Обратная матрица. Решение матричных уравнений

 

Матрица называется обратной к квадратной матрице , если

,

где - единичная матрица, имеющая тот же порядок, что и матрица . Обратная матрица существует только в том случае, если , и ее элементы находятся по формуле

,

где - алгебраическое дополнение к элементу .

Внимание! Алгебраические дополнения вычисляются к элементам строки, а записываются в столбец.

Если , то матрица называется вырожденной, в противном случае невырожденной, т.е. обратная матрица существует только для невырожденных матриц.

Обозначается обратная матрица , т.е.

,

при этом ее определитель .

Для невырожденных матриц и выполнены соотношения

,

.

Введение обратной матрицы позволяет решать матричные уравнения. В конечном счете, матричные уравнения сводятся к двум простейшим уравнениям:

или .

Если матрица - квадратная, невырожденная, то эти уравнения имеют единственное решение, которое можно получить с помощью обратной матрицы. Так как при умножении матриц коммутативный закон не выполняется, указанные уравнения имеют различные решения.

При поиске решения первое из уравнений надо умножать на обратную матрицу слева, а второе справа, т.е.

, (5)

. (6)

►Пример 5. Найти решение матричного уравнения , то есть определить матрицу , если ; .

Решение.

Решение в матричном виде определяется формулой (5), т.е. , если матрица невырожденная. Вычислим определитель матрицы :

.

Следовательно, матрица невырожденная, и для нее существует обратная матрица. Проведем вычисления, необходимые для построения обратной матрицы. Вычислим алгебраические дополнения:

Составим обратную матрицу и найдем неизвестную матрицу .

, . ◄

При вычислениях множитель лучше оставлять перед матрицей и проводить умножение полученной матрицы на него на последнем этапе вычислений.

Упражнения.

1. Для заданных матриц найти обратную матрицу:

а) ; б) ;в) ;г) ;д) .

Ответы:

а) ; б) ; в) ; г) ;

д) .

 

2. Найти неизвестную матрицу из уравнений:

 

а) ; б) ;в) ;

г) ; д) .

Ответы: а) ; б) ; в) ; г) ; д) .

 

Ранг матрицы

 

Рангом матрицы (обозначение: ) называется порядок отличного от нуля минора этой матрицы при условии, что все ее миноры более высоких порядков равны нулю. Минор наивысшего порядка, отличный от нуля, называется базисным минором или просто б азисом. Матрица может иметь несколько различных базисов. Для определения базиса над матрицей производят элементарные преобразования, при которых ранг матрицы не изменяется.

К элементарным преобразованиям матрицы относятся:

- транспонирование;

- удаление или добавление строки (столбца), состоящей из нулей;

- умножение строки (столбца) на число, отличное от нуля;

- перестановка строк (столбцов);

-прибавление к элементам какой-либо строки элементов другой строки, умноженных на постоянное число (то же самое для столбцов).

Выполняя элементарные преобразования над матрицей, получаем другую матрицу, называемую эквивалентной. Переход от исходной матрицы к эквивалентной будем обозначать символом .

Используя выше перечисленные действия, матрицу можно преобразовать к треугольному виду, что позволяет легко определить ее ранг.

 

►Пример 7. Найти ранг матрицы .

Решение.

Преобразуем матрицу:

Минор , а все миноры четвертого порядка равны нулю, т.к. содержат нулевую строку. Следовательно, . ◄

При преобразовании матрицы мы проводили операции только со строками и по определенному алгоритму. Этот метод стандартный, но не является обязательным.

 

 

Упражнения.

1. Найти ранг матриц:

а) ; б) ;

в) ; г) . Ответы: а) 4; б) 2; в) 4; г) 3.

 

Системы линейных уравнений. Основные понятия

 

Системой линейных уравнений с неизвестными (линейной системой) называется система вида

(7)

где − заданные числа. Числа называются коэффициентами системы, а числа - свободными членами.

Линейная система называется однородно й, если все свободные члены равны нулю, т.е.

(8)

В противном случае линейная система называется неоднородной.

Решением системы (7) называется упорядоченная совокупность чисел:

, (9)

при подстановке которых вместо каждое уравнение системы обращается в тождество.

Система, имеющая хотя бы одно решение, называется совместной, а система, не имеющая ни одного решения, - несовместной. Совместная система называется определенной, если она имеет единственное решение, и неопределенной, если она имеет более одного решения.

Однородная система (8) всегда совместна, так как она имеет очевидное решение: . Нулевое решение однородной системы называется тривиальным.

Две системы называются равносильными или эквивалентными, если любое решение одной из них является также решением и другой, и обратно, т.е. они имеют одно и то же множество решений. В частности, любые две несовместные системы являются эквивалентными.

 

Линейную систему можно записать в матричной форме. Введем матрицы

– матрица коэффициентов при неизвестных,

 

- матрица-столбец свободных членов,

 

- матрица-столбец неизвестных.

Тогда систему (7) можно записать в виде матричного уравнения

,

а решение (9) в виде матрицы-столбца .

 

Матрица коэффициентов

называется основной матрицей системы. Матрица, составленная из коэффициентов и свободных членов,

 

 

называется расширенной матрицей системы.

Выражение «решить систему» означает: выяснить, совместна или несовместна система, а в случае совместности – найти все ее решения.