Loading [MathJax]/jax/output/CommonHTML/jax.js
"

Käänteismatriisi

Tarkastellaan matriisiyhtälöä A\xx=\bbb, missä A on n×n-matriisi. Halutaan löytää matriisi A, jolle AA=In. Tällöin saataisiin yhtälö ratkaistua seuraavasti

A\xx=\bbbA(A\xx)=A\bbb(AA)\xx=A\bbbIn\xx=A\bbb\xx=A\bbb.

Määritelmä.

Jos A on n×n-matriisi ja löydetään n×n-matriisi B, jolle

AB=In ja BA=In,

niin matriisi B on matriisin A käänteismatriisi (tai inverssi). Jos matriisille A löydetään käänteismatriisi, niin sanotaan, että matriisi A on kääntyvä. Matriiseja, jotka eivät ole kääntyviä kutsutaan myös singulaarisiksi ja luonnollisesti matriiseja, jotka kääntyvät ei-singulaarisiksi.

Huomautus.

Kaikki neliömatriisit eivät ole kääntyviä!

Lause.

Jos A on kääntyvä matriisi, niin matriisin A käänteismatriisi on yksikäsitteinen. Merkitään matriisin A käänteismatriisia A1.

Todistus.  Oletetaan, että matriisilla A on kaksi käänteismatriisia A ja A eli AA=AA=In ja AA=AA=In. Tällöin
A=AIn=A(AA)=(AA)A=InA=A.

Siis A=A, joten käänteismatriisi on yksikäsitteinen.

Yhtälöryhmän ratkaisu saadaan käänteismatriisin avulla seuraavasti.

Lause.

Jos A on kääntyvä n×n-matriisi, niin lineaarisella yhtälöryhmällä A\xx=\bbb on yksikäsitteinen ratkaisu \xx=A1\bbb, \bbbRn.

Todistus.  Oletetaan, että A on kääntyvä, tällöin on olemassa A1, jolle AA1=A1A=In. \xx=A1\bbb on tällöin yhtälöryhmän A\xx=\bbb ratkaisu, sillä
A\xx=A(A1\bbb)=In\bbb=\bbb.

Ratkaisu on myös yksikäsitteinen. Olkoon \yy toinen ratkaisu. Tällöin

A\yy=\bbbA1(A\yy)=A1\bbbIn\yy=A1\bbb\yy=A1\bbb

eli ratkaisut ovat samat.

2×2-matriiseille saadaan seuraava helpohko (jopa ulkoa muistettavissa oleva) sääntö.

Lause.

Jos A=[abcd], niin A on kääntyvä, jos adbc0 ja tällöin

A1=1adbc[dbca].
Todistus.  Suoralla laskulla.
Huomaa, että kaikki 2×2-matriisit eivät ole kääntyviä. Kääntyvyyden ehtona on, että adbc0.

Käänteismatriisin ominaisuuksia

Listataan seuraavaan lauseeseen kaikki tärkeimmät käänteismatriisin algebralliset ominaisuudet.

Lause.

  • Jos A on kääntyvä matriisi, niin A1 on kääntyvä ja

    (A1)1=A.
  • Jos A on kääntyvä matriisi ja c on nollasta poikkeava skalaari, niin cA on kääntyvä ja

    (cA)1=1cA1.
  • Jos A ja B ovat kääntyviä samankokoisia matriiseja, niin AB on kääntyvä ja

    (AB)1=B1A1.
  • Jos A on kääntyvä matriisi, niin AT on kääntyvä ja

    (AT)1=(A1)T.
  • Jos A on kääntyvä matriisi, niin An,nN on kääntyvä ja

    (An)1=(A1)n.
Todistus.
Jos A on kääntyvä matriisi ja n on positiivinen kokonaisluku, niin määritellään matriisin A negatiiviset potenssit
An:=(A1)n=(An)1.

Vastaavasti merkitään (etenkin insinöörikirjallisuudessa) transpoosin käänteismatriisia

AT:=(AT)1=(A1)T.

Esimerkki.

    • Olkoot

      A=[2413] ja \bbb=[12].

      Etsi A1 ja ratkaise A\xx=\bbb.

    • Ratkaise yhtälöryhmä (a)-kohdan menetelmää käyttäen

      {2x1+x2=2x1x2=1.
  • Oletetaan, että seuraavat matriisit ovat kääntyviä ja sellaisia, että matriisitulot ovat olemassa. Ratkaise X, kun

    • AXA2=A1,
    • AXB=(BA)2.
Ratkaisu.

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 RiRj, 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 RiRj, kRj ja Ri+kRj vastaavia elementaarimatriiseja

Eij, Ej(k), Eij(k).

Esimerkki.

3×3-matriisien elementaarimatriiseja:

E13=[001010100], E2(k)=[1000k0001], E23(k)=[10001k001].

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.

Todistus.  Yleisessä tilanteessa suoraviivainen, mutta notaatioteknisesti hankala, lasku.
Koska alkeisrivioperaatiot ovat kääntyviä, saadaan seuraava tulos välittömästi:

Lause.

Jokainen elementaarimatriisi on kääntyvä ja elementaarimatriisin käänteismatriisi on elementaarimatriisi, joka vastaa käänteistä elementaarista vaakarivimuunnosta.

Todistus.

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 \bbbRn.
  • Yhtälöllä A\xx=0 on ainoastaan triviaaliratkaisu.
  • Matriisin A redusoitu vaakariviporrasmuoto on In.
  • A on elementaarimatriisien tulo.
Todistus.  Todistetaan implikaatioketju (a)(b)(c)(d)(e)(a)
(a)(b)
Tämän lauseen mukaan, jos A on kääntyvä, niin yhtälöllä A\xx=\bbb on yksikäsitteinen ratkaisu \xx=A1\bbb,\bbbRn.
(b)(c)
Oletetaan, että yhtälöllä A\xx=\bbb on yksikäsitteinen ratkaisu jokaisella \bbbRn. Tällöin myös homogeenisella yhtälöryhmällä A\xx=\nol on yksikäsitteinen ratkaisu. Jos homogeenisella yhtälöryhmällä on yksikäsitteinen ratkaisu, on se aina triviaaliratkaisu \xx=\nol.
(c)(d)
Oletetaan, että yhtälöryhmällä A\xx=\nol on vain triviaaliratkaisu. Tällöin kokonaismatriisi [A|\nol] saadaan elementaarisilla vaakarivimuunnoksilla muotoon [In|\nol], eli matriisin A redusoitu vaakariviporrasmuoto on In.
(d)(e)
Oletetaan, että rref(A)=In. Tällöin matriisi A saadaan matriisista In äärellisellä määrällä elementaarisia vaakarivimuunnoksia. Jokaista muunnosta vastaa matriisin kertominen vasemmalta elementaarimatriisilla. Joten
EkE2E1A=In(EkE2E1)1EkE2E1A=(EkE2E1)1InA=(EkE2E1)1In=(EkE2E1)1=E11E12E1k,

missä Ei:t ovat elementaarisia matriiseja. Näin ollen A voidaan lausua elementaarimatriisien tulona.

(e)(a)
Jos A on elementaarimatriisien tulo, niin A on kääntyvä, sillä elementaarimatriisit ovat kääntyviä ja kääntyvien matriisien tulo on kääntyvä.

Lause.

Olkoon A neliömatriisi. Jos B on neliömatriisi ja AB=In tai BA=In, niin A on kääntyvä ja B=A1.

Todistus.  Olkoon BA=In, jolloin homogeeniselle yhtälölle pätee
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=InBAA1=InA1B=A1.

Oletuksella seuraavaksi AB=In. Vaihtamalle yllä olevassa päättelyssä A:n ja B:n roolit, saadaan, että B1=A ja käänteismatriisin ominaisuuksia kuvaavan kaant-peruslause nojalla B=A1.

Seuraava lause on keskeisellä sijalla käänteismatriisien teoriassa, sillä sen todistuksesta saadaan menetelmä käänteismatriisin laskemiseksi kaikille kääntyville matriiseille.

Lause.

Olkoon A neliömatriisi. Jos elementaarisilla vaakarivimuunnoksilla saadaan matriisista A yksikkömatriisi In, niin samoilla elementaarisilla vaakarivimuunnoksilla saadaan yksikkömatriisista In matriisi A1.

Todistus.  Oletetaan, että A on riviekvivalentti yksikkömatriisin In kanssa ja olkoot E1,...,Ek vastaavat elementaarimatriisit, siis
EkE1A=In.

Näin ollen

B=EkE1

toteuttaa yhtälön BA=In joten edellisen lauseen nojalla

A1=EkE1.

Tämä todistaa lauseen.

HUOM! Lauseessa on siis oleellista se, että matriisi A voidaan alkeisrivimuunnoksilla muuntaa yksikkömatriisiksi. Ellei tämä onnistu, ei käänteismatriisi ole olemassa.

Käänteismatriisin laskeminen Gaußin eliminointimenetelmällä

Yllä olevan lauseen todistuksesta saadaan menetelmä käänteismatriisin laskemiseksi. Riittää siis muuntaa matriisi A yksikkömatriisiksi ja pitää kirjaa mitä muunnoksia on tehty. Käänteismatriisi saadaan sitten näiden muunnosten tulona. Tämä voidaan systematisoida seuraavasti:
Tarkastellaan neliömatriisia A. Muodostetaan kokonaismatriisi [A|In].
Jos A saadaan vaakariviekvivalentiksi yksikkömatriisin In kanssa elementaarisilla vaakarivioperaatioilla, niin matriisilla A on käänteismatriisi A1.
Kun matriisia A muokatessa yksikkömatriisiksi In, yksikkömatriisille In tehdään samat elementaariset vaakarivioperaatiot, saadaan yksikkömatriisista muokattua A1, siis jos EkE1A=In, niin
[A|In][EkE1A | EkE1In]=[In|A1].

Näin saadaan:

Käänteismatriisin muodostaminen Gaußin eliminoinnilla
  1. Muodosta kokonaismatriisi [A|In],

  2. Pyri muuntamaan kokonaismatriisi muotoon, jossa ensimmäiseksi tulee yksikkömatriisi:

    [A|In][In|A1]
  3. Käänteismatriisi muodostuu jälkimmäiseksi matriisiksi automaattisesti (mikäli on olemassa).

Jos matriisia A ei saada vaakariviekvivalentiksi yksikkömatriisin In kanssa, EI matriisilla A ole käänteismatriisia.
Esimerkki.  Muodosta matriisin
A=[201010102]

käänteismatriisi

Ratkaisu.

Esimerkki.

  • Etsi matriisien A ja B käänteismatriisit (jos sellaiset ovat olemassa) Gaußin eliminointimenetelmää käyttäen, kun

    A=[121230402],B=[224231312].
  • Osoita, että jos matriisin A käänteismatriisi A1 on symmetrinen, niin myös A on symmetrinen.

Ratkaisu.