一、逆矩阵的定义、性质和求法
在数的乘法中 , 对不等于零的数a总存在惟一的数b , 使ab=ba=1
此数b即是a的倒数 ,
即b==a-1
利用倒数 , 数的除法可转化为乘积的形式: x÷a= x
·=
x
·a-1
, 这里a≠0
把这一思想应用到矩阵的运算中
并注意到单位矩阵E在矩阵的乘法中的作用与数1类似
由此我们引入逆矩阵的定义
定义7对于n阶矩阵A , 如果有一个n阶矩阵B ,
使AB=BA=E
则说矩阵A是可逆的 , 并把矩阵B称为A的逆矩阵 , 简称逆阵
如果矩阵A是可逆的 , 那么A的逆矩阵是惟一的 ,
这是因为: 若B、C都是A的逆矩阵 , 则有B=BE=B(AC)=(BA)C=EC=C
所以A的逆矩阵是惟一的.
A的逆矩阵记作A-1 , 即若AB=BA=E , 则B=A-1
定理1若矩阵A可逆 , 则|A|≠0
证: A可逆 , 即有A-1 , 使AA-1=E
, 故|AA-1|=|A||A-1|=|E|=1 ,
由|A||A-1|=1,得|A|≠0和|A-1|≠0
所以|A|≠0
定理2若|A|≠0 , 则矩阵A可逆 ,
且A-1=A*
, 其中A*为矩阵A的伴随矩阵
证: 由于AA*=A*A=|A|E , 当|A|≠0时 ,
两边同时除以|A|,
得A(A*)=(A*)A=E
所以A可逆,按逆矩阵的定义 , 若AB=BA=E , 则A-1
=B=A*
当|A|=0时 , A称为奇异矩阵 , 当|A|≠0时,A称非奇异矩阵
由上面两定理可知:
A是可逆矩阵的充分必要条件是|A|≠0 , 即可逆矩阵就是非奇异矩阵
推论 若AB=E(或BA=E) , 则B=A-1
证: |A|·|B|=|E|=1,故|A|≠0 ,
因而A-1存在
于是B=EB=(A-1A)B=A-1(AB)=A-1E=A-1
逆矩阵满足下述运算规律:
(i)若A可逆 , 则A-1亦可逆 ,
且(A-1)-1=A
(ii)若A可逆 , 数λ≠0 , 则λA可逆 ,
且(λA)-1=A-1
(iii)若A、B为同阶矩阵且均可逆 , 则AB亦可逆 ,
且(AB)-1=B-1A-1
(iv)若A可逆 , 则A的转置AT亦可逆 ,
且(AT)-1=(A-1)T
当A可逆时 , 还可定义A0=E ,
A-k=(A-1)k , 其中k为正整数
这样 , 当A可逆 , λ , μ为整数时 ,
有AλAμ=Aλ+μ ,
(Aλ)μ=Aλμ
例11求二阶矩阵A=的逆矩阵
解: |A|=ad-bc ,
A*=
当|A|≠0时 ,
有A-1=A*=
例12:
求方阵A=的逆矩阵
解:
1.计算行列式
按第一行展开:
行列不为0,可逆。
2.计算余子式矩阵
先计算每个元素的余子式(即去掉第行第列后的行列式),
然后。
余子式矩阵为:
3.伴随矩阵
4.逆矩阵
二、逆矩阵的初步应用
例13设A= ,
B= ,
C=,AXB=C,
求矩阵X,
解: 若A-1 , B-1 存在 ,
则用A-1 左乘上式 , B-1 右乘上式
有A-1 AXBB-1 =A-1 CB-1 ,
即X=A-1 CB-1
由于|A|=2≠0 , 而|B|=1≠0 , 故知A、B都可逆 , 且
A-1= ,
B-1=
于是X=A-1CB-1=
==
例14
设P= ,
Λ= , AP=PΛ ,
求An
解: 因为|P|=2 ,
P-1=
A=APP-1=PΛP-1 ,
A2=PΛP-1PΛP-1=PΛ2P-1
, ⋯ , An=PΛnP-1
Λ= ,
Λ2== , ⋯ ,
Λn=
所以An=PΛnP-1==
==
矩阵多项式的定义:
设是变量的一个次多项式,是一个阶方阵。
我们定义矩阵的多项式为:
其中是阶单位矩阵。
矩阵多项式的运算性质:
由于矩阵的幂、以及单位矩阵之间都是可以交换的(即满足),
因此矩阵的任意两个多项式和也必然是可交换的:
基于这一特性,矩阵多项式的运算规则与普通数值多项式基本相同,
可以直接进行乘法运算或因式化。
例如:
矩阵多项式的计算方法:
计算矩阵多项式的一个高效方法是利用矩阵的相似对角化。
1.利用对角化计算
如果矩阵可对角化,
即存在可逆矩阵和对角矩阵,使得,
那么对于任意正整数,有。
因此,矩阵多项式可以简化为:
其中。
2.计算对角矩阵的多项式
若,则。于是,
上述结果表明,也是一个对角矩阵,
其第个对角元正是多项式函数在特征值上的值()。
方法总结
综上所述,当矩阵可对角化时,计算其多项式的步骤如下:
1.将对角矩阵代入多项式,得到,这归结为简单的数值计算。
2.利用公式得到最终结果。
这一方法将对高维矩阵的复杂计算,转化为对特征值的标量函数计算,
极大地简化了运算过程。
例15设P= ,
Λ= , AP=PΛ
求φ(A)=A3+2A2-3A
解:
由
得
由矩阵多项式性质有:,
其中
是对角矩阵,对角元为
。
由
得
由P=
所以