Решение матричных уравнений конспект

Обновлено: 05.07.2024

В данной статье мы расскажем о матричном методе решения системы линейных алгебраических уравнений, найдем его определение и приведем примеры решения.

Метод обратной матрицы — это метод, использующийся при решении СЛАУ в том случае, если число неизвестных равняется числу уравнений.

Найти решение системы n линейных уравнений с n неизвестными:

a 11 x 1 + a 12 x 2 + . . . + a 1 n x n = b 1 a n 1 x 1 + a n 2 x 2 + . . . + a n n x n = b n

Матричный вид записи: А × X = B

где А = а 11 а 12 ⋯ а 1 n а 21 а 22 ⋯ а 2 n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ а n 1 а n 2 ⋯ а n n - матрица системы.

X = x 1 x 2 ⋮ x n - столбец неизвестных,

B = b 1 b 2 ⋮ b n - столбец свободных коэффициентов.

Из уравнения, которое мы получили, необходимо выразить X . Для этого нужно умножить обе части матричного уравнения слева на A - 1 :

A - 1 × A × X = A - 1 × B .

Так как А - 1 × А = Е , то Е × X = А - 1 × В или X = А - 1 × В .

Обратная матрица к матрице А имеет право на существование только, если выполняется условие d e t A н е р а в е н н у л ю . Поэтому при решении СЛАУ методом обратной матрицы, в первую очередь находится d e t А .

В том случае, если d e t A н е р а в е н н у л ю , у системы имеется только один вариант решения: при помощи метода обратной матрицы. Если d e t А = 0 , то систему нельзя решить данным методом.

Пример решения системы линейных уравнений с помощью метода обратной матрицы

Решаем СЛАУ методом обратной матрицы:

2 x 1 - 4 x 2 + 3 x 3 = 1 x 1 - 2 x 2 + 4 x 3 = 3 3 x 1 - x 2 + 5 x 3 = 2

Записываем систему в виде матричного уравнения А X = B , где

А = 2 - 4 3 1 - 2 4 3 - 1 5 , X = x 1 x 2 x 3 , B = 1 3 2 .

d e t A = 2 - 4 3 1 - 2 4 3 - 1 5 = 2 × ( - 2 ) × 5 + 3 × ( - 4 ) × 4 + 3 × ( - 1 ) × 1 - 3 × ( - 2 ) × 3 - - 1 × ( - 4 ) × 5 - 2 × 4 - ( - 1 ) = - 20 - 48 - 3 + 18 + 20 + 8 = - 25

d e t А не равняется 0, следовательно, для этой системы подходит метод решения обратной матрицей.

Находим обратную матрицу А - 1 при помощи союзной матрицы. Вычисляем алгебраические дополнения А i j к соответствующим элементам матрицы А :

А 11 = ( - 1 ) ( 1 + 1 ) - 2 4 - 1 5 = - 10 + 4 = - 6 ,

А 12 = ( - 1 ) 1 + 2 1 4 3 5 = - ( 5 - 12 ) = 7 ,

А 13 = ( - 1 ) 1 + 3 1 - 2 3 - 1 = - 1 + 6 = 5 ,

А 21 = ( - 1 ) 2 + 1 - 4 3 - 1 5 = - ( - 20 + 3 ) = 17 ,

А 22 = ( - 1 ) 2 + 2 2 3 3 5 - 10 - 9 = 1 ,

А 23 = ( - 1 ) 2 + 3 2 - 4 3 - 1 = - ( - 2 + 12 ) = - 10 ,

А 31 = ( - 1 ) 3 + 1 - 4 3 - 2 4 = - 16 + 6 = - 10 ,

А 32 = ( - 1 ) 3 + 2 2 3 1 4 = - ( 8 - 3 ) = - 5 ,

А 33 = ( - 1 ) 3 + 3 2 - 4 1 - 2 = - 4 + 4 = 0 .

Записываем союзную матрицу А * , которая составлена из алгебраических дополнений матрицы А :

А * = - 6 7 5 17 1 - 10 - 10 - 5 0

Записываем обратную матрицу согласно формуле:

A - 1 = 1 d e t A ( A * ) T : А - 1 = - 1 25 - 6 17 - 10 7 1 - 5 5 - 10 0 ,

Умножаем обратную матрицу А - 1 на столбец свободных членов В и получаем решение системы:

X = A - 1 × B = - 1 25 - 6 17 - 10 7 1 - 5 5 - 10 0 1 3 2 = - 1 25 - 6 + 51 - 20 7 + 3 - 10 5 - 30 + 0 = - 1 0 1

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

РЕШЕНИЕ простейших матричных уравнений (Занятие №3) Гр.1542

Выполним проверку, для этого подставим найденное значение в исходное уравнение:

Получено верное равенство, значит, решение найдено правильно.

Общие принципы решения матричных уравнений

Типовое матричное уравнение состоит, как правило, из нескольких матриц и неизвестной матрицы , которую предстоит найти. То есть, решением матричного уравнения является матрица.

Решить матричное уравнение, выполнить проверку

Как решить матричное уравнение?

Фактически нужно использовать алгоритм решения детского уравнения с числами.

В правой части умножаем каждый элемент матрицы на три, а матрицу левой части переносим направо со сменой знака:

Причёсываем правую часть:

Выразим , для этого обе части уравнения умножим на :

Как выполнить проверку?

Подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения и проведём упрощения:

Получена правая часть исходного уравнения, значит решение найдено правильно.

Кстати, всегда ли матричное уравнение вообще имеет решение? Конечно не всегда. С ходу привожу простейшее доказательство: .

Пример, который мы разобрали, элементарен, и, скажу честно, вероятность столкнуться с чем-то подобным на практике невелика.

Раздать карточки с простейшими уравнениями, в каждой карточке по 2 уравнения

1. Задание на сложение двух матриц (2А+В), или (3А-В), или (2А-С), или (А+3С).

2. -2Х=3* или +2Х=2* или +Х=-2*

Рассказать про матричный метод решения-с применением обратной матрицы. (взять материал лекционный)

Решить матричное уравнение, выполнить проверку

Решение : Уравнение уже имеет вид , поэтому никаких предварительных действий проводить не нужно.

Для разрешения уравнения относительно умножим обе его части на слева:

Из условия известны матрицы , однако, обратной матрицы мы не знаем. Придётся её найти:

Обратную матрицу найдем по формуле:
, где – транспонированная матрица алгебраических дополнений соответствующих элементов матрицы .

– матрица миноров соответствующих элементов матрицы .

– матрица алгебраических дополнений.

– транспонированная матрица алгебраических дополнений.

Таким образом, обратная матрица:

На финише проводим матричное умножение и получаем решение:

Ответ :

Проверка: Подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения:

Получена правая часть исходного уравнения. Таким образом, решение найдено правильно.

Сейчас 00.12, 21 декабря 2012 года и я поздравляю всех посетителей сайта с Концом Света. Он оказался для меня самой настоящей находкой, поскольку каждый раз, начиная новую статью, я мучаюсь с первым абзацем, чтобы грамотно подобрать сухие точные фразы и сориентировать читателя в теме.

Тибетские монахи сказали, что Армагеддон будет продолжаться две недели (видимо, все были студентами и сдавали сессии), поэтому у чайников ещё есть время ознакомиться с уроками Действия с матрицами, Свойства матричных операций и матричные выражения, Как найти обратную матрицу? Это не так сложно и не так много, как кажется! То есть для освоения матричных уравнений необходимо обладать некоторыми навыками, и быть, если не шаманом матриц, то, по меньшей мере, матричным охотником. Не переживайте, Конец Концом, а матричные уравнения сдадутся на милость победителя.

Выполним проверку, для этого подставим найденное значение в исходное уравнение:

Получено верное равенство, значит, решение найдено правильно.

Про матричные уравнения рассказывать? =) Они устроены практически так же, только вместо чисел… правильно – матрицы (и конечно, числа тоже есть, помним, что матрицу можно умножить на число). Плюс особенные фишки, характерные для действий с матрицами. Всё просто, и особых трудностей возникнуть не должно.

Общие принципы решения матричных уравнений

Решить матричное уравнение, выполнить проверку

Как решить матричное уравнение?

Фактически нужно использовать алгоритм решения детского уравнения с числами.

Причёсываем правую часть:

Выразим , для этого обе части уравнения умножим на :

Ответ:

Как выполнить проверку?

Подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения и проведём упрощения:

Получена правая часть исходного уравнения, значит решение найдено правильно.

Пример, который мы разобрали, элементарен, и, скажу честно, вероятность столкнуться с чем-то подобным на практике невелика. Поэтому перейдём к более содержательным заданиям, которые с вероятностью, стремящейся к 100%, встретятся вам в реальной контрольной работе. Но прежде систематизируем общий ход решения:

Распространённый алгоритм решения матричного уравнения

Итак, на голову упал стандартный персонаж, состоящий из нескольких матриц, некоторых множителей и птицы счастья .

На первом шаге уравнение приводится к одному из двух видов:

либо , где – известные матрицы.

Примечание: существует также третий вид: , но в действительности он встречается крайне редко. Тем не менее, в конце статьи я рассмотрю данный случай.

На втором шаге необходимо выразить или, выражаясь более академично, разрешить уравнение относительно .

1) . Для того, чтобы разрешить данное уравнение относительно , умножим обе его части на слева (здесь и далее предполагаем, что обратная матрица существует):

. Внимание! Произведение матриц не перестановочно, поэтому критически важно, с какой стороны проводить умножение.

Чего и требовалось достичь. Матрица нам не известна.

2) . Умножаем обе части уравнения на справа:

Единичную матрицу убираем:

Готово. Матрица нам опять же не известна.

Таким образом, на втором шаге решение выражается в виде либо в виде . Поскольку обратной матрицы мы не знаем, то третий этап решения будет состоять в её нахождении. Это стандартная задача урока Как найти обратную матрицу?

На заключительном четвёртом шаге выполняем матричное умножение или , и, собственно, получаем ответ.

Рассмотрим примеры решений уравнений обоих видов более подробно:

Решение матричного уравнения вида

…и добавить нечего =)

Решить матричное уравнение, выполнить проверку

Решение: Уравнение уже имеет вид , поэтому никаких предварительных действий проводить не нужно.

Для разрешения уравнения относительно умножим обе его части на слева:

Из условия известны матрицы , однако, обратной матрицы мы не знаем. Придётся её найти:

– матрица миноров соответствующих элементов матрицы .

– матрица алгебраических дополнений.

– транспонированная матрица алгебраических дополнений.

Таким образом, обратная матрица:

На финише проводим матричное умножение и получаем решение:

Ответ:

Проверка: Подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения:

Получена правая часть исходного уравнения. Таким образом, решение найдено правильно.

Следующая задача весьма любопытна, и некоторые из вас сделают для себя неожиданное открытие:

Решить матричное уравнение и сделать проверку:

Решение: Неизвестная распложена справа от матрицы, и уравнение, очевидно, сведётся к виду . Используем уже знакомые из Примера №1 действия:

Для разрешения уравнения относительно умножим обе его части на слева:

– матрица миноров соответствующих элементов матрицы .

– матрица алгебраических дополнений.

– транспонированная матрица алгебраических дополнений.

Таким образом, решение уравнения:

Ответ:

Дробь красивше оставить перед вектором-столбцом, хотя вполне приемлемо записать и так: .

Проверка: Подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения:

Получена правая часть исходного уравнения, таким образом, решение найдено верно.

Напоминаю технический приём, который мы рассмотрели на уроке Свойства операций над матрицами. Матричные выражения. После подстановки в левую часть уравнения, константа уютно расположилась между матрицами. В подобных случаях число необходимо вынести вперёд и разобраться с ним в самом конце – после матричного умножения.

А теперь остановимся вот на каком моменте…. Вернёмся к самому началу решения, когда мы получили матричное уравнение в виде . Задача состояла в том, чтобы найти неизвестный вектор-столбец .

Перепишем уравнение в виде и в левой части умножим матрицы по обычному правилу:

До боли знакомая картина =) Две матрицы равны, когда равны их соответствующие элементы. Это система трёх линейных уравнений с тремя неизвестными:

И полученный нами ответ представляет собой решение данной системы:
.

Таким образом, матричный метод решения системы – это, по сути, частный случай матричного уравнения.

Найти из матричного уравнения:

Проверить полученный результат.

Заметьте, что справа находится нулевая матрица а не ноль. Нулевая матрица для матриц – это аналог нуля для чисел. И её можно не записывать, после того, как вы что-нибудь перенесёте в правую часть.

Полное решение и примерный чистовой образец оформления задания в конце урока.

В процессе решения матричных уравнений у начинающих могут появиться трудности с умножением матриц. В этом случае, пожалуйста, вернитесь к матричным выражениям и отработайте данное действие.

Решение матричного уравнения вида

Алгоритм решения точно такой же с некоторыми содержательными и техническими отличиями:

Решить матричное уравнение, выполнить проверку найденного решения.

Для разрешения уравнения относительно умножим обе его части на справа:

, где – транспонированная матрица алгебраических дополнений соответствующих элементов матрицы .

– матрица миноров соответствующих элементов матрицы .

– матрица алгебраических дополнений.

– транспонированная матрица алгебраических дополнений.

Таким образом, обратная матрица:

Находим решение, при этом не забываем про порядок умножения матриц, обратная матрица едет во втором вагоне:

Ответ:

Проверка: Подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения:

Получена правая часть исходного уравнения. Таким образом, решение найдено правильно.

Решить матричное уравнение, сделать проверку:

Решение: Незнакомец расположился слева от матрицы, поэтому уравнение сводится к виду . Упаковываем множители, переносим свободную матрицу в правую часть и выполняем вычитание матриц:

Для разрешения уравнения относительно умножим обе его части на справа:

– матрица миноров соответствующих элементов матрицы .

– матрица алгебраических дополнений.

– транспонированная матрица алгебраических дополнений.

Ответ:

Проверка: Подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения:

Получена правая часть исходного уравнения, таким образом, решение найдено верно.

Решить матричное уравнение и сделать проверку:

Это пример для самостоятельного решения. Примерный образец чистового оформления в конце урока.

В заключение коротко рассмотрим ещё один тип матричного уравнения, который практически не встречается: , где – известные матрицы. То есть, наш партизан залёг между двумя матрицами.

Разрешим данное уравнение относительно . Сначала умножим обе части на слева:

Теперь умножим обе части на справа:

Готового примера у себя в коллекции я не нашёл, но сейчас всё равно что-нибудь подберу из этой оперы…. Вот:

Да, работёнки здесь побольше. Раза в два. Как решить данное уравнение?

– для матрицы находим обратную матрицу ;
– для матрицы находим обратную матрицу ;
– перемножаем три матрицы (см. статью про свойства матричных операций).

Желающие могут прорешать данный пример, верный ответ: .

Поздравляю ещё раз! Если вы читаете эти строки, то Конец Света так и не наступил! Конец Света как деньги – любит тишину =) На самом деле всё было так: летописцы майя составили свой календарь до дня зимнего солнцестояния 2012 года. А потом устали.

Но на всякий случай передаю привет следующей цивилизации. Когда-нибудь они откопают хорошо сохранившийся в вечной мерзлоте сервер и расшифруют нашу клинопись =)

Удачной сдачи зачётов и экзаменов!

Решения и ответы:

Пример 4: Решение: Приведем уравнение к виду :

Для разрешения уравнения относительно умножим обе его части на слева:

Обратную матрицу найдем по формуле:
, где – транспонированная матрица алгебраических дополнений соответствующих элементов матрицы .

– матрица миноров соответствующих элементов матрицы .
– матрица алгебраических дополнений.
– транспонированная матрица алгебраических дополнений.
Обратная матрица:

Решение системы:

Ответ:
Проверка: подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения:

Получена правая часть исходного уравнения, таким образом, значение найдено верно.

Пример 7: Решение: Приведем уравнение к виду :

Для разрешения уравнения относительно умножим обе его части на справа:

Обратную матрицу найдем по формуле:
, где – транспонированная матрица алгебраических дополнений соответствующих элементов матрицы .

– матрица миноров соответствующих элементов матрицы .
– матрица алгебраических дополнений.
– транспонированная матрица алгебраических дополнений.
Обратная матрица:
Таким образом:

Ответ:
Проверка: Подставим найденное значение в левую часть исходного уравнения:

Получена правая часть исходного уравнения, таким образом, решение найдено верно.

Автор: Емелин Александр

(Переход на главную страницу)

cкидкa 15% на первый зaкaз, при оформлении введите прoмoкoд: 5530-hihi5

где — матрицы.

Алгоритм решения матричных уравнений

1. Матричное уравнение приводится к одному из простейших уравнений:

или

где — известные матрицы, — искомая (неизвестная) матрица.

Существует также уравнение вида , но оно является комбинацией методов решения двух первых указанных простейших уравнений.

Чтобы привести произвольное матричное уравнение к одному из видов (1), надо все известные матрицы по свойствам уравнений перенести вправо, а неизвестную матрицу в левой части и свести подобные.

2. Разрешаем полученное простейшее уравнение относительно неизвестной матрицы .

к матрице :

$AX=B\Rightarrow A^ AX=A^ B\Rightarrow EX=A^ B\Rightarrow X=A^ B$

Поскольку умножение матриц некоммутативно, то нужно строго соблюдать умножение слева или справа, иначе это влияет на результат.

получаем:

$XA=B\Rightarrow XAA^ =BA^ \Rightarrow XE=BA^ \Rightarrow X=BA^$

находится либо методом союзной матрицы, либо методом присоединенной матрицы.

3. Далее вычисляется одно из произведений B" width="49" height="16" />
или " width="47" height="16" />
, что и определяет искомую матрицу.

4. Делаем проверку, для этого подставляем найденную матрицу в исходное уравнение.

Примеры решения задач

$\left(\begin & \\ & \end\right)-2X=3\left(\begin & \\ & \end\right)$

$-2X=\left(\begin & \\ & \end\right)-\left(\begin & \\ & \end\right)$

В правой части полученного уравнения выполняем вычитание матриц (от элементов первой матрицы отнимаем соответствующие элементы второй):

$-2X=\left(\begin & \\ & \end\right)$

Для нахождения искомой матрицы делим левую и правую части последнего уравнения на (— 2):

$X=-\frac \left(\begin & \\ & \end\right)$

$\left(\begin & \\ & \end\right)X=\left(\begin & \\ & \end\right)$

$X=\left(\begin & \\ & \end\right)^ \left(\begin & \\ & \end\right)$

На данном этапе задача сводится к нахождению обратной матрицы. Ее найдем методом союзной матрицы:

$A^<-1> =\frac <\left|A\right|>\tilde^$

— транспонирование матрицы, то есть операция, состоящая в том, что строки матрицы становятся ее столбцами с теми же номерами.

$A=\left(\begin Для заданной матрицы & \\ & \end\right)$
имеем:

$\left|\begin & \\ & \end\right|=2\cdot 2-3\cdot 1=4-3=1$

$A_<11> =\left(-1\right)^ \cdot 2=2,\; A_ =\left(-1\right)^ \cdot 3=-3,$

$A_<21> =\left(-1\right)^ \cdot 1=-1,\; A_ =\left(-1\right)^ \cdot 2=2$

$\tilde=\left(\begin & \\ & \end\right)$

а обратная матрица

$A^ =\frac \cdot \left(\begin & \\ & \end\right)^ =\left(\begin & \\ & \end\right)$

Таким образом, искомая матрица

$X=\left(\begin & \\ & \end\right)\cdot \left(\begin & \\ & \end\right)=\left(\begin & \\ & \end\right)=$

$=\left(\begin & \\ & \end\right)$

Читайте также: