Matrice inversabilă
În matematică , în special în algebra liniară , o matrice pătrată se numește inversabilă sau ajustată, dacă există o altă matrice astfel încât produsul matricial dintre cele două să returneze matricea identității .
Ansamblul matricilor inversabile de dimensiuni este un grup multiplicativ în raport cu operația obișnuită a produsului cu matrice; o astfel de structură algebrică se numește grup liniar general și se notează cu simbolul .
Definiție
O matrice pătrată se numește inversibil dacă există o matrice astfel încât: [1]
unde este denotă matricea identității iar înmulțirea utilizată este înmulțirea obișnuită a matricilor .
Dacă acesta este cazul, atunci matricea este determinat în mod unic de iar 'inversul se numește , indicat cu .
În definiție, matricile Și Au valori într-un inel cu unitate .
Definiții echivalente
O matrice Este singular dacă are zero determinant . Dintre afirmațiile enumerate mai jos, cea mai importantă este că dacă are valori într-un câmp , cum ar fi cel al numerelor reale sau complexe , matricea este inversabilă dacă și numai dacă este non-singular.
Este o matrice pătrată cu valori într-un câmp (de exemplu, câmpul numerelor reale sau complexe ).
Următoarele afirmații sunt echivalente și caracterizează o matrice inversabil:
- Există o matrice astfel încât .
- Determinantul nu este nul: .
- Gradul de Și .
- Transpusul este o matrice inversabilă.
- Ecuația L (cu Și vectori coloană în ) are doar soluția banală .
- Ecuația L are exact o soluție pentru fiecare în .
- Coloanele din Ele sunt liniar independente .
- Liniile de Ele sunt liniar independente .
- Coloanele din Genera .
- Coloanele din formând o bază de .
- Aplicatia liniara din în dat de: Este bijectiv .
- Numărul 0 nu este o valoare proprie a .
- Este convertibil în matricea identității prin algoritmul ' Gauss-Jordan .
- Este transformabil folosind algoritmul Gauss-Jordan într-o matrice în trepte cu Pivot .
Proprietate
- Inversul unei matrice inversabile este în sine reversibilă și are: [2]
- Produsul a două matrice inversabile Și este încă inversabilă, cu inversul dat de:
Ca o consecință a proprietăților anterioare, setul de matrice inversabile Constituie un grup cu multiplicare, cunoscut sub numele de grup liniar general .
Deoarece matricile inversabile formează un grup, ele pot fi în multe cazuri manipulate ca și cum ar fi numere reale . De exemplu:
- De sine Și sunt inversabile, ecuația are o singură soluție, dată de . În mod similar are ca singura solutie .
Matrici reale
Pe câmpul numerelor reale mulțimea tuturor matricilor este un spațiu vectorial izomorf la , Și subsetul matricilor neinversibile este un set nul , adică are măsura Lebesgue zero, fiind mulțimea zerourilor determinantului funcției, care este un polinom . Intuitiv, acest lucru înseamnă că probabilitatea ca o matrice pătrată aleatorie la valorile reale să nu fie inversabilă este zero. Aproximativ vorbind, se spune că „aproape toate” matricile sunt inversabile.
Matrice inversabilă într-un inel
Teorema matricei inversabile nu se aplică în general într-un inel comutativ . În acest caz, matricea este inversabilă dacă și numai dacă determinantul său este o unitate , care este inversabilă, în acest inel.
Sisteme liniare
De sine este inversabilă, ecuația are o singură soluție, dată de . În mod similar are ca singura solutie .
În cazul particular în care Și au dimensiuni , Care sunt vectori de coloană , ecuația reprezintă un sistem liniar, unde este matricea coeficienților. [3]
este inversabil dacă sistemul are o soluție unică sau, echivalent, dacă sistemul omogen asociat are vectorul nul ca singură soluție. [4]
Calculul matricei inverse
Există diverse metode pentru calcularea inversului unei matrice pătrate inversabile .
Matrici de ordine 2
Matricea inversă a unei matrice 2 pentru 2 inversabile:
este următorul:
Metoda matricei cofactorilor
Metoda matricei cofactorilor este deosebit de rapidă atunci când nu este interesată să calculeze toate elementele matricei inverse și când matricea are o dimensiune limitată. De asemenea, având variabile literal între elemente nu crește foarte mult complexitatea calculului.
Având în vedere o matrice pătrat și inversabil:
inversul său este următorul:
unde este Este determinantul , matricea Este matricea cofactorilor (sau a complementelor algebrice) și a exponentului Indică operațiunea de transpunere a matricilor.
O schemă mnemonică pentru schimbarea semnului este următorul:
Algoritm Gauss-Jordan
Algoritmul L ' Gauss-Jordan poate fi folosit pentru a găsi (dacă există) inversul unei matrice. Funcționează după cum urmează: fie o matrice inversabilă. Matricea este construită cu linii și coloane una lângă alta și matricea identității . Acum aplicați algoritmul lui Gauss-Jordan la noul . Acest algoritm transformă matricea într-o matrice în trepte, care va fi de tipul . Matricea astfel găsit este doar inversul lui .
Următorul exemplu arată că inversul:
este matricea:
Intr-adevar:
În primul pas, primul rând a fost multiplicat cu , în al doilea primul rând a fost adăugat la al doilea rând, în al treilea al doilea rând a fost înmulțit cu , în al patrulea pas, al doilea rând a fost adăugat la primul rând și, în cele din urmă, în ultimul pas, primul rând a fost împărțit la iar al doilea pentru . În acest fel am pornit de la o matrice de și a ajuns la . Are asta este inversul .
Inversul unei matrici partiționate
Având o matrice de bloc partiționată :
în care submatrixurile de pe diagonală Și sunt pătrate și nu singular, se poate arăta că inversul lui este egal cu:
unde este Este o matrice de identitate de ordine adecvată și:
adică:
cu:
Notă
- ^ S. Lang , Pag. 68.
- ^ Hoffman, Kunze , p. 22.
- ^ Un raționament similar se aplică și pentru , dar aici Și trebuie să fie vectori de rând.
- ^ Hoffman, Kunze , Pag. 23.
Bibliografie
- Serge Lang, Algebra liniară , Torino, Bollati Boringhieri , 1992, ISBN 88-339-5035-2 .
- (EN) Kenneth Hoffman, Ray Kunze, Algebra liniară , ediția a II-a, Englewood Cliffs, NJ, Prentice - Hall, inc., 1971, ISBN 0-13-536821-9 .
- (EN) Roger A. Horn și Charles R. Johnson, Matrix Analysis, Cambridge University Press , 1985, p. 14, ISBN 978-0-521-38632-6 .
- (EN) Gilbert Strang, Introduction to Linear Algebra , 3rd, SIAM, 2003, p. 71, ISBN 0-9614088-9-8 . , Capitolul 2, pagina 71
- (EN) Dennis Bernstein, Matrix Mathematics, Princeton University Press, 2005, p. 44, ISBN 0-691-11802-7 .
Elemente conexe
- Cofactor (matematică)
- Grup general liniar
- Matrice de cofactori
- Matricea pătrată
- Matrice de identitate
- Matricea involutivă
- Înmulțirea matricilor
- Sistem de ecuații liniare
- Pseudo-invers
linkuri externe
- (EN) Kh.D. Ikramov, Inversion of a matrix , în Encyclopedia of Mathematics , Springer and the European Mathematical Society, 2002.
- (EN) Eric W. Weisstein, matrice nesingulară , în MathWorld Wolfram Research.
- (EN) Matrix Mathematics: Theory, Facts, and Formula at Google books
- (EN) Equations Solver Online pe solvingequations.net. Adus la 24 aprilie 2019 (depus de „url original 18 martie 2016).
- (EN) Prelegere despre matricile inverse de Khan Academy , pe khanacademy.org (depusă de „Original url la 3 noiembrie 2011).
- (EN) Prelegere de algebră liniară despre matrici inverse de MIT pe ocw.mit.edu.
- (EN) LAPACK este o colecție de subrutine Fortran pentru rezolvarea problemelor de algebră liniară densă
- Program care calculează inversul unei matrice , pe evinive.altervista.org . Adus 21 iulie 2021 (depus de „Adresa URL originală 22 aprilie 2016).
- Program paralel MPI pentru a calcula inversa unei matrice , a parallelknoppix.info. Adus la 10 aprilie 2011 (depus de „url original 13 ianuarie 2012).