Теорема (Критерий обратимости квадратных матриц). Квадратная матрица порядка $n$ обратима тогда и только тогда, когда она невырожденная.
Необходимость. Пусть $A \in M_{n}\left (P\right ).$ И пусть для нее существует правая обратная матрица, тогда, применяя одно из свойств умножения матриц, получаем $AB = E,$ где $E$ — единичная матрица.$$\det(AB)= \det A \det B = 1\Rightarrow \det A\neq 0$$ — по определению матрица $A$ невырожденная.
Тогда покажем, что и для левой обратной матрицы результат аналогичен. Применяя одно из свойств умножения матриц получаем $BA = E.$$$\det(BA)= \det B\det A = 1\Rightarrow \det A\neq 0$$ — по определению матрица $A$ невырожденная.
Зная определение обратной матрицы, видим, что необходимость выполняется.
Достаточность. Пусть $A \in M_{n}^{0}\left (P\right )$, то есть$\left ( \det A \right )\neq 0$. Укажем обратную матрицу явно. Для удобства обозначим за $$\widetilde{A} = \begin{pmatrix}A_{11} & A_{12} & \cdots & A_{1n}\\ A_{21} & A_{22} & \cdots & A_{2n}\\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ A_{n1} & A_{n2} & \cdots & A_{nn}\end{pmatrix}$$- присоединенную матрицу такую, что $\widetilde{A}=\begin{Vmatrix}A_{ij}\end{Vmatrix}$, где $A_{ij}$ — это алгебраические дополнения к элементу $a_{ij}$ матрицы $A$, $i=\overline{1, n}$ и $j=\overline{1, n}$. Тогда $\left ( \widetilde{A} \right )^{T}=\begin{Vmatrix}A_{ji}\end{Vmatrix}.$
Покажем, что $\displaystyle A^{-1}=\frac{1}{\det A}\left ( \widetilde{A} \right )^{T}.$ Для этого следует проверить выполнение таких равенств: $\displaystyle A\frac{1}{\det A}\left ( \widetilde{A} \right )^{T}=E$ и $\displaystyle \frac{1}{\det A}\left ( \widetilde{A} \right )^{T}A=E.$
Проверим первое равенство. Положим $\displaystyle B=A\cdot \frac{1}{\det A}\left ( \widetilde{A} \right )^{T}$, тогда $$b_{ij}=\sum_{k=1}^{n}a_{ik}\frac{1}{\det A}A_{jk}=\frac{1}{\det A}\sum_{k=1}^{n}a_{ik}A_{jk}.$$
Если $i=j$, то по определению детерминанта получаем $$\displaystyle b_{ij}=\frac{1}{\det A}\det A=1.$$
Если $i\neq j$, то по теореме о «чужих» дополнениях $b_{ij}=0.$
Таким образом, мы доказали, что $\displaystyle E=A\frac{1}{\det A}\left ( \widetilde{A} \right )^{T}.$
Проверим второе равенство. Положим, $\displaystyle C= \frac{1}{\det A}\left ( \widetilde{A} \right )^{T}A.$ Тогда $\displaystyle c_{ij}=\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{\det A}A_{jk}a_{ik}=\frac{1}{\det A}\sum_{k=1}^{n}A_{jk}a_{ik}.$ Получаем, что при $i=j$ $\displaystyle c_{ij}=\frac{1}{\det A}\det A=1$, а при $i\neq j\Rightarrow c_{ij}=0.$
Получаем, что выполняется первое и второе равенство, следовательно, достаточность данного критерия доказана.
Следствие. $\det A^{-1}= \left ( \det A \right )^{-1}.$
Примеры решения задач
Рассмотрим примеры задач. Читателю с целью самопроверки предлагается решить данные примеры самому, а затем сверить свое решение с приведенным.
- Докажите, что матрица $A$ не имеет обратной. $$A=\left (\begin{array}{rrr}1 & 0 & 2 & 1\\ 2 & 3 & 4 & 6\\ 2 & 1 & 2 & 3\\ 0& 1 & -2 & 1\end{array}\right ).$$
Решение
Следуя из условия требуется показать, что исходная матрица не удовлетворяет условиям критерия обратимости квадратных матриц. Проверим матрицу на невырожденность, для этого сначала приведем данную матрицу к треугольному виду методом Гаусса. Получаем $$A=\left (\begin{array}{rrr}1 & 0 & 2 & 1\\ 2 & 3 & 4 & 6\\ 2 & 1 & 2 & 3\\ 0 & 1 & -2 & 1\end{array}\right )\sim\left (\begin{array}{rrr}2 & 3 & 4 & 6\\ 2 & 1 & 2 & 3\\ 1 & 0& 2 & 1\\ 0 & 1 & -2 & 1\end{array}\right )\sim\left (\begin{array}{rrr}2 & 3 & 4 & 6\\ 2 & 1 & 2 & 3\\ 0 & -\frac{1}{2} & 1 & -\frac{1}{2}\\ 0 & 1 & -2 & 1\end{array}\right )\sim$$$$\left (\begin{array}{rrr}2 & 3 & 4 & 6\\ 0 & -2 & -2 & -3\\ 0 & 1 & -2 & 1\\ 0 & -\frac{1}{2} & 1 & -\frac{1}{2}\end{array}\right )\sim \left (\begin{array}{rrr}2 & 3 & 4 & 6\\ 0 & -2 & -2 & -3\\ 0 & 1 & -2 & 1\\ 0 & 0 & 0 & 0\end{array}\right ).$$ Видим, что матрица имеет нулевую строку, по третьему свойству определителей, определитель данной матрицы равен нулю, а это по определению означает, что исходная матрица вырождена. Следовательно, исходная матрица не имеет обратной.
-
Найти значение выражения $\left ( \det A \right )^{-1}+3\det B^{-1}$, не вычисляя обратные матрицы, где $$A=\left (\begin{array}{rrr}0 & 1 & 2 \\ 0 & 3 & 7 \\ 1 & 2 & 3\end{array}\right ),\, B=\left (\begin{array}{rrr}1 & 0 & 2 \\ 4 & 3 & 1 \\ 2 & 0 & 3\end{array}\right ).$$
Решение
По следствию из критерия обратимости квадратных матриц получаем $\det A^{-1}+3\det B^{-1}.$ Так из лекции обратимость матриц мы знаем, что $\displaystyle \det A^{-1}= \frac{1}{\det A}.$$$\det A= \left| \begin{array}{rrr}0 & 1 & 2 \\ 0 & 3 & 7\\ 1 & 2 & 3\end{array}\right |=7-6=1,\, \det B=\left |\begin{array}{rrr}1 & 0 & 2\\ 4 & 3 & 1\\ 2 & 0 & 3\end{array}\right |=9-12=-3.$$ Тогда $\displaystyle \frac{1}{1}+3\left (-\frac{1}{3}\right )=1-1=0.$
Ответ: $0.$
Смотрите также
- А.Г. Курош. Курс высшей алгебры. М.: Наука, 1965. — 431 с. — С. 95-98.
- Конспект Г.С.Белозерова. Глава 4 — 18 с. — С. 11 — 12.
- Д.К. Фаддеев. Лекции по алгебре: Учебное пособие для вузов. — М.: Наука, 1984. — 416 с. — С. 134-137.
Критерий обратимости
Пройдите этот тест, чтобы проверить свои знания по прочитанной теме.
