让我们回到线性方程组Ax=y中. 我们知道若x已知,则可以利用用矩阵与向量的乘法Ax来计算结果y.那么我们设想这种情况:若y已知,我们该怎么去求解x呢?我们可以试着构造出另一个矩阵B, 使得By=x.那么在此情况下矩阵A,B之间满足什么关系?我们可以在等式By=x两边同时乘以矩阵A, 得到A(By)=Ax=y. 那么根据定义,我们有AB=I ; 同理我们也可以在等式Ax=y两边同时乘以矩阵B,那么有B(Ax)=By=x.根据定义我们有BA=I, 此时我们发现AB,BA均有意义, AB=BA=I. 在此情况下, 我们可以把B写作A−1, 代表矩阵
A的逆矩阵 (Inverse Matrix);同理可以把A写作B−1, 代表矩阵
B的逆矩阵 (Inverse Matrix).我们由此引入逆矩阵的概念:
定义 2.10
若n×n矩阵A,B满足AB=BA=In.
我们称矩阵A,B可逆. 我们记B=A−1为A的逆矩阵; 同理A=B−1为B的逆矩阵.
例题 2.13
设B=(−1110),A=(0111), 证明A的逆矩阵为B.
解答 2.13
我们需要验证两项乘积AB=BA=I, 其中不难发现
AB=(0111)(−1110)=(1001);BA=(−1110)(0111)=(1001).因此根据逆矩阵的定义,我们称A的逆矩阵为B.
我们因此不难发现 :若A为B的逆矩阵,则B为A的逆矩阵,即逆矩阵满足对称性.
例题 2.14
证明C=(0103)不存在逆矩阵.
解答 2.14
我们采用假设法,即假设C的逆矩阵为B=(acbd), 随后计算CB的结果为
CB=(0103)(acbd)=(0a+3c0b+3d).不难发现,(CB)11=0, 因此无论a,b,c,d的取值如何,CB不可能为单位矩阵I, 因此矩阵C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=I的你矩阵, 那么因此有且仅有n×n矩阵存在逆矩阵.那么在所有的n×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, 在选定基底β={v1,v2,⋯,vn}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).
定理 2.12
设T:V⟶V为线性变换, 则T可逆的充要条件是T为双射.此时我们记T的逆变换为T−1, 满足TT−1=T−1T=Id (单位变换).设T对应的矩阵形式为A, 那么T−1对应的矩阵形式为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中的列向量可以构成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
设T:V⟶V为线性变换, 记[T]β 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2.13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=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×n可逆矩阵而言,我们有如下的性质:
① 单位矩阵I可逆,且I−1=I;
② (A−1)−1=A;
③ (AB)−1=B−1A−1.一般地, (A1A2⋯Ak)−1=Ak−1⋯A2−1A1−1;
④ (Ak)−1=(A−1)k;
⑤ 设λ为非零常数,则(λA)−1=λ1A−1 ;
⑥ (AT)−1=(A−1)T.
再次强烈建议读者尝试对定理2.14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
设A为n×n可逆矩阵,若A3−3A+2I=0, 据此求A−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=AIA−1这一公式,那么原式即为A3−3A+2AIA−1=0, 即A(A2−3I+2IA−1)=0, 因为矩阵A可逆,所以A=0, 则A2−3I+2A−1=0, 由此我们求得A−1=21(3I−A2).
例题 2.16
设A为n×n矩阵(不一定可逆),若A3=0, 证明(I−A)−1=I+A+A2.
解答 2.16
此时由于矩阵A不一定可逆,所以我们不能用含有A−1的式子代换,但我们由题意可知, A3=0, 即I−A3=I, 即I3−A3=I, 我们随后便可以使用立方差公式,得到(I−A)(A2+A+I)=(A2+A+I)(I−A)=I, 然后根据逆矩阵的定义,我们就有(I−A)−1=A2+A+I.
定义 2.11
若n×n矩阵A满足A2=I, 即A−1=A, 我们称A为自逆矩阵 (Self Inverse Matrix).
根据这个定义,我们也不难发现所有的单位矩阵I∈Mn均为自逆矩阵.
例题 2.17
设A为m×n矩阵, 且X⊤X=In.证明Im−2XX⊤为自逆矩阵,同时也为对称矩阵.
解答 2.17
欲证Im−2XX⊤自逆,根据定义我们只需证(Im−2XX⊤)2=Im, 即
Im2−2Im(2XX⊤)+(2XX⊤)2=Im.随后根据矩阵乘法的性质,我们得到Im−2(2XX⊤)+4(XX⊤)(XX⊤)=Im, 即
Im−4(XX⊤)+4X(X⊤X)X⊤=Im. 根据定义, 即Im−4XX⊤+4XInX⊤=Im−4XX⊤+4XX⊤=Im. 那么不难发现,等式左边等于等式右边,即Im−2XX⊤为自逆矩阵.由于我们知道对于逆矩阵P而言,(P−1)⊤=(P⊤)−1, 那么我们有
((Im−2XX⊤)−1)⊤=((Im−2XX⊤)⊤)−1.根据矩阵的性质我们知道
(Im−2XX⊤)⊤=(Im)⊤−(2XX⊤)⊤=Im−2(X⊤)⊤(X)⊤=Im−2XX⊤.那么根据定义,Im−2XX⊤也为对称矩阵.
随后,让我们回到线性方程组Ax=b中,我们假设矩阵A存在逆矩阵,那么我们便可以在等式的两边同时乘以A−1, 我们进而得到
x=A−1b
其中x便是该方程组的唯一解.我们可以仿照Ax=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=b中,我们可以把x看作是某个A的逆矩阵,把b看作单位矩阵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
若A为n×n可逆矩阵,那么在矩阵A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.从I再到A的过程也是高斯消元的逆运算.通过对增广矩阵(AI)进行高斯消元,我们最终可以得到(IA−1), 其中A−1便是矩阵A的逆矩阵.
例题 2.18
求出矩阵A=2117431−10的逆矩阵.
解答 2.18
我们只需求解(AI)即可, 在本题中我们有
(AI)=2117431−10100010001我们只需对A中的3列进行高斯消元即可.
2117431−101000100012R3−R1;2R2−R120071−11−3−11−1−102000220071−11−3−11−1−10200022R1−7R2;R3+R2;R1/2;R3/2 10001011−3−24−1−1−72100110001011−3−24−1−1−7210012R1+11R3;2R2−3R3;R1/2 100010001−1.50.5−0.5−1.50.50.55.5−1.5−0.5因此,从我们最终得出的(AI)中,我们得到
A−1=−1.50.5−0.5−1.50.50.55.5−1.5−0.5.
需要强调的一点是,当我们使用(AI)进行消元时, A矩阵应可逆,否则我们无法得出形如(IA−1)的形式.所以这种方法其实也是判断矩阵A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A是否可逆,当矩阵可逆时我们还可以直接求出A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
设P=(A0XB)和Q=(AY0B)为分块矩阵,其中A∈Mm, B∈Mn.证明:
① 若P为可逆矩阵,则A,B均为可逆矩阵,且P−1=(A−10−(A−1XB−1)B−1);
② 若Q为可逆矩阵,则A,B均为可逆矩阵,且Q−1=(A−1−(B−1YA−1)0B−1).
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,B均为可逆矩阵:首先我们不难发现P为(n+m)×(n+m)矩阵, 由于P可逆,根据逆矩阵的性质我们知道P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A中列向量一定线性无关,又因为A为m×m矩阵,则A可逆;同理由行向量线性无关可以得出B中行向量线性无关,则B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PP−1=P−1P=Im+n
PP−1=(A0XB)(A−10−(A−1XB−1)B−1)=(AA−1+00+0A(−A−1XB−1)+XB−10+BB−1)=(Im0−(AA−1)(XB−1)+XB−1In)=(Im00In).P−1P=(A−10−(A−1XB−1)B−1)(A0XB)=(A−1A+00+0A−1X−(A−1XB−1)B0+B−1B)=(Im0+0A−1X−(A−1X)(B−1B)In)=(Im00In).因此,PP−1=P−1P=Im+n, 原式得证.
{2.4 练习}
1. 求出下列矩阵的逆矩阵:
A=321115−10−1;B=−101040−2−150−2−12−100;C=1000021000031000051000071.
2. 若(A⊤−2I2)−1=(2−110), 求A.
3. 设A,B均为n×n矩阵,下列哪些说法是正确的?
① 若A=0, 则A可逆;
② 若A,B均可逆, 则A+B可逆;
③ 若A,B均可逆, 则(A−1B)⊤可逆;
④ 若A4=3I, 则A可逆;
⑤ 若A2可逆, 则A可逆;
⑥ 若A可逆且斜对称 (Skew Symmetric)(即A⊤=−A) ,则A−1可逆且斜对称;
⑦ 若AB=B且B=0, 则A可逆.
4. 设P=abcd−bad−c−c−dab−dc−ba, 求PP⊤及P−1 (P=0).
5. 设A为n×n矩阵,若A中每一行的全部元素加和均为0,证明:A不可逆.
6. 设P为n×n矩阵,满足P2=P.证明:
① I−2P为自逆矩阵;
② I−aP可逆当且仅当a=1, 并验证(I−aP)−1=I+(1−aa)P.
7. 若矩阵满足U2=I, 证明:I+U不可逆,除非U=I.
8. 设A,B均为n×n矩阵, 证明:
① A(I+BA)=(I+AB)A, 且(I+BA)B=B(I+AB);
② 若I+AB可逆,则I+BA也可逆,且(I+BA)−1=I−B(I+AB)−1A.
9. 设A为n×n矩阵, 若An=0, 求(I−A)−1.
10. 设n×n矩阵J中的每一个元素均为1 (即(J)ij=1(1≤i,j≤n) ), 若(I−λJ)为自逆矩阵和对称矩阵, 求λ.(用含有n的式子表示).
11. 设n×n矩阵A中的元素aij,1≤i,j≤n满足
∣aii∣>j=1,j=i∑n∣aij∣.
证明: 矩阵A可逆.