2.3 逆矩阵

本节主要内容

  1. 一、逆矩阵的定义
  2. 二、可逆矩阵的运算性质
  3. 三、初等变换与初等矩阵
  4. 四、用初等变换求逆矩阵

一、逆矩阵的定义

1. 背景

在数的运算中,当 时, 有倒数 ,满足 。

类似地,在矩阵运算中,单位矩阵 相当于”数 1”,对于矩阵 ,若存在矩阵 ,使得 ,则 称为 的逆矩阵。

2. 逆矩阵的定义

定义 2.3.1: 对于 阶矩阵 ,若存在矩阵 ,使得: 则称 为可逆矩阵, 为 的逆矩阵,记作 。

3. 说明

说明 1: 可逆矩阵必定是方阵。

说明 2: 若 可逆,则 的逆矩阵是唯一的。

证明:设 都是 的逆矩阵,则 ,故唯一。

4. 判定方法

方法一: 用定义判断——直接验证

方法二: 若 (或 ),则 与 都可逆,且互为逆矩阵。

注:只需验证其中一个等式即可。

5. 逆矩阵的求法:定义法

例: 设 ,求 。

解: 设 ,由 :

故 。


二、可逆矩阵的运算性质

序号性质
(1)若 可逆,则 也可逆,且
(2)若 可逆,数 ,则
(3)若 均可逆,则 也可逆,且
推广
(4)若 可逆,则 也可逆,且

注意: ,且 可能不可逆。

例:证明矩阵可逆

设 ,证明 可逆,并求 。

证明: 由 得 ,即 ,故 可逆且 。


三、初等变换与初等矩阵

1. 矩阵的初等变换

变换操作
(1) 对换变换交换两行()或两列()
(2) 数乘变换用非零数 乘某行()或某列()
(3) 倍加变换将第 行的 倍加到第 行()

初等变换的逆变换仍为初等变换,且类型相同。

2. 矩阵等价

若矩阵 经过有限次初等变换变成矩阵 ,则称 与 等价,记作 。

等价关系的性质:

  • 反身性:
  • 对称性:若 ,则
  • 传递性:若 ,则

3. 初等矩阵

由单位矩阵 经过一次初等变换得到的矩阵,称为初等矩阵。

类型操作记号
第一类交换 的第 行(列)
第二类用 乘第 行(列)
第三类将第 行的 倍加到第 行

引理 2.3.1: 对矩阵 施行一次初等行(列)变换,相当于在 的左(右)边乘以相应的初等矩阵。

  • : 经过对换行
  • :
  • :
  • 列变换类似(右边乘)

4. 初等矩阵的逆矩阵

初等矩阵逆矩阵
(自身)

推论:初等矩阵是可逆的,逆矩阵仍为初等矩阵。


四、用初等变换求逆矩阵

定理 2.3.4(可逆性判定)

对于 阶矩阵 ,以下命题等价:

  1. 可逆
  2. 齐次线性方程组 只有零解
  3. 与单位矩阵 行等价( 可经有限次初等行变换化为 )

证明思路:

  • (1) ⇒ (2):若 可逆, 两边左乘 得
  • (2) ⇒ (3):只有零解 → 主元列数 → 的行最简形为
  • (3) ⇒ (1): → 为可逆矩阵的乘积 → 可逆

推论

  1. 阶矩阵 可逆 可表示为若干初等矩阵的乘积
  2. 若 与 行等价,则 可逆 可逆
  3. 若 (或 ),则 均可逆,且互为逆矩阵

用初等行变换求逆矩阵的方法

将 与 并排放置,做联合矩阵 ,对其实施初等行变换:

操作步骤:

  1. 构造分块矩阵
  2. 用初等行变换将左侧 化为
  3. 右侧同步变为

注意事项:

  • 左右两侧每次变换必须同步
  • 全程只能使用初等行变换(不能有列变换)
  • 若化简过程中某行全为零 不可逆

用初等列变换求逆矩阵

类似地:

求矩阵方程

若 可逆,则 。

求法:对 做初等行变换:


本节小结

知识点内容
逆矩阵,则
性质,
初等矩阵、、
初等变换与矩阵乘法行变换 = 左乘初等矩阵;列变换 = 右乘初等矩阵
求逆矩阵
可逆判定 与 行等价;齐次方程只有零解