ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА
ЛЕКЦИЯ № 3
Содержание:
Теорема об обратной матрице Решение матричных уравнений Ранг матрицы
Теорема об обратной матрице |
|
|
|
|
|
|
|
|
называется |
|||||
Пусть |
A |
- квадратная матрица. Напомним, что обратной к |
A |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
матрица |
A |
1 |
, удовлетворяющая условиям |
AA |
1 |
A |
1 |
A E |
, где |
E |
|
- единичная |
||
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
матрица. |
|
|
|
|
называется невырожденной, |
если ее определитель не равен |
||||||||
Матрица |
A |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нулю.
Теорема.
Для того, чтобы квадратная матрица имела обратную, необходимо и достаточно, чтобы она была невырожденной.
Доказательство.
1. Необходимость.
Пусть матрица |
A |
имеет обратную |
A |
1 |
. По определению |
AA |
1 |
E |
. По |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
свойству 8 определителей A A 1 A A 1 E 1. Следовательно,
A |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
2. Достаточность. |
A 0
и
Пусть |
A 0 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
A ... |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
21 |
|
|
n1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
A |
|
|
A ... |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
12 |
|
|
|
22 |
|
|
n 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... ... ... ... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
A ... |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Построим матрицу |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1n |
|
|
|
2 n |
|
|
nn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Матрицу |
~ |
называют присоединенной к матрице A . |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
A |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A является обратной к матрице |
||||||||||||||||||||||||||
Покажем, что матрица |
|
|
A |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
выполняются условия |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
A A = A |
|
|
|
A = E . Действительно, |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
a ... |
|
|
|
a |
|
|
A |
|
A |
... |
|
A |
|
|
|
|
|
A |
|
0 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
21 |
|
|
n1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
a ... |
|
|
|
a |
|
|
A |
|
A |
... |
|
A |
|
|
|
|
0 |
|
|
A |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
21 |
|
|
22 |
|
|
|
|
|
|
|
2n |
|
12 |
22 |
|
|
n2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
1 |
|
|
|
1 |
... ... ... |
|
|
|
... |
... ... |
... |
|
... |
|
1 |
|
0 |
0 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
A |
|
|
~ |
A |
a |
a |
|
|
... |
|
|
|
a |
|
|
A |
|
A |
... |
|
A |
|
A |
|
|
0 |
0 |
|
||||||||
A |
|
|
|
A = |
|
|
n1 |
|
|
n2 |
|
|
|
|
|
|
|
nn |
|
|
1n |
2n |
|
|
nn |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A ,i j |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ai1 Aj1 ai 2 Aj 2 |
... ain Ajn |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,i |
|
j . |
||||||||||||||||
так как по теореме Лапласа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
, |
|
0 0 A 0
т.е.
0 0 0 A
для нее
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
E |
, |
|
|
|
1
ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
~ |
А Е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
А |
|
|
|
|
||
Аналогично доказывается, что |
|
|
. |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Решение матричных уравнений |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Рассмотрим уравнения |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
1) AX B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) XA B |
|
|
||||
В данных уравнениях A - квадратная матрица, X и B - матрицы, имеющие |
||||||||||||||||
размеры, при которых возможны операции |
AX |
или XA . Считается, что A и B - |
||||||||||||||
известные матрицы, а элементы матрицы X надо найти. Для этого умножим обе |
||||||||||||||||
части уравнения на |
|
A |
1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1) A |
1 |
AX |
= A |
1 |
B |
|
|
|
|
2) XA A |
1 |
= |
BA |
1 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
EX A 1 B ; |
|
X A 1 B |
|
|
|
XE BA 1 ; |
Х BA 1 |
То есть для решения матричного уравнения надо найти обратную матрицу, а затем умножить её на матрицу, стоящую в правой части уравнения.
Пример. Найти матрицу, обратную к матрице
|
2 |
1 |
1 |
|
A 0 |
1 |
1 6 3 3 2 2 |
1. |
3 |
1 |
3 |
|
|
|
|
2 |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
A |
0 |
1 |
1 |
|
|
3 |
1 |
3 |
|
|
|
A11 |
|
1 |
|
1 |
4; |
A |
0 |
|
1 |
3; |
A |
|
|
0 |
|
1 |
3; |
||||||||
2. |
|
1 |
|
3 |
|
|
|
12 |
|
|
3 |
|
3 |
|
|
|
13 |
|
|
3 |
|
1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
1 |
1 |
2; |
A |
|
2 |
1 |
3; |
A |
|
2 |
|
1 |
1; |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
21 |
|
|
1 |
3 |
|
|
|
22 |
|
3 |
3 |
|
|
|
23 |
|
|
3 |
|
1 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
A |
|
1 |
|
1 |
2; |
A |
|
2 |
|
1 |
|
2; |
A |
|
2 |
1 |
2. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
31 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
32 |
|
|
0 |
|
1 |
|
|
33 |
|
|
0 |
1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
3 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
2 |
|
|
|
2 |
1 |
|
1 |
|
|
|
||||||
1 |
|
1 |
|
~ |
1 |
|
3 |
3 |
|
|
2 |
|
|
|
1.5 |
1.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
|
.A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 . |
|
|
|||||||||||
|
|
A |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
3 |
1 |
|
|
2 |
|
|
|
1.5 |
0.5 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||
3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ранг матрицы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Пусть |
A |
- матрица размера m n. Выделим в этой матрице любые |
и k столбцов.
k
строк
2
ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА
Минором
M |
k |
|
k
- го порядка матрицы
A
называют определитель,
составленный из элементов, стоящих на пересечении |
k |
строк и |
k |
столбцов этой |
||
|
|
|||||
матрицы. |
|
|
|
|
|
|
Рангом матрицы называют число, равное наибольшему порядку миноров |
||||||
этой матрицы, отличных от нуля. |
|
|
|
|
||
Обозначим ранг матрицы A rang ( A) или r( A). |
|
|
|
|
||
Из определения следует, что |
|
|
|
|
||
1. |
r( A) min( m, n) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
r( A) 0 A |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.Ранг квадратной матрицы размера n n равен n только если матрица невырожденная.
4.Ранг диагональной матрицы равен числу её ненулевых элементов.
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
3 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
4 |
0 |
Пример. Определить ранг матрицы |
|
||||||||
|
|
|
|
||||||
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. |
r( A) 4 |
, но т.к. |
A 0 |
, то |
r( A) 4 |
r( A) 3. |
|||
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
4 |
|
|
|
||
6 |
|
|
|
||
|
||
8 |
|
|
|
.
2.Все миноры третьего порядка равны нулю, т.к. содержат нулевые ряды. Следовательно r( A) 3 r( A) 2.
3.Все миноры второго порядка равны нулю, т.к. содержат или нулевые ряды или пропорциональные ряды. Следовательно r( A) 2 r( A) 1.
4.Матрица имеет ненулевые элементы. Значит, r( A) 1.
Вычисление ранга матрицы на основе определения является очень трудоёмкой задачей. Более эффективным является способ вычислений с помощью элементарных преобразований.
Элементарными называют следующие преобразования матрицы.
1.Перестановка рядов матрицы.
2.Умножение всех элементов ряда на одно и то же число, неравное нулю.
3.Удаление из матрицы или приписывание к ней ряда, состоящего из нулей.
4.Транспонирование матрицы.
5.Прибавление к каждому элементу ряда матрицы соответствующих элементов параллельного ряда, умноженных на одно и то же число.
Теорема. Элементарные преобразования не изменяют ранга матрицы. Способ вычисления ранга матрицы основан на том, чтобы с помощью
элементарных преобразований превратить матрицу в диагональную.
3
ЛИНЕЙНАЯ АЛГЕБРА
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
2 |
1 |
4 |
3 |
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
1 |
|
|
Пример. Вычислить |
|
|
|||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
Решение
Умножим элементы первой строки на (-2) и прибавим к соответствующим элементам второй строки, а также элементы первой строки прибавим к
соответствующим |
|
|
|
|
|
|
|
элементам |
третьей |
||||||
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
3 |
2 |
|
|
|
|
r |
|
2 |
1 |
4 |
3 |
|
|
0 |
5 . |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 |
2 |
3 |
1 |
|
|
|
0 |
4 |
6 |
5 |
|
|
строки |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Прибавляя поочерёдно элементы первого столбца ко второму, третьему и четвёртому столбцу, предварительно умножая на (–2), (–3) и (–4) соответственно, получим…
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
3 |
2 |
5 |
|
|
r |
0 |
|
||||
|
0 |
4 |
6 |
5 |
|
|
|
|
|
Разделим элементы
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
3 |
2 |
5 |
|
|
r |
0 |
|
|
|||
|
0 |
4 |
6 |
5 |
|
|
|
|
. |
||||
|
|
|
|
|
|
2-го столбца на 2, а элементы 3-го столбца на 5:
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|||
|
|
|
3 |
2 |
5 |
|
r |
|
|
3 |
1 |
|
|
r |
|
0 |
|
|
0 |
1 . |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
0 |
4 |
6 |
5 |
|
|
|
0 |
4 |
3 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Прибавим элементы третьей строки к элементам второй строки:
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
||||
r |
|
0 |
3 |
1 |
1 |
|
r |
|
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
0 . |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
0 |
4 |
3 |
1 |
|
|
|
0 |
4 |
3 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
Прибавляя поочерёдно элементы четвёртого столбца к третьему и второму столбцу, предварительно умножая на (–3) и (–4) соответственно, получим…
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
0 |
1 |
2 |
0 |
|
r |
0 |
1 |
2 |
0 |
|
|
0 |
4 |
3 |
1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
Прибавив элементы 2-го столбца, умноженные на (–2) к элементам третьего столбца, а затем удалив нулевой столбец, получим…
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
0 |
1 |
2 |
0 |
|
r |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
r |
0 |
1 |
0 |
|
3. |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
0 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответ. r( A) 3.
4