Зворотна матриця та способи її знаходження. Знаходження зворотної матриці онлайн

У першій частині було розглянуто спосіб знаходження зворотної матриці за допомогою додатків алгебри. Тут ми опишемо інший метод знаходження зворотних матриць: з використанням перетворень методу Гауса та Гауса-Жордана. Найчастіше цей спосіб перебування зворотної матриці називають шляхом елементарних перетворень.

Метод елементарних перетворень

Для застосування цього методу одну матрицю записують задану матрицю $A$ і поодиноку матрицю $E$, тобто. становлять матрицю виду $(A|E)$ (цю матрицю називають також розширеною). Після цього за допомогою елементарних перетворень, що виконуються з рядками розширеної матриці, домагаються того, що матриця зліва від риси стане одиничною, причому розширена матриця набуде вигляду $\left(E|A^(-1) \right)$. До елементарних перетворень у цій ситуації відносять такі дії:

  1. Зміна місць двох рядків.
  2. Розмноження всіх елементів рядка на деяке число, що не дорівнює нулю.
  3. Додавання до елементів одного рядка відповідних елементів іншого рядка, помножених на будь-який множник.

Застосовувати зазначені елементарні перетворення можна різними шляхами. Зазвичай вибирають метод Гауса або метод Гауса-Жордана. Взагалі, методи Гауса та Гауса-Жордана призначені для вирішення систем лінійних алгебраїчних рівняньа не для знаходження зворотних матриць. p align="justify"> Фразу "застосування методу Гаусса для знаходження зворотної матриці" тут потрібно розуміти як "застосування операцій, властивих методу Гаусса, для знаходження зворотної матриці".

Нумерація прикладів продовжена з першої частини. У прикладах розглянуто застосування методу Гауса для знаходження зворотної матриці, а в прикладах і розібрано використання методу Гауса-Жордана. Слід зазначити, що якщо в ході рішення всі елементи деякого рядка або стовпця матриці, розташованої до межі, обнулилися, зворотної матриці не існує.

Приклад №5

Знайти матрицю $A^(-1)$, якщо $A=\left(\begin(array) (ccc) 7 & 4 & 6 \\ 2 & 5 & -4 \\ 1 & -1 & 3 \end( array) \right)$.

У цьому прикладі буде знайдено зворотну матрицю методом Гауса. Розширена матриця, що має в загальному випадкувид $(A|E)$, в даному прикладіприйме таку форму: $ \left(\begin(array) (ccc|ccc) 7 & 4 & 6 & 1 & 0 & 0 \\ 2 & 5 & -4 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & -1 & 3 & 0 & 0 & 1 \end(array) \right)$.

Мета: за допомогою елементарних перетворень привести розширену матрицю до виду $ \ left (E | A ^ (-1) \ right) $. Застосуємо ті самі операції, що застосовуються під час вирішення систем лінійних рівняньметодом Гауса. Для застосування методу Гауса зручно, коли першим елементом першого рядка розширеної матриці є одиниця. Щоб досягти цього, поміняємо місцями перший і третій рядки розширеної матриці, яка стане такою: $ \left(\begin(array) (ccc|ccc) 4 & 0 & 1 & 0 \\ 7 & 4 & 6 & 1 & 0 & 0 \end(array) \right)$.

Тепер почнемо рішення. Метод Гауса ділиться на два етапи: прямий хід та зворотний ( докладний описцього методу на вирішення систем рівнянь дано у прикладах відповідної теми). Ті ж два етапи будуть використані і в процесі пошуку зворотної матриці.

Прямий хід

Перший крок

За допомогою першого рядка обнулюємо елементи першого стовпця, розташовані під першим рядком:

Трохи прокоментую виконану дію. Запис $II-2\cdot I$ означає, що від елементів другого рядка відняли відповідні елементи першого рядка, попередньо помножені на два. Цю дію можна записати окремо так:

Так само виконується і дія $III-7\cdot I$. Якщо виникають складнощі з виконанням цих операцій, їх можна виконати окремо (аналогічно показаній вище дії $II-2\cdot I$), а результат потім внести до розширеної матриці.

Другий крок

За допомогою другого рядка обнуляємо елемент другого стовпця, розташований під другим рядком:

Розділимо третій рядок на 5:

Прямий хід закінчено. Всі елементи, розташовані під головною діагоналлю матриці до межі, обнулилися.

Зворотний хід

Перший крок

За допомогою третього рядка обнулюємо елементи третього стовпця, розташовані над третім рядком:

Перед переходом до наступного кроку розділимо другий рядок на $7$:

Другий крок

За допомогою другого рядка обнулюємо елементи другого стовпця, розташовані над другим рядком:

Перетворення закінчені, зворотна матриця методом Гауса знайдена: $A^(-1)=\left(\begin(array) (ccc) -11/5 & 18/5 & 46/5 \\ 2 & -3 & -8 \ \ 7/5 & -11/5 & -27/5 \end(array) \right)$. Перевірку, за потреби, можна зробити так само, як і в попередніх прикладах. Якщо пропустити всі пояснення, то рішення набуде вигляду:

Відповідь: $A^(-1)=\left(\begin(array) (ccc) -11/5 & 18/5 & 46/5 \\ 2 & -3 & -8 \\ 7/5 & -11/ 5 & ​​-27/5 \end(array) \right)$.

Приклад №6

Знайти матрицю $A^(-1)$, якщо $A=\left(\begin(array) (cccc) -5 & 4 & 1 & 0 \\ 2 & 3 & -2 & 1 \\ 0 & 7 & -4 & -3 \\ 1 & 4 & 0 & 6 \end(array) \right)$.

Для знаходження зворотної матриці в цьому прикладі використовуватимемо ті ж операції, що застосовуються при вирішенні систем лінійних рівнянь методом Гаусса. Детальні пояснення дано в , тут же обмежимося короткими коментарями. Запишемо розширену матрицю: $\left(\begin(array) (cccc|cccc) -5 & 4 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 2 & 3 & -2 & 1 &0 &1&0 &0 \\ 0 & 7 & -4 & -3 &0 & 0 & 1 & 0\\ 1 & 4 & 0 & 6 &0 &0 & 0 & 1 \end(array) \right)$. Поміняємо місцями перший і четвертий рядки даної матриці: $\left(\begin(array) (cccc|cccc) 1&4&0&6&0&0&0&1\\2&3&-2&1&0&1&0&0 \ 0 & 7 & -4 & -3 &0 & 0 & 1 & 0\\ -5 & 4 & 1 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \end(array) \right)$.

Прямий хід

Перетворення прямого ходу завершено. Всі елементи, розташовані під головною діагоналлю матриці зліва від межі, обнулилися.

Зворотний хід

Зворотня матрицяметодом Гауса знайдена, $A^(-1)=\left(\begin(array) (cccc) -13/14 & -75/8 & 31/8 & 7/2 \\ -19/8 & -117/ 16 & 49/16 & 11/4 \\ -23/4 & -141/8 & 57/8 & 13/2 \\ 17/8 & 103/6 & -43/16 & -9/4 \end( array) \right)$. Перевірку, за потреби, проводимо так само, як і в прикладах №2 та №3.

Відповідь: $A^(-1)=\left(\begin(array) (cccc) -13/14 & -75/8 & 31/8 & 7/2 \\ -19/8 & -117/16 & 49 /16 & 11/4 \\ -23/4 & -141/8 & 57/8 & 13/2 \\ 17/8 & 103/6 & -43/16 & -9/4 \end(array) \ right) $.

Приклад №7

Знайти матрицю $A^(-1)$, якщо $A=\left(\begin(array) (ccc) 2 & 3 & 4 \\ 7 & 1 & 9 \\ -4 & 5 & -2 \end( array) \right)$.

Для знаходження зворотної матриці застосуємо операції, характерні методомГауса-Жордана. Відмінність від методу Гауса, розглянутого в попередніх прикладах і полягає в тому, що рішення здійснюється в один етап. Нагадаю, що метод Гауса ділиться на 2 етапи: прямий хід («робимо» нулі під головною діагоналлю матриці до межі) та зворотний хід (обнулюємо елементи над головною діагоналлю матриці до межі). Для обчислення зворотної матриці методом Гаус-Жордана двох стадій рішення не потрібно. Для початку складемо розширену матрицю: $(A|E)$:

$$ (A|E)=\left(\begin(array) (ccc|ccc) 2 & 3 & 4 & 1 & 0 & 0\\ 7 & 1 & 9 & 0 & 1 & 0\\ -4 & 5 & ​​-2 &0 & 0 & 1 \end(array) \right) $$

Перший крок

Облинули всі елементи першого стовпця крім одного. У першому стовпці всі елементи відмінні від нуля, тому можемо вибрати будь-який елемент. Візьмемо, наприклад, $(-4)$:

Вибраний елемент $(-4)$ знаходиться в третьому рядку, тому саме третій рядок ми використовуємо для обнулення виділених елементів першого стовпця:

Зробимо так, щоб перший елемент третього рядка дорівнював одиниці. Для цього розділимо елементи третього рядка розширеної матриці на $(-4)$:

Тепер приступимо до обнулення відповідних елементів першого стовпця:

У подальших кроках використовувати третій рядок вже буде не можна, бо ми його вже застосували на першому кроці.

Другий крок

Виберемо якийсь не рівний нулю елемент другого стовпця і обнулимо всі інші елементи другого стовпця. Ми можемо вибрати будь-який з двох елементів: $\frac(11)(2)$ або $\frac(39)(4)$. Елемент $\left(-\frac(5)(4) \right)$ вибрати не можна, бо він розташований у третьому рядку, який ми використовували на попередньому кроці. Виберемо елемент $\frac(11)(2)$, що у першому рядку. Зробимо так, щоб замість $\frac(11)(2)$ у першому рядку стала одиниця:

Тепер обнулимо відповідні елементи другого стовпця:

У подальших міркуваннях перший рядок використовувати не можна.

Третій крок

Потрібно обнулити всі елементи третього стовпця, крім одного. Нам треба вибрати якийсь відмінний від нуля елемент третього стовпця. Однак ми не можемо взяти $\frac(6)(11)$ або $\frac(13)(11)$, бо ці елементи розташовані в першому та третьому рядках, які ми використовували раніше. Вибір невеликий: залишається лише елемент $\frac(2)(11)$, що у другому рядку. Розділимо всі елементи другого рядка на $\frac(2)(11)$:

Тепер обнулимо відповідні елементи третього стовпця:

Перетворення методом Гаусса-Жордана завершено. Залишилося зробити так, щоб матриця до риси стала одиничною. Для цього доведеться змінювати порядок рядків. Для початку поміняємо місцями перший і третій рядки:

$$ \left(\begin(array) (ccc|ccc) 1 & 0 & 0 & 47/4 & -13/2 & -23/4 \\ 0 & 0 & 1 & -39/4 & 11/2 & 19/4 \\ 0 & 1 & 0 & 11/2 & -3 & -5/2 \end(array) \right) $$

Тепер поміняємо місцями другий і третій рядки:

$$ \left(\begin(array) (ccc|ccc) 1 & 0 & 0 & 47/4 & -13/2 & -23/4 \\ 0 & 1 & 0 & 11/2 & -3 & - 5/2 \\ 0 & 0 & 1 & -39/4 & 11/2 & 19/4 \end(array) \right) $$

Отже, $A^(-1)=\left(\begin(array) (ccc) 47/4 & -13/2 & -23/4 \\ 11/2 & -3 & -5/2 \\ - 39/4 & 11/2 & 19/4 \end(array) \right)$. Звичайно, рішення можна провести і по-іншому, вибираючи елементи, що стоять на головній діагоналі. Зазвичай саме так і роблять, бо в такому разі наприкінці рішення не доведеться міняти місцями рядки. Я навів попереднє рішення лише з однією метою: показати, що вибір рядка на кожному кроці не є принциповим. Якщо вибирати на кожному кроці діагональні елементи, рішення стане таким.

Як правило, зворотні операції використовуються для спрощення складних виразів алгебри. Наприклад, якщо в задачі є операція поділу на дріб, можна замінити її операцією множення на зворотний дріб, що є зворотною операцією. Понад те, матриці ділити не можна, тому треба множити на зворотну матрицю. Обчислювати матрицю, обернену до матриці розміром 3х3, досить втомлює, але потрібно вміти робити це вручну. Також обернену величину можна знайти за допомогою гарного графічного калькулятора.

Кроки

За допомогою приєднаної матриці

Транспонуйте вихідну матрицю.Транспонування – це заміна рядків на стовпці щодо головної діагоналі матриці, тобто необхідно поміняти місцями елементи (i,j) і (j,i). При цьому елементи головної діагоналі (починається у верхньому лівому кутку та закінчується у нижньому правому кутку) не змінюються.

  • Щоб змінити рядки на стовпці, запишіть елементи першого рядка у першому стовпці, елементи другого рядка у другому стовпці, а елементи третього рядка у третьому стовпці. Порядок зміни положення елементів показано малюнку, у якому відповідні елементи обведені кольоровими кружками.
  • Знайдіть визначити кожну матрицю розміром 2х2.Кожен елемент будь-якої матриці, включаючи транспоновану, пов'язаний із відповідною матрицею 2х2. Щоб знайти матрицю 2х2, яка відповідає певному елементу, закресліть рядок та стовпець, у яких знаходиться даний елемент, тобто потрібно закреслити п'ять елементів вихідної матриці 3х3. Незакресленими залишаться чотири елементи, які є елементами відповідної матриці 2х2.

    • Наприклад, щоб знайти матрицю 2х2 для елемента, який розташований на перетині другого рядка та першого стовпця, закресліть п'ять елементів, які знаходяться у другому рядку та першому стовпці. Чотири елементи, що залишилися, є елементами відповідної матриці 2х2.
    • Знайдіть визначник кожної матриці 2х2. Для цього добуток елементів другорядної діагоналі відніміть із добутку елементів головної діагоналі (дивіться малюнок).
    • Детальну інформацію про матриці 2х2, що відповідають певним елементам матриці 3х3, можна знайти в інтернеті.
  • Створіть матрицю кофакторів.Результати, отримані раніше, запишіть у вигляді нової матриці кофакторів. Для цього знайдений визначник кожної матриці 2х2 напишіть там, де був відповідний елемент матриці 3х3. Наприклад, якщо розглядається матриця 2х2 елемента (1,1), її визначник запишіть в позиції (1,1). Потім поміняйте знаки відповідних елементів згідно певної схеми, яка показана малюнку.

    • Схема зміни знаків: - знак першого елемента першого рядка не змінюється; знак другого елемента першого рядка змінюється на протилежний; знак третього елемента першого рядка не змінюється тощо рядково. Зверніть увагу, що знаки «+» та «-», які показані на схемі (дивіться малюнок), не свідчать про те, що відповідний елемент буде позитивним чи негативним. У даному випадкуЗнак "+" говорить про те, що знак елемента не змінюється, а знак "-" свідчить про зміну знака елемента.
    • Детальну інформацію про матриці кофакторів можна знайти в інтернеті.
    • Так ви знайдете приєднану матрицю вихідної матриці. Іноді її називають комплексно-сполученою матрицею. Така матриця позначається як adj(M).
  • Розділіть кожен елемент приєднаної матриці на визначник.Визначник матриці М було обчислено на самому початку, щоб перевірити, що зворотна матриця існує. Тепер поділіть кожен елемент приєднаної матриці на цей визначник. Результат кожної операції поділу запишіть там, де є відповідний елемент. Так ви знайдете матрицю, обернену до вихідної.

    • Визначник матриці, яка показана малюнку, дорівнює 1. Таким чином, тут приєднана матриця є зворотною матрицею (бо при розподілі будь-якого числа на 1 воно не змінюється).
    • У деяких джерелах операція поділу замінюється операцією множення на 1/det(М). При цьому кінцевий результат змінюється.
  • Запишіть зворотну матрицю.Запишіть елементи, розташовані на правій половині великої матриці, як окремої матриці, яка є зворотною матрицею.

    Введіть вихідну матрицю у пам'ять калькулятора.Для цього натисніть кнопку Matrix (Матриця), якщо вона є. У випадку калькулятора Texas Instruments, можливо, знадобиться натиснути кнопки 2nd та Matrix.

    Виберіть меню Edit (Редагування).Зробіть це за допомогою кнопок зі стрілками або відповідної функціональної кнопки, розташованої у верхній частині клавіатури калькулятора (розташування кнопки залежить від моделі калькулятора).

    Введіть позначку матриці.Більшість графічних калькуляторів вміє працювати із 3-10 матрицями, які можна позначити літерами А-J. Як правило, просто виберіть [A], щоб визначити вихідну матрицю. Потім натисніть кнопку Enter.

    Введіть розмір матриці.У цій статті йдеться про матриці 3х3. Але графічні калькулятори можуть працювати з матрицями великих розмірів. Введіть кількість рядків, натисніть кнопку Enter, потім введіть кількість стовпців та ще раз натисніть кнопку Enter.

    Введіть кожний елемент матриці.На екрані калькулятора з'явиться матриця. Якщо в калькулятор вже вводилася матриця, вона з'явиться на екрані. Курсор виділить перший елемент матриці. Введіть значення першого елемента та натисніть Enter. Курсор автоматично переміститься до наступного елемента матриці.

    Для будь-якої невиродженої матриці А існує і єдина матриця A -1 така, що

    A*A -1 =A -1 *A = E,

    де E - одинична матрицятих самих порядків, як і А. Матриця A -1 називається зворотної до матриці A.

    Якщо хтось забув, в одиничній матриці, крім діагоналі, заповненої одиницями, всі інші позиції заповнені нулями, приклад одиничної матриці:

    Знаходження зворотної матриці методом приєднаної матриці

    Зворотна матриця визначається формулою:

    де A ij - елементів a ij.

    Тобто. для обчислення зворотної матриці потрібно обчислити визначник цієї матриці. Потім знайти додатки алгебри для всіх її елементів і скласти з них нову матрицю. Далі потрібно транспортувати цю матрицю. І кожен елемент нової матриці розділити на визначник вихідної матриці.

    Розглянемо кілька прикладів.

    Знайти A-1 для матриці

    Розв'язання. Знайдемо A -1 методом приєднаної матриці. Маємо det A = 2. Знайдемо алгебраїчні доповнення елементів матриці A. У цьому випадку алгебраїчними доповненнями елементів матриці будуть відповідні елементи самої матриці, взяті зі знаком відповідно до формули

    Маємо A 11 = 3, A 12 = -4, A 21 = -1, A 22 = 2. Утворимо приєднану матрицю

    Транспортуємо матрицю A*:

    Знаходимо зворотну матрицю за формулою:

    Отримуємо:

    Методом приєднаної матриці знайти A-1, якщо

    Розв'язання. Перш за все обчислюємо визначтеся даної матриці, щоб переконатися в існуванні зворотної матриці. Маємо

    Тут ми додали до елементів другого рядка елементи третього рядка, помножені попередньо (-1), а потім розкрили визначник по другому рядку. Оскільки визначитеся даної матриці відмінний від нуля, то зворотна до неї матриця існує. Для побудови приєднаної матриці знаходимо додатки алгебри елементів даної матриці. Маємо

    Відповідно до формули

    транспортуємо матрицю A*:

    Тоді за формулою

    Знаходження зворотної матриці методом елементарних перетворень

    Крім методу знаходження зворотної матриці, що з формули (метод приєднаної матриці), існує метод знаходження зворотної матриці, званий методом елементарних перетворень.

    Елементарні перетворення матриці

    Елементарними перетвореннями матриці називаються такі перетворення:

    1) перестановка рядків (стовпців);

    2) множення рядка (стовпця) на число, відмінне від нуля;

    3) додавання до елементів рядка (стовпця) відповідних елементів іншого рядка (стовпця), попередньо помножених на деяке число.

    Для знаходження матриці A -1 побудуємо прямокутну матрицю В = (А|Е) порядків (n; 2n), приписуючи до матриці А справа одиничну матрицю Е через роздільну межу:

    Розглянемо приклад.

    Методом елементарних перетворень знайти A -1 якщо

    Рішення. Утворимо матрицю B:

    Позначимо рядки матриці B через 1 , 2 , 3 . Зробимо над рядками матриці B наступні перетворення.

    Знаходження зворотної матриці.

    У цій статті розберемося з поняттям зворотної матриці, її властивостями та способами знаходження. Детально зупинимося на рішенні прикладів, у яких потрібно побудувати зворотну матрицю для заданої.

    Навігація на сторінці.

      Зворотна матриця – визначення.

      Знаходження зворотної матриці за допомогою матриці з додатків алгебри.

      Властивості зворотної матриці.

      Знаходження зворотної матриці методом Гаусса-Жордана.

      Знаходження елементів зворотної матриці за допомогою розв'язання відповідних систем лінійних рівнянь алгебри.

    Зворотна матриця – визначення.

    Поняття зворотної матриці вводиться лише квадратних матриць, визначник яких відмінний від нуля, тобто для невироджених квадратних матриць.

    Визначення.

    Матрицяназивається зворотною для матриці, визначник якої відмінний від нуля , якщо справедливі рівність , де E- Поодинока матриця порядку nна n.

    Знаходження зворотної матриці за допомогою матриці з додатків алгебри.

    Як знайти зворотну матрицю для цієї?

    По-перше, нам знадобляться поняття транспонованої матриці, мінору матриці та алгебраїчного доповнення елемента матриці.

    Визначення.

    Мінорk-ого порядкуматриці Aпорядку mна n- Це визначник матриці порядку kна kяка виходить з елементів матриці А, що знаходяться у вибраних kрядках та kстовпці. ( kне перевищує найменшого з чисел mабо n).

    Мінор (n-1)-огопорядку, що складається з елементів усіх рядків, крім i-ий, і всіх стовпців, крім j-огоквадратної матриці Апорядку nна nпозначимо як .

    Іншими словами, мінор виходить із квадратної матриці Апорядку nна nвикреслюванням елементів i-ийрядки та j-огостовпця.

    Для прикладу запишемо, мінор Другогопорядку, який виходить з матриці вибором елементів її другого, третього рядків та першого, третього стовпців . Також покажемо мінор, який виходить із матриці викресленням другого рядка та третього стовпця . Проілюструємо побудову цих мінорів: і .

    Визначення.

    Алгебраїчним доповненнямелемента квадратної матриці називають мінор (n-1)-огопорядку, який виходить із матриці А, викресленням елементів її i-ийрядки та j-огостовпця, помножений на .

    Алгебраїчне доповнення елемента позначається як . Таким чином, .

    Наприклад, для матриці Алгебраїчне доповнення елемента є.

    По-друге, нам знадобляться дві властивості визначника, які ми розібрали у розділі обчислення визначника матриці:

    На підставі цих властивостей визначника, визначення операції множення матриці на числоі поняття зворотної матриці справедлива рівність , де - транспонована матриця, елементами якої є додатки алгебри .

    Матриця дійсно є зворотною для матриці А, оскільки виконуються рівності . Покажемо це

    Складемо алгоритм знаходження зворотної матриціз використанням рівності .

    Розберемо алгоритм знаходження зворотної матриці з прикладу.

    приклад.

    Дана матриця . Знайдіть зворотну матрицю.

    Рішення.

    Обчислимо визначник матриці А, Розклавши його за елементами третього стовпця:

    Визначник відмінний від нуля, тому матриця Аоборотна.

    Знайдемо матрицю з додатків алгебри:

    Тому

    Виконаємо транспонування матриці з додатків алгебри:

    Тепер знаходимо зворотну матрицю як :

    Перевіряємо отриманий результат:

    Рівності виконуються, отже, зворотна матриця знайдена правильно.

    Властивості зворотної матриці.

    Поняття зворотної матриці, рівність , визначення операцій над матрицями та властивості визначника матриці дозволяють обґрунтувати наступні властивості зворотної матриці:

    Знаходження елементів зворотної матриці за допомогою розв'язання відповідних систем лінійних рівнянь алгебри.

    Розглянемо ще один спосіб знаходження зворотної матриці для квадратної матриці Апорядку nна n.

    Цей метод заснований на вирішенні nсистем лінійних неоднорідних алгебраїчних рівнянь з nневідомими. Невідомими змінними цих системах рівнянь є елементи зворотної матриці.

    Ідея дуже проста. Позначимо зворотну матрицю як X, тобто, . Так як за визначенням зворотної матриці, то

    Прирівнюючи відповідні елементи по стовпцям, отримаємо nсистем лінійних рівнянь

    Вирішуємо їх у будь-який спосіб і зі знайдених значень складаємо зворотну матрицю.

    Розберемо цей спосіб з прикладу.

    приклад.

    Дана матриця . Знайдіть зворотну матрицю.

    Рішення.

    Приймемо . Рівність дає нам три системи лінійних неоднорідних рівнянь алгебри:

    Не розписуватимемо рішення цих систем, при необхідності звертайтеся до розділу вирішення систем лінійних рівнянь алгебри.

    З першої системи рівнянь маємо, з другої -, з третьої -. Отже, потрібна зворотна матриця має вигляд . Рекомендуємо перевірити, щоб переконатися в правильності результату.

    Підіб'ємо підсумок.

    Ми розглянули поняття зворотної матриці, її властивості та три методи її знаходження.

    Приклад рішень методом зворотної матриці

    Завдання 1.Вирішити СЛАУ методом зворотної матриці. 2 x 1 + 3x 2 + 3x 3 + x 4 = 1 3 x 1 + 5x 2 + 3x 3 + 2x 4 = 2 5 x 1 + 7x 2 + 6x 3 + 2x 4 = 3 4 x 1 + 4x 2 + 3x 3 + х 4 = 4

    Початок форми

    Кінець форми

    Рішення. Запишемо матрицю у вигляді: Вектор B: B T = (1,2,3,4) Головний визначник Мінор для (1,1): = 5 (6 1-3 2)-7 (3 1-3 2)+4 ( 3 2-6 2) = -3 Мінор для (2,1): = 3 (6 1-3 2)-7 (3 1-3 1)+4 (3 2-6 1) = 0 Мінор для (3 ,1): = 3 (3 1-3 2)-5 (3 1-3 1)+4 (3 2-3 1) = 3 Мінор для (4,1): = 3 (3 2-6 2) -5 (3 2-6 1)+7 (3 2-3 1) = 3 Визначник мінору ∆ = 2 (-3)-3 0+5 3-4 3 = -3

    Транспонована матрицяАлгебраїчні доповнення ∆ 1,1 = 5 (6 1-2 3)-3 (7 1-2 4)+2 (7 3-6 4) = -3 ∆ 1,2 = -3 (6 1-2 3) -3 (7 1-2 4)+1 (7 3-6 4) = 0 ∆ 1,3 = 3 (3 1-2 3)-3 (5 1-2 4)+1 (5 3-3 4 ) = 3 ∆ 1,4 = -3 (3 2-2 6)-3 (5 2-2 7)+1 (5 6-3 7) = -3 ∆ 2,1 = -3 (6 1-2 3)-3 (5 1-2 4)+2 (5 3-6 4) = 9 ∆ 2,2 = 2 (6 1-2 3)-3 (5 1-2 4)+1 (5 3- 6 4) = 0 ∆ 2,3 = -2 (3 1-2 3)-3 (3 1-2 4)+1 (3 3-3 4) = -6 ∆ 2,4 = 2 (3 2- 2 6)-3 (3 2-2 5)+1 (3 6-3 5) = 3 ∆ 3,1 = 3 (7 1-2 4)-5 (5 1-2 4)+2 (5 4 -7 4) = -4 ∆ 3,2 = -2 (7 1-2 4)-3 (5 1-2 4)+1 (5 4-7 4) = 1 ∆ 3,3 = 2 (5 1 -2 4)-3 (3 1-2 4)+1 (3 4-5 4) = 1 ∆ 3,4 = -2 (5 2-2 7)-3 (3 2-2 5)+1 ( 3 7-5 5) = 0 ∆ 4,1 = -3 (7 3-6 4)-5 (5 3-6 4)+3 (5 4-7 4) = -12 ∆ 4,2 = 2 ( 7 3-6 4)-3 (5 3-6 4)+3 (5 4-7 4) = -3 ∆ 4,3 = -2 (5 3-3 4)-3 (3 3-3 4) +3 (3 4-5 4) = 9 ∆ 4,4 = 2 (5 6-3 7)-3 (3 6-3 5)+3 (3 7-5 5) = -3 Зворотна матриця Вектор результатів X X = A -1 ∙ B X T = (2,-1,-0.33,1) x 1 = 2 x 2 = -1 x 3 = -0.33 x 4 = 1

    див. також рішень СЛАУ методом зворотної матриці online. Для цього введіть свої дані та отримайте рішення з докладними коментарями.

    Завдання 2. Систему рівнянь записати у матричній формі та вирішити її за допомогою зворотної матриці. Зробити перевірку одержаного рішення. Рішення:xml:xls

    Приклад 2. Записати систему рівнянь у матричній формі та вирішити за допомогою зворотної матриці. Рішення:xml:xls

    приклад. Дано систему трьох лінійних рівнянь із трьома невідомими. Потрібно: 1) знайти її рішення за допомогою формул Крамера; 2) записати систему в матричній формі та вирішити її засобами матричного обчислення. Методичні рекомендації. Після рішення методом Крамера знайдіть кнопку "Рішення методом зворотної матриці для вихідних даних". Ви отримаєте відповідне рішення. Таким чином, дані знову заповнювати не доведеться. Рішення. Позначимо через А - матрицю коефіцієнтів за невідомих; X - матрицю-стовпець невідомих; B - матрицю-стовпець вільних членів:

    Вектор B: B T =(4,-3,-3) З урахуванням цих позначень дана система рівнянь набуває наступної матричної форми: А*Х = B. Якщо матриця А - невироджена (її визначник відмінний від нуля, то вона має зворотну матрицю А -1 . Помноживши обидві частини рівняння на А -1 отримаємо: А -1 * А * Х = А -1 * B, А -1 * А = Е. матричним записом розв'язання системи лінійних рівнянь. Для знаходження рішення системи рівнянь необхідно обчислити обернену матрицю А-1. Система матиме рішення, якщо визначник матриці A відмінний від нуля. Знайдемо головний визначник. ∆=-1 (-2 (-1)-1 1)-3 (3 (-1)-1 0)+2 (3 1-(-2 0))=14 Отже, визначник 14 ≠ 0, тому продовжуємо рішення. Для цього знайдемо зворотну матрицю через додатки алгебри. Нехай маємо невироджену матрицю А:

    Обчислюємо додатки алгебри.

    ∆ 1,1 =(-2 (-1)-1 1)=1

    ∆ 1,2 =-(3 (-1)-0 1)=3

    ∆ 1,3 =(3 1-0 (-2))=3

    ∆ 2,1 =-(3 (-1)-1 2)=5

    ∆ 2,2 =(-1 (-1)-0 2)=1

    ∆ 2,3 =-(-1 1-0 3)=1

    ∆ 3,1 =(3 1-(-2 2))=7

    ∆ 3,2 =-(-1 1-3 2)=7

    X T = (-1,1,2) x 1 = -14 / 14 = -1 x 2 = 14 / 14 = 1 x 3 = 28 / 14 = 2 Перевірка. -1 -1+3 1+0 2=4 3 -1+-2 1+1 2=-3 2 -1+1 1+-1 2=-3 doc:xml:xls Відповідь: -1,1,2.

    Матриця $A^(-1)$ називається зворотною по відношенню до квадратної матриці$A$, якщо виконано умову $A^(-1)\cdot A=A\cdot A^(-1)=E$, де $E$ – одинична матриця, порядок якої дорівнює порядку матриці $A$.

    Невироджена матриця - матриця, визначник якої не дорівнює нулю. Відповідно, вироджена матриця - та, у якої дорівнює нулю визначник.

    Зворотна матриця $A^(-1)$ існує і тоді, коли матриця $A$ – невироджена. Якщо зворотна матриця $A^(-1)$ існує, вона єдина.

    Є кілька способів знаходження зворотної матриці, і ми розглянемо два їх. На цій сторінці буде розглянуто метод приєднаної матриці, який належить стандартним у більшості курсів вищої математики. Другий спосіб знаходження зворотної матриці (метод елементарних перетворень), який передбачає використання методу Гаусса або Гаусса-Жордана, розглянутий у другій частині .

    Метод приєднаної (союзної) матриці

    Нехай задано матрицю $A_(n\times n)$. Для того щоб знайти зворотну матрицю $A^(-1)$, потрібно здійснити три кроки:

    1. Знайти визначник матриці $A$ і переконатися, що $Delta Aneq 0$, тобто. що матриця А – невироджена.
    2. Скласти алгебраїчні доповнення $A_(ij)$ кожного елемента матриці $A$ і записати матрицю $A_(n\times n)^(*)=\left(A_(ij) \right)$ зі знайдених додатків алгебри.
    3. Записати зворотну матрицю з урахуванням формули $A^(-1)=\frac(1)(\Delta A)\cdot (A^(*))^T$.

    Матрицю $(A^(*))^T$ найчастіше називають приєднаної (взаємної, союзної) до матриці $A$.

    Якщо рішення відбувається вручну, перший спосіб хороший лише для матриць порівняно невеликих порядків: другого (), третього (), четвертого (). Щоб знайти зворотну матрицю для матриці вищого порядку, використовуються інші методи Наприклад, метод Гауса, який розглянуто у другій частині.

    Приклад №1

    Знайти матрицю, зворотну до матриці $A=\left(\begin(array) (cccc) 5 & -4 &1 & 0 12 &-11 &4 & 0 \\ -5 & 58 &4 & 0 \ 1 & -9 & 0 \end(array) \right)$.

    Так як всі елементи четвертого стовпця дорівнюють нулю, то $ Delta A = 0 $ (тобто матриця $ A $ є виродженою). Оскільки $\Delta A=0$, зворотної матриці до матриці $A$ немає.

    Приклад №2

    Знайти матрицю, зворотну до матриці $A=\left(\begin(array) (cc) -5 & 7 \ 9 & 8 \end(array)\right)$.

    Використовуємо метод приєднаної матриці. Спочатку знайдемо визначник заданої матриці $A$:

    $$ \Delta A=\left| \begin(array) (cc) -5 & 7\ 9 & 8 \end(array)\right|=-5\cdot 8-7\dot 9=-103. $$

    Так як $ \ Delta A \ neq 0 $, то зворотна матриця існує, тому продовжимо рішення. Знаходимо додатки алгебри

    \begin(aligned) & A_(11)=(-1)^2\cdot 8=8; \; A_(12)=(-1)^3\cdot 9=-9;\\ & A_(21)=(-1)^3\cdot 7=-7; \; A_(22)=(-1)^4\cdot (-5)=-5.\\end(aligned)

    Складаємо матрицю з додатків алгебри: $A^(*)=\left(\begin(array) (cc) 8 & -9\\ -7 & -5 \end(array)\right)$.

    Транспонуємо отриману матрицю: $(A^(*))^T=\left(\begin(array) (cc) 8 & -7\ -9 & -5 \end(array)\right)$ (отримана матриця часто називається приєднаною чи союзною матрицею до матриці $A$). Використовуючи формулу $A^(-1)=\frac(1)(\Delta A)\cdot (A^(*))^T$, маємо:

    $$ A^(-1)=\frac(1)(-103)\cdot \left(\begin(array) (cc) 8 & -7\\ -9 & -5 \end(array)\right) =\left(\begin(array) (cc) -8/103 & 7/103\\ 9/103 & 5/103 \end(array)\right) $$

    Отже, зворотну матрицю знайдено: $A^(-1)=\left(\begin(array) (cc) -8/103 & 7/103\9/103 & 5/103 \end(array)\right) $. Щоб перевірити істинність результату, достатньо перевірити істинність однієї з рівностей: $A^(-1)\cdot A=E$ або $A\cdot A^(-1)=E$. Перевіримо виконання рівності $A^(-1)\cdot A=E$. Щоб поменше працювати з дробами, підставлятимемо матрицю $A^(-1)$ не у формі $\left(\begin(array) (cc) -8/103 & 7/103\\ 9/103 & 5/103 \ end(array)\right)$, а у вигляді $-\frac(1)(103)\cdot \left(\begin(array) (cc) 8 & -7\ -9 & -5 \end(array )\right)$:

    Відповідь: $A^(-1)=\left(\begin(array) (cc) -8/103 & 7/103\\ 9/103 & 5/103 \end(array)\right)$.

    Приклад №3

    Знайти зворотну матрицю для матриці $A=\left(\begin(array) (ccc) 1 & 7 & 3 \-4 & 9 & 4 \\ 0 & 3 & 2\end(array) \right)$.

    Почнемо з обчислення визначника матриці $A$. Отже, визначник матриці $A$ такий:

    $$ \Delta A=\left| \begin(array) (ccc) 1 & 7 & 3 \\ -4 & 9 & 4 \\ 0 & 3 & 2\end(array) \right| = 18-36 +56-12 = 26. $$

    Так як $ \ Delta A \ neq 0 $, то зворотна матриця існує, тому продовжимо рішення. Знаходимо додатки алгебри кожного елемента заданої матриці:

    Складаємо матрицю з додатків алгебри і транспонуємо її:

    $$ A^*=\left(\begin(array) (ccc) 6 & 8 & -12 \ -5 & 2 & -3 \\ 1 & -16 & 37\end(array) \right); \; (A^*)^T=\left(\begin(array) (ccc) 6 & -5 & 1 \\ 8 & 2 & -16 \\ -12 & -3 & 37\end(array) \right) $$

    Використовуючи формулу $A^(-1)=\frac(1)(\Delta A)\cdot (A^(*))^T$, отримаємо:

    $$ A^(-1)=\frac(1)(26)\cdot \left(\begin(array) (ccc) 6 & -5 & 1 \\ 8 & 2 & -16 \\ -12 & - 3 & 37\end(array) \right)= \left(\begin(array) (ccc) 3/13 & -5/26 & 1/26 \\ 4/13 & 1/13 & -8/13 \ \ -6/13 & -3/26 & 37/26 \end(array) \right) $$

    Отже, $A^(-1)=\left(\begin(array) (ccc) 3/13 & -5/26 & 1/26 \\ 4/13 & 1/13 & -8/13 \\ - 6/13 & -3/26 & 37/26 \end(array) \right)$. Щоб перевірити істинність результату, достатньо перевірити істинність однієї з рівностей: $A^(-1)\cdot A=E$ або $A\cdot A^(-1)=E$. Перевіримо виконання рівності $A\cdot A^(-1)=E$. Щоб поменше працювати з дробами, будемо підставляти матрицю $A^(-1)$ не у формі $\left(\begin(array) (ccc) 3/13 & -5/26 & 1/26 \\ 4/13 & 1/13 & -8/13 \ -6/13 & -3/26 & 37/26 \end(array) \right)$, а у вигляді $\frac(1)(26)\cdot \left( \begin(array) (ccc) 6 & -5 & 1 \\ 8 & 2 & -16 \\ -12 & -3 & 37\end(array) \right)$:

    Перевірку пройдено успішно, зворотна матриця $A^(-1)$ знайдена правильно.

    Відповідь: $A^(-1)=\left(\begin(array) (ccc) 3/13 & -5/26 & 1/26 \\ 4/13 & 1/13 & -8/13 \\ -6 /13 & -3/26 & 37/26 \end(array) \right)$.

    Приклад №4

    Знайти матрицю, зворотну матриці $A=\left(\begin(array) (cccc) 6 & -5 & 8 & 4\\ 9 & 7 & 5 & 2 \7 & 5 & 3 & 7 \\ 8 & -8 & -3 \end(array) \right)$.

    Для матриці четвертого порядку знаходження зворотної матриці за допомогою додатків алгебри дещо важко. Однак такі приклади в контрольні роботитрапляються.

    Щоб знайти зворотну матрицю, спочатку потрібно обчислити визначник матриці $A$. Найкраще в цій ситуації це зробити за допомогою розкладання визначника по рядку (стовпцю). Вибираємо будь-який рядок або стовпець і знаходимо додатки алгебри кожного елемента обраного рядка або стовпця.



    Схожі статті
  • 2024 parki48.ru. Будуємо каркасний будинок. Ландшафтний дизайн. Будівництво. Фундамент.