线性代数二三事

第2章:作用于线性空间之间的变换

2.4 逆矩阵与线性变换的逆变换

第2章 作用于线性空间之间的变换

让我们回到线性方程组Ax=yA \vec x = \vec y中. 我们知道若x\vec x已知,则可以利用用矩阵与向量的乘法Ax\vec A\vec x来计算结果y\vec y.那么我们设想这种情况:若y\vec y已知,我们该怎么去求解x\vec x呢?我们可以试着构造出另一个矩阵B{B}, 使得By=xB \vec y = \vec x.那么在此情况下矩阵A,BA, B之间满足什么关系?我们可以在等式By=xB \vec y = \vec x两边同时乘以矩阵AA, 得到A(By)=Ax=yA( B \vec y) = A \vec x = \vec y. 那么根据定义,我们有AB=IA B = \vec I ; 同理我们也可以在等式Ax=yA \vec x = \vec y两边同时乘以矩阵BB,那么有B(Ax)=By=xB (A \vec x) = B \vec y = \vec x.根据定义我们有BA=IB A = \vec I, 此时我们发现AB,BAA B , B A均有意义, AB=BA=IA B = B A = \vec I. 在此情况下, 我们可以把BB写作A1A^{-1}, 代表矩阵 AA逆矩阵 (Inverse Matrix);同理可以把AA写作B1B^{-1}, 代表矩阵 BB逆矩阵 (Inverse Matrix).我们由此引入逆矩阵的概念:

定义 2.10

n×nn \times n矩阵A,BA, B满足AB=BA=InAB = BA = \vec I_n. 我们称矩阵A,BA, B可逆. 我们记B=A1B = A^{-1}AA的逆矩阵; 同理A=B1A = B^{-1}BB的逆矩阵.

例题 2.13

B=(1110),A=(0111)B = \begin{pmatrix} -1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}, A = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}, 证明AA的逆矩阵为BB.

解答 2.13

我们需要验证两项乘积AB=BA=IAB = BA = \vec I, 其中不难发现

AB=(0111)(1110)=(1001);BA=(1110)(0111)=(1001).AB = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} -1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}; BA = \begin{pmatrix} -1 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}.

因此根据逆矩阵的定义,我们称AA的逆矩阵为BB.

我们因此不难发现 :若AABB的逆矩阵,则BBAA的逆矩阵,即逆矩阵满足对称性.

例题 2.14

证明C=(0013)C = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}不存在逆矩阵.

解答 2.14

我们采用假设法,即假设CC的逆矩阵为B=(abcd)B = \begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix}, 随后计算CBCB的结果为

CB=(0013)(abcd)=(00a+3cb+3d).CB = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}\begin{pmatrix} a & b \\ c & d \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 & 0 \\ a + 3c & b + 3d \end{pmatrix}.

不难发现,(CB)11=0(CB)_{11} = 0, 因此无论a,b,c,da,b,c,d的取值如何,CBCB不可能为单位矩阵I\vec I, 因此矩阵CC不存在逆矩阵.

所以我们会想:什么情况下一个矩阵存在逆矩阵呢?在本书中, 我们只考虑形如AB=BA=IAB=BA=\vec I的你矩阵, 那么因此有且仅有n×nn \times n矩阵存在逆矩阵.那么在所有的n×nn \times n矩阵中,究竟要满足什么样的性质才能够使得矩阵可逆呢?我们此时不妨从线性变换的角度去研究这个问题.我们知道.每一个矩阵都对应着一个线性变换T\vec T, 在选定基底β={v1,v2,,vn}\beta = \lbrace \vec v_1, \vec v_2 , \cdots, \vec v_n \rbrace的情况下,该线性变换对应的矩阵即为

[T]β=([T(v1)]β[T(v2)]β[T(vn)]β).[\vec T]_{\beta} = \left(\begin{array}{||c|} \\ [\vec T(\vec v_1)]_{\beta} & [\vec T(\vec v_2)]_{\beta} & \cdots & [\vec T(\vec v_n)]_{\beta} \\ \end{array}\right).

定理 2.12

T:VV\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}为线性变换, 则T\vec T可逆的充要条件是T\vec T为双射.此时我们记T\vec T的逆变换为T1\vec T^{-1}, 满足TT1=T1T=Id\vec T \vec T^{-1} = \vec T^{-1} \vec T = \vec I_d (单位变换).设T\vec T对应的矩阵形式为A\vec A, 那么T1\vec T^{-1}对应的矩阵形式为A1\vec A^{-1}.

我们同时也知道,此时由于线性变换前后所对应的线性空间的维数不发生改变,因此只要得出单射或满射,便可以直接得出该变换为双射. 而我们知道,满射即代表矩阵[T]β[T]_{\beta}中的列向量可以构成V\mathcal{V}的一组基底,再结合单射代表列向量彼此线性无关,我们可以再度由行秩定理得到该矩阵的行向量也彼此线性无关,等等.也就是说,有非常多种方法来确定一个线性变换(矩阵)是否可逆,同时矩阵可逆也同时告诉了我们非常多的潜在结论.我们把这些性质总结成为一条冗长的定理:

定理 2.13

T:VV\vec T : \mathcal{V} \longrightarrow \mathcal{V}为线性变换, 记[T]β[\vec T]_{\beta} 为该变换的矩阵形式,则下列结论等价:

\begin{aligned} \text{①}& <i>$\vec T$ 为单射</i> & \text{②}& <i>$\vec T$ 为满射</i>\\ \text{③}& <i>$\vec T$ 为双射</i> &\text{④}& <i>线性变换$\vec T$ 可逆</i>\\ \text{⑤}& <i>矩阵$[\vec T]_{\beta}$ 可逆</i> & \text{⑥}& <i>$([\vec T]_{\beta})^\top$ 可逆</i>\\ \text{⑦}&<i>矩阵$[\vec T]_{\beta}$ 满秩</i> & \text{⑧}&<i>矩阵$([\vec T]_{\beta})^\top$ 满秩</i> \end{aligned}

定理2.132.13其实还可以扩充更多的结论,限于篇幅原因我省略了一部分. 在这里强烈建议读者结合目前所学的知识, 尝试去扩充这些结论: 比如在线性方程组Ax=bA\vec x = \vec b中,矩阵可逆是否和解的结构有关系? 如果我们此时把目光重点放在可逆矩阵上,我们还能引出很多有关可逆矩阵的性质:

定理 2.14

对于n×nn \times n可逆矩阵而言,我们有如下的性质:

① 单位矩阵I\vec I可逆,且I1=I\vec I^{-1} = \vec I;

(A1)1=A(A^{-1})^{-1} = A;

(AB)1=B1A1(AB)^{-1} = B^{-1} A^{-1}.一般地, (A1A2Ak)1=Ak1A21A11(A_1 A_2 \cdots A_k)^{-1} = A_k^{-1} \cdots A_2^{-1} A_1^{-1};

(Ak)1=(A1)k(A^k)^{-1} = (A^{-1})^k;

⑤ 设λ\lambda为非零常数,则(λA)1=1λA1(\lambda A)^{-1} = \displaystyle{\frac{1}{\lambda} A^{-1}} ;

(AT)1=(A1)T(A^T)^{-1} = (A^{-1})^T.

再次强烈建议读者尝试对定理2.142.14中的结论进行证明. 此处还是由于篇幅原因,我将不做证明.

例题 2.15

AAn×nn \times n可逆矩阵,若A33A+2I=0A^3 - 3A + 2I = \vec 0, 据此求A1A^{-1}.

解答 2.15

在这种类型的题里面,我们往往需要运用矩阵的性质进行“配凑”,比如我们在本题中使用I=AIA1\vec I = A \vec I A^{-1}这一公式,那么原式即为A33A+2AIA1=0A^3 - 3A + 2A \vec I A^{-1} = \vec 0, 即A(A23I+2IA1)=0A ( A^2 - 3I + 2I A^{-1}) =\vec 0, 因为矩阵AA可逆,所以A0A \neq 0, 则A23I+2A1=0A^2 - 3I + 2A^{-1} =\vec 0, 由此我们求得A1=12(3IA2)A^{-1} = \displaystyle{\frac{1}{2} (3I - A^2)}.

例题 2.16

AAn×nn \times n矩阵(不一定可逆),若A3=0A^3 = \vec 0, 证明(IA)1=I+A+A2(\vec I - A)^{-1} = \vec I + A + A^2.

解答 2.16

此时由于矩阵AA不一定可逆,所以我们不能用含有A1A^{-1}的式子代换,但我们由题意可知, A3=0A^3 = \vec 0, 即IA3=I\vec I - A^3 = \vec I, 即I3A3=I\vec I^3 - A^3 = \vec I, 我们随后便可以使用立方差公式,得到(IA)(A2+A+I)=(A2+A+I)(IA)=I(\vec I - A)(A^2 + A + \vec I) = (A^2 + A+\vec I)(\vec I-A) = \vec I, 然后根据逆矩阵的定义,我们就有(IA)1=A2+A+I(\vec I-A)^{-1} = A^2 + A + \vec I.

定义 2.11

n×nn \times n矩阵AA满足A2=IA^2 = \vec I, 即A1=AA^{-1} = A, 我们称AA自逆矩阵 (Self Inverse Matrix).

根据这个定义,我们也不难发现所有的单位矩阵IMn\vec I \in M_n均为自逆矩阵.

例题 2.17

AAm×nm \times n矩阵, 且XX=InX^\top X = I_n.证明Im2XXI_m - 2X X^\top为自逆矩阵,同时也为对称矩阵.

解答 2.17

欲证Im2XXI_m - 2X X^\top自逆,根据定义我们只需证(Im2XX)2=Im(I_m - 2X X^\top)^2 = I_m, 即

Im22Im(2XX)+(2XX)2=Im.I_m^2 - 2I_m (2X X^\top) + (2XX^\top)^2 = I_m.

随后根据矩阵乘法的性质,我们得到Im2(2XX)+4(XX)(XX)=ImI_m - 2 (2X X^\top) + 4(XX^\top)(XX^\top) = I_m, 即 Im4(XX)+4XXXX=ImI_m - 4 (X X^\top) + 4X (X^\top X)X^\top = I_m. 根据定义, 即Im4XX+4XInX=Im4XX+4XX=ImI_m - 4XX^\top + 4X I_n X^\top = I_m - 4X X^\top + 4 X X^\top = I_m. 那么不难发现,等式左边等于等式右边,即Im2XXI_m - 2XX^\top为自逆矩阵.由于我们知道对于逆矩阵P\mathcal{P}而言,(P1)=(P)1(\mathcal{P}^{-1})^\top = (\mathcal{P}^\top)^{-1}, 那么我们有

((Im2XX)1)=((Im2XX))1.((I_m - 2XX^\top)^{-1})^\top = ((I_m - 2XX^\top)^\top)^{-1}.

根据矩阵的性质我们知道

(Im2XX)=(Im)(2XX)=Im2(X)(X)=Im2XX.(I_m - 2XX^\top)^\top = (I_m)^\top - (2XX^\top)^\top = I_m - 2(X^\top)^\top (X)^\top = I_m - 2X X^\top.

那么根据定义,Im2XXI_m- 2XX^\top也为对称矩阵.

随后,让我们回到线性方程组Ax=bA \vec x = \vec b中,我们假设矩阵AA存在逆矩阵,那么我们便可以在等式的两边同时乘以A1A^{-1}, 我们进而得到

x=A1b\vec x = A^{-1} \vec b

其中x\vec x便是该方程组的唯一解.我们可以仿照Ax=bA \vec x = \vec b的形式,去判断或者求解一个矩阵的逆矩阵. 在线性方程组Ax=bA\vec x = \vec b中,我们可以把x\vec x看作是某个AA的逆矩阵,把b\vec b看作单位矩阵I\vec I.这样,我们便可以用研究线性方程组的方法来研究逆矩阵了.

定理 2.15

AAn×nn \times n可逆矩阵,那么在矩阵AA中,我们一定可以通过一系列的高斯消元,从而得到单位矩阵I\vec I.从I\vec I再到AA的过程也是高斯消元的逆运算.通过对增广矩阵(AI)\left(\begin{array}{c|c} A & \vec I \end{array}\right)进行高斯消元,我们最终可以得到(IA1)\left(\begin{array}{c|c} \vec I & A^{-1} \end{array}\right), 其中A1A^{-1}便是矩阵AA的逆矩阵.

例题 2.18

求出矩阵A=(271141130)A = \begin{pmatrix} 2 & 7 & 1 \\ 1 & 4 & -1 \\ 1 & 3 & 0 \end{pmatrix}的逆矩阵.

解答 2.18

我们只需求解(AI)\left(\begin{array}{c|c} A & \vec I \end{array}\right)即可, 在本题中我们有

(AI)=(271100141010130001)\left(\begin{array}{c|c} A & \vec I \end{array}\right) = \left(\begin{array}{ccc|ccc} 2 & 7 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 4 & -1 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 3 & 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right)

我们只需对AA中的3列进行高斯消元即可.

(271100141010130001)2R3R1;2R2R1(271100013120011102)\left(\begin{array}{ccc|ccc} 2 & 7 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 1 & 4 & -1 & 0 & 1 & 0 \\ 1 & 3 & 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right) \xrightarrow{ 2R_3 - R_1 ; 2R_2 - R_1} \left(\begin{array}{ccc|ccc} 2 & 7 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -3 & -1 & 2 & 0 \\ 0 & -1 & -1 & -1 & 0 & 2 \end{array}\right)(271100013120011102)2R17R2;R3+R2;R1/2;R3/2 (1011470013120002111)\left(\begin{array}{ccc|ccc} 2 & 7 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & -3 & -1 & 2 & 0 \\ 0 & -1 & -1 & -1 & 0 & 2 \end{array}\right) \xrightarrow{ 2R_1 - 7R_2 ; R_3 + R_2 ; R1/2 ; R3/2 \text{ }} \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 11 & 4 & -7 & 0 \\ 0 & 1 & -3 & -1 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -2 & -1 & 1 & 1 \end{array}\right)(1011470013120002111)2R1+11R3;2R23R3;R1/2 (1001.51.55.50100.50.51.50010.50.50.5)\left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 11 & 4 & -7 & 0 \\ 0 & 1 & -3 & -1 & 2 & 0 \\ 0 & 0 & -2 & -1 & 1 & 1 \end{array}\right) \xrightarrow{ 2R_1 + 11R_3 ; 2R_2 - 3R_3 ; R_1/2 \text{ }} \left(\begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 0 & -1.5 & -1.5 & 5.5 \\ 0 & 1 & 0 & 0.5 & 0.5 & -1.5 \\ 0 & 0 & 1 & -0.5 & 0.5 & -0.5 \end{array}\right)

因此,从我们最终得出的(AI)\left(\begin{array}{c|c} A & \vec I \end{array}\right)中,我们得到 A1=(1.51.55.50.50.51.50.50.50.5)A^{-1} = \begin{pmatrix} -1.5 & -1.5 & 5.5 \\ 0.5 & 0.5& -1.5 \\ -0.5 & 0.5 & -0.5 \end{pmatrix}.

需要强调的一点是,当我们使用(AI)\left(\begin{array}{c|c} A & \vec I \end{array}\right)进行消元时, AA矩阵应可逆,否则我们无法得出形如(IA1)\left(\begin{array}{c|c} \vec I & A^{-1} \end{array}\right)的形式.所以这种方法其实也是判断矩阵AA是否可逆的方法.这种方法的优点是我们不仅可以判断出矩阵AA是否可逆,当矩阵可逆时我们还可以直接求出AA的逆矩阵.当我们完成下一节对行列式的学习之后,我们将给出逆矩阵的另外一种求法.

例题 2.19

P=(AX0B)P = \begin{pmatrix} A & X \\ \vec 0 & B \end{pmatrix}Q=(A0YB)Q = \begin{pmatrix} A & \vec 0 \\ Y & B \end{pmatrix}为分块矩阵,其中AMmA \in M_m, BMnB \in M_n.证明:

① 若PP为可逆矩阵,则A,BA,B均为可逆矩阵,且P1=(A1(A1XB1)0B1)P^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & -(A^{-1}XB^{-1}) \\ \vec 0 & B^{-1} \end{pmatrix};

② 若QQ为可逆矩阵,则A,BA,B均为可逆矩阵,且Q1=(A10(B1YA1)B1)Q^{-1} = \begin{pmatrix} A^{-1} & \vec 0 \\ -(B^{-1}YA^{-1}) & B^{-1} \end{pmatrix}.

不难发现,①,②的结构十分相似,我将仅证①,第二问的证明留给读者思考.

解答 2.19

我们先证此时A,BA,B均为可逆矩阵:首先我们不难发现PP(n+m)×(n+m)(n+m) \times (n+m)矩阵, 由于PP可逆,根据逆矩阵的性质我们知道PP的行向量彼此线性无关;列向量彼此线性无关.由列向量彼此线性无关我们可知AA中列向量一定线性无关,又因为AAm×mm \times m矩阵,则AA可逆;同理由行向量线性无关可以得出BB中行向量线性无关,则BB可逆.

我们可以使用分块矩阵的乘法规则,此时我们只需要验证PP1=P1P=Im+nP P^{-1} = P^{-1} P = I_{m+n}

PP1=(AX0B)(A1(A1XB1)0B1)=(AA1+0A(A1XB1)+XB10+00+BB1)=(Im(AA1)(XB1)+XB10In)=(Im00In).\begin{aligned} P P^{-1} = \begin{pmatrix} A & X \\ \vec 0 & B \end{pmatrix}\begin{pmatrix} A^{-1} & -(A^{-1}XB^{-1}) \\ \vec 0 & B^{-1} \end{pmatrix} &= \begin{pmatrix} A A^{-1} + \vec 0 & A(-A^{-1} X B^{-1} ) + XB^{-1} \\ \vec 0 + \vec 0 & \vec 0 + B B^{-1} \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} I_m & -(AA^{-1})(XB^{-1}) + XB^{-1} \\ \vec 0 & I_n \end{pmatrix} \\ & = \begin{pmatrix} I_m & \vec 0 \\ \vec 0 & I_n \end{pmatrix}. \end{aligned}P1P=(A1(A1XB1)0B1)(AX0B)=(A1A+0A1X(A1XB1)B0+00+B1B)=(ImA1X(A1X)(B1B)0+0In)=(Im00In).\begin{aligned} P^{-1}P = \begin{pmatrix} A^{-1} & -(A^{-1}XB^{-1}) \\ \vec 0 & B^{-1} \end{pmatrix} \begin{pmatrix} A & X \\ \vec 0 & B \end{pmatrix} &= \begin{pmatrix} A^{-1}A +\vec 0 & A^{-1}X - (A^{-1}XB^{-1}) B \\ \vec 0 + \vec 0 & \vec 0 + B^{-1}B \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} I_m & A^{-1}X - (A^{-1}X)(B^{-1}B) \\ \vec 0 + \vec 0 & I_n \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} I_m & \vec 0 \\ \vec 0 & I_n \end{pmatrix}. \end{aligned}

因此,PP1=P1P=Im+nPP^{-1} = P^{-1}P = I_{m+n}, 原式得证.

{2.4 练习}

1. 求出下列矩阵的逆矩阵:

A=(311210151);B=(1452000112200110);C=(1200001300001500001700001).A = \begin{pmatrix} 3 & 1 & -1 \\ 2 & 1 & 0 \\ 1 & 5 & -1 \end{pmatrix}; B = \begin{pmatrix} -1 & 4 & 5 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & -1 \\ 1 & -2 & -2 & 0 \\ 0 & -1 & -1 & 0 \end{pmatrix}; C= \begin{pmatrix} 1 & 2 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 3 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 5 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 7 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \end{pmatrix}.

2.(A2I2)1=(2110)(A^\top - 2I_2)^{-1} = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ -1 & 0 \end{pmatrix}, 求AA.

3.A,BA,B均为n×nn \times n矩阵,下列哪些说法是正确的?

① 若A0A \neq \vec 0, 则AA可逆;

② 若A,BA,B均可逆, 则A+BA + B可逆;

③ 若A,BA,B均可逆, 则(A1B)(A^{-1}B)^\top可逆;

④ 若A4=3IA^4 = 3I, 则AA可逆;

⑤ 若A2A^2可逆, 则AA可逆;

⑥ 若AA可逆且斜对称 (Skew Symmetric)(即A=AA^\top = -A) ,则A1A^{-1}可逆且斜对称;

⑦ 若AB=BAB = BB0B \neq \vec 0, 则AA可逆.

4.P=(abcdbadccdabdcba)\vec{P} = \begin{pmatrix} a & -b & -c & -d \\ b & a & -d & c \\ c & d & a & -b \\ d & -c & b & a \end{pmatrix}, 求PP\vec{P}\vec{P}^\topP1\vec{P}^{-1} (P0\vec{P} \neq \vec 0).

5.AAn×nn \times n矩阵,若AA中每一行的全部元素加和均为00,证明:AA不可逆.

6.PPn×nn \times n矩阵,满足P2=PP^2 = P.证明:

I2P\vec I - 2P为自逆矩阵;

IaP\vec I - aP可逆当且仅当a1a \neq 1, 并验证(IaP)1=I+(a1a)P(\vec I - aP)^{-1} = \vec I + \displaystyle{\left(\frac{a}{1-a} \right) P}.

7. 若矩阵满足U2=IU^2 = \vec I, 证明:I+U\vec I + U不可逆,除非U=IU = \vec I.

8.A,BA,B均为n×nn \times n矩阵, 证明:

A(I+BA)=(I+AB)AA(\vec I + BA) = (\vec I + AB)A, 且(I+BA)B=B(I+AB)(\vec I + BA)B = B(\vec I + AB);

② 若I+AB\vec I + AB可逆,则I+BA\vec I + BA也可逆,且(I+BA)1=IB(I+AB)1A(\vec I + BA)^{-1} = \vec I - B(\vec I + AB)^{-1}A.

9.AAn×nn \times n矩阵, 若An=0A^n = \vec 0, 求(IA)1(\vec I - A)^{-1}.

10.n×nn \times n矩阵JJ中的每一个元素均为11 (即(J)ij=1(1i,jn)(J)_{ij} = 1 \hspace{0.13cm} (1 \leq i,j \leq n) ), 若(IλJ)(\vec I - \lambda J)为自逆矩阵和对称矩阵, 求λ\lambda.(用含有nn的式子表示).

11.n×nn\times n矩阵AA中的元素aij,1i,jna_{ij}, 1\leq i,j \leq n满足

aii>j=1,jinaij.|a_{ii}| > \sum_{j=1, j \neq i}^n |a_{ij}|.

证明: 矩阵AA可逆.