矩阵求逆常见算法

前言

    不知道从哪天开始,看到矩阵就头疼,特别是矩阵的运算更是蛋疼,都不好意思说自己是数学专业的,哈哈。这两天在搞opencv图像处理,又涉及到这一块,无语之,干脆收集整理下,以飨同痛苦者。


一、逆矩阵的概念

利用矩阵的乘法和矩阵相等的含义,可以把线性方程组写成矩阵形式。对于线性方程组

A=   X=   B

则方程组可写成AX=B.

方程AX=B是线性方程组的矩阵表达形式,称为矩阵方程。其中A称为方程组的系数矩阵X称为未知矩阵B称为常数项矩阵

这样,解线性方程组的问题就变成求矩阵方程中未知矩阵X的问题。类似于一元一次方程ax=ba≠0)的解可以写成x=a-1b,矩阵方程AX=B的解是否也可以表示为X=A-1B的形式?如果可以,则X可求出,但A-1的含义和存在的条件是什么呢?下面来讨论这些问题。

定义11  对于n阶方阵A,如果存在n阶方阵C,使得AC=CA=EEn阶单位矩阵),则把方阵C称为A逆矩阵(简称逆阵)记作A-1,即C=A-1

例如     

因为  AC==

CA==

所以C是的A逆矩阵,即C=A-1

由定义可知,AC=CA=ECA的逆矩阵,也可以称AC的逆矩阵,即A=C-1。因此,AC称为互逆矩阵。

可以证明,逆矩阵有如下性质:

(1)若A是可逆的,则逆矩阵唯一。

(2)若A可逆,则(A-1)-1=A.

(3)若AB为同阶方阵且均可逆,则AB可逆,且(AB)-1=B-1A-1

(4)若A可逆,则detA≠0。反之,若detA≠0,则A是可逆的。

  (1)如果BC都是A的逆矩阵,则

C=CE=C(AB)=(CA)=EB=B

即逆矩阵唯一。

其它证明略。

二、逆矩阵的求法

1、用伴随矩阵求逆矩阵

定义12  设矩阵

A=

所对应的行列式detA中元素aij的代数余子式矩阵

称为A伴随矩阵,记为A*

显然,AA=

仍是一个n阶方阵,其中第i行第j列的元素为

由行列式按一行(列)展开式可知

=

所以       AA==detAE    (1)

同理  AA=detAE=AA

定理3  n阶方阵A可逆的充分必要条件是A为非奇异矩阵,而且

A-1=A=

  必要性:

如果A可逆,则A-1存在使AA-1=E,两边取行列式det(AA-1)= detE,即detAdetA-1=1,因而detA≠0,即A为非奇异矩阵。

充分性:

A为非奇异矩阵,所以detA≠0,由(1)式可知A(A)= (A)A=E

所以A是可逆矩阵。

A-1=A

例1  求矩阵A=的逆矩阵。

  因为detA=,所以A是可逆的。又因为

    

    

    

所以A-1=A=

=

2、用初等变换求逆矩阵

用初等变换求一个可逆矩阵A的逆矩阵,其具体方法为:把方阵A和同阶的单位矩阵E,写成一个长方矩阵,对该矩阵的行实施初等变换,当虚线左边的A变成单位矩阵E时,虚线右边的E变成了A-1

从而可求A-1

例2  用初等变换求

的逆矩阵。

  因为 =

所以 A-1=

例3 解线性方程组

  方程组可写成

=

A=  X=  B=  则AX=B

由例2知A可逆,且A-1=

所以X=A-1B,即=A-1B==

于是,方程组的解是

习题 12--6

1、用伴随矩阵求下列矩阵的逆矩阵:

(1)   (2)   (3)

2、用初等变换求逆矩阵:

(1)   (2)   (3)

(4)

3、解矩阵方程

(1)X

(2)

(3)

(4)

4、解线性方程组

(1)

(2)



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