг не изменяется.

Доказательство. Нам предстоит убедиться только в том, что в результате элементарных преобразований нулевой определитель остается нулевым, а ненулевой – ненулевым.

47

Системы линейных уравнений

1.Перестановка строк или столбцов матрицы изменяет только знак определителя.

2.При умножении строки (столбца) матрицы на ненулевое число определитель умножается на это число.

3.Определитель не изменяется, если к строке (столбцу) прибавляется другая строка (столбец).

Таким образом, в результате элементарных преобразований сингулярные матрицы остаются сингулярными, а несингулярные – несингулярными.

Пример.

 

 

 

 

 

4

1

5

2

 

 

1

0

3

3

 

 

 

1) Найти ранг матрицы A =

7

2

13

1

.

 

 

 

3

1

8

2

 

 

 

Решение. Вычтем из третьей строки первую и четвертую строки:

4

1

5

2

 

 

4

1

5

2

 

 

1

0 3 3

 

 

 

1

0

3 3

 

 

 

r3 r3 r1 r4

 

 

A =

7

2

13 1

 

 

0

0

0

1

.

 

 

 

 

 

 

3

1

8

2

 

 

 

3

1

8

2

 

 

 

 

 

 

Если теперь прибавить третью строку, умноженную на (–2), (–3) и 2, соответственно, к другим строкам, то в четвертом столбце возникает максимально возможное число нулей:

4

1

5

2

 

 

r

2r

 

4

1

5

0

 

1

0

3 3

r

 

1

0

3 0

 

 

 

1

1

3

 

 

 

0

0

0

1

r2 r2 3r3

 

0

0

0

1

.

 

 

 

 

 

r

r

+ 2r

 

 

 

 

 

 

 

3

1

8

2

 

4

4

3

 

3

1

8

0

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее из четвертой строки вычтем первую строку и затем к полученной строке прибавим вторую:

 

4

1

5

0

 

 

 

4

1 5

0

 

 

 

 

4

1 5

0

 

 

1

0

3 0

 

 

 

 

1

0

3 0

 

 

 

 

 

1

0

3 0

 

 

 

 

r

r r

 

 

r

r

+ r

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

1

4

4 1

0

0

0

1

4

4

2

0

0

0

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1

8

0

 

 

 

 

1 0

3

0

 

 

 

 

 

0

0

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Опускаем нулевую строку и на этом завершаем преобразования, поскольку стало очевидным, что существует подматрица третьего порядка, определитель которой отличен от нуля, и при этом не существует отличных от нуля определителей более высокого порядка:

48

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]