Matematika/Atvirkštinė matrica

Iš testwiki.
Pereiti į navigaciją Jump to search
Atvirkštinė matrica A−1 yra tokia matricos
A=[a11a12a13a21a22a23a31a32a33]
matrica, kad
AA−1=A−1A=E;
čia E yra vienetinė matrica (EA = AE = A).
Atvirkštinė matrica gaunama taip:
A−1=1|A|⋅[A11A21A31A12A22A32A13A23A33].
|A| yra matricos A determinantas:
d=detA=|A|=|a11a12a13a21a22a23a31a32a33|.
A11=(−1)1+1(a22a33−a23a32),
A21=(−1)2+1(a12a33−a13a32),
A31=(−1)3+1(a12a23−a13a22),
A12=(−1)1+2(a21a33−a23a31),
A22=(−1)2+2(a11a33−a13a31),
A32=(−1)3+2(a11a23−a13a21),
A13=(−1)1+3(a21a32−a22a31),
A23=(−1)2+3(a11a32−a12a31),
A33=(−1)3+3(a11a22−a12a21).

Matricos A adjunktas Aij (čia i simbolizuoja adjunkto eilutę, o j simbolizuoja adjunkto stulpelį) į atvirkštinę matricą dedamas tokiu budu, kad j reiškia eilutę atvirkštinėje matricoje, o i reiškia stulpelį.


  • Pavyzdys. Rasti matricos

A=[3−10−2112−14]

atvirkštinę matricą.

Pirmiausia rasime matricos A determinantą.
d=|A|=|3−10−2112−14|=3⋅1⋅4+(−1)⋅1⋅2+(−2)⋅(−1)⋅0−0⋅1⋅2−(−1)⋅(−2)⋅4−3⋅1⋅(−1)=
=12−2+0−0−8+3=10−8+3=5.
Determinantą galima surasti ir kitu budu, pridėjus antrą determinanto stulpelį, padaugintą iš 3, prie pirmo stulpelio:
d=|A|=|3−10−2112−14|=|0−10111−1−14|=(−1)⋅(−1)1+2|11−14|=1⋅4−1⋅(−1)=5.

Randame matricos A visus adjunktus:

A11=(−1)1+1|11−14|=5;A12=(−1)1+2|−2124|=10;A13=(−1)1+3|−212−1|=0;
A21=(−1)2+1|−10−14|=4;A22=(−1)2+2|3024|=12;A23=(−1)2+3|3−12−1|=(−1)(−3−(−2))=1;
A31=(−1)3+1|−1011|=−1;A32=(−1)3+2|30−21|=−3;A33=(−1)3+3|3−1−21|=1.

Toliau sudarome ir apskaičiuojame atvirkštinę A matricą:

A−1=1|A|⋅[A11A21A31A12A22A32A13A23A33]=15⋅[54−11012−3011]=[145−152125−3501515].

Sudauginę A matricą su jos atvirkštine matrica A−1, gauname vienetinę matricą:

E=AA−1=[3−10−2112−14][145−152125−3501515]=[3⋅1+(−1)⋅2+0⋅03⋅45+(−1)⋅125+0⋅153⋅(−15)+(−1)⋅(−35)+0⋅15−2⋅1+1⋅2+1⋅0−2⋅45+1⋅125+1⋅15−2⋅(−15)+1⋅(−35)+1⋅152⋅1+(−1)⋅2+4⋅02⋅45+(−1)⋅125+4⋅152⋅(−15)+(−1)⋅(−35)+4⋅15]=
=[3−2+0125−125+0−35+35+0−2+2+0−85+125+1525−35+152−2+085−125+45−25+35+45]=[100010001],

Antros eilės matricos atvirkštinė matrica

Tegu duota antros eilės (kvadratinė) matrica
A=[a1a2a3a4].
Jos atvirkštinė matrica apskaičiuojama taip:
A−1=1|A|⋅[a4−a2−a3a1];
čia |A| yra matricos A determinantas:
d=|A|=|a1a2a3a4|=a1a4−a2a3.
Parodysime kaip ši antros eilės matricos atvirkštinės matricos formulė buvo gauta (ji gauta pagal tuos pačius dėsnius kaip ir trečios ir aukštesnės eilės atvirkštinės matricos).
Matricos
A=[a11a12a21a22]
adjunktai yra tokie:
A11=(−1)1+1a22=a22,A12=(−1)1+2a21=−a21,
A21=(−1)2+1a12=−a12,A22=(−1)2+2a11=a11.
Toliau kaip ir trečios eilės matricai, sukeičiame adjunktų eilutes su stulpeliais (kolonom) ir sudedam į kvadratinę matricą padalintą iš matricos A determinanto:
A−1=1|A|⋅[A11A21A12A22]=1|A|⋅[a22−a12−a21a11].
Gavome atvirkštinę matricos A matricą A−1.

Pavyzdžiai

  • Turime matricą
A=[3512].
Jos determinantas yra lygus:
d=|A|=|3512|=3⋅2−5⋅1=1.
Matricos A atvirkštinė matrica yra tokia:
A−1=1|A|⋅[a4−a2−a3a1]=11⋅[2−5−13]=[2−5−13].
Sudaugtinę matricą A su jos atvirkštine matrica A−1 gausime vienetinę matricą E:
AA−1=[3512][2−5−13]=[3⋅2+5⋅(−1)3⋅(−5)+5⋅31⋅2+2⋅(−1)1⋅(−5)+2⋅3]=[1001]=E.


  • Turime matricą
A=[a1a2a3a4]=[8432].
Jos determinantas yra lygus:
d=|A|=|8432|=8⋅2−4⋅3=16−12=4.
Matricos A atvirkštinė matrica yra tokia:
A−1=1|A|⋅[a4−a2−a3a1]=14⋅[2−4−38]=[12−1−342].
Sudaugtinę matricą A su jos atvirkštine matrica A−1 gausime vienetinę matricą E:
AA−1=[8432][12−1−342]=[8⋅12+4⋅(−34)8⋅(−1)+4⋅23⋅12+2⋅(−34)3⋅(−1)+2⋅2]=[4−3−8+832+(−32)−3+4]=[1001]=E.


  • Turime matricą
U1=[a1a2a3a4]=[2i−i2].
Šią matricą transponavus ir jos kompleksinius skaičius pakeitus sujungtiniais, gaunama ta pati matrica. Tai yra, matrica U1 yra hermitinė, nes U1∗=U1.
Rasime jos atvirkštinę matricą U1−1.
Jos determinantas yra lygus:
d=|U1|=|2i−i2|=2⋅2−i⋅(−i)=2+i2=2−1=1.
Matricos U1 atvirkštinė matrica yra tokia:
U1−1=1|U1|⋅[a4−a2−a3a1]=11⋅[2−ii2]=[2−ii2].
Sudaugtinę matricą U1 su jos atvirkštine matrica U1−1 gauname:
U1U1−1=[2i−i2][2−ii2]=[2⋅2+i22⋅(−i)+i⋅2−i2+i2−i⋅(−i)+2⋅2]=[2−1−i2+i20i2+2]=[1001]=E.
Matrica U1 nėra unitarinė matrica (unitarinėms matricoms galioja tokia lygybė: U∗=U−1), nes U1∗≠U1−1. Bet Aukštosios Algebros vadovėlyje teigiama, kad matrica U1 yra unitarinė (būna klaidų ir vadovėliuose).


  • Turime matricą
U2=[a1a2a3a4]=[2i55−2i].
Matrica U2 nėra hermitinė nes U2∗≠U2.
Rasime matricos U2 atvirkštinę matricą U2−1.
Matricos U2 determinantas yra lygus:
d=|U2|=|2i55−2i|=2i⋅(−2i)−5⋅5=−4i2−5=4−5=−1.
Matricos U2 atvirkštinė matrica yra tokia:
U2−1=1|U2|⋅[a4−a2−a3a1]=1−1⋅[−2i−5−52i]=[2i55−2i].
Matome, kad U2=U2−1, bet U2∗≠U2−1, nes
U2∗=[−2i552i].
Vadovėlyje sakoma, kad kadangi determinantas |U| unitarinės matricos dažnai yra kompleksinis skaičius, tai tik jo modulis yra lygus 1 (kompleksinio skaičiaus a+bi modulis yra a2+b2). Ir dar sakoma, kad unitarinėms ir ortogonalinėms matricoms |U|2=1. Bet ir padauginus matricą
[−2i−5−52i]
ne iš -1, o iš (−1)2=1, vis tiek negaunama, kad U2∗ yra lygu U2−1.
Sudaugtinę matricą U2 su jos atvirkštine matrica U2−1 gauname:
U2U2−1=[2i55−2i][2i55−2i]=[(2i)2+5⋅52i5+5⋅(−2i)5⋅2i+(−2i)⋅5(5)2+(−2i)2]=[−4+52i5−2i52i5−2i55−4]=[1001]=E.
Kur ten mato unitarines matricas Aukštosios Algebros vadovėlio pavyzdyje? Nes matricos U1 ir U2 nėra unitarinės.


  • Surasime matricų U1 ir U2 sandaugos atvirkštinę matricą.
U3=U1U2=[2i−i2][2i55−2i]=[(22+5)i2+102+10−(22+5)i].
Surandame matricos U3 determinantą:
|U3|=|(22+5)i2+102+10−(22+5)i|=−(22+5)2i2−(2+10)2=(22+5)2−(2+10)2=(8+410+5)−(4+410+10)=13+410−14−410=−1.
Matricos U3 atvirkštinė matrica yra tokia:
U3−1=1|U3|⋅[a4−a2−a3a1]=1−1⋅[−(22+5)i−(2+10)−(2+10)(22+5)i]=[(22+5)i(2+10)(2+10)−(22+5)i].
Matome, kad U3=U3−1. Jei matrica U3 yra unitarinė, tai pritaikius jai žvaigždutinę operaciją (*), turėtume gauti atvirkštinę matricą U3−1. Žiūrim:
U3∗=[−(22+5)i(2+10)(2+10)(22+5)i]
(žvaigždutinė operacija sukeičia elementų eilutes su stulpeliais (transponuoja) ir kompleksinius skaičius pakeičia jiems jungtiniais kompleksiniais skaičiais). Gavome, kad matrica U3 nėra unitarinė (nes U3∗≠U3−1) ir nėra ermitinė (nes U3∗≠U3). Vadovėlyje teigiama, kad matrica U3 yra unitarinė (ir kad dviejų unitarinių matricų sandauga yra unitarinė matrica), bet taip nėra.
Sudauginę matricą U3 su jos atvirkštine matrica U3−1 gauname:
U3U3−1=[(22+5)i2+102+10−(22+5)i][(22+5)i2+102+10−(22+5)i]=[(22+5)2i2+(2+10)2(22+5)(2+10)i−(22+5)(2+10)i(22+5)(2+10)i−(22+5)(2+10)i(2+10)2+[−(22+5)i]2]=
=[−(8+410+5)+(4+410+10)00(4+410+10)−(8+410+5)]=[−(13+410)+(14+410)00(14+410)−(13+410)]=[1001]=E.


Unitariųjų matricų pavyzdžiai

Vokiškoj, berdos, Vikipedijoje yra teisingų unitariųjų matricų pavyzdžių: https://de.wikipedia.org/wiki/Unitäre_Matrix


  • Turime unitarinę matricą
U=(0ii0).
Jos atvirkštinė matrica yra tokia (matricos U determinantas lygus 1):
U−1=(0−i−i0)=U∗.
Sudauginę matricą U−1 su U gauname:
U−1U=(0−i−i0)⋅(0ii0)=(−i200−i2)=(1001)=E.


  • Turime unitarinę matricą
U=12(1+i1−i1−i1+i).
Jos determinantas yra (skaičiuojant determinantą iš kiekvienos matricos eilutės (arba stulpelio) reikia iškelti dauginamąjį, todėl 1/4, o ne 1/2 prieš determinantą):
|U|=14|1+i1−i1−i1+i|=14[(1+i)2−(1−i)2]=14[1+2i+i2−(1−2i+i2)]=14(2i+2i)=i.
Pritaikę žvaigždutinę operaciją gauname tokią matricą:
U∗=12(1−i1+i1+i1−i).
O sudauginę ką tik gautą matricą su matrica U gauname:
U∗U=12(1−i1+i1+i1−i)⋅12(1+i1−i1−i1+i)=14(2(1−i)(1+i)(1−i)2+(1+i)2(1+i)2+(1−i)22(1+i)(1−i))=(1001)=E.
Matricos U atvirkštinė matrica yra tokia:
U−1=1|U|⋅[a4−a2−a3a1]=12i⋅[1+i−(1−i)−(1−i)1+i]=12i⋅[1+i−1+i−1+i1+i]=
=i2i⋅i⋅[1+i−1+i−1+i1+i]=−i2⋅[1+i−1+i−1+i1+i]=12⋅[−i(1+i)−i(−1+i)−i(−1+i)−i(1+i)]=12⋅[−i+1i+1i+1−i+1]=12⋅[1−i1+i1+i1−i].
Visiškai teisingai. Gavome, kad U∗=U−1. Matrica U be jokių abejonių yra unitarioji (unitarinė ~1960 metų vadovėlyje).