Loading [MathJax]/jax/output/SVG/jax.js

Критерий обратимости

Теорема (Критерий обратимости квадратных матриц). Квадратная матрица порядка n обратима тогда и только тогда, когда она невырожденная.

Необходимость. Пусть AMn(P). И пусть для нее существует правая обратная матрица, тогда, применяя одно из свойств умножения матриц, получаем AB=E, где Eединичная матрица.det(AB)=detAdetB=1detA0 — 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)=detBdetA=1detA0 — по определению матрица A невырожденная.

Зная определение обратной матрицы, видим, что необходимость выполняется.

Достаточность. Пусть AM0n(P), то есть(detA)0. Укажем обратную матрицу явно. Для удобства обозначим за ˜A=(A11A12A1nA21A22A2nAn1An2Ann)- присоединенную матрицу такую, что ˜A=Aij, где Aij — это алгебраические дополнения к элементу aij матрицы A, i=¯1,n и j=¯1,n. Тогда (˜A)T=Aji.

Покажем, что A1=1detA(˜A)T. Для этого следует проверить выполнение таких равенств: A1detA(˜A)T=E и 1detA(˜A)TA=E.

Проверим первое равенство. Положим B=A1detA(˜A)T, тогда bij=nk=1aik1detAAjk=1detAnk=1aikAjk.

Если i=j, то по определению детерминанта получаем bij=1detAdetA=1.

Если ij, то по теореме о «чужих» дополнениях bij=0.

Таким образом, мы доказали, что E=A1detA(˜A)T.

Проверим второе равенство. Положим, C=1detA(˜A)TA. Тогда cij=nk=11detAAjkaik=1detAnk=1Ajkaik. Получаем, что при i=j cij=1detAdetA=1, а при ijcij=0.

Получаем, что выполняется первое и второе равенство, следовательно, достаточность данного критерия доказана.

Следствие. detA1=(detA)1.

Примеры решения задач

Рассмотрим примеры задач. Читателю с целью самопроверки предлагается решить данные примеры самому, а затем сверить свое решение с приведенным.

  1. Докажите, что матрица A не имеет обратной. A=(1021234621230121).
    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=(1021234621230121)(2346212310210121)(234621230121120121)(234602230121012112)(2346022301210000). 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.

  2. Найти значение выражения (detA)1+3detB1, не вычисляя обратные матрицы, где A=(012037123),B=(102431203).

    Решение

    По следствию из критерия обратимости квадратных матриц получаем detA1+3detB1. Так из лекции обратимость матриц мы знаем, что detA1=1detA.detA=|012037123|=76=1,detB=|102431203|=912=3. Тогда 11+3(13)=11=0.

    Ответ: 0.

Смотрите также

  1. А.Г. Курош. Курс высшей алгебры. М.: Наука, 1965. — 431 с. — С. 95-98.
  2. Конспект Г.С.Белозерова. Глава 4 — 18 с. — С. 11 — 12.
  3. 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.

Теорема Лапласа (без доказательства)

Итак, прежде чем перейти к методу использования теоремы Лапласа, необходимо рассмотреть несколько важных определений.

Определение Пусть дана матрица AMm×n(P). Возьмем в ней любые i строк и i столбцов, причем i>0 и i меньше минимального из m и n. Элементы, которые располагаются на пересечении выбранных строк и столбцов, образуют матрицу iго порядка. Определитель этой матрицы называется минором iго порядка исходной матрицы. Если порядок минора равен единице, то минор является элементом исходной матрицы.

Пример 1 Пусть дан определитель четвертого порядка |8527139344195348|. Выберем, например, 2-й и 4-й столбцы и 1-ю и 3-ю строки. Таким образом, элементы, стоящие на пересечении этих столбцов и строк образуют минор 2го порядка: |5749|=45+28=17. Также мы можем выбрать любые строки и столбцы для получения миноров.

Определение Пусть дана матрица AMm(P). Выберем в ней минор iго порядка, такой, что i>0 и i<m. Если мы вычеркнем строки и столбцы матрицы, в которых лежит данный минор, то мы получим новую матрицу. Определитель новой матрицы называется дополнительным минором к исходному.

Пример 2 Возьмем определитель и его минор 2го порядка из первого примера. Дополнительным минором к нему будет |1954|=445=49.

Определение Пусть дана матрица AMm(P). Выберем в ней минор iго порядка, такой, что i>0 и i<m. Если мы умножим дополнительный к нему минор на число (1)S1+S2, в котором S1 — это сумма номеров строк, а S2 — это сумма номеров столбцов, в которых лежит исходный минор, то мы получим алгебраическое дополнение к этому минору.

Пример 3 Пусть дан определитель пятого порядка |7532698734011593224849511|. Выберем в нем, к примеру 1ю и 4ю строки, а также 2й и 5й столбцы. Тогда на пересечении выбранных строк и столбцов образуется минор 2го порядка |5628|=4012=52. Дополнительным минором к нему будет |973015451|=9+0140+12+0+225=106. Наконец, алгебраическим дополнением к минору будет |973015451|(1)(1+4)+(2+5)=106(1)12=106, где степени 1 являются таковыми, так как элементы минора исходного определителя располагаются в 1й и 4й строках и во 2м и в 5м столбцах.

Итак, разобравшись с приведенными выше определениями, можно приступать к формулированию теоремы.

Теорема (Лапласа) Если в определителе порядка m выбрать i строк (столбцов), где i>0 и i<m, то данный определитель будет равняться сумме миноров, которые расположены в этих строках (столбцах), умноженных на их алгебраические дополнения. Эти миноры будут иметь iй порядок.

Таким образом, благодаря теореме Лапласа, при вычислении определителя mго порядка, мы можем вычислить несколько определителей более малых порядков (i), что упрощает нам задачу.

Следствием (а также частным случаем, для которого i=1) из теоремы Лапласа является Теорема о разложении определителя по строке.

Примеры решения задач

Пример 4 Найти определитель матрицы 4го порядка (3569172504123650). Разложим определитель этой матрицы по теореме Лапласа, выбрав 1ю и 3ю строки: |3569172504123650|=(1)(1+3)+(1+2)|3504||2550|+ +(1)(1+3)+(1+3)|3601||7560|+(1)(1+3)+(1+4)|3902||7265|+ +(1)(1+3)+(2+4)|5942||1235|+(1)(1+3)+(3+4)|6912||1736|+ +(1)(1+3)+(2+3)|5641||1530|=(1)7(120)(0+25)+ +(1)8(30)(030)+(1)9(60)(35+12)+ +(1)10(1036)(5+6)+(1)11(129)(6+21)+ +(1)9(524)(015)=(1225)330647261327 (1915)=300902822681285=1064.

Как мы могли заметить, для нахождения определителя 4го порядка нам понадобилось искать лишь определители 2го порядка, что намного легче. Разберем этот пример подробнее.

Для начала, вторым множителем каждого слагаемого является минор, расположенный в выбранных в начале решения строках. Мы берем все существующие в данных строках миноры. Далее, первым множителем каждого слагаемого является (1) в степени, которая является суммой номеров строк и столбцов, в которых расположен соответствующий минор. Третьим же множителем является дополнительный минор к соответствующему. Произведение дополнительного минора и (1) в соответствующей степени образует алгебраическое дополнение к своему минору.

Таким образом мы расписываем все миноры, находящиеся в выбранных строках, умножаем на их алгебраические дополнения и суммируем полученные произведения. После этого решаем полученное выражение, приходя к ответу, который является значением определителя исходной матрицы.

Пример 5 Найти определитель матрицы 4го порядка (1430521702645102).

Решение

Пример 6 Найти определитель матрицы 4го порядка (791204531024511798).

Решение

Пример 7 Найти определитель матрицы 4го порядка (571201126102151341145).

Решение

Смотрите также

  1. А. И. Кострикин Введение в алгебру М.: Наука, 1994, Глава 3, §3, «Упражнения» (стр. 150)
  2. Курош А.Г. Курс высшей алгебры М.: Наука, 1968, Глава 1, §6, «Вычисление определителей» (стр. 51)
  3. Личный конспект, составленный на основе лекций Г. С. Белозерова.

Теорема Лапласа

Тест на проверку знаний о теореме Лапласа и определений, необходимых для формулировки данной теоремы.

Теорема о разложении определителя по строке

Определение. Пусть задана матрица AMn×m(P). Выберем произвольно k строк и k столбцов (1kmin{n,m}). Минором kго порядка называют определитель матрицы, состоящей из элементов, которые стоят на пересечении выбранных строк и столбцов.

Определение. Пусть задана матрица AMn(P). Выберем произвольно минор kго порядка (1kn1). Дополнительным минором называют определитель матрицы порядка nk, которая получена путем вычеркивания строк и столбцов, в которых расположен выбранный минор.

Определение. Алгебраическим дополнением называют дополнительный минор, умноженный на число (1)(s1+s2), где s1 сумма номеров строк, а s2 сумма номеров столбцов, в которых расположен минор.

Теорема о разложении определителя по строке. Определитель (детерминант) nго порядка квадратной матрицы A равен сумме произведений элементов какой-либо его строки (столбца) на их алгебраические дополнения. То есть:detA=nk=1akjAkj — разложение определителя по элементам столбца;detA=nk=1aikAik — разложение определителя по элементам строки, где (i,j{1,2,,n}).

Пусть задан определитель nго порядка:detA=|a11a12a1na21a22a2nan1an2ann|. Возьмем jй столбец матрицы A и представим его в виде суммы:[a1ja2janj]=[a1j00]+[0a2j0]++[00anj]. Таким же образом запишем наш определитель: detA=|a11a12a1ja1na21a22a2ja2nan1an2anjann|==|a11a12a1ja1na21a220a2nan1an20ann|+|a11a120a1na21a22a2ja2nan1an20ann|++|a11a120a1na21a220a2nan1an2anjann|. Данную сумму можем записать более кратко:detA=nk=1|a11a12a1,j10a1,j+1a1nak1ak2ak,j10ak,j+1aknan1an2an,j10an,j+1ann|.

Переместим элемент akj в левый верхний угол матрицы. Для этого переставим kю строку на первое место, последовательно переставляя ее со строками, стоящими выше. Исходя из этого потребуется k1 транспозиций. По свойствам определителей, каждая транспозиция двух строк (столбцов) приводит к определителю, у которого изменены все знаки его членов на противоположные. То есть при каждой транспозиции определитель умножается на 1:detA=nk=1(1)k1|ak1ak2ak,j1akjak,j+1akna11a12a1,j10a1,j+1a1nak1,1ak1,2ak1,j10ak1,j+1ak1,nak+1,1ak+1,2ak+1,j10ak+1,j+1ak+1,nan1an2an,j10an,j+1ann|.Затем переместим jй столбец на первое место, последовательно переставляя со столбцами, стоящими левее jго. На это потребуется j1 транспозиций:detA=nk=1(1)(k1)+(j1)|akjak1ak2ak,j1ak,j+1akn0a11a12a1,j1a1,j+1a1n0ak1,1ak1,2ak1,j1ak1,j+1ak1,n0ak+1,1ak+1,2ak+1,j1ak+1,j+1ak+1,n0an1an2an,j1an,j+1ann|.В итоге мы получаем определитель, отличающийся от искомого знаком (1)(k+j):detA=nk=1(1)(k+j)|akjak1ak2akn0a11a12a1n0an1an2ann|.

Теперь пусть detA=|akjak1ak2akn0a11a12a1n0an1an2ann|. Так как все элементы первого столбца, кроме akj, равны нулю, можем записать полученный определитель как сумму:detA=ns=2(1)[1,s2,,sn]akjas2asn, где суммирование производится по всем перестановкам длины n.

Множитель akj является общим для всех слагаемых. Единица, стоящая на первом месте, не образует никаких инверсий (перестановок), что не влияет на знак: [1,s2,,sn]=[s2,,sn]. Исходя из этого, можем вынести за знак суммы множитель akj:detA=akjns=2(1)[s2,,sn]as2asn.

Сумма ns=2(1)[s2,,sn]as2asn равна определителю (n1)го порядка. Этот определитель получается путем вычеркивания первой строки и первого столбца и является дополнительным минором искомого определителя. Следовательно, определитель матрицы A равен:detA=nk=1(1)(k+j)akjMkj.

Согласно определению, дополнительный минор, умноженный на число (1)(k+j), где k номер строки, а j номер столбца, в которых расположен минор первого порядка, равен алгебраическому дополнению. Таким образом, мы получаем, что исходный определитель равен сумме произведений элементов jго столбца на их алгебраическое дополнение:detA=nk=1akjAkj. Разложение по столбцу доказано.

Аналогично докажем разложение определителя по строке: detA=|a11a12a1na21a22a2nan1an2ann|==|a11a12a1na21a22a2nai100an1an2ann|+|a11a12a1na21a22a2n0ai20an1an2ann|++|a11a12a1na21a22a2n00ainan1an2ann|==nk=1|a11a12a1ka1na21a22a2ka2nai1,1ai1,2ai1,kai1,n00aik0ai+1,1ai+1,2ai+1,kai+1,nan1an2ankann|.Элемент aik перемещаем в левый верхний угол матрицы, последовательно меняя iю строку с выше стоящими строками и kй столбец со стоящими слева столбцами. Потребуется i+k транспозиций. Это означает, что определитель будет отличаться от искомого знаком (1)(i+k):detA=nk=1(1)(i+k)|aikai1ai2ain0a11a12a1n0an1an2ann|==nk=1(1)(i+k)aikMik=nk=1aikAik. Таким образом, разложение по строке доказано.

Примеры решения задач

Рассмотрим некоторые примеры решения задач на нахождение определителя с помощью теоремы о разложении определителя по строке. Читателю рекомендовано попытаться решить задачи самостоятельно, а затем сверить свое решение с приведенным ниже.

  1. Выполнив разложение по первой строке, вычислить определитель: detA=|253841032|.
    Решение

    Перед нами определитель 3го порядка. Разложим данный определитель по элементам первой строки:detA=|253841032|=2A11+(5)A12+3A13. Воспользуемся формулой нахождения алгебраического дополнения: Aij=(1)i+jMij, где Mij дополнительный минор к элементу aij. Найдем алгебраическое дополнение к элементу a11 согласно формуле: A11=(1)1+1M11=(1)2M11=M11. Для того чтобы найти дополнительный минор к элементу, нужно мысленно вычеркнуть строку и столбец, в которых расположен данный элемент, и записать оставшиеся элементы в виде определителя: A11=M11=|4132|=423(1)=8+3=11. Аналогично вычисляем оставшиеся алгебраические дополнения:A12=(1)1+2M12=(1)3M12=M12=|8102|==(820(1))=16;A13=(1)1+3M12=(1)4M12=M12=|8403|==830(4)=24. Следовательно, наш определитель равен:detA=211+(5)(16)+324=22+80+72=174.

    Для проверки воспользуемся другим методом вычисления определителя 3го порядка — правилом Саррюса. Согласно этому правилу, определитель матрицы 3го порядка равен:detA=a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32a13a22a31a11a23a32a12a21a33. Наш определитель равен:detA=242+(5)(1)0+3833402(1)3(5)82=16+0+720+6+80=174. Ответ совпал. Проверка выполнена.

  2. Выполнив разложение по первому столбцу, вычислить определитель: detA=|352184073|.
    Решение

    Разложим данный определитель 3го порядка по элементам первого столбца:detA=|352184073|=3A11+(1)A21+0A31==3A11+(1)A21. Вспомним формулу нахождения алгебраического дополнения: Aij=(1)i+jMij, где Mij дополнительный минор к элементу aij. Найдем алгебраические дополнения к каждому элементу:A11=(1)1+1M11=M11=|8473|=8(3)(4(7))==24+28=4;A21=(1)2+1M21=M21=|5273|==(5(3)((2)(7)))=(1514)=29. Значит, наш определитель равен:detA=34+(1)29=1229=17.

    Выполним проверку, используя правило Саррюса: detA=a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32a13a22a31a11a23a32a12a21a33. detA=38(3)+540+(2)(1)(7)(2)8034(7)5(1)(3)=17. Проверка выполнена. Ответ совпал.

  3. Выполнив разложение по третьей строке, вычислить определитель матрицы A=aij третьего порядка.
    Решение

    Разложим определитель по элементам третьей строки: detA=|a11a12a13a21a22a23a31a32a33|=a31(1)3+1|a12a13a22a23|++a32(1)3+2|a11a13a21a23|+a33(1)3+3|a11a12a21a22|==a31(a12a23a22a13)a32(a11a23a21a13)++a33(a11a22a21a12)=a12a23a31a13a22a31a11a23a32+a13a21a32+a11a22a33a12a21a33==a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32a13a22a31a11a23a32a12a21a33. Как можно заметить, последняя формула является ничем иным, как правилом Саррюса, которым мы воспользовались при проверке первого и второго примеров.

  4. Выполнив разложение по третьему столбцу, вычислить определитель: detA=|25a134b379c542d2|.
    Решение

    Разложим данный определитель 4го порядка по элементам третьего столбца:detA=|25a134b379c542d2|=aA13+bA23+cA33+dA34. Найдем все алгебраические дополнения:A13=(1)1+3M13=M13=|343795422|=(разложим определитель по первому столбцу)=3(1)1+1|9522|+7(1)2+1|4322|+4(1)3+1|4395|==3(9(2)2(5))7(4(2)2(3))++4(4(5)9(3))=3(8)7(2)+47==24+14+28=18;A23=(1)2+3M23=M23=|251795422|=(разложим определитель по третьей строке, умножая каждый элемент на 1)=4(1)3+1|5195|2(1)3+2|2175|(2)(1)3+3|2579|==4(5(5)9(1))+2(2(5)7(1))+2(2975)==(4)(16)+2(3)+2(17)=64634=24;A33=(1)3+3M33=M33=|251343422|=(разложим определитель по второй строке)=3(1)2+1|5122|+4(1)2+2|2142|+(3)(1)2+3|2542|==3(5(2)2(1))+4(2(2)4(1))+3(2245)==(3)(8)+40+3(16)=2448=24;A43=(1)4+3M43=M43=|251343795|=(разложим определитель по второму столбцу, умножая каждый элемент на 1)=5(1)1+2|3375|4(1)2+2|2175|9(1)3+2|2133|==5(3(5)7(3))4(2(5)7(1))+9(2(3)3(1))==564(3)+9(3)=30+1227=15. Следовательно, искомый определитель равен: detA=aA13+bA23+cA33+dA34=18a+24b24c+15d.

  5. Определитель матрицы A равен: detA=|1352λ01074320201|=16. Найти λ.
    Решение

    Разложим данный определитель 4го порядка по элементам второй строки: detA=|1352λ01074320201|=λA21+0A22+1A23+0A24==λA21+A23. Найдем алгебраические дополнения:A21=(1)2+1M21=M21=|352432201|=(разложим определитель по первой строке, умножив каждый элемент на (1)) =3(1)1+1|3201|5(1)1+2|4221|(2)(1)1+3|4320|=3(3(1)02)+5((4)(1)22)++2((4)023)=3(3)+50+2(6)=3;A23=(1)2+3M21=M21=|132742021|=(разложим определитель по первому столбцу, умножив каждый элемент на (1)) =1(1)1+1|4221|7(1)2+1|3221|0(1)3+1|3242|=1((4)(1)22)++7(3(1)2(2))=10+71=7. Следовательно,detA=3λ+7. По условию, detA=3λ+7=16λ=3.

Смотрите также

  1. Фаддеев Д.К. Лекции по алгебре. М.: Наука, 1984 стр. 96-97
  2. Курош А.Г. Курс высшей алгебры. М.: Наука, 1968 стр. 46-49
  3. Воеводин В.В. Линейная алгебра. М.: Наука, 1980 стр. 129-131
  4. Личный конспект, составленный на основе лекций Белозерова Г.С.

Теорема о разложении определителя по строке

Тест на знание темы «Теорема о разложении определителя по строке».