Section02_逆矩阵
Questions
- 何为逆矩阵
- 逆矩阵是否存在
- 逆矩阵如何求
定义
- 对于 An×n,若 ∃ Bn×n,使得 BA=AB=E,则称 A 可逆,B 为 A 的逆矩阵,记 A−1=B
例题
- An×n,且 A2+A−3E=0,求
- A−1
- (A−E)−1
∵∴∴∵∴∴A2+A−3E=0A(A+E)=3EA3A+E=EA−1=31(A+E)A2+A−3E=0(A−E)(A+2E)=E(A−E)−1=A+2E
- A=0,A3=0,求 (E−A)−1
∵∴∴∴a3−b3=(a−b)(a2+ab+b2)E3−A3=(E−A)(A2+AE+E2)(E−A)(A2+A+E)=E(E−A)−1=A2+A+E
逆矩阵存在定理
Notes
- 行列式性质
- ∣A⊺∣=∣A∣
- ∣A−1∣=∣A∣1
- ∣A∗∣=∣A∣n−1
- 对于 An×n, ∣kA∣=kn∣A∣
- 对于 An×n,Bn×n, ∣AB∣=∣A∣∣B∣ (Laplace 法则)
- 逆矩阵的性质
- (A−1)−1=A
- (A⊺)−1=(A−1)⊺
- (Am)−1=(A−1)m
- (kA)−1=k1A−1(k=0)
- (AB)−1=B−1A−1
- Am×m,Bn×n 可逆,则 (AB)−1=(A−1B−1)
- Th An×n 可逆 ⇔ ∣A∣=0
Proof
⇒
∵∴∴∴An×n可逆∃ B,AB=E∣AB∣=∣E∣∣A∣∣B∣=1=0det(A)=0
⇐
∵∴∴AA∗=∣A∣E∣A∣=0A∣A∣A∗=EA可逆,且A−1=∣A∣A∗
例题
- A=⎝⎛111120−112⎠⎞,则 A 是否可逆? 若可逆,求 A−1
∴∵∴det(A)=5=0A 可逆A∗=⎝⎛4−23−13−2−211⎠⎞⊺=⎝⎛4−1−2−2313−21⎠⎞A−1=∣A∣A∗=51⎝⎛4−1−2−2313−21⎠⎞
- Note 若 A 可逆,A−1=∣A∣1A∗⇔∣A∣A−1=A∗
- A,B 为 n 阶可逆矩阵,则 (AB)∗ 为?
(AB)∗=∣AB∣(AB)−1=∣A∣∣B∣B−1A−1=B∗A∗
- Am×m,Bn×n可逆,求 (AB)∗
(AB)∗=∣∣AB∣∣(AB)−1=∣A∣∣B∣(A−1B−1)=(∣B∣A∗∣A∣B∗)
A−1 的求法
法一 伴随矩阵法
A−1=det(A)A∗
法二 初等变换法
基础知识
- 方程组的三种同解变形
- 对调两个方程
- 一方程乘以不为零的数
- 一方程乘以 k 后加到另一方程上
- 矩阵的三种初等行变化
- 对调两行
- 一行乘以不为零的数
- 一行乘以 k 加到另一行上
Notes
- 将行变为列,则称为矩阵的初等列变化
- 初等行变化和初等列变化合称为初等变化
- 三个初等矩阵
- Eij≜⎝⎛1⋱01⋯⋱⋯10⋱1⎠⎞ (将 E 的 i,j 行(或列)对调)
Notes
- EijA: 对调 A 的 i,j 行
- AEij: 对调 A 的 i,j 列
- det(Eij)=−1=0
- Eij−1=Eij
- Ei(c)≜⎝⎛1⋱1c1⋱1⎠⎞ (将 E 的第 i 行(或列)乘以 c)
Notes
- Ei(c)A: 使 A 的 i 行乘以 c
- AEi(c): 使 A 的 i 列乘以 c
- det(Ei(c))=c=0
- Ei(c)−1=Ei(c1)
- Eij(k)=⎝⎛1⋱1⋯⋱k⋮1⋱1⎠⎞ (将 E 的第 j 行乘以 k 后加到 i 行上)
Notes
- Eij(k)A: 使 A 的 j 行乘以 k 加到 i 行上
- AEij(k): 使 A 的 i 列乘以 k 加到 j 列上
- det(Eij(k))=1
- Eij(k)−1=Eij(−k)
方程组的三种同解变形⇕矩阵的三种初等行变化⇕矩阵左乘Eij,Ei(c),Eij(k)
- 两个定理
- Th1 A 可逆 ⇔ A 为若干初等矩阵之积
- Th2
- ArowE⇔∃ 可逆阵 P,使得 PA=E
- AcolumnE⇔∃ 可逆阵 Q,使得 AQ=E
- Q2 An×n,r(A)=r<n Arow(Er000) 或 ∃ 可逆阵P, 使得PA=(Er000)? ✗
- Q3 An×n,r(A)=r<n Arowcolumn(Er000) 或 ∃ 可逆阵P,Q, 使得PAQ=(Er000)? ✓
- 初等变换法求逆矩阵
- Th An×n 可逆,则
(AE)row(EA−1)(AE)column(EA−1)
例题
- A3×3,A 第一行 3 倍加到第二行,第二三列对调成E,则 A=?
∵∴(130010001)A(100001010)=EA=(130010001)−1(100001010)−1=(1−30010001)(100001010)=(1−30001010)
- A=[11112−1011],则 A 是否可逆,若可逆,求 A−1