Matrice inversabilă

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

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

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: grup general liniar .
  • 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

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Sistem de ecuații 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

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Matrice de cofactori și Cofactor (matematică) .

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

  1. ^ S. Lang , pagina 68 .
  2. ^ Hoffman, Kunze , p. 22 .
  3. ^ Un raționament similar se aplică și pentru , dar aici Și trebuie să fie vectori de rând.
  4. ^ Hoffman, Kunze , p. 23 .

Bibliografie

Elemente conexe

linkuri externe

Matematica Portalul de matematică : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de matematică