Что такое алгебраическое дополнение матрицы

Что такое алгебраическое дополнение матрицы

определителя по элементам строки или столбца

Дальнейшие свойства связаны с понятиями минора и алгебраического дополнения

Определение. Минором элемента называется определитель, составленный из элементов, оставшихся после вычеркиванияi-ой стоки и j-го столбца, на пересечении которых находится этот элемент. Минор элемента определителяn-го порядка имеет порядок (n1). Будем его обозначать через .

Пример 1. Пусть , тогда.

Этот минор получается из A путём вычёркивания второй строки и третьего столбца.

Определение. Алгебраическим дополнением элемента называется соответствующий минор, умноженный нат.е, гдеi –номер строки и j -столбца, на пересечении которых находится данный элемент.

VІІІ. (Разложение определителя по элементам некоторой строки). Определитель равен сумме произведений элементов некоторой строки на соответствующие им алгебраические дополнения.

.

Пример 2. Пусть , тогда

,

.

Пример 3. Найдём определитель матрицы , разложив его по элементам первой строки.

Формально эта теорема и другие свойства определителей применимы пока только для определителей матриц не выше третьего порядка, поскольку другие определители мы не рассматривали. Следующее определение позволит распространить эти свойства на определители любого порядка.

Определение. Определителем матрицы A n-го порядка называется число, вычисленное с помощью последовательного применения теоремы о разложении и других свойств определителей.

Можно проверить, что результат вычислений не зависит от того, в какой последовательности и для каких строк и столбцов применяются вышеуказанные свойства. Определитель с помощью этого определения находится однозначно.

Хотя данное определение и не содержит явной формулы для нахождения определителя, оно позволяет находить его путём сведения к определителям матриц меньшего порядка. Такие определения называют рекуррентными.

Пример 4. Вычислить определитель: .

Хотя теорему о разложении можно применять к любой строке или столбцу данной матрицы, меньше вычислений получится при разложении по столбцу, содержащему как можно больше нулей.

Поскольку у матрицы нет нулевых элементов, то получим их с помощью свойства 7). Умножим первую строку последовательно на числа (–5), (–3) и (–2) и прибавим её ко 2-ой, 3-ей и 4-ой строкам и получим:

.

Разложим получившийся определитель по первому столбцу и получим:

( вынесем из 1-ой строки (–4), из 2-ой — (–2), из 3-ей — (–1) согласно свойству 4)

(так как определитель содержит два пропорциональных столбца).

§ 1.3. Некоторые виды матриц и их определители

Определение. Квадратная матрица, у которой ниже или выше главной диагонали стоят нулевые элементы (=0 при ij, или =0 при ij) называется треугольной.

Их схематичное строение соответственно имеет вид: или.

Здесь 0 – означает нулевые элементы, а – произвольные элементы.

Теорема. Определитель квадратной треугольной матрицы равен произведению её элементов, стоящих на главной диагонали, т.е.

.

.

Определение. Квадратная матрица, у которой вне главной диагонали стоят нулевые элементы, называется диагональной.

Её схематический вид:

Диагональная матрица, у которой на главной диагонали стоят только единичные элементы называется единичной матрицей. Она обозначается через:

Определитель единичной матрицы равен 1, т.е. E=1.

Определение. Если в определителе n-го порядка выбрать произвольно k строк и k столбцов, то элементы, стоящие на пересечении указанных строк и столбцов, образуют квадратную матрицу порядка k. Определитель такой квадратной матрицы называют минором k-го порядка.

Обозначается Mk . Если k=1, то минор первого порядка — это элемент определителя.

Элементы, стоящие на пересечении оставшихся (n-k) строк и (n-k) столбцов, составляют квадратную матрицу порядка (n-k). Определитель такой матрицы называется минором, дополнительным к минору Mk. Обозначается Mn-k.

Алгебраическим дополнением минора Mk будем называть его дополнительный минор, взятый со знаком “+” или “-” в зависимости от того, четна или нечетна сумма номеров всех строк и столбцов, в которых расположен минор Mk.

Если k=1, то алгебраическое дополнение к элементу aik вычисляется по формуле

Теорема. Произведение минора k-го порядка на его алгебраическое дополнение равно сумме некоторого числа членов определителя Dn.

1. Рассмотрим частный случай. Пусть минор Mk занимает левый верхний угол определителя, то есть располагается в строках с номерами 1, 2, . k, тогда минор Mn-k будет занимать строки k+1, k+2, . n.

.

Вычислим алгебраическое дополнение к минору Mk. По определению,

Берем произвольный член минора Mk

, (1)

где s — число инверсий в подстановке

(2)

и произвольный член минора Mn-k

, (3)

где s * — число инверсий в подстановке

(4)

Перемножая (1) и (3), получим

.(5)

Произведение состоит из n элементов, расположенных в различных строках и столбцах определителя D. Следовательно, это произведение является членом определителя D. Знак произведения (5) определяется суммой инверсий в подстановках (2) и (4), а знак аналогичного произведения в определителе D определяется числом инверсий sk в подстановке

Таким образом, возвращаясь к равенству (*), получим, что произведение Mk An-k состоит только из членов определителя.

Читайте также:  Как взламывать игры на компьютере

2. Пусть минор Mk расположен в строках с номерами i1, i2, . ik и в столбцах с номерами j1, j2, . jk , причем i1 ¢ , в котором минор Mk занимает левый верхний угол, а дополнительный к нему минор M¢n-k — правый нижний угол, тогда, по доказанному в пункте 1, получим, что произведение Mkn-k является суммой некоторого количества элементов определителя D ¢ , взятых со своим знаком. Но D ¢ получен из D с помощью (i1-1)+( i2-2)+ . +(ik-k)=( i1+ i2+ . + ik)-(1+2+. +k) транспозиций строк и (j1-1)+(j2-2)+ . +(jk-k)=(j1+ j2+ . + jk)- (1+2+. +k) транспозиций столбцов. То есть всего было выполнено

( i1+ i2+ . + ik)-( 1+2+. +k)+ (j1+ j2+ . + jk)- (1+2+. +k)= ( i1+ i2+ . + ik)+ (j1+ j2+ . + jk)- 2(1+2+. +k)=s-2(1+2+. +k). Поэтому члены определителей D и D ¢ отличаются знаком (-1) s-2(1+2+. +k) =(-1) s , следовательно, произведение (-1) s Mkn-k будет состоять из некоторого количества членов определителя D, взятых с теми же знаками, какие они имеют в этом определителе.

Теорема Лапласа. Если в определителе n-го порядка выбрать произвольно k строк (или k столбцов) 1£k£n-1, тогда сумма произведений всех миноров k-го порядка, содержащихся в выбранных строках, на их алгебраические дополнения равна определителю D.

Выберем произвольно строки i1, i2, . ik и докажем, что

.

Ранее было доказано, что все элементы в левой части равенства содержатся в качестве слагаемых в определителе D. Покажем, что каждый член определителя D попадает только в одно из слагаемых . Действительно, всякое ts имеет вид ts= . если в этом произведении отметить сомножители, у которых первые индексы i1, i2, . ik, и составить их произведение , то можно заметить, что полученное произведение принадлежит минору k-го порядка. Следовательно, оставшиеся члены, взятые из оставшихся n-k строк и n-k столбцов, образуют элемент, принадлежащий дополнительному минору, а с учетом знака — алгебраическому дополнению, следовательно, любое ts попадает только в одно из произведений , что доказывает теорему.

Следствие (теорема о разложении определителя по строке). Сумма произведений элементов некоторой строки определителя на соответствующие алгебраические дополнения равна определителю.

(Доказательство в качестве упражнения.)

Теорема. Сумма произведений элементов i-ой строки определителя на соответствующие алгебраические дополнения к элементам j-ой строки (i¹j) равна 0.

(Доказательство в качестве упражнения.)

Таким образом, мы получили формулы

Пример 1. Вычислить определитель по теореме Лапласа (предварительно разложив его по 2 и 3 строкам).

= =

=(4+3)(-9-0) — (8-3)(0-20) + (12-6)(0-15) + (-4-2)(-3-16) — (-6-4)(0-12) + (6-8)(5-0)= = -63+100-90+114-120-10=-69.

Пример 2. Вычислить определитель, разложив его по последнему столбцу.

7

-7(25 + 0 + 16 + 12 — 60 — 0) + 3(50 + 0 — 24 + 16 — 0 + 90) — (100 + 0 + 24 + 32 — 0 + 75) + 4(-40 + 20 — 54 — 48 — 30 — 30) = 49 + 396 — 231 — 182 = 32.

Замечание. Удобно применять следствие из теоремы Лапласа к определителю, преобразованному с помощью свойств таким образом, что в одной из строк (или в одном из столбцов) все элементы, кроме одного, равны 0.

Пример. Вычислить определитель

-12 -14 +35 -147 -20 -2= -160.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома — страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 9188 — | 7395 — или читать все.

В данной теме рассмотрим понятия алгебраического дополнения и минора. Изложение материала опирается на термины, пояснённые в теме "Матрицы. Виды матриц. Основные термины". Также нам понадобятся некоторые формулы для вычисления определителей. Так как в данной теме немало терминов, относящихся к минорам и алгебраическим дополнениям, то я добавлю краткое содержание, чтобы ориентироваться в материале было проще.

Минор $M_$ элемента $a_$

Пусть задана квадратная матрица $A_$ (т.е. квадратная матрица n-го порядка).

Для примера рассмотрим квадратную матрицу четвёртого порядка: $A=left( egin 1 & 0 & -3 & 9\ 2 & -7 & 11 & 5 \ -9 & 4 & 25 & 84\ 3 & 12 & -5 & 58 end
ight)$. Найдём минор элемента $a_<32>$, т.е. найдём $M_<32>$. Сперва запишем минор $M_<32>$, а потом вычислим его значение. Для того, чтобы составить $M_<32>$, вычеркнем из матрицы $A$ третью строку и второй столбец (именно на пересечении третьей строки и второго столбца расположен элемент $a_<32>$). Мы получим новую матрицу, определитель которой и есть искомый минор $M_<32>$:

Этот минор несложно вычислить, используя формулу №2 из темы вычисления определителей второго и третьего порядков:

$$ M_<32>=left| egin 1 & -3 & 9\ 2 & 11 & 5 \ 3 & -5 & 58 end
ight|= 1cdot 11cdot 58+(-3)cdot 5cdot 3+2cdot (-5)cdot 9-9cdot 11cdot 3-(-3)cdot 2cdot 58-5cdot (-5)cdot 1=579. $$

Итак, минор элемента $a_<32>$ равен 579, т.е. $M_<32>=579$.

Часто вместо словосочетания "минор элемента матрицы" в литературе встречается "минор элемента определителя". Суть остается неизменной: чтобы получить минор элемента $a_$ нужно вычеркнуть из исходного определителя i-ю строку и j-й столбец. Оставшиеся элементы записывают в новый определитель, который и является минором элемента $a_$. Например, найдём минор элемента $a_<12>$ определителя $left| egin -1 & 3 & 2\ 9 & 0 & -5 \ 4 & -3 & 7 end
ight|$. Чтобы записать требуемый минор $M_<12>$ нам понадобится вычеркнуть из заданного определителя первую строку и второй столбец:

Читайте также:  Как открыть виджеты в андроид

Чтобы найти значение данного минора используем формулу №1 из темы вычисления определителей второго и третьего порядков:

$$ M_<12>=left| egin 9 & -5\ 4 & 7 end
ight|=9cdot 7-(-5)cdot 4=83. $$

Итак, минор элемента $a_<12>$ равен 83, т.е. $M_<12>=83$.

Алгебраическое дополнение $A_$ элемента $a_$

Пусть задана квадратная матрица $A_$ (т.е. квадратная матрица n-го порядка).

где $M_$ – минор элемента $a_$.

Найдем алгебраическое дополнение элемента $a_<32>$ матрицы $A=left( egin 1 & 0 & -3 & 9\ 2 & -7 & 11 & 5 \ -9 & 4 & 25 & 84\ 3 & 12 & -5 & 58 end
ight)$, т.е. найдём $A_<32>$. Ранее мы уже находили минор $M_<32>=579$, поэтому используем полученный результат:

Обычно при нахождении алгебраических дополнений не вычисляют отдельно минор, а уж потом само дополнение. Запись минора опускают. Например, найдем $A_<12>$, если $A=left( egin -5 & 10 & 2\ 6 & 9 & -4 \ 4 & -3 & 1 end
ight)$. Согласно формуле $A_<12>=(-1)^<1+2>cdot M_<12>=-M_<12>$. Однако чтобы получить $M_<12>$ достаточно вычеркнуть первую строку и второй столбец матрицы $A$, так зачем же вводить лишнее обозначение для минора? Сразу запишем выражение для алгебраического дополнения $A_<12>$:

Минор k-го порядка матрицы $A_$

Если в предыдущих двух пунктах мы говорили лишь о квадратных матрицах, то здесь поведём речь также и о прямоугольных матрицах, у которых количество строк вовсе не обязательно равняется количеству столбцов. Итак, пусть задана матрица $A_$, т.е. матрица, содержащая m строк и n столбцов.

Например, рассмотрим такую матрицу:

$$A=left( egin -1 & 0 & -3 & 9\ 2 & 7 & 14 & 6 \ 15 & -27 & 18 & 31\ 0 & 1 & 19 & 8\ 0 & -12 & 20 & 14\ 5 & 3 & -21 & 9\ 23 & -10 & -5 & 58 end
ight) $$

Запишем для неё какой-либо минор третьего порядка. Чтобы записать минор третьего порядка нам потребуется выбрать какие-либо три строки и три столбца данной матрицы. Например, возьмём строки №2, №4, №6 и столбцы №1, №2, №4. На пересечении этих строк и столбцов будут располагаться элементы требуемого минора. На рисунке элементы минора показаны синим цветом:

Миноры первого порядка находятся на пересечении одной строки и одного столбца, т.е. миноры первого порядка равны элементам заданной матрицы.

Напомню, что главными диагональными элементами именуют те элементы матрицы, у которых индексы равны: $a_<11>$, $a_<22>$, $a_<33>$ и так далее. Например, для рассмотренной выше матрицы $A$ такими элементами будут $a_<11>=-1$, $a_<22>=7$, $a_<33>=18$, $a_<44>=8$. На рисунке они выделены зелёным цветом:

$$left( egin oldgreen <-1>& 0 & -3 & 9\ 2 & oldgreen <7>& 14 & 6 \ 15 & -27 & oldgreen <18>& 31\ 0 & 1 & 19 & oldgreen<8>\ 0 & -12 & 20 & 14\ 5 & 3 & -21 & 9\ 23 & -10 & -5 & 58 end
ight) $$

Например, если в матрице $A$ мы вычеркнем строки и столбцы с номерами 1 и 3, то на их пересечении будут расположены элементы минора второго порядка, на главной диагонали которого будут находиться только диагональные элементы матрицы $A$ (элементы $a_<11>=-1$ и $a_<33>=18$ матрицы $A$). Следовательно, мы получим главный минор второго порядка:

$$ M=left|egin oldgreen <-1>& -3 \ 15 & oldgreen <18>end
ight| $$

Естественно, что мы могли взять иные строки и столбцы, – например, с номерами 2 и 4, получив при этом иной главный минор второго порядка.

Для примера рассмотрим такую матрицу:

$$A=left( egin -1 & 0 & 3 & 0 & 0 \ 2 & 0 & 4 & 1 & 0\ 1 & 0 & -2 & -1 & 0\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 end
ight) $$

Запишем минор этой матрицы, элементы которого расположены на пересечении строк №1, №2, №3 и столбцов с №1, №3, №4. Мы получим минор третьего порядка (его элементы выделены в матрице $A$ фиолетовым цветом):

Найдём значение этого минора, используя формулу №2 из темы вычисления определителей второго и третьего порядков:

$$ M=left| egin -1 & 3 & 0\ 2 & 4 & 1 \ 1 & -2 & -1 end
ight|=4+3+6-2=11. $$

Читайте также:  Значок на рабочем столе компьютера

Итак, $M=11
eq 0$. Теперь попробуем составить любой минор, порядок которого выше трёх. Чтобы составить минор четвёртого порядка, нам придётся использовать четвёртую строку, однако все элементы этой строки равны нулю. Следовательно, в любом миноре четвёртого порядка будет нулевая строка, а это означает, что все миноры четвёртого порядка равны нулю. Миноры пятого и более высоких порядков составить мы не можем, так как матрица $A$ имеет всего 4 строки.

Мы нашли минор третьего порядка, не равный нулю. При этом все миноры высших порядков равны нулю, следовательно, рассмотренный нами минор – базисный. Строки матрицы $A$, на которых расположены элементы этого минора (первая, вторая и третья), – базисные строки, а первый, третий и четвёртый столбцы матрицы $A$ – базисные столбцы.

Данный пример, конечно, тривиальный, так как его цель – наглядно показать суть базисного минора. Вообще, базисных миноров может быть несколько, и обычно процесс поиска такого минора куда сложнее и объёмнее.

Введём ещё одно понятие – окаймляющий минор.

Для примера обратимся к такой матрице:

$$A=left( egin -1 & 2 & 0 & -2 & -14\ 3 & -17 & -3 & 19 & 29\ 5 & -6 & 8 & -9 & 41\ -5 & 11 & 19 & -20 & -98\ 6 & 12 & 20 & 21 & 54\ -7 & 10 & 14 & -36 & 79 end
ight) $$

Запишем минор второго порядка, элементы которого расположены на пересечении строк №2 и №5, а также столбцов №2 и №4. Эти элементы выделены в матрице красным цветом:

Добавим к набору строк, на которых лежат элементы минора $M$, ещё строку №1, а к набору столбцов – столбец №5. Получим новый минор $M’$ (уже третьего порядка), элементы которого расположены на пересечении строк №1, №2, №5 и столбцов №2, №4, №5. Элементы минора $M$ на рисунке выделены красным цветом, а элементы, которые мы добавляем к минору $M$ – синим:

Минор $M’$ является окаймляющим минором для минора $M$. Аналогично, добавляя к набору строк, на которых лежат элементы минора $M$, строку №4, а к набору столбцов – столбец №3, получим минор $M»$ (минор третьего порядка):

Минор $M»$ также является окаймляющим минором для минора $M$.

Минор k-го порядка матрицы $A_$. Дополнительный минор. Алгебраическое дополнение к минору квадратной матрицы.

Вновь вернёмся к квадратным матрицам. Введём понятие дополнительного минора.

Для примера рассмотрим квадратную матрицу пятого порядка:

$$ A=left( egin -1 & 2 & 0 & -2 & -14\ 3 & -17 & -3 & 19 & 29\ 5 & -6 & 8 & -9 & 41\ -5 & 11 & 16 & -20 & -98\ -7 & 10 & 14 & -36 & 79 end
ight) $$

Выберем в ней строки №1 и №3, а также столбцы №2 и №5. На пересечении оных строк и столбцов будут элементы минора $M$ второго порядка. Эти элементы выделены в матрице $A$ зелёным цветом:

Теперь уберём из матрицы $A$ строки №1 и №3 и столбцы №2 и №5, на пересечении которых находятся элементы минора $M$ (элементы убираемых строк и столбцов показаны красным цветом на рисунке ниже). Оставшиеся элементы образуют минор $M’$:

Минор $M’$, порядок которого равен $5-2=3$, является минором, дополнительным к минору $M$.

Словосочетание "алгебраическое дополнение к минору $M$" часто заменяют словосочетанием "алгебраическое дополнение минора $M$".

Для примера рассмотрим матрицу $A$, для которой мы находили минор второго порядка $ M=left| egin 2 & -14 \ -6 & 41 end
ight| $ и дополнительный к нему минор третьего порядка: $M’=left| egin
3 & -3 & 19\ -5 & 16 & -20 \ -7 & 14 & -36 end
ight|$. Обозначим алгебраическое дополнение минора $M$ как $M^*$. Тогда согласно определению:

Параметр $alpha$ равен сумме номеров строк и столбцов, на которых находится минор $M$. Этот минор расположен на пересечении строк №1, №3 и столбцов №2, №5. Следовательно, $alpha=1+3+2+5=11$. Итак:

$$ M^*=(-1)^<11>cdot M’=-left| egin 3 & -3 & 19\ -5 & 16 & -20 \ -7 & 14 & -36 end
ight|. $$

В принципе, используя формулу №2 из темы вычисления определителей второго и третьего порядков, можно довести вычисления до конца, получив значение $M^*$:

$$ M^*=-left| egin 3 & -3 & 19\ -5 & 16 & -20 \ -7 & 14 & -36 end
ight|=-30. $$

Ссылка на основную публикацию
Что мне задали завтра на русский
Проверка орфографии на 5-ege.ru (введите текст в форму ниже): Если нужно проверить пунктуацию, воспользуйтесь сервисом Проверка пунктуации онлайн. Наш сервис...
Чистка матрицы зеркального фотоаппарата
Нам доверяют сотрудники: Вопросы и предложения: info@fixit24.ru Адрес: г. Москва, м. Тверская, ул. Тверская, д. 20, 2 этаж, офис 204....
Чистка кэша на ноутбуке
Все, что находит отображение в браузере (музыка, картинки, видео) перед воспроизведением сохраняются на ваш ПК как временные файлы.Если их количество...
Что лучше газель некст или фиат дукато
На прошлой неделе Газель-Некст была признана лучшим автомобилем года в России. Эксперты коммерческого транспорта оценили ее в 2–3 раза выше,...
Adblock detector