§第二章第三节逆矩阵
一、逆矩阵
定义8.设A为n阶方阵,如果有一个n阶方阵B,使AB=BA=E,则称矩阵A是可逆的,并把矩阵B称为A的逆矩阵.A的逆矩阵记为A −1
二、逆矩阵是唯一的
证明:设B和C都是A的逆矩阵,则B=BE=B(AC)=(AB)C=EC=C
三、逆矩阵的有关定理
定理1.方阵A可逆的充分必要条件是|A|≠0,且A −1 =1|A| A ∗ ,其中A ∗ =⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ A 11 A 12 ⋯A 1n A 21 A 22 ⋯A 2n ⋯⋯⋯⋯ A n1 A n2 ⋯A nn ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ 称为A的伴随矩阵.A ∗ 中元素是A的所有元素的代数余子式.
证明:必要性:因为A可逆,则有A −1 ,使AA −1 =E|A|⋅|A −1 |=|E|=1所以|A|≠0.充分性:由于AA ∗ =⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ a 11 a 21 ⋯a n1 a 12 a 22 ⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯ a 1n a 2n ⋯a nn ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ A 11 A 12 ⋯A 1n A 21 A 22 ⋯A 2n ⋯⋯⋯⋯ A n1 A n2 ⋯A nn ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ =⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ |A|0⋯0 0|A|⋯0 ⋯⋯⋯⋯ 00⋯|A| ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ =|A|⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 10⋯0 01⋯0 ⋯⋯⋯⋯ 00⋯1 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ =|A|E即AA ∗ =|A|E同理A ∗ A=|A|E,所以AA ∗ =A ∗ A=|A|E因为|A|≠0,所以AA ∗ |A| =A ∗ |A| A=E[令B=A ∗ |A| ,即得AB=BA=E]由定义,知A −1 =1|A| A ∗ .
推论:若AB=E(或BA=E),则B=A −1 .
证明:|A|⋅|B|=|E|=1.故|A|≠0,因而A −1 存在,于是B=EB=(A −1 A)B=A −1 (AB)=A −1 E=A −1
运算律
1)若A可逆,则A −1 亦可逆,且(A −1 ) −1 =A;
2)若A可逆,数λ≠0,则λA可逆,且(λA) −1 =1λ A −1 ;
3)若A,B为同阶的可逆矩阵,则AB也可逆,且(AB) −1 =B −1 A −1 .
证明:(AB)(B −1 A −1 )=A(BB −1 )A −1 =AEA −1 =AA −1 =E
4)若A可逆,则A T 也可逆,且(A T ) −1 =(A −1 ) T .
证明:∵(A T )(A −1 ) T =(A −1 A) T =E T =E又∵(A T )(A T ) −1 =E∴(A T ) −1 =(A −1 ) T
注1:当|A|≠0时,k为正整数,λ,μ为整数,有1)A 0 =E2)A −k =(A −1 ) k 3)A λ A μ =A λ+μ 4)(A λ ) μ =A λμ 2:当|A|≠0时,A为可逆矩阵,也称为非奇异矩阵,当|A|=0时,A为不可逆矩阵,也称为奇异矩阵.
四、逆矩阵的应用
例1.解矩阵方程,求矩阵X.⎛ ⎝ ⎜ 100 210 321 ⎞ ⎠ ⎟ X(25 13 )=⎛ ⎝ ⎜ 101 010 ⎞ ⎠ ⎟
解:设A=⎛ ⎝ ⎜ 100 210 321 ⎞ ⎠ ⎟ ,B=(25 13 ),C=⎛ ⎝ ⎜ 101 010 ⎞ ⎠ ⎟ 则上式变成:AXB=C因为|A|=1≠0,|B|=1≠0.所以A −1 ,B −1 均存在,且A −1 =⎛ ⎝ ⎜ 100 −210 1−21 ⎞ ⎠ ⎟ ,B −1 =(3−5 −12 )于是X=A −1 CB −1 =⎛ ⎝ ⎜ 100 −210 1−21 ⎞ ⎠ ⎟ ⎛ ⎝ ⎜ 101 010 ⎞ ⎠ ⎟ (3−5 −12 )=⎛ ⎝ ⎜ 2−21 −210 ⎞ ⎠ ⎟ (3−5 −12 )=⎛ ⎝ ⎜ 16−113 −64−1 ⎞ ⎠ ⎟
例2.设A=⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1−200 03−40 005−6 0007 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ,且B=(E+A) −1 (E−A)求(E+B) −1
解:由B=(E+A) −1 (E−A)得(E+A)B=E−A从而,B+AB=E−AE+B+A+AB=2E(E+B)+A(E+B)=2E(E+A)(E+B)=2E(E+A)2 (E+B)=E故(E+B) −1 =12 (A+E)=⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ 1−100 02−20 003−3 0004 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟
例3.设A,B均为n阶方矩阵,若E−AB可逆,则E−BA也可逆,并求:(E−BA) −1
证明:A−ABA=A−ABA(E−AB)A=A(E−BA)两端乘以(E−AB) −1 A=(E−AB) −1 A(E−BA)①又因为E=E−BA+BA(把①代入)=(E−BA)+B[(E−AB) −1 A(E−BA)]=[E+B(E−AB) −1 A](E−BA)所以E−BA可逆,且(E−BA) −1 =E+B(E−AB) −1 A
五、几个常用公式
1)AA ∗ =A ∗ A=|A|E
2)A ∗ =|A|A −1
3)|A −1 |=|A| −1
4)|λA|=λ n |A|
5)(λA) −1 =λ −1 A −1
例4.若|A|≠0,试证
(1)|A ∗ |=|A| n−1 ;
(2)(A ∗ ) −1 =(A −1 ) ∗ ;
(3)(A ∗ ) T =(A T ) ∗ ;
(4)(A ∗ ) ∗ =|A| n−2 A;
(5)(kA) ∗ =k n−1 A ∗ .
证:
(1)|A ∗ |=||A|A −1 |=|A| n |A −1 |=|A| n−1 ;
(2)(A ∗ ) −1 =(|A|A −1 ) −1 =|A −1 |(A −1 ) −1 =(A −1 ) ∗ ;
(3)(A ∗ ) T =(|A|A −1 ) T =|A T |(A −1 ) T =|A T |(A T ) −1 =(A T ) ∗ ;
(4)(A ∗ ) ∗ =|A ∗ |(A ∗ ) −1 =|A| n−1 (|A|A −1 ) −1 =|A| n−2 A;
(5)(kA) ∗ =|kA|(kA) −1 =k n |A|k −1 A −1 =k n−1 |A|A −1 =k n−1 A ∗ .
例5.设矩阵A、B满足A ∗ BA=2BA−8E,其中A=⎛ ⎝ ⎜ 100 0−20 001 ⎞ ⎠ ⎟ ,求B
解:由于|A|≠0,所以A可逆,在A ∗ BA=2BA−8E两端分别左乘A,右乘A −1 得|A|B=2AB−8E把|A|=−2代入即2AB+2B=8EAB+B=4E(A+E)B=4EB=4(A+E) −1 =4⎡ ⎣ ⎢ ⎛ ⎝ ⎜ 100 0−20 001 ⎞ ⎠ ⎟ +⎛ ⎝ ⎜ 100 010 001 ⎞ ⎠ ⎟ ⎤ ⎦ ⎥ −1 =4⎛ ⎝ ⎜ 100 0−20 001 ⎞ ⎠ ⎟ −1 =4⎛ ⎝ ⎜ ⎜ 12 00 0−10 0012 ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ =⎛ ⎝ ⎜ 200 0−40 002 ⎞ ⎠ ⎟