7 Формула через присоединённую матрицу

Формула через присоединённую матрицу

В предыдущей статье были введены миноры и алгебраические дополнения. Напомним обозначения. После вычёркивания \(i\)-й строки и \(j\)-го столбца остаётся квадратная подматрица. Её определитель \(M_{ij}\) называется минором элемента \(a_{ij}\), а число

\[C_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij}\]

называется алгебраическим дополнением элемента \(a_{ij}\).

В предыдущей статье алгебраическое дополнение обозначалось \(A_{ij}\). Здесь, чтобы не путать его с исходной матрицей \(A=(a_{ij})\), будем обозначать его \(C_{ij}\).

Присоединённая матрица \(\widehat{A}\) существует для любой квадратной матрицы \(A\): для её построения нужны только миноры и алгебраические дополнения. Обратная матрица \(A^{-1}\) существует уже не всегда; формула через \(\widehat{A}\) применима только при \(\det A\ne0\).

Транспонирование в определении принципиально:

\[(\widehat{A})_{ij}=C_{ji}\]

Рассмотрим механизм этого тождества для матрицы порядка \(3\). Первый диагональный элемент произведения равен

\[(A\widehat{A})_{11} =a_{11}C_{11}+a_{12}C_{12}+a_{13}C_{13} =\det A:\]

это разложение определителя по первой строке. Первый внедиагональный элемент во втором столбце имеет вид

\[(A\widehat{A})_{12} =a_{11}C_{21}+a_{12}C_{22}+a_{13}C_{23} =0\]

Последняя сумма является разложением определителя матрицы, в которой вторая строка заменена первой. В ней две одинаковые строки, поэтому определитель равен нулю. Аналогично вычисляются остальные элементы, и

\[A\widehat{A} = \begin{pmatrix} \det A&0&0\\ 0&\det A&0\\ 0&0&\det A \end{pmatrix} =(\det A)I_3\]

Равенство \(\widehat{A}\,A=(\det A)I_n\) получается аналогично, если использовать разложения по столбцам.

Если \(\det A\ne0\), умножим обе части тождества на ненулевой скаляр \(\frac{1}{\det A}\):

\[\boxed{ A^{-1}=\frac{1}{\det A}\widehat{A} }\]

Для матрицы второго порядка получается знакомая короткая формула:

\[\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}^{-1} = \frac{1}{ad-bc} \begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}, \qquad ad-bc\ne0\]