Käänteismatriisi¶
Tarkastellaan matriisiyhtälöä A\xx=\bbb, missä A on n×n-matriisi. Halutaan löytää matriisi A′, jolle A′A=In. Tällöin saataisiin yhtälö ratkaistua seuraavasti
Huomautus.
Kaikki neliömatriisit eivät ole kääntyviä!
Lause.
Jos A on kääntyvä matriisi, niin matriisin A käänteismatriisi on yksikäsitteinen. Merkitään matriisin A käänteismatriisia A−1.
A′=A′In=A′(AA″)=(A′A)A″=InA″=A″.Siis A′=A″, joten käänteismatriisi on yksikäsitteinen. ◻
Lause.
Jos A on kääntyvä n×n-matriisi, niin lineaarisella yhtälöryhmällä A\xx=\bbb on yksikäsitteinen ratkaisu \xx=A−1\bbb, ∀\bbb∈Rn.
A\xx=A(A−1\bbb)=In\bbb=\bbb.Ratkaisu on myös yksikäsitteinen. Olkoon \yy toinen ratkaisu. Tällöin
A\yy=\bbb⇔A−1(A\yy)=A−1\bbb⇔In\yy=A−1\bbb⇔\yy=A−1\bbbeli ratkaisut ovat samat. ◻
Lause.
Jos A=[abcd], niin A on kääntyvä, jos ad−bc≠0 ja tällöin
Käänteismatriisin ominaisuuksia¶
Listataan seuraavaan lauseeseen kaikki tärkeimmät käänteismatriisin algebralliset ominaisuudet.
Lause.
Jos A on kääntyvä matriisi, niin A−1 on kääntyvä ja
(A−1)−1=A.Jos A on kääntyvä matriisi ja c on nollasta poikkeava skalaari, niin cA on kääntyvä ja
(cA)−1=1cA−1.Jos A ja B ovat kääntyviä samankokoisia matriiseja, niin AB on kääntyvä ja
(AB)−1=B−1A−1.Jos A on kääntyvä matriisi, niin AT on kääntyvä ja
(AT)−1=(A−1)T.Jos A on kääntyvä matriisi, niin An,n∈N on kääntyvä ja
(An)−1=(A−1)n.
A−n:=(A−1)n=(An)−1.Vastaavasti merkitään (etenkin insinöörikirjallisuudessa) transpoosin käänteismatriisia
A−T:=(AT)−1=(A−1)T.
Esimerkki.
Olkoot
A=[2413] ja \bbb=[−12].Etsi A−1 ja ratkaise A\xx=\bbb.
Ratkaise yhtälöryhmä (a)-kohdan menetelmää käyttäen
{2x1+x2=2x1−x2=1.
Oletetaan, että seuraavat matriisit ovat kääntyviä ja sellaisia, että matriisitulot ovat olemassa. Ratkaise X, kun
- AXA2=A−1,
- AXB=(BA)2.
Elementaarimatriisit¶
Yhtälöryhmää A\xx=\bbb ratkaistaessa turvauduttiin aiemmin Gaußin eliminaation ja alkeisrivimuunnosten tekemiseen kokonaismatriisille [A|\bbb]. Alkeismatriisit ovat matriiseja, joiden avulla alkeisrivimuunnosten tekeminen voidaan systematisoida ts. jokainen muunnos (rivien vaihto Ri↔Rj, rivin skalaarilla kertominen kRj, rivin lisääminen toiseen skalaarilla kerrottuna Ri+kRj) voidaan esittää matriisitulona.
Elementaarimatriisi :class: aside
- on matriisi, joka saadaan
- yksikkömatriisista yhdellä elementaarisella vaakarivimuunnoksella.
Merkitään operaatoita Ri↔Rj, kRj ja Ri+kRj vastaavia elementaarimatriiseja
Esimerkki.
3×3-matriisien elementaarimatriiseja:
Lause.
Olkoon E elementaarimatriisi, joka on saatu yksikkömatriisista In elementaarisella vaakarivimuunnoksella. Jos samaa elementaarista vaakarivimuunnosta sovelletaan n×r-matriisiin A, niin saadaan matriisi, joka vastaa matriisituloa EA.
Lause.
Jokainen elementaarimatriisi on kääntyvä ja elementaarimatriisin käänteismatriisi on elementaarimatriisi, joka vastaa käänteistä elementaarista vaakarivimuunnosta.
Määritellään sitten laajasti matriisien kääntyvyyttä kuvaava kääntyvien matriisien peruslause
Lause.
Olkoon A n×n-matriisi. Tällöin seuraavat väitteet ovat ekvivalentteja.
- A on kääntyvä.
- Yhtälöllä A\xx=\bbb on yksikäsitteinen ratkaisu jokaisella \bbb∈Rn.
- Yhtälöllä A\xx=0 on ainoastaan triviaaliratkaisu.
- Matriisin A redusoitu vaakariviporrasmuoto on In.
- A on elementaarimatriisien tulo.
Ek⋯E2E1A=In⇔(Ek⋯E2E1)−1Ek⋯E2E1A=(Ek⋯E2E1)−1In⇔A=(Ek⋯E2E1)−1In=(Ek⋯E2E1)−1=E−11E−12⋯E−1k,missä Ei:t ovat elementaarisia matriiseja. Näin ollen A voidaan lausua elementaarimatriisien tulona.
Lause.
Olkoon A neliömatriisi. Jos B on neliömatriisi ja AB=In tai BA=In, niin A on kääntyvä ja B=A−1.
A\xx=\nol⇔\xx=BA\xx=B\nol=\nol⇔\xx=\nol.Systeemillä on siis yksikäsitteinen ratkaisu, joten kääntyvien matriisien peruslauseen mukaan A on kääntyvä ja tällöin
BA=In⇔BAA−1=InA−1⇔B=A−1.Oletuksella seuraavaksi AB=In. Vaihtamalle yllä olevassa päättelyssä A:n ja B:n roolit, saadaan, että B−1=A ja käänteismatriisin ominaisuuksia kuvaavan kaant-peruslause nojalla B=A−1. ◻
Lause.
Olkoon A neliömatriisi. Jos elementaarisilla vaakarivimuunnoksilla saadaan matriisista A yksikkömatriisi In, niin samoilla elementaarisilla vaakarivimuunnoksilla saadaan yksikkömatriisista In matriisi A−1.
Ek⋯E1A=In.Näin ollen
B=Ek⋯E1toteuttaa yhtälön BA=In joten edellisen lauseen nojalla
A−1=Ek⋯E1.Tämä todistaa lauseen. ◻
Käänteismatriisin laskeminen Gaußin eliminointimenetelmällä¶
[A|In]→⋯→[Ek⋯E1A | Ek⋯E1In]=[In|A−1].Näin saadaan:
Muodosta kokonaismatriisi [A|In],
Pyri muuntamaan kokonaismatriisi muotoon, jossa ensimmäiseksi tulee yksikkömatriisi:
[A|In]→⋯→[In|A−1]Käänteismatriisi muodostuu jälkimmäiseksi matriisiksi automaattisesti (mikäli on olemassa).
A=[201010102]käänteismatriisi
Esimerkki.
Etsi matriisien A ja B käänteismatriisit (jos sellaiset ovat olemassa) Gaußin eliminointimenetelmää käyttäen, kun
A=[1−2−123040−2],B=[2−2423−1312].Osoita, että jos matriisin A käänteismatriisi A−1 on symmetrinen, niin myös A on symmetrinen.