Элементарные преобразования

Над матрицей. Нахождение обратной матрицы

        Определение 1. Элементарными преобразованиями над матрицей называются:

1) умножение любой строки на число, отличное от нуля;

2) прибавление к элементам одной строки соответствующих элементов другой, умноженных на одно и то же число;

3) перестановка строк;

4)  отбрасывание строки из нулей.

Определение 2. Две матрицы называются эквивалентными (А ~ В), если от одной можно перейти к другой с помощью конечного числа элементарных преобразований.

Теорема. Любую невырожденную квадратную матрицу с помощью элементарных преобразований можно привести к единичной матрице того же порядка. Применяя ту же последовательность элементарных преобразований к единичной матрице, можно получить обратную матрицу к данной.

Обычно элементарные преобразования производят над данной матрицей и единичной одновременно. Для этого составляют расширенную матрицу, в левой части которой стоит исходная матрица, а в правой - единичная матрица того же порядка. С помощью элементарных преобразований в левой части создают единичную матрицу, параллельно в правой части автоматически создается обратная матрица.

Ранг матрицы

Пусть дана произвольная матрица размером . Возьмем произвольные k строк и k столбцов, . Минором порядка k называют определитель порядка k, составленный из элементов, расположенных на пересечении выбранных k строк и k столбцов, и обозначают M _k.

Определение 1. Рангом матрицы называется максимальный порядок минора, отличного от нуля, и обозначается r(A).

Очевидно, что .

Определение 2. Отличный от нуля минор порядка r=r(A) называется базисным минором матрицы А, а строки (столбцы), в которых он расположен, называют базисными строками (столбцами).

Теорема 1 (теорема о базисном миноре). Любой столбец (строка) матрицы А является линейной комбинацией ее базисных столбцов (строк).

Теорема 2. Ранг матрицы равен максимальному числу линейно независимых строк (столбцов) матрицы.

При элементарных преобразованиях ранг матрицы не меняется. Ранг треугольной матрицы равен числу ненулевых строк этой матрицы.

Для того чтобы найти ранг матрицы, необходимо с помощью элементарных преобразований привести ее к треугольному виду и найти ранг полученной матрицы. Рассмотрим схему таких преобразований подробно. Пусть дана матрица

А = .

Предположим, что а ₁₁ отличен от нуля (если а ₁₁=0, то, переставив строки, этого можно добиться). Разделим первую строку на а ₁₁, после чего на первом месте в первой строке будет стоять 1. Умножая последовательно первую строку на а ₂₁, а _31, …, а _m1 и вычитая, соответственно, из второй, третьей, …, n -й, образуем в первом столбце все нулевые элементы.

А ~ .

Преобразуем второй столбец, начиная с элемента а’ ₂₂. Если этот элемент отличен от нуля, то аналогично вышеизложенному получим на его месте единицу, а ниже расположенные элементы превратим в нули. Если а’ ₂₂=0, но ниже его в том же столбце есть элемент, отличный от нуля, то, поменяв местами строки, переставим его на место а’ ₂₂. Если в столбце не окажется ненулевых элементов, то можно поменять местами столбцы, пока на месте а’ ₂₂ не окажется ненулевой элемент. После второго цикла получим новую эквивалентную матрицу.                   А=  

Выполняя последовательно несколько циклов подобных эквивалентных преобразований и отбросив нулевые строки, придем окончательно к матрице

А ~ .

Буквой " а " условно обозначены элементы матрицы, которые могут принимать любые числовые значения. Очевидно, что r(A)=m 1, так как минор, расположенный в первых m 1 строках и первых m 1 столбцах, равен единице

Вопросы для самопроверки.

1. Дайте понятие матрицы.

2. Перечислите линейные операции над матрицами.

3. Что представляет собой операция «транспонирование матрицы»?

4. Дайте понятие «ранг матрицы»

5. Что такое «определитель матрицы»?

6. Перечислите основные свойства определителя.

7. Что такое обратная матрица?