Matrice inversabilă
În matematică , în special în algebra liniară , o matrice pătrată se numește inversabilă sau regulată , dacă există o altă matrice astfel încât produsul matricial dintre cele două să returneze matricea identității .
Setul de matrice inversabile de dimensiuni este un grup multiplicativ în raport cu operația obișnuită a produsului cu matrice; această structură algebrică se numește grup liniar general și este indicată de simbol .
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 și se numește inversul lui , indicat cu .
În definiție, matricile Și au valori într-un inel cu unități .
Definiții echivalente
O matrice este singular dacă are un determinant egal cu zero. Dintre afirmațiile enumerate mai jos, cea mai importantă este că dacă are valori într-un câmp , precum cel al numerelor reale sau complexe , matricea este inversabilă dacă și numai dacă nu este singulară.
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 (cu Și vectori coloană în ) are doar soluția banală .
- Ecuația are exact o soluție pentru fiecare în .
- Coloanele din sunt liniar independenți .
- Liniile de sunt liniar independenți .
- Coloanele din Genera .
- Coloanele din formează o bază de .
- Aplicația liniară din în dat de: este bijectiv .
- Numărul 0 nu este o valoare proprie a .
- poate fi transformat în matrice identitară prin algoritmul Gauss-Jordan .
- este transformabil prin intermediul algoritmului Gauss-Jordan într-o matrice în trepte cu pivot .
Proprietate
- Inversul unei matrice inversabile ea însăși este inversabilă și avem: [2]
- Produsul a două matrice inversabile Și este încă inversabilă, cu inversul dat de:
Ca o consecință a proprietăților anterioare, setul de matrice inversabile formează 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 vector izomorf a , iar subsetul matricilor neinversibile este un set nul , adică are măsura Lebesgue zero, fiind mulțimea zerourilor funcției determinante , care este un polinom . Intuitiv, acest lucru înseamnă că probabilitatea ca o matrice pătrată aleatorie cu valoare reală 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 menține în general într-un inel comutativ . În acest caz, matricea este inversabilă dacă și numai dacă determinantul său este o unitate , adică 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 , adică 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 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 complementelor algebrice ) și a exponentului indică funcționarea matricilor de transpunere .
O schemă mnemonică pentru schimbarea semnului este următorul:
Algoritm Gauss-Jordan
Algoritmul Gauss-Jordan poate fi folosit pentru a găsi (atunci când 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 . În acest moment, algoritmul Gauss-Jordan este aplicat noului . 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 în vedere o matrice partiționată în bloc :
unde submatrixurile de pe diagonală Și sunt pătrate și nu singulare, se poate arăta că inversul lui este egal cu:
unde este este o matrice de identitate de ordinea adecvată și:
adică:
cu:
Notă
- ^ S. Lang , pagina 68 .
- ^ Hoffman, Kunze , p. 22 .
- ^ Un raționament similar se aplică și pentru , dar aici Și trebuie să fie vectori de rând.
- ^ Hoffman, Kunze , p. 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, Introducere în algebra liniară , 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 Enciclopedia Matematicii , Springer și 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 (arhivat din original la 18 martie 2016) .
- ( EN ) Prelegere despre matricile inverse de Khan Academy , pe khanacademy.org (arhivat din original la 3 noiembrie 2011) .
- ( EN ) Prelegere de algebră liniară despre matricile 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 la 21 iulie 2021 (Arhivat din original la 22 aprilie 2016) .
- Program paralel MPI pentru a calcula inversa unei matrice , la parallelknoppix.info . Adus la 10 aprilie 2011 (arhivat din original la 13 ianuarie 2012) .