AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Алгоритм вычисления обратной матрицы с помощью алгебраических дополнений: метод присоединённой (союзной) матрицы.

Матрица \(\displaystyle{A^{-1}}\) называется обратной по отношению к квадратной матрице \(\displaystyle{A}\), если выполнено условие \(\displaystyle{A^{-1}\cdot A=A\cdot A^{-1}=E}\), где \(\displaystyle{E}\) – единичная матрица, порядок которой равен порядку матрицы \(\displaystyle{A}\).

Если обратная матрица \(\displaystyle{A^{-1}}\) существует, то она единственная. При этом обратная матрица существует тогда и только тогда, когда матрица \(\displaystyle{A}\) невырожденная.

Невырожденная матрица – матрица, определитель которой не равен нулю. Соответственно, вырожденная матрица – та, у которой равен нулю определитель.

Есть несколько способов нахождения обратной матрицы. На этой странице будет рассмотрен метод присоединённой матрицы, который полагается стандартным в большинстве курсов высшей математики. Второй способ нахождения обратной матрицы (метод элементарных преобразований), который предполагает использование метода Гаусса или метода Гаусса-Жордана, рассмотрен в иной теме.

Пусть задана квадратная матрица \(\displaystyle{A_{n\times{n}}}\). Для того, чтобы найти обратную матрицу \(\displaystyle{A^{-1}}\), требуется осуществить три шага:

  1. Найти определитель матрицы \(\displaystyle{A}\) и убедиться, что \(\displaystyle{\Delta{A}\neq{0}}\), т.е. что матрица \(\displaystyle{A}\) – невырожденная.
  2. Составить алгебраические дополнения \(\displaystyle{A_{ij}}\) каждого элемента матрицы \(\displaystyle{A}\) и записать матрицу \(\displaystyle{\overline{A}_{n\times{n}}=\left(A_{ij}\right)}\) из найденных алгебраических дополнений.
  3. Записать обратную матрицу согласно формуле \(\displaystyle{A^{-1}=\frac{1}{\Delta A}\cdot \overline{A}^T}\).

Матрицу \(\displaystyle{\overline{A}^T}\) часто именуют присоединённой (взаимной, союзной) к матрице \(\displaystyle{A}\).

Рассматриваемый способ хорош лишь для матриц сравнительно небольших порядков: второго (задача №2) или третьего (задача №3). Для матриц более высоких порядков лучше применять упомянутый выше метод Гаусса.

Задача №1

Условие

Найти матрицу, обратную к матрице \(\displaystyle{A=\left( \begin{array} {cccc} 5 & -4 &1 & 0 \\ 12 &-11 &4 & 0 \\ -5 & 58 &4 & 0 \\ 3 & -1 & -9 & 0 \end{array} \right)}\).

Решение

Так как все элементы четвёртого столбца равны нулю, то \(\displaystyle{\Delta{A}=0}\) (т.е. матрица \(\displaystyle{A}\) является вырожденной). Так как \(\displaystyle{\Delta A=0}\), то обратной матрицы к матрице \(\displaystyle{A}\) не существует.

Ответ:

Матрица \(\displaystyle{A^{-1}}\) не существует.

Задача №2

Условие

Найти матрицу, обратную к матрице \(\displaystyle{A=\left(\begin{array} {cc} -5 & 7 \\ 9 & 8 \end{array}\right)}\). Выполнить проверку.

Решение

Используем метод присоединённой матрицы. Сначала найдем определитель заданной матрицы \(\displaystyle{A}\):

\[ \Delta{A} =\left| \begin{array} {cc} -5 & 7\\ 9 & 8 \end{array}\right|=-5\cdot 8-7\cdot 9 =-103. \]

Так как \(\displaystyle{\Delta{A}\neq{0}}\), то обратная матрица существует, посему продолжим решение. Находим алгебраические дополнения каждого элемента заданной матрицы:

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

Составляем матрицу из алгебраических дополнений: \(\displaystyle{\overline{A}=\left( \begin{array} {cc} 8 & -9\\ -7 & -5 \end{array}\right)}\).

Транспонируем найденную матрицу: \(\displaystyle{\overline{A}^T=\left(\begin{array} {cc} 8 & -7\\ -9 & -5 \end{array}\right)}\). Используя формулу \(\displaystyle{A^{-1}=\frac{1}{\Delta A}\cdot\overline{A}^T}\), имеем:

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

Чтобы проверить правильность результата, достаточно проверить истинность одного из равенств: \(\displaystyle{A^{-1}\cdot A=E}\) или \(\displaystyle{A\cdot A^{-1}=E}\). Проверим выполнение равенства \(\displaystyle{A^{-1}\cdot A=E}\). Дабы поменьше работать с дробями, будем подставлять матрицу \(\displaystyle{A^{-1}}\) не в форме \(\displaystyle{\left( \begin{array} {cc} -8/103 & 7/103\\ 9/103 & 5/103 \end{array}\right)}\), а в виде \(\displaystyle{-\frac{1}{103}\cdot \left( \begin{array} {cc} 8 & -7\\ -9 & -5 \end{array}\right)}\):

\[ A^{-1}\cdot{A} =-\frac{1}{103}\cdot \left( \begin{array} {cc} 8 & -7\\ -9 & -5 \end{array}\right)\cdot\left(\begin{array} {cc} -5 & 7 \\ 9 & 8 \end{array}\right) =-\frac{1}{103}\cdot\left(\begin{array} {cc} -103 & 0 \\ 0 & -103 \end{array}\right) =\left(\begin{array} {cc} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array}\right) =E \]

Проверка пройдена успешно, обратная матрица \(\displaystyle{A^{-1}}\) найдена верно.

Ответ:

\(\displaystyle{A^{-1}=\left( \begin{array} {cc} -8/103 & 7/103\\ 9/103 & 5/103 \end{array}\right)}\).

Задача №3

Условие

Найти обратную матрицу для матрицы \(\displaystyle{A=\left( \begin{array} {ccc} 1 & 7 & 3 \\ -4 & 9 & 4 \\ 0 & 3 & 2\end{array} \right)}\). Выполнить проверку.

Решение

Начнём с вычисления определителя матрицы \(\displaystyle{A}\). Можно, разумеется, применить стандартную формулу, однако выгоднее найти алгебраические дополнения элементов первой строки и выполнить разложение определителя по первой строке. Дело в том, что на втором шаге нам всё равно придётся вычислять алгебраические дополнения каждого элемента матрицы, так что лучше выполнить часть работы заранее.

\[ \begin{aligned} & A_{11}=(-1)^{2}\cdot\left|\begin{array}{cc} 9 & 4\\ 3 & 2\end{array}\right|=6;\\ & A_{12}=(-1)^{3}\cdot\left|\begin{array}{cc} -4 &4 \\ 0 & 2\end{array}\right|=8;\\ & A_{13}=(-1)^{4}\cdot\left|\begin{array}{cc} -4 & 9\\ 0 & 3\end{array}\right|=-12. \end{aligned} \]
\[ \Delta{A} =a_{11}A_{11}+a_{12}A_{12}+a_{13}A_{13} =1\cdot{6} + 7\cdot{8} + 3\cdot(-12) =26 \]

Так как \(\displaystyle{\Delta{A}\neq{0}}\), то обратная матрица существует, посему продолжим решение. Находим алгебраические дополнения остальных элементов заданной матрицы:

\[ \begin{aligned} & A_{21}=(-1)^{3}\cdot\left|\begin{array}{cc} 7 & 3\\ 3 & 2\end{array}\right|=-5;\; A_{22}=(-1)^{4}\cdot\left|\begin{array}{cc} 1 & 3\\ 0 & 2\end{array}\right|=2;\; A_{23}=(-1)^{5}\cdot\left|\begin{array}{cc} 1 & 7\\ 0 & 3\end{array}\right|=-3;\\ & A_{31}=(-1)^{4}\cdot\left|\begin{array}{cc} 7 & 3\\ 9 & 4\end{array}\right|=1;\; A_{32}=(-1)^{5}\cdot\left|\begin{array}{cc} 1 & 3\\ -4 & 4\end{array}\right|=-16;\; A_{33}=(-1)^{6}\cdot\left|\begin{array}{cc} 1 & 7\\ -4 & 9\end{array}\right|=37. \end{aligned} \]

Составляем матрицу из алгебраических дополнений и транспонируем её:

\[ \overline{A}=\left( \begin{array} {ccc} 6 & 8 & -12 \\ -5 & 2 & -3 \\ 1 & -16 & 37\end{array} \right); \; \overline{A}^T=\left( \begin{array} {ccc} 6 & -5 & 1 \\ 8 & 2 & -16 \\ -12 & -3 & 37\end{array} \right). \]

Используя формулу \(\displaystyle{A^{-1}=\frac{1}{\Delta A}\cdot\overline{A}^T}\), получим:

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

Чтобы проверить истинность результата, достаточно проверить истинность одного из равенств: \(\displaystyle{A^{-1}\cdot A=E}\) или \(\displaystyle{A\cdot A^{-1}=E}\). Проверим выполнение равенства \(\displaystyle{A\cdot A^{-1}=E}\):

\[ A\cdot{A^{-1}} =\left( \begin{array}{ccc} 1 & 7 & 3 \\ -4 & 9 & 4\\ 0 & 3 & 2\end{array} \right)\cdot \frac{1}{26}\cdot \left( \begin{array} {ccc} 6 & -5 & 1 \\ 8 & 2 & -16 \\ -12 & -3 & 37\end{array} \right) =\frac{1}{26}\cdot\left( \begin{array} {ccc} 26 & 0 & 0 \\ 0 & 26 & 0 \\ 0 & 0 & 26\end{array} \right) =\left( \begin{array} {ccc} 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1\end{array} \right) =E \]

Проверка пройдена успешно, обратная матрица найдена верно.

Ответ:

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

Задание №4

Условие

Найти матрицу, обратную матрице \(\displaystyle{A=\left( \begin{array} {cccc} 6 & -5 & 8 & 4\\ 9 & 7 & 5 & 2 \\ 7 & 5 & 3 & 7\\ -4 & 8 & -8 & -3 \end{array} \right)}\).

Решение

Для матрицы четвёртого порядка нахождение обратной матрицы с помощью алгебраических дополнений несколько затруднительно. Однако такие примеры в контрольных работах встречаются.

Чтобы найти обратную матрицу, для начала нужно вычислить определитель матрицы \(\displaystyle{A}\). Лучше всего в данной ситуации это сделать с помощью разложения определителя по строке (столбцу). Выбираем любую строку или столбец и находим алгебраические дополнения каждого элемента избранной строки или столбца.

Например, для первой строки получим:

\[ A_{11}=\left|\begin{array}{ccc} 7 & 5 & 2\\ 5 & 3 & 7\\ 8 & -8 & -3 \end{array}\right|=556;\; A_{12}=-\left|\begin{array}{ccc} 9 & 5 & 2\\ 7 & 3 & 7 \\ -4 & -8 & -3 \end{array}\right|=-300; \]
\[ A_{13}=\left|\begin{array}{ccc} 9 & 7 & 2\\ 7 & 5 & 7\\ -4 & 8 & -3 \end{array}\right|=-536;\; A_{14}=-\left|\begin{array}{ccc} 9 & 7 & 5\\ 7 & 5 & 3\\ -4 & 8 & -8 \end{array}\right|=-112. \]

Определитель матрицы \(\displaystyle{A}\) вычислим по следующей формуле:

\[ \Delta{A}=a_{11}\cdot A_{11}+a_{12}\cdot A_{12}+a_{13}\cdot A_{13}+a_{14}\cdot A_{14}=6\cdot 556+(-5)\cdot(-300)+8\cdot(-536)+4\cdot(-112)=100. \]

Далее продолжаем находить алгебраические дополнения:

\[ \begin{aligned} & A_{21}=-77;\;A_{22}=50;\;A_{23}=87;\;A_{24}=4;\\ & A_{31}=-93;\;A_{32}=50;\;A_{33}=83;\;A_{34}=36;\\ & A_{41}=473;\;A_{42}=-250;\;A_{43}=-463;\;A_{44}=-96. \end{aligned} \]

Матрица из алгебраических дополнений:

\[\overline{A}=\left(\begin{array}{cccc} 556 & -300 & -536 & -112\\ -77 & 50 & 87 & 4 \\ -93 & 50 & 83 & 36\\ 473 & -250 & -463 & -96\end{array}\right)\]

Присоединённая матрица:

\[\overline{A}^T=\left(\begin{array} {cccc} 556 & -77 & -93 & 473\\ -300 & 50 & 50 & -250 \\ -536 & 87 & 83 & -463\\ -112 & 4 & 36 & -96\end{array}\right)\]

Обратная матрица:

\[ A^{-1}=\frac{1}{100}\cdot \left( \begin{array} {cccc} 556 & -77 & -93 & 473\\ -300 & 50 & 50 & -250 \\ -536 & 87 & 83 & -463\\ -112 & 4 & 36 & -96 \end{array} \right)= \left( \begin{array} {cccc} 139/25 & -77/100 & -93/100 & 473/100 \\ -3 & 1/2 & 1/2 & -5/2 \\ -134/25 & 87/100 & 83/100 & -463/100 \\ -28/25 & 1/25 & 9/25 & -24/25 \end{array} \right) \]

Проверка, при желании, может быть произведена так же, как и в предыдущих задачах.

Ответ:

\(\displaystyle{A^{-1}=\left( \begin{array} {cccc} 139/25 & -77/100 & -93/100 & 473/100 \\ -3 & 1/2 & 1/2 & -5/2 \\ -134/25 & 87/100 & 83/100 & -463/100 \\ -28/25 & 1/25 & 9/25 & -24/25 \end{array} \right)}\).