Как найти присоединённую матрицу: разбор 3 на 3
Дано: матрица со строками , и . Найти: присоединённую (союзную) матрицу и обратную матрицу .
Присоединённая матрица собирается в два хода: каждый элемент заменяется своим алгебраическим дополнением, а полученная таблица транспонируется. Ответ: , присоединённая матрица имеет строки , , , а обратная получается делением всех её элементов на тройку. Калькулятор сверху считает все девять дополнений для любой матрицы 3x3, а переключение вида над таблицей показывает само транспонирование: значения перескакивают через главную диагональ.
Решение по шагам
Шаг 1. Считаем определитель. Он нужен не для присоединённой матрицы, а для обратной, но проверить его стоит сразу: при нулевом определителе последний шаг отменяется. Разложим по первой строке, в ней есть удобный нуль.
Определитель равен трём, значит матрица невырожденная и обратная к ней существует. Если техника вычисления определителя третьего порядка ещё не отработана, посмотри отдельный разбор: как вычислить определитель третьего порядка.
Шаг 2. Находим девять миноров. Минор получается вычёркиванием -й строки и -го столбца: остаётся определитель второго порядка, который считается как произведение главной диагонали минус произведение побочной. Порядок оставшихся чисел менять нельзя.
Шаг 3. Ставим знаки позиций. Алгебраическое дополнение отличается от минора только множителем : на позициях с чётной суммой индексов знак сохраняется, с нечётной меняется. Шахматный порядок знаков для матрицы 3x3 выглядит как плюс, минус, плюс в первой строке и минус, плюс, минус во второй.
| Позиция | Минор | Знак | Дополнение |
|---|---|---|---|
| (1; 1) | |||
| (1; 2) | |||
| (1; 3) | |||
| (2; 1) | |||
| (2; 2) | |||
| (2; 3) | |||
| (3; 1) | |||
| (3; 2) | |||
| (3; 3) |
Из девяти дополнений складывается матрица дополнений . Она ещё не присоединённая, и именно здесь теряется больше всего баллов: если остановиться на этом шаге, ответ будет отражён относительно диагонали.
Шаг 4. Транспонируем. Присоединённая матрица равна транспонированной матрице дополнений: элемент, стоявший в строке и столбце , уезжает в строку и столбец . Первая строка матрицы становится первым столбцом, вторая строка - вторым столбцом.
Обрати внимание на индексы в общей записи: в первой строке присоединённой матрицы стоят дополнения первого столбца исходной. Это самый короткий способ запомнить правило и не путать направление отражения.
Шаг 5. Делим на определитель. Обратная матрица равна присоединённой, делённой на определитель. Общий множитель выносится за скобку, чтобы не таскать дроби по всем девяти клеткам.
Шаг 6. Проверяем умножением. Проверка стоит одного произведения и ловит любую ошибку в знаках. Умножаем исходную матрицу на присоединённую: должна получиться диагональная матрица с определителем на диагонали.
Ответ: , , .
Формула и откуда она берётся
Ключевое тождество для присоединённой матрицы записывается одной строкой и работает для матрицы любого порядка:
Почему получается именно так, видно из перемножения. Элемент произведения на главной диагонали - это сумма , то есть разложение определителя по -й строке, и она равна . Элемент вне диагонали - сумма вида при : элементы берутся из одной строки, а дополнения из другой.
Такая «чужая» сумма всегда равна нулю, и это не совпадение. Она равна определителю матрицы, у которой -я строка заменена копией -й, а определитель с двумя одинаковыми строками равен нулю. Отсюда и вылезают нули вне диагонали в проверке из шага 6.
Дальше остаётся разделить обе части на число , и определение обратной матрицы выполняется буквально: . Никакого перебора и никакого метода Гаусса здесь не требуется, вся работа спрятана в девяти определителях второго порядка. Механика одного такого дополнения подробно разобрана в задаче про минор и алгебраическое дополнение элемента.
Проверки, которые ловят ошибку
Присоединённая матрица считается долго, и ошибиться в одном из девяти знаков легко. Есть три быстрых проверки, каждая дешевле пересчёта.
Первая уже сделана: произведение обязано быть диагональным. Если на диагонали стоят разные числа - потерян знак в одном из дополнений; если диагональ верная, а вне её не нули - перепутано направление транспонирования.
Вторая проверка: определитель присоединённой матрицы связан с исходным формулой . Для порядка это квадрат: . Посчитать один определитель быстрее, чем перемножать матрицы.
Третья проверка почти бесплатная: сумма произведений элементов любой строки на их собственные дополнения обязана дать один и тот же определитель. Для второй строки получается - совпало с разложением по первой строке, значит вторая строка матрицы дополнений посчитана верно.
Матрица 2 на 2 и вырожденный случай
Для второго порядка общий алгоритм вырождается в готовое правило: элементы главной диагонали меняются местами, у побочной меняется знак. Для матрицы со строками и определитель равен , присоединённая матрица имеет строки и , а обратная получается делением на десять.
Это то же самое правило, а не отдельное: минор элемента матрицы 2x2 - это оставшееся после вычёркивания одно число, знаки расставляются шахматно, транспонирование меняет местами внедиагональные элементы. Просто на таком размере все три шага умещаются в одну строчку.
Если определитель равен нулю, присоединённая матрица всё равно существует и считается по тому же алгоритму - деление отменяется только на последнем шаге. Тождество превращается в : произведение даёт нулевую матрицу. Ранг вырожденной матрицы меньше трёх, и определить его можно по минорам, как в разборе как найти ранг матрицы.
Отдельно стоит помнить, зачем всё это считалось. Обратная матрица через союзную - рабочий инструмент для матричных уравнений вида AX = B, а те же алгебраические дополнения лежат в основе правила Крамера для систем линейных уравнений.
Частые ошибки
- Забытое транспонирование. Самая частая потеря баллов: матрица дополнений выдаётся за присоединённую. Проверяется мгновенно - в нашем примере на позиции (1; 2) должна стоять единица, а не минус единица.
- Транспонирование исходной матрицы вместо матрицы дополнений. Отражать нужно результат, а не входные данные. Порядок шагов жёсткий: сначала все девять дополнений, потом отражение.
- Знак только у минора. Множитель относится ко всему минору, а не к одному его слагаемому. При дополнение равно , а не .
- Деление на определитель раньше времени. Присоединённая матрица - это матрица целых чисел без всяких дробей. Делят только при переходе к обратной.
- Порядок строк внутри минора. После вычёркивания оставшиеся числа нельзя переставлять: перестановка строк меняет знак определителя второго порядка, а с ним и всё дополнение.
- Деление на нулевой определитель. Если , ответом задачи служит сама присоединённая матрица, а про обратную пишут, что её не существует.
FAQ
Чем присоединённая матрица отличается от союзной? Это два названия одного объекта. В одних учебниках пишут «присоединённая», в других «союзная» или «взаимная», обозначают , или . Осторожнее с англоязычными источниками: там adjugate - это она, а adjoint чаще означает сопряжённую матрицу, то есть транспонированную с комплексным сопряжением.
Обязательно ли считать все девять дополнений? Для присоединённой матрицы да, все девять: каждое занимает своё место. Экономия возможна только на определителе - его берут из уже посчитанной строки дополнений, отдельно вычислять не нужно.
Что быстрее для матрицы 4x4 - союзная матрица или метод Гаусса? Гаусс. Присоединённая матрица порядка требует определителей порядка : для четвёртого порядка это шестнадцать определителей 3x3. Метод элементарных преобразований на таком размере уже заметно короче, зато формула через союзную матрицу даёт точный ответ в дробях и работает в буквенных задачах.
Как проверить присоединённую матрицу, если исходная задана буквами? Тем же тождеством : после раскрытия скобок вне диагонали всё обязано сократиться. Это надёжнее, чем перепроверять знаки по таблице.
Коротко
- Считаем определитель: для матрицы со строками 2 0 1; 1 3 2; 0 1 1 он равен , значит обратная матрица существует.
- Находим девять миноров, вычёркивая строку и столбец каждого элемента, и умножаем каждый на знак позиции - получается матрица дополнений .
- Транспонируем : присоединённая матрица имеет строки , , .
- Делим присоединённую матрицу на определитель и получаем .
- Проверяем: и - обе проверки сходятся, ответ верен.
Похожие задачи
Как решить систему матричным методом: разбор 3 на 3
Решаем систему трёх линейных уравнений матричным методом: запись AX = B, определитель, союзная матрица, формула X = A в минус первой степени на B и проверка подстановкой.
Линейная алгебраКак найти минор матрицы: разбор с примером
Разбираем, как найти минор матрицы: вычёркиваем строку и столбец, считаем определитель второго порядка, ставим знак позиции и раскладываем определитель по строке.
Линейная алгебраКак решить матричное уравнение: AX = B и XA = B
Разбираем, как решить матричное уравнение через обратную матрицу: определитель, союзная матрица, порядок умножения в AX = B и XA = B, проверка подстановкой и частые ошибки.
Линейная алгебраКак найти фундаментальную систему решений: разбор
Разбираем, как найти фундаментальную систему решений однородной СЛАУ: ранг матрицы, число свободных неизвестных n минус r, базисные решения, общее решение и проверка.
Линейная алгебраКак найти проекцию вектора на подпространство
Как найти ортогональную проекцию вектора на подпространство через матрицу Грама и нормальные уравнения: разбор с числами, ортогональная составляющая, расстояние и калькулятор.
Линейная алгебраКак найти линейную оболочку векторов: базис и размерность
Разбираем, как найти линейную оболочку системы векторов: размерность через ранг, базис из исходных векторов, выражение лишних векторов и проверка принадлежности вектора оболочке.