Hoe de inverse matrix te berekenen -

Op deze pagina leert u wat het is en hoe u de inverse van een matrix kunt berekenen met de methode van determinanten (of adjunct-matrix) en met de Gauss-methode. Je zult ook alle eigenschappen van de inverse matrix zien, en je zult ook stap voor stap opgeloste voorbeelden en oefeningen voor elke methode vinden, zodat je ze volledig begrijpt. Ten slotte leggen we een formule uit voor het snel inverteren van een 2×2-matrix en zelfs het grootste nut van deze matrixbewerking: het oplossen van een systeem van lineaire vergelijkingen.

Wat is het omgekeerde van een matrix?

Zijn

$A$

een vierkante matrix. De inverse matrix van

$A$

het is geschreven

$A^{-1}$

, en het is deze matrix die voldoet aan:

$A \cdot A^{-1} = I$

$A^{-1}\cdot A = I$

Goud

$I$

is de Identiteitsmatrix.

Wanneer kun je een matrix omkeren en wanneer niet?

De eenvoudigste manier om de invertibiliteit van een matrix te bepalen, is door de determinant ervan te gebruiken:

Als de determinant van de betreffende matrix verschillend is van 0, betekent dit dat de matrix inverteerbaar is. In dit geval zeggen we dat het een reguliere matrix is. Bovendien impliceert dit dat de matrix de maximale rang heeft.

Aan de andere kant, als de determinant van de matrix gelijk is aan 0, kan de matrix niet worden omgekeerd. En in dit geval zeggen we dat het een enkelvoudige of gedegenereerde matrix is.

Er zijn hoofdzakelijk twee methoden om elke matrix om te keren: de methode van determinanten of adjunct-matrix en de Gauss-methode. Hieronder heb je de uitleg van het eerste, maar je kunt hieronder ook raadplegen hoe je een matrix kunt omkeren met de Gauss-methode.

Een matrix omkeren met behulp van de determinantenmethode (of met behulp van de aangrenzende matrix)

Om de inverse van een matrix te berekenen,

$\displaystyle A^{-1}$

, moet de volgende formule worden toegepast:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

Goud:

$\displaystyle \begin{vmatrix} A \end{vmatrix}$

is de determinant van de matrix

$A$
$\text{Adj}(A)$

is de adjunct-matrix van

$A$
De exposant
$\bm{t}$

geeft matrixtransponering aan, dwz dat de bijgevoegde matrix moet worden getransponeerd.

Opmerking: Sommige boeken gebruiken een enigszins andere inverse matrixformule: ze transponeren eerst matrix A en berekenen vervolgens de bijbehorende matrix, in plaats van eerst de aangrenzende matrix te berekenen en deze vervolgens te transponeren. In werkelijkheid doet de volgorde er niet toe, omdat het resultaat precies hetzelfde is. Hier laten we u de formule achter om een gewijzigde matrix om te keren, voor het geval u deze liever gebruikt:

formule voor de inverse matrix met de adjunct-matrix van de getransponeerde

We zullen dan zien hoe we de inverse van een matrix kunnen vinden door een oefening als voorbeeld op te lossen:

Voorbeeld van het berekenen van de inverse matrix met behulp van de determinantenmethode (of adjunct-matrix):

Bereken de inverse van de volgende matrix:

$\displaystyle A = \begin{pmatrix} 4 & -2 \\[1.1ex] 3 & -1 \end{pmatrix}$

Om de inverse van de matrix te bepalen, moeten we de volgende formule toepassen:

Maar als de determinant van de matrix nul is, betekent dit dat de matrix niet inverteerbaar is. Daarom is het eerste dat u moet doen het berekenen van de determinant van de matrix en controleren of deze verschilt van 0:

$\displaystyle \lvert A \rvert = \begin{vmatrix} 4 & -2 \\[1.1ex] 3 & -1 \end{vmatrix} = -4- (-6) = 2$

De determinant is niet 0 , dus de matrix is inverteerbaar .

Als we daarom de waarde van de determinant in de formule vervangen, zal het omgekeerde van de matrix zijn:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{2} \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

We moeten nu de plaatsvervanger van A berekenen. Om dit te doen, moeten we elk element van matrix A vervangen door zijn plaatsvervanger.

Onthoud dat om de bijlage van te berekenen

$a_{ij}$

, dat wil zeggen van het rij-element

$i$

en de kolom

$j$

, moet de volgende formule worden toegepast:

$\text{Adjunto de } a_{ij} = (-1)^{i+j} \bm{\cdot} \text{Menor complementario de } a_{ij}$

Waar de complementaire minor van

$a_{ij}$

is de determinant van de matrix die de rij elimineert

$i$

en de kolom

$j$

De plaatsvervangers van de elementen van matrix A zijn dus:

$\displaystyle A = \begin{pmatrix} 4 & -2 \\[1.1ex] 3 & -1 \end{pmatrix}$

$\text{Adjunto de 4} =\displaystyle (-1)^{1+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} -1 \end{vmatrix} = 1 \cdot (-1) = \bm{-1}$

$\text{Adjunto de -2} =\displaystyle (-1)^{1+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 3 \end{vmatrix} = -1 \cdot 3 = \bm{-3}$

$\text{Adjunto de 3} =\displaystyle (-1)^{2+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} -2 \end{vmatrix} = -1 \cdot (-2) = \bm{2}$

$\text{Adjunto de -1} =\displaystyle (-1)^{2+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 4 \end{vmatrix} = 1 \cdot 4 = \bm{4}$

Opmerking: Verwar de determinant 1×1 niet met de absolute waarde, want in de determinant 1×1 wordt het getal niet omgezet naar positief.

Zodra de plaatsvervangers zijn berekend, vervangt u eenvoudigweg de elementen van A door hun plaatsvervangers om de plaatsvervangermatrix van A te vinden:

$\displaystyle \displaystyle \text{Adj}(A) = \begin{pmatrix} -1 & -3 \\[1.1ex] 2 & 4 \end{pmatrix}$

Opmerking: op bepaalde plaatsen is de adjunct-matrix de transpositie van de adjunct-matrix die we hier definiëren.

Daarom vervangen we de bijgevoegde matrix in de inverse matrixformule en deze wordt:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{2} \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{2} \cdot \begin{pmatrix} -1 & -3 \\[1.1ex] 2 & 4 \end{pmatrix} ^{\bm{t}}$

De exposant

$\bm{t}$

Dit vertelt ons dat we de matrix moeten transponeren . En om een matrix te transponeren moet je de rijen in kolommen veranderen , dat wil zeggen dat de eerste rij van de matrix de eerste kolom van de matrix wordt, en de tweede rij de tweede kolom:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{2} \cdot \begin{pmatrix} -1 & 2 \\[1.1ex] -3 & 4 \end{pmatrix}$

En ten slotte vermenigvuldigen we elke term van de matrix met

$\cfrac{1}{2} :$

$\displaystyle A^{-1} = \begin{pmatrix} \sfrac{-1}{2} & \sfrac{2}{2} \\[1.1ex] \sfrac{-3}{2} & \sfrac{4}{2} \end{pmatrix}$

oefening opgeloste inverse matrix met 2x2 determinanten

Opgeloste oefeningen over inverse matrices met de methode van determinanten (of de aangrenzende matrix)

Oefening 1

Inverteer de volgende matrix van afmeting 2×2 met behulp van de adjunct-matrixmethode:

$\displaystyle A=\begin{pmatrix} 1 & 3 \\[1.1ex] 2 & 7 \end{pmatrix}$

Zie de oplossing

De inverse matrixformule is:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

We berekenen eerst de determinant van de matrix:

$\displaystyle \begin{vmatrix}A\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} 1 & 3 \\[1.1ex] 2 & 7 \end{vmatrix} = 7-6 = 1$

De determinant is anders dan 0, dus de matrix kan worden omgekeerd.

Laten we nu de adjunct-matrix van A berekenen:

$\text{Adjunto de 1} =\displaystyle (-1)^{1+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 7 \end{vmatrix} = 1 \cdot 7 = \bm{7}$

$\text{Adjunto de 3} =\displaystyle (-1)^{1+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 2\end{vmatrix} = -1 \cdot 2 = \bm{-2}$

$\text{Adjunto de 2} =\displaystyle (-1)^{2+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 3 \end{vmatrix} = -1 \cdot 3 = \bm{-3}$

$\text{Adjunto de 7} =\displaystyle (-1)^{2+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 1 \end{vmatrix} = 1 \cdot 1 = \bm{1}$

$\displaystyle \displaystyle \text{Adj}(A) = \begin{pmatrix} 7 & -2 \\[1.1ex] -3 & 1 \end{pmatrix}$

Zodra de determinant van de matrix en zijn adjunct zijn berekend, vervangen we hun waarden in de formule:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{1} \cdot \begin{pmatrix} 7 & -2 \\[1.1ex] -3 & 1 \end{pmatrix}^{\bm{t}}$

We transponeren de bijgevoegde matrix:

$\displaystyle A^{-1} = 1 \cdot \begin{pmatrix} 7 & -3 \\[1.1ex] -2 & 1 \end{pmatrix}$

De inverse matrix van A is daarom:

$\displaystyle \bm{A^{-1} =} \begin{pmatrix} \bm{7} & \bm{-3} \\[1.1ex] \bm{-2} & \bm{1} \end{pmatrix}$

Oefening 2

Inverteer de volgende vierkante matrix met behulp van de determinantenmethode:

$\displaystyle A=\begin{pmatrix} -3 & -2 \\[1.1ex] 5 & 4 \end{pmatrix}$

Zie de oplossing

De inverse matrixformule is:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

We berekenen eerst de determinant van de matrix:

$\displaystyle \begin{vmatrix}A\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} -3 & -2 \\[1.1ex] 5 & 4\end{vmatrix} = -12+10 = -2$

De determinant is anders dan 0, dus de matrix kan worden omgekeerd.

Laten we nu de adjunct-matrix van A berekenen:

$\text{Adjunto de -3} =\displaystyle (-1)^{1+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 4 \end{vmatrix} = 1 \cdot 4 = \bm{4}$

$\text{Adjunto de -2} =\displaystyle (-1)^{1+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 5\end{vmatrix} = -1 \cdot 5 = \bm{-5}$

$\text{Adjunto de 5} =\displaystyle (-1)^{2+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} -2 \end{vmatrix} = -1 \cdot (-2) = \bm{2}$

$\text{Adjunto de 4} =\displaystyle (-1)^{2+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} -3 \end{vmatrix} = 1 \cdot (-3) = \bm{-3}$

$\displaystyle \displaystyle \text{Adj}(A) = \begin{pmatrix} 4 & -5 \\[1.1ex] 2 & -3 \end{pmatrix}$

Zodra de determinant van de matrix en zijn adjunct zijn gevonden, vervangen we hun waarden in de formule:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{-2} \cdot \begin{pmatrix} 4 & -5 \\[1.1ex] 2 & -3 \end{pmatrix}^{\bm{t}}$

We transponeren de bijgevoegde matrix:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{-2} \cdot \begin{pmatrix} 4 & 2 \\[1.1ex] -5 & -3 \end{pmatrix}$

We vermenigvuldigen elk element met

$\cfrac{1}{-2} :$

$\displaystyle A^{-1} = \begin{pmatrix} \cfrac{4}{-2} & \cfrac{2}{-2} \\[3ex] \cfrac{-5}{-2} & \cfrac{-3}{-2} \end{pmatrix}$

De inverse matrix van A is daarom:

$\displaystyle \bm{A^{-1} =} \begin{pmatrix} \bm{-2} & \bm{-1} \\[2ex] \cfrac{\bm{5}}{\bm{2}} & \cfrac{\bm{3}}{\bm{2}} \end{pmatrix}$

Oefening 3

Inverteer de volgende matrix van afmeting 3×3 met behulp van de adjunct-matrixmethode:

$\displaystyle A=\begin{pmatrix}2&3&-2\\[1.1ex] 1&4&1\\[1.1ex] 2&1&-3\end{pmatrix}$

Zie de oplossing

De inverse matrixformule is:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

We lossen eerst de determinant van de matrix op met de Sarrusregel:

$\displaystyle \begin{vmatrix}A\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} 2&3&-2\\[1.1ex] 1&4&1\\[1.1ex] 2&1&-3 \end{vmatrix} = -24+6-2+16-2+9 = 3$

De determinant is anders dan 0, dus de matrix kan worden omgekeerd.

Zodra de determinant is opgelost, vinden we de adjunct-matrix van A:

$\text{Adjunto de 2} = \displaystyle (-1)^{1+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 4&1\\[1.1ex] 1&-3 \end{vmatrix} = 1 \cdot (-13) = \bm{-13}$

$\text{Adjunto de 3} = \displaystyle (-1)^{1+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix}1&1\\[1.1ex] 2&-3\end{vmatrix} = -1 \cdot (-5) = \bm{5}$

$\text{Adjunto de -2} = \displaystyle (-1)^{1+3} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 1&4\\[1.1ex] 2&1 \end{vmatrix} = 1\cdot (-7) = \bm{-7}$

$\text{Adjunto de 1} = \displaystyle (-1)^{2+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 3&-2 \\[1.1ex] 1&-3 \end{vmatrix} = -1 \cdot (-7) = \bm{7}$

$\text{Adjunto de 4} = \displaystyle (-1)^{2+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 2&-2\\[1.1ex] 2&-3 \end{vmatrix} = 1 \cdot (-2) = \bm{-2}$

$\text{Adjunto de 1} = \displaystyle (-1)^{2+3} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 2&3\\[1.1ex] 2&1\end{vmatrix} = -1 \cdot (-4) = \bm{4}$

$\text{Adjunto de 2} = \displaystyle (-1)^{3+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 3&-2\\[1.1ex] 4&1\end{vmatrix} = 1 \cdot 11 = \bm{11}$

$\text{Adjunto de 1} = \displaystyle (-1)^{3+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 2&-2\\[1.1ex] 1&1\end{vmatrix} = -1 \cdot 4 = \bm{-4}$

$\text{Adjunto de -3} = \displaystyle (-1)^{3+3} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 2&3\\[1.1ex] 1&4 \end{vmatrix} = 1 \cdot 5 = \bm{5}$

$\displaystyle \displaystyle \text{Adj}(A) = \begin{pmatrix} -13 & 5 & -7 \\[1.1ex] 7 & -2 & 4 \\[1.1ex] 11 & -4 & 5 \end{pmatrix}$

Nadat we de determinant van de matrix en zijn adjunct hebben berekend, vervangen we hun waarden in de formule:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{3} \cdot \begin{pmatrix} -13 & 5 & -7 \\[1.1ex] 7 & -2 & 4 \\[1.1ex] 11 & -4 & 5 \end{pmatrix}^{\bm{t}}$

We transponeren de bijgevoegde matrix:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{3} \cdot \begin{pmatrix} -13 & 7 & 11 \\[1.1ex] 5 & -2 & -4 \\[1.1ex] -7 & 4 & 5 \end{pmatrix}$

En de omgekeerde matrix A is:

$\displaystyle \bm{A^{-1} =} \begin{pmatrix} \sfrac{\bm{-13}}{\bm{3}} & \sfrac{\bm{7}}{\bm{3}} & \sfrac{\bm{11}}{\bm{3}} \\[1.1ex] \sfrac{\bm{5}}{\bm{3}} & \sfrac{\bm{-2}}{\bm{3}} & \sfrac{\bm{-4}}{\bm{3}} \\[1.1ex] \sfrac{\bm{-7}}{\bm{3}} & \sfrac{\bm{4}}{\bm{3}} & \sfrac{\bm{5}}{\bm{3}}\end{pmatrix}$

Oefening 4

Inverteer de volgende matrix van orde 3 met behulp van de adjunct-matrixmethode:

$\displaystyle A=\begin{pmatrix}4&5&-1\\[1.1ex] -1&3&2\\[1.1ex] 3&8&1\end{pmatrix}$

Zie de oplossing

De inverse matrixformule is:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

We moeten eerst de determinant van de matrix berekenen, want als de determinant 0 is, betekent dit dat de matrix geen inverse heeft.

$\displaystyle \begin{vmatrix}A\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} 4&5&-1\\[1.1ex] -1&3&2\\[1.1ex] 3&8&1 \end{vmatrix} = 12+30+8+9-64+5 = \bm{0}$

De determinant van A is 0, dus de matrix kan niet worden omgekeerd.

Oefening 5

Inverteer de volgende 3 × 3 vierkante matrix met de determinantenmatrixmethode:

$\displaystyle A=\begin{pmatrix}1 & 4 & -3 \\[1.1ex] -2 & 1 & 0 \\[1.1ex] -1 & -2 & 2\end{pmatrix}$

Zie de oplossing

De inverse matrixformule is:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

Allereerst lossen we de determinant van de matrix op met de Sarrusregel:

$\displaystyle \lvert A \rvert = \begin{vmatrix} 1 & 4 & -3 \\[1.1ex] -2 & 1 & 0 \\[1.1ex] -1 & -2 & 2 \end{vmatrix} = 2+0-12-3-0+16 = 3$

De determinant is anders dan 0, dus de matrix kan worden omgekeerd.

Zodra de determinant is opgelost, vinden we de adjunct-matrix van A:

$\displaystyle \text{Adjunto de 1} = (-1)^{1+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 1 & 0 \\[1.1ex] -2 & 2 \end{vmatrix} = 1 \bm{\cdot} (2-0) = \bm{2}$

$\displaystyle \text{Adjunto de 4} = (-1)^{1+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} -2 & 0 \\[1.1ex] -1 & 2 \end{vmatrix} = -1 \bm{\cdot} (-4-0) = \bm{4}$

$\displaystyle \text{Adjunto de -3} = (-1)^{1+3} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} -2 & 1 \\[1.1ex] -1 & -2 \end{vmatrix} = 1 \bm{\cdot} \bigl(4-(-1)\bigr) = \bm{5}$

$\displaystyle \text{Adjunto de -2} = (-1)^{2+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 4 & -3 \\[1.1ex] -2 & 2 \end{vmatrix} = -1 \bm{\cdot} (8-6) = \bm{-2}$

$\displaystyle \text{Adjunto de 1} = (-1)^{2+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 1 & -3 \\[1.1ex] -1 & 2 \end{vmatrix} = 1 \bm{\cdot} (2-3) = \bm{-1}$

$\displaystyle \text{Adjunto de 0} = (-1)^{2+3} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 1 & 4 \\[1.1ex] -1 & -2 \end{vmatrix} = -1 \bm{\cdot} \bigl(-2-(-4)\bigr) = \bm{-2}$

$\displaystyle \text{Adjunto de -1} = (-1)^{3+1} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 4 & -3 \\[1.1ex] 1 & 0 \end{vmatrix} = 1 \bm{\cdot} \bigl(0-(-3)\bigr) = \bm{3}$

$\displaystyle \text{Adjunto de -2} = (-1)^{3+2} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 1 & -3 \\[1.1ex] -2 & 0 \end{vmatrix} = -1 \cdot (0-6) = \bm{6}$

$\displaystyle \text{Adjunto de 2} = (-1)^{3+3} \bm{\cdot} \begin{vmatrix} 1 & 4 \\[1.1ex] -2 & 1 \end{vmatrix} = 1 \bm{\cdot} \bigl(1-(-8)\bigr) = \bm{9}$

$\displaystyle \displaystyle \text{Adj}(A) = \begin{pmatrix} 2 & 4 & 5 \\[1.1ex] -2 & -1 & -2 \\[1.1ex] 3 & 6 & 9 \end{pmatrix}$

Nadat we de determinant van de matrix en zijn adjunct hebben berekend, vervangen we hun waarden in de formule:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{\vert A \vert } \cdot \Bigl( \text{Adj}(A)\Bigr)^{\bm{t}}$

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{3} \cdot \begin{pmatrix} 2 & 4 & 5 \\[1.1ex] -2 & -1 & -2 \\[1.1ex] 3 & 6 & 9\end{pmatrix}^{\bm{t}}$

We transponeren de bijgevoegde matrix:

$\displaystyle A^{-1} = \cfrac{1}{3} \cdot \begin{pmatrix} 2 & -2 & 3 \\[1.1ex] 4 & -1 & 6 \\[1.1ex] 5 & -2 & 9 \end{pmatrix}$

En tot slot opereren wij:

$\displaystyle A^{-1} = \begin{pmatrix} \sfrac{2}{3} & \sfrac{-2}{3} & \sfrac{3}{3} \\[1.1ex] \sfrac{4}{3} & \sfrac{-1}{3} & \sfrac{6}{3} \\[1.1ex] \sfrac{5}{3} & \sfrac{-2}{3} & \sfrac{9}{3} \end{pmatrix}$

oefening stap voor stap opgelost van de inverse matrix volgens de methode van de adjunct-matrix 3x3

Inverteer een matrix met behulp van de Gauss-methode:

Om de inverse van een matrix te berekenen met de Gauss-methode , moet je bewerkingen uitvoeren op de rijen van een matrix (we zullen dit later zien). Voordat u dus gaat zien hoe u de Gauss-methode kunt gebruiken, is het belangrijk dat u alle bewerkingen kent die kunnen worden uitgevoerd op de rijen van de matrices:

Lijntransformaties toegestaan in de Gaussische methode

Verander de volgorde van de rijen van de matrix.

We kunnen bijvoorbeeld de volgorde van regels 2 en 3 van een matrix wijzigen:

$\left( \begin{array}{ccc} 3 & 5 & -2 \\[2ex] -2 & 4 & -1 \\[2ex] 6 & 1 & -3 \end{array} \right) \begin{array}{c} \\[2ex] \xrightarrow{ f_2 \rightarrow f_3}} \\[2ex] \xrightarrow{ f_3 \rightarrow f_2}} \end{array} \left( \begin{array}{ccc} 3 & 5 & -2 \\[2ex] 6 & 1 & -3 \\[2ex] -2 & 4 & -1 \end{array} \right)$

Vermenigvuldig of deel alle termen in een rij met een ander getal dan 0.

We kunnen bijvoorbeeld regel 1 vermenigvuldigen met 4 en regel 3 delen met 2:

$\left( \begin{array}{ccc} 1 & -2 & 3 \\[2ex] 3 & -1 & 5 \\[2ex] 2 & -4 & -2 \end{array} \right) \begin{array}{c} \xrightarrow{4 f_1} \\[2ex] \\[2ex] \xrightarrow{ f_3 / 2} \end{array} \left( \begin{array}{ccc} 4 & -8 & 12 \\[2ex] 3 & -1 & 5 \\[2ex] 1 & -2 & -1 \end{array} \right)$

Vervang een rij door de som van dezelfde rij plus een andere rij vermenigvuldigd met een getal.

In de volgende matrix voegen we bijvoorbeeld rij 3 vermenigvuldigd met 1 toe aan rij 2:

$\left( \begin{array}{ccc} -1 & -3 & 4 \\[2ex] 2 & 4 & 1 \\[2ex] 1 & -2 & 3 \end{array} \right) \begin{array}{c} \\[2ex] \xrightarrow{f_2 + 1\cdot f_3} \\[2ex] & \end{array} \left( \begin{array}{ccc} -1 & -3 & 4 \\[2ex] 3 & 2 & 4 \\[2ex] 1 & -2 & 3 \end{array} \right)$

Voorbeeld van het berekenen van de inverse matrix met behulp van de Gauss-methode:

Laten we met een voorbeeld zien hoe we de Gauss-methode kunnen toepassen om een matrix om te keren:

Bereken de inverse van de volgende matrix:

$\displaystyle A = \left( \begin{array}{ccc} 1 & 0 & 1 \\[2ex] 0 & 2 & 1 \\[2ex] 1 & 5 & 4 \end{array} \right)$

Het eerste dat we moeten doen is de A-matrix en de Identiteitsmatrix combineren tot één enkele matrix . De A-matrix aan de linkerkant en de Identiteitsmatrix aan de rechterkant:

$\displaystyle \bigl( A \ \lvert \ I \bigr)$

oefening stap voor stap opgelost van inverse matrix met de 3x3 Gauss-methode

Om de inverse matrix te berekenen, moeten we de linkermatrix omzetten in een identiteitsmatrix. En om dat te doen, moeten we transformaties op de rijen toepassen totdat we daar zijn.

We gaan verder met kolommen, dat wil zeggen dat we bewerkingen op de rijen uitvoeren om eerst de getallen in de eerste kolom te transformeren, vervolgens die in de tweede kolom en ten slotte die in de derde kolom.

De 1’s en 0’s in de eerste kolom zijn al geschikt, aangezien de identiteitsmatrix op deze posities ook een 1 en een 0 bevat. Daarom is het op dit moment niet nodig om een transformatie op deze rijen toe te passen.

$\left( \begin{array}{ccc|ccc} \color{blue}\boxed{\color{black}1} & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] \color{blue}\boxed{\color{black}0} & 2 & 1 & 0 & 1 & 0 \\[2ex] 1 & 5 & 4 &0 & 0 & 1 \end{array} \right)$

De identiteitsmatrix heeft echter een 0 in het laatste element van de eerste kolom, waar we nu een 1 hebben. We moeten dus de 1 omzetten naar 0. Om dit te doen, voegen we rij 1 vermenigvuldigd met – toe aan rij 3.1:

$\begin{array}{lrrr|rrr} & 1 & 5 & 4 &0 & 0 & 1 \\ + & -1 & 0 & -1 & -1 & 0 & 0 \\ \hline & 0 & 5 & 3 & -1 & 0 & 1 \end{array} \begin{array}{l} \color{blue}\bm{\leftarrow f_3} \\ \color{blue}\bm{\leftarrow -f_1} \\ \phantom{hline} \\ \end{array}$

Dus als we deze som berekenen, krijgen we de volgende matrix:

$\left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 2 & 1 & 0 & 1 & 0 \\[2ex] 1 & 5 & 4 &0 & 0 & 1 \end{array} \right) \begin{array}{c} \\[2ex] \\[2ex] \xrightarrow{f_3 - f_1} \end{array} \left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 2 & 1 & 0 & 1 & 0 \\[2ex] \color{blue}\boxed{\color{black}0} & 5 & 3 & -1 & 0 & 1 \end{array} \right)$

We zijn er dus in geslaagd de 1 om te zetten in 0.

Laten we nu verder gaan naar de tweede kolom van de linkermatrix. Het eerste element is een 0, wat goed is omdat de identiteitsmatrix op dezelfde positie een 0 heeft. In plaats van een 2 zou er echter een 1 moeten zijn, dus delen we de tweede regel door 2:

$\left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 2 & 1 & 0 & 1 & 0 \\[2ex] 1 & 5 & 4 &0 & 0 & 1 \end{array} \right) \begin{array}{c} \\[2ex] \xrightarrow{f_2/2}\\[2ex] & \end{array} \left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & \color{blue}\boxed{\color{black}1} & \sfrac{1}{2} & 0 & \sfrac{1}{2} & 0 \\[2ex] 0 & 5 & 3 & -1 & 0 & 1 \end{array} \right)$

Bovendien moeten we in de tweede kolom ook de 5 in 0 veranderen. Omdat de 5 vijf keer groter is dan de 1 in de tweede rij, voegen we rij 2 vermenigvuldigd met -5 toe aan rij 3:

$\begin{array}{lrrr|rrr} & 0 & 5 & 3 & -1 & 0 & 1 \\ + & 0 & -5 & \sfrac{-5}{2} & 0 & \vphantom{\Bigl(}\sfrac{-5}{2} & 0 \\ \hline & 0 & 0 & \sfrac{1}{2} & -1 & \sfrac{-5}{2} \vphantom{\Bigl(} & 1 \end{array} \begin{array}{l} \color{blue}\bm{\leftarrow f_3} \\ \color{blue}\bm{\leftarrow -5f_2}\vphantom{\Bigl(} \\ \phantom{hline} \vphantom{\Bigl(} \end{array}$

Door deze bewerking uit te voeren, eindigen we dus met de matrix met een 0 in het laatste element van de tweede kolom:

$\left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 1 & \sfrac{1}{2} & 0 & \sfrac{1}{2} & 0 \\[2ex] 0 & 5 & 3 & -1 & 0 & 1 \end{array} \right) \begin{array}{c} \\[2ex] \\[2ex] \xrightarrow{f_3 - 5f_2} \end{array} \left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 1 & \sfrac{1}{2} & 0 & \sfrac{1}{2} & 0 \\[2ex] 0 & \color{blue}\boxed{\color{black}0} & \sfrac{1}{2} & -1 & \sfrac{-5}{2} & 1 \end{array} \right)$

Ten slotte zullen we de laatste kolom van de matrix naar links transformeren, maar deze keer moeten we onderaan beginnen. Het is daarom noodzakelijk om de

$\sfrac{1}{2}$

in een 1. Daarom vermenigvuldigen we de laatste regel met 2:

$\left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 1 & \sfrac{1}{2} & 0 & \sfrac{1}{2} & 0 \\[2ex] 0 & 0 & \sfrac{1}{2} & -1 & \sfrac{-5}{2} & 1 \end{array} \right)\begin{array}{c} \\[2ex] \\[2ex] \xrightarrow{2f_3} \end{array} \left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 1 & \sfrac{1}{2} & 0 & \sfrac{1}{2} & 0 \\[2ex] 0 & 0 & \color{blue}\boxed{\color{black}1} & -2 & -5 & 2 \end{array} \right)$

We moeten nu de transformatie transformeren

$\sfrac{1}{2}$

rest van de laatste kolom als 0. Deze keer kunnen we de rij echter niet met 2 vermenigvuldigen, omdat we de 1 ook naar 2 zouden converteren (wanneer de identiteitsmatrix op die positie een 1 heeft). Daarom voegen we regel 3 gedeeld door -2 toe aan regel 2:

$\begin{array}{lrrr|rcr} & 0 & 1 & \vphantom{\Bigl(} \sfrac{1}{2} & 0 & \sfrac{1}{2} & 0 \\ + & 0 & 0 &\vphantom{\Bigl(} -\sfrac{1}{2} & 1 & \sfrac{5}{2} & -1 \\ \hline & 0 & 1 & 0\phantom{0} & 1 & 3 \vphantom{\Bigl(} & -1 \end{array} \begin{array}{l}\vphantom{\Bigl(} \color{blue}\bm{\leftarrow f_2} \\ \color{blue}\bm{\leftarrow f_3/(-2)}\vphantom{\Bigl(} \\ \phantom{hline} \vphantom{\Bigl(} \end{array}$

Dus door deze operatie uit te voeren, slagen we erin om de

$\sfrac{1}{2}$

in een 0:

$\left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 1 & \sfrac{1}{2} & 0 & \sfrac{1}{2} & 0 \\[2ex] 0 & 0 & 1 & -2 & -5 & 2 \end{array} \right) \begin{array}{c} \\[2ex] \xrightarrow{f_2-f_3/2} \\[2ex] & \end{array} \left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 1 & \color{blue}\boxed{\color{black}0} & 1 & 3 & -1 \\[2ex] 0 & 0 & 1 & -2 & -5 & 2 \end{array} \right)$

Ten slotte hoeven we alleen maar de 1 in de eerste rij van de derde kolom om te zetten in 0. De derde rij heeft ook een 1 in dezelfde kolom, dus we voegen rij 3 vermenigvuldigd met -1 toe aan rij 1:

$\begin{array}{lrrr|rcr} & 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\ + & 0 & 0 & -1 & 2 & 5 & -2 \\ \hline & 1 & 0 & 0 & 3 & 5 & -2 \end{array} \begin{array}{l}\color{blue}\bm{\leftarrow f_1} \\ \color{blue}\bm{\leftarrow -f_3}\\ \phantom{hline} \end{array}$

En door deze bewerking uit te voeren, slagen we erin om de 1 om te zetten in een 0:

$\ \left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & 1 & 1 & 0 & 0 \\[2ex] 0 & 1 &0 & 1 & 3 & -1 \\[2ex] 0 & 0 & 1 & -2 & -5 & 2 \end{array} \right) \begin{array}{c} \xrightarrow{f_1-f_3} \\[2ex] \\[2ex] & \end{array} \left( \begin{array}{ccc|ccc} 1 & 0 & \color{blue}\boxed{\color{black}0} & 3 & 5 & -2 \\[2ex] 0 & 1 & 0 & 1 & 3 & -1 \\[2ex] 0 & 0 & 1 & -2 & -5 & 2 \end{array} \right)$

Zodra we de linkermatrix met succes hebben omgezet in een identiteitsmatrix, kennen we ook de inverse matrix. Omdat de inverse matrix de matrix is die we aan de rechterkant verkrijgen door de linkermatrix om te zetten in identiteitsmatrix . De inverse van de matrix is dus: