Если вы перешли к изучению данной темы, то уже знаете, что такое матрица и определитель матрицы, умеете находить определители второго, третьего и высших порядков, а также обратные матрицы. Если какая-то из этих тем вам незнакома, то следует изучить сначала ее.
Приступим к рассмотрению понятия матричного уравнения.
Матричные уравнения
Матричные уравнения устроены практически также как и числовые, только вместо чисел в них содержатся числовые матрицы. Как правило, типовое матричное уравнение состоит из нескольких матриц и некоторой неизвестной матрицы XX, которую и требуется найти.
Рассмотрим примеры наиболее простых матричных уравнений и их решения.
Пример 1
Решить матричное уравнение
(1234)+x=(1101)(13 24 )+x=(10 11 ).
Перенесем матрицу из левой части в правую:
x=(1101)−(1234)x=(10 11 )−(13 24 ).
Найдем разность матриц в правой части уравнения:
x=(1−11−20−31−4)x=(1−10−3 1−21−4 ).
Значит, x=(0−1−3−3)x=(0−3 −1−3 ).
Можно провести проверку:
(1234)+(0−1−3−3)=(1+02−13−34−3)=(1101)(13 24 )+(0−3 −1−3 )=(1+03−3 2−14−3 )=(10 11 ),
(1101)=(1101)(10 11 )=(10 11 ).
Пример 2
Решить матричное уравнение (58−469−5)−12x=(341212)(56 89 −4−5 )−21 x=(32 41 12 ).
Перенесем матрицу из левой части в правую:
−12x=(341212)−(58−469−5)−21 x=(32 41 12 )−(56 89 −4−5 ).
Найдем разность матриц в правой части уравнения:
−12x=(3−54−81−(−4)2−61−92−(−5))−21 x=(3−52−6 4−81−9 1−(−4)2−(−5) ),
−12x=(−2−45−4−87)−21 x=(−2−4 −4−8 57 ).
Умножим обе части уравнения на -2:
x=−2(−2−45−4−87)x=−2(−2−4 −4−8 57 ),
x=(48−10816−14)x=(48 816 −10−14 ).
Можно провести проверку:
(58−469−5)−12(48−10816−14)=(58−469−5)−(24−548−7)=(341212)(56 89 −4−5 )−21 (48 816 −10−14 )=(56 89 −4−5 )−(24 48 −5−7 )=(32 41 12 ),
(341212)=(341212)(32 41 12 )=(32 41 12 ).
Такие уравнения элементарны, поэтому они довольно редко встречаются на практике.
Простейшие матричные уравнения
Обычно решение матричных уравнений сводится к одному из двух видов:
- A⋅X=BA⋅X=B;
- X⋅A=BX⋅A=B.
Рассмотрим, как решается каждое из этих уравнений.
Уравнение вида A⋅X=BA⋅X=B |
Уравнение вида X⋅A=BX⋅A=B |
Для того чтобы разрешить данное уравнение относительно XX умножим обе его части на A−1A−1 слева: A−1⋅A⋅X=A−1⋅BA−1⋅A⋅X=A−1⋅B.
Так как A−1⋅A=EA−1⋅A=E, то E⋅X=A−1⋅BE⋅X=A−1⋅B, EE — единичная матрица.
Так как E⋅X=XE⋅X=X, то X=A−1⋅BX=A−1⋅B. |
Для того чтобы разрешить данное уравнение относительно XX умножим обе его части на A−1A−1 справа: X⋅A⋅A−1=B⋅A−1X⋅A⋅A−1=B⋅A−1.
Так как A⋅A−1=EA⋅A−1=E, то X⋅E=B⋅A−1X⋅E=B⋅A−1, EE — единичная матрица.
Так как X⋅E=XX⋅E=X, то X=B⋅A−1X=B⋅A−1. |
Рассмотрим примеры решения простейших матричных уравнений вида A⋅X=BA⋅X=B.
Пример 1
Решить матричное уравнение (3728)⋅X=(4862)(32 78 )⋅X=(46 82 ). Выполнить проверку.
Уравнение имеет вид A⋅X=BA⋅X=B, где A=(3728)A=(32 78 ), B=(4862)B=(46 82 ).
Умножим обе части уравнения на A−1A−1 слева:
A−1⋅A⋅X=A−1⋅BA−1⋅A⋅X=A−1⋅B,
E⋅X=A−1⋅BE⋅X=A−1⋅B, EE — единичная матрица,
X=A−1⋅BX=A−1⋅B.
Найдем матрицу A−1A−1.
∣3728∣=3⋅8−2⋅7=24−14=10≠0∣∣∣∣ 32 78 ∣∣∣∣ =3⋅8−2⋅7=24−14=10 =0, значит для матрицы AA существует обратная матрица. Найдем ее методом элементарных преобразований.
Составим расширенную матрицу:
(3728∣1001)(32 78 ∣∣∣∣ 10 01 ).
Вычтем из строки №1 строку №2:
(3728∣1001)∼(1−128∣1−101)(32 78 ∣∣∣∣ 10 01 )∼(12 −18 ∣∣∣∣ 10 −11 ).
Прибавим к строке №2 строку №1, умноженную на -2:
(1−128∣1−101)∼(1−1010∣1−1−23)(12 −18 ∣∣∣∣ 10 −11 )∼(10 −110 ∣∣∣∣ 1−2 −13 ).
Умножим строку №1 на 10:
(1−1010∣1−1−23)∼(10−10010∣10−10−23)(10 −110 ∣∣∣∣ 1−2 −13 )∼(100 −1010 ∣∣∣∣ 10−2 −103 ).
Прибавим к строке №1 строку №2, умноженную на 1:
(10−10010∣10−10−23)∼(100010∣8−7−23)(100 −1010 ∣∣∣∣ 10−2 −103 )∼(100 010 ∣∣∣∣ 8−2 −73 ).
Умножим строку №1 и №2 на 110101 :
(100010∣8−7−23)∼(1001∣810−710−210310)(100 010 ∣∣∣∣ 8−2 −73 )∼(10 01 ∣∣∣∣ 108 −102 −107 103 ).
Значит, A−1=(810−710−210310)=110(8−7−23)A−1=(108 −102 −107 103 )=101 (8−2 −73 ).
A−1⋅B=110(8−7−23)⋅(4862)=110(−105010−10)=(−151−1)=XA−1⋅B=101 (8−2 −73 )⋅(46 82 )=101 (−1010 50−10 )=(−11 5−1 )=X.
Проверка:
(3728)⋅(−151−1)=(4862)(32 78 )⋅(−11 5−1 )=(46 82 ). — Верно.
Ответ: X=(−151−1)X=(−11 5−1 ).
Пример 2
Решить матричное уравнение (0230)⋅X=(243−6)(03 20 )⋅X=(23 4−6 ). Выполнить проверку.
Уравнение имеет вид A⋅X=BA⋅X=B, где A=(0230)A=(03 20 ), B=(243−6)B=(23 4−6 ).
Умножим обе части уравнения на A−1A−1 слева:
A−1⋅A⋅X=A−1⋅BA−1⋅A⋅X=A−1⋅B,
E⋅X=A−1⋅BE⋅X=A−1⋅B, EE — единичная матрица,
X=A−1⋅BX=A−1⋅B.
Найдем матрицу A−1A−1.
∣0230∣=0⋅0−3⋅2=0−6=−6≠0∣∣∣∣ 03 20 ∣∣∣∣ =0⋅0−3⋅2=0−6=−6 =0, значит для матрицы AA существует обратная матрица. Найдем ее методом элементарных преобразований.
Составим расширенную матрицу:
(0230∣1001)(03 20 ∣∣∣∣ 10 01 ).
Поменяем местами строки №1 и №2:
(0230∣1001)∼(3002∣0110)(03 20 ∣∣∣∣ 10 01 )∼(30 02 ∣∣∣∣ 01 10 ).
Умножим строку №1 на 1331 , а строку №2 на 1221 :
(3002∣0110)∼(1001∣013120)(30 02 ∣∣∣∣ 01 10 )∼(10 01 ∣∣∣∣ 021 31 0 ).
Значит, A−1=(013120)=16(0230)A−1=(021 31 0 )=61 (03 20 ).
A−1⋅B=16(0230)⋅(243−6)=16(6−12612)=(1−212)=XA−1⋅B=61 (03 20 )⋅(23 4−6 )=61 (66 −1212 )=(11 −22 )=X.
Проверка:
(0230)⋅(1−212)=(243−6)(03 20 )⋅(11 −22 )=(23 4−6 ). — Верно.
Ответ: X=(1−212)X=(11 −22 ).
Рассмотрим примеры решения простейших матричных уравнений вида X⋅A=BX⋅A=B.
Пример 3
Решить матричное уравнение
X⋅(9711)=(201812)X⋅(91 71 )=(218 012 ). Выполнить проверку.
Уравнение имеет вид X⋅A=BX⋅A=B, где A=(9711)A=(91 71 ), B=(201812)B=(218 012 ).
Умножим обе части уравнения на A−1A−1 справа:
X⋅A⋅A−1=B⋅A−1X⋅A⋅A−1=B⋅A−1,
X⋅E=B⋅A−1X⋅E=B⋅A−1, EE — единичная матрица,
X=B⋅A−1X=B⋅A−1.
Найдем матрицу A−1A−1.
∣9711∣=9⋅1−1⋅7=9−7=2≠0∣∣∣∣ 91 71 ∣∣∣∣ =9⋅1−1⋅7=9−7=2 =0, значит для матрицы AA существует обратная матрица. Найдем ее методом элементарных преобразований.
Составим расширенную матрицу:
(9711∣1001)(91 71 ∣∣∣∣ 10 01 ).
Поменяем строки №1 и №2 местами:
(9711∣1001)∼(1197∣0110)(91 71 ∣∣∣∣ 10 01 )∼(19 17 ∣∣∣∣ 01 10 ).
Прибавим к строке №2 строку №1, умноженную на -9:
(1197∣0110)∼(110−2∣011−9)(19 17 ∣∣∣∣ 01 10 )∼(10 1−2 ∣∣∣∣ 01 1−9 ).
Умножим строку №2 на −12−21 :
(110−2∣011−9)∼(1101∣01−1292)(10 1−2 ∣∣∣∣ 01 1−9 )∼(10 11 ∣∣∣∣ 0−21 129 ).
Прибавим к строке №1 строку №2, умноженную на -1:
(1101∣01−1292)∼(1001∣12−72−1292)(10 11 ∣∣∣∣ 0−21 129 )∼(10 01 ∣∣∣∣ 21 −21 −27 29 ).
Значит, A−1=(12−72−1292)=12(1−7−19)A−1=(21 −21 −27 29 )=21 (1−1 −79 ).
B⋅A−1=(201812)⋅12⋅(1−7−19)=12(201812)⋅(1−7−19)=12(2−146−18)=(1−73−9)=XB⋅A−1=(218 012 )⋅21 ⋅(1−1 −79 )=21 (218 012 )⋅(1−1 −79 )=21 (26 −14−18 )=(13 −7−9 )=X.
Проверка: (1−73−9)⋅(9711)=(201812).(13 −7−9 )⋅(91 71 )=(218 012 ). — Верно.
Ответ: X=(1−73−9)X=(13 −7−9 ).
Пример 4
Решить матричное уравнение X⋅(1325)=(4−132)X⋅(12 35 )=(43 −12 ). Выполнить проверку.
Уравнение имеет вид X⋅A=BX⋅A=B, где A=(1325)A=(12 35 ), B=(4−132)B=(43 −12 ).
Умножим обе части уравнения на A−1A−1 справа:
X⋅A⋅A−1=B⋅A−1X⋅A⋅A−1=B⋅A−1,
X⋅E=B⋅A−1X⋅E=B⋅A−1, EE — единичная матрица,
X=B⋅A−1X=B⋅A−1.
Найдем матрицу A−1A−1.
∣1325∣=1⋅5−2⋅3=5−6=−1≠0∣∣∣∣ 12 35 ∣∣∣∣ =1⋅5−2⋅3=5−6=−1 =0, значит для матрицы AA существует обратная матрица. Найдем ее методом элементарных преобразований.
Составим расширенную матрицу:
(1325∣1001)(12 35 ∣∣∣∣ 10 01 ).
Прибавим к строке №2 строку №1, умноженную на -2:
(1325∣1001)∼(130−1∣10−21)(12 35 ∣∣∣∣ 10 01 )∼(10 3−1 ∣∣∣∣ 1−2 01 ).
Прибавим к строке №1 строку №2, умноженную на 3:
(130−1∣10−21)∼(100−1∣−53−21)(10 3−1 ∣∣∣∣ 1−2 01 )∼(10 0−1 ∣∣∣∣ −5−2 31 ).
Умножим строку №2 на -1:
(100−1∣−53−21)∼(1001∣−532−1)(10 0−1 ∣∣∣∣ −5−2 31 )∼(10 01 ∣∣∣∣ −52 3−1 ).
Значит, A−1=(−532−1)A−1=(−52 3−1 ).
B⋅A−1=(4−132)⋅(−532−1)=(−2213−117)=XB⋅A−1=(43 −12 )⋅(−52 3−1 )=(−22−11 137 )=X.
Проверка:
(−2213−117)⋅(1325)=(4−132)(−22−11 137 )⋅(12 35 )=(43 −12 ). — Верно.
Ответ: X=(−2213−117).X=(−22−11 137 ).
Существует третий вид матричных уравнений: A⋅X⋅B=CA⋅X⋅B=C, но в действительности он встречается редко.
Обе части уравнения умножим на A−1A−1 слева: A−1⋅A⋅X⋅B=A−1⋅CA−1⋅A⋅X⋅B=A−1⋅C.
Зная, что A−1⋅A=EA−1⋅A=E, получим: E⋅X⋅B=A−1⋅CE⋅X⋅B=A−1⋅C.
Поскольку E⋅X=XE⋅X=X, то X⋅B=A−1⋅CX⋅B=A−1⋅C.
Обе части уравнения умножим на B−1B−1 справа: X⋅B⋅B−1=A−1⋅C⋅B−1X⋅B⋅B−1=A−1⋅C⋅B−1.
Зная, что B⋅B−1=EB⋅B−1=E, получим: X⋅E=A−1⋅C⋅B−1X⋅E=A−1⋅C⋅B−1.
Поскольку X⋅E=XX⋅E=X, то X=A−1⋅C⋅B−1X=A−1⋅C⋅B−1.
Комментарии