Ters matris, [A | I] yöntemi ve elementer matrisler
Bir matrisin tersini 2×2 formülle ve [A | I] üzerinde Gauss-Jordan ile bulmayı, tekil matrisi tanımayı, AX = B ve XA = B'yi doğru taraftan çözmeyi ve elementer matrislerle satır işlemlerini çarpım olarak yazmayı öğrenirsin.
Sayılarda 3x=6 denklemini iki tarafı 3−1 ile çarparak çözersin. Matrislerde aynı fikrin adı ters matris (inverse): Ax=b ise x=A−1b. Ama her matrisin tersi yoktur ve çarpmanın hangi taraftan yapıldığı önemlidir. Vizede bu konudan neredeyse kesin olarak bir 2×2 formül sorusu, bir 3×3[A∣I] sorusu ve bir AX=B sorusu gelir.
Altın kurallar:
Ters sadece kare matris için tanımlı.
2×2 için formülü kullan, 3×3 için [A∣I] yöntemini.
AX=B ise X=A−1B; XA=B ise X=BA−1. Taraf karıştırmak en sık hata.
Her zaman kontrol et: bir satır · bir sütun =1 veya 0 olmalı.
Tanım
n×n bir A için
AB=BA=In
sağlayan bir B varsa Atersinir (invertible, nonsingular), B de A‘nın tersiA−1‘dir. Böyle bir B yoksa Atekil (singular) denir.
Ters tektir.B ve C ikisi de A‘nın tersiyse B=BI=B(AC)=(BA)C=IC=C.
Kare matrislerde tek taraf yeter: AB=I ise otomatik olarak BA=I olur. Problem kitabında “AB = I ⇒ BA = I” sorusu bu yüzden geliyor.
2×2 formülü
A=[acbd],ad−bc=0⇒A−1=ad−bc1[d−c−ba].
Ezber tarifi: köşegeni yer değiştir, diğer ikisinin işaretini çevir, ad−bc‘ye böl.ad−bc=0 ise ters yok. Bu sayı 2×2 determinantıdır (gelecek hafta).
Neden çalışıyor? A‘yı I‘ya götüren satır işlemlerinin hepsi bir çarpım gibi düşünülebilir: Ek⋯E2E1A=I. Bu çarpım tam olarak A−1‘dir. Aynı işlemleri yan tarafta I‘ya uygularsan Ek⋯E1I=A−1 elde edersin.
Tarif:
n×2n matrisi yaz: [A∣I].
Sol tarafı Gauss-Jordan ile I‘ya indir. Her işlemi bütün2n sütuna uygula.
Sol taraf I olursa sağ taraf A−1‘dir. Solda sıfır satır çıkarsa A tekildir, dur.
Sol tarafta sıfır satır oluştu. Ne yaparsan yap 3. satırda pivot olmayacak: S tekil. Sağ tarafın sıfır olmaması bir şey değiştirmez; karar sol tarafa bakılarak verilir.
Ters matrisle sistem çözmek
A tersinirse Ax=b‘nin tek çözümü vardır: x=A−1b. Yukarıdaki A ve b=(1,3,2)T için:
Aynı A ile birçok farklı b çözülecekse A−1‘i bir kez bulmak işi hızlandırır. Tek bir sistem için Gauss eleme genelde daha kısadır.
Matris denklemleri.A tersinir olsun:
Denklem
Çöz
Neden
AX=B
X=A−1B
soldan A−1 ile çarp
XA=B
X=BA−1
sağdan A−1 ile çarp
AXC=B
X=A−1BC−1
iki taraftan
TUZAK · “bölme” yok.X=AB diye bir şey yoktur. A−1B ile BA−1 genelde farklıdır (Q6 ve Q7 aynı matrislerle iki farklı cevap veriyor).
Tersin özellikleri
A, B tersinir n×n, c=0:
Özellik
Not
(A−1)−1=A
(AB)−1=B−1A−1
sıra ters, transpozdaki gibi
(AT)−1=(A−1)T
(cA)−1=c1A−1
(Ak)−1=(A−1)k
A−k diye yazılır
(AB)−1=B−1A−1 kontrolü: (AB)(B−1A−1)=A(BB−1)A−1=AA−1=I. Sıra ters olmasaydı ortadaki B ile B−1 yan yana gelmezdi.
Bir de iptal kuralı artık geçerli: A tersinirse AB=AC⇒B=C (soldan A−1 ile çarp).
Elementer matrisler
Elementer matris (elementary matrix)E, birim matrise tek bir satır işlemi uygulanarak elde edilen matristir. Sihirli özelliği: EA çarpımı, A‘ya o satır işlemini uygulamakla aynı şeydir.
İşlem (3×3)
E
E−1
R3←R3−4R1
10−4010001
104010001
R1↔R2
010100001
kendisi
R2←5R2
diag(1,5,1)
diag(1,51,1)
Her elementer matris tersinirdir ve tersi de elementerdir: işlemi geri alan işlem.
Matrisi elementer matrislerin çarpımı olarak yazmak.A=[1327]:
detA=6−5=1, A−1=[3−5−12].AX=B ise soldan A−1 ile çarp: X=A−1B=[3−2−5+4−12]=[1−1−12].
Soru 7orta
With the same A and B, solve XA=B.
Cevabı göster
X=[31−10]
XA=B ise sağdanA−1 ile çarp: X=BA−1.[1201][3−5−12]=[36−5−1−2+2]=[31−10]. Önceki sorunun cevabından farklı: matris çarpımı değişmeli değil.
Soru 8orta
Suppose A−1=[1021] and B−1=[3111]. Find (AB)−1.
Cevabı göster
[3173]
(AB)−1=B−1A−1 (sıra ters).[3111][1021]=[316+12+1]=[3173].A−1B−1 yazan farklı (yanlış) bir matris bulur.
Soru 9kolay
Let A=10−2211034 and B=100215034. Find an elementary matrix E with EA=B, and E−1.
Cevabı göster
E=102010001, E−1=10−2010001
Sadece 3. satır değişmiş: (0,5,4)=(−2,1,4)+2(1,2,0). İşlem R3←R3+2R1.E = bu işlemin I3'e uygulanmış hali: (3,1) konumunda 2.E−1 işlemi geri alır: R3←R3−2R1, yani (3,1) konumunda −2.
Soru 10zor
A square matrix A satisfies A2−3A+I=O. Show that A is invertible and express A−1 in terms of A.
Cevabı göster
A−1=3I−A
A2−3A=−I⇒A(A−3I)=−I⇒A(3I−A)=I. Aynı şekilde (3I−A)A=I. Yani A tersinir ve A−1=3I−A. Örnek: A=[1112] bu denklemi sağlar, A−1=[2−1−11]=3I−A.
Soru 11zor
If A−1=[2312], find A and (2AT)−1.
Cevabı göster
A=[2−3−12], (2AT)−1=[11/23/21]
A=(A−1)−1: det=4−3=1, formülle [2−3−12].(cM)−1=c1M−1 ve (AT)−1=(A−1)T: (2AT)−1=21(A−1)T=21[2132].
Soru 12zor
True or false: If A and B are invertible n×n matrices, then A+B is invertible.
Cevabı göster
False
Karşı örnek: A=I, B=−I. İkisi de tersinir ama A+B=O, sıfır matrisin tersi yok. Çarpım için doğru: AB tersinir ve (AB)−1=B−1A−1. Toplam için böyle bir kural yok.
Doğrulama: Bütün ters matrisler node'da [A | I] üzerinde BigInt kesirlerle satır işlemleri adım adım uygulanarak bulundu ve A·A⁻¹ = I çarpımıyla kontrol edildi; tekil örneklerde sıfır satırın oluştuğu gösterildi, AX = B / XA = B çözümleri geri çarpılarak doğrulandı (verify/MAT1041/03.mjs).
Deftere not kartı
A⁻¹: AA⁻¹ = A⁻¹A = I. Sadece KARE matris; varsa TEK.
2×2: [a b; c d]⁻¹ = 1/(ad-bc) · [d -b; -c a]. ad-bc = 0 → ters yok.
3×3: [A | I] → Gauss-Jordan → [I | A⁻¹]. Solda sıfır satır → TEKİL.
Kontrol: A'nın 1. satırı · A⁻¹'in 1. sütunu = 1.
Ax = b, A tersinir → x = A⁻¹b (tek çözüm).
AX = B → X = A⁻¹B (soldan). XA = B → X = BA⁻¹ (sağdan).
(AB)⁻¹ = B⁻¹A⁻¹, (A⁻¹)⁻¹ = A, (A^T)⁻¹ = (A⁻¹)^T, (cA)⁻¹ = (1/c)A⁻¹, (A^k)⁻¹ = (A⁻¹)^k
(A+B)⁻¹ ≠ A⁻¹ + B⁻¹ ; A+B tersinir olmayabilir.
Elementer E = I'ya TEK satır işlemi. EA = A'ya o işlemi uygula.
E⁻¹ = işlemi geri al: Ri+cRj ↔ Ri-cRj, cRi ↔ (1/c)Ri, swap ↔ swap.
A tersinir ⇔ A ~ I ⇔ Ax=0 sadece 0 ⇔ Ax=b her b için tek çözüm ⇔ A = elementer çarpımı.
Kare A için AB = I ise BA = I de doğru (tek taraf yeter).