Инверзна матрица

Ако за квадратну матрицу AA постоји матрица A−1{A^{ - 1}}, таква да је A⋅A−1=A−1⋅A=EA \cdot {A^{ - 1}} = {A^{ - 1}} \cdot A = E, где је EE  јединична матрица (на главној дијагонали има јединичне елементе а остало су нуле), онда се A−1{A^{ - 1}} назива инверзна матрица матрице AA.

Матрица која има инверзну матрицу назива се регуларна, иначе је сингуларна.

Матрица A=[aij]n×nA = {\left[ {{a_{ij}}} \right]_{n \times n}} има инверзну матрицу A−1{A^{ - 1}}, и то јединствену,  ако и само ако је det⁡A=∣A∣≠0\det A = |A| \ne 0. При томе је 

A−1=1det⁡A⋅A∗=1∣A∣⋅A∗,{A^{ - 1}} = \frac{1}{{\det A}} \cdot {A^ * } = \frac{1}{{|A|}} \cdot {A^ * },

A∗=[A11A21⋯An1A12A22⋯An2⋮⋮⋱⋮A1nA2n⋯Ann],{A^ * } = \left[ {\begin{array}{cccccccccccccccccccc} {{A_{11}}}&{{A_{21}}}& \cdots &{{A_{n1}}} \\ {{A_{12}}}&{{A_{22}}}& \cdots &{{A_{n2}}} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ {{A_{1n}}}&{{A_{2n}}}& \cdots &{{A_{nn}}} \end{array}} \right],

где је Aij{A_{ij}} кофактор елемената aij{a_{ij}} матрице A((A∗)⊤=[Aij]n×n)A\left( {{{\left( {{A^ * }} \right)}^{\top}} = {{\left[ {{A_{ij}}} \right]}_{n \times n}}} \right).

Ако су AA и BB регуларне матрице истог реда, њихов производ ABAB је регуларна матрица и важи:

(AB)−1=B−1A−1.{\left( {AB} \right)^{ - 1}} = {B^{ - 1}}{A^{ - 1}}.

Ако је AA регуларна матрица, онда је 

(A−1)−1=A,det⁡A−1=1det⁡A.{\left( {{A^{ - 1}}} \right)^{ - 1}} = A, \quad \det {A^{ - 1}} = \frac{1}{{\det A}}.

Инверзна матрица квадратне матрице AA је матрица A−1A^{-1} за коју важи A⋅A−1=A−1⋅A=EA \cdot A^{-1} = A^{-1} \cdot A = E, где је EE јединична матрица. Она постоји ако и само ако је det⁡A≠0\det A \neq 0 (матрица је регуларна) и тада је јединствена, а матрица са det⁡A=0\det A = 0 је сингуларна и нема инверзну. Рачуна се по формули A−1=1det⁡AA∗A^{-1} = \frac{1}{\det A} A^*. Адјунгована матрица A∗A^* настаје кад сваки елемент заменимо његовим кофактором AijA_{ij}, па добијену матрицу транспонујемо. За ред 2 то даје [abcd]−1=1ad−bc[d−b−ca]\begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix}^{-1} = \frac{1}{ad - bc}\begin{bmatrix} d & -b \\ -c & a \end{bmatrix}.

Систем AX=BAX = B тада има решење X=A−1BX = A^{-1}B. Важи (AB)−1=B−1A−1(AB)^{-1} = B^{-1}A^{-1}, обрнутим редом, и det⁡A−1=1det⁡A\det A^{-1} = \frac{1}{\det A}. Најчешћа грешка је заборављено транспоновање, зато резултат проверите множењем A⋅A−1A \cdot A^{-1}.

−3−2−11234567−2−1123456780xyO(a, c)(b, d)
2
1
1
2
det A
3
Површина паралелограма
3
det A⁻¹
0,33
Матрица A=[abcd]A = \begin{bmatrix} a & b \\ c & d \end{bmatrix} пресликава јединични квадрат у паралелограм над колонама (a,c)(a, c) и (b,d)(b, d), чија је површина ∣det⁡A∣|\det A|. Смањите dd на 0,5: тада је det⁡A=2⋅0,5−1⋅1=0\det A = 2 \cdot 0{,}5 - 1 \cdot 1 = 0, паралелограм се спљошти у дуж, пресликавање не може да се поништи и инверзна матрица не постоји. Матрица из примера (c=5c = 5, d=3d = 3) даје узак паралелограм површине 1.

У рачунарској графици инверзна матрица поништава трансформацију, на пример кад програм рачуна коју тачку сцене је корисник кликнуо. Историјска Хилова шифра шифрује поруку множењем матрицом, а дешифрује множењем њеном инверзном матрицом.

Шифрована порука

Марко и Ана шифрују поруке упрошћеном Хиловом шифром. Слова замењују редним бројевима у азбуци (А = 1, Б = 2, …, Ш = 30), пишу их по два у колону и множе матрицом A=[2153]A = \begin{bmatrix} 2 & 1 \\ 5 & 3 \end{bmatrix}. Ана је добила колоне [3490]\begin{bmatrix} 34 \\ 90 \end{bmatrix} и [50134]\begin{bmatrix} 50 \\ 134 \end{bmatrix}. Коју реч је Марко послао?

Решење

  1. det⁡A=2⋅3−1⋅5=1≠0\det A = 2 \cdot 3 - 1 \cdot 5 = 1 \neq 0, па инверзна матрица постоји.
  2. Кофактори су A11=3A_{11} = 3, A12=−5A_{12} = -5, A21=−1A_{21} = -1 и A22=2A_{22} = 2. После транспоновања: A−1=11[3−1−52]A^{-1} = \frac{1}{1}\begin{bmatrix} 3 & -1 \\ -5 & 2 \end{bmatrix}.
  3. Провера: A⋅A−1=[6−5−2+215−15−5+6]=EA \cdot A^{-1} = \begin{bmatrix} 6 - 5 & -2 + 2 \\ 15 - 15 & -5 + 6 \end{bmatrix} = E.
  4. A−1[3490]=[102−90−170+180]=[1210]A^{-1}\begin{bmatrix} 34 \\ 90 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 102 - 90 \\ -170 + 180 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 12 \\ 10 \end{bmatrix}, а то су слова К и И.
  5. A−1[50134]=[150−134−250+268]=[1618]A^{-1}\begin{bmatrix} 50 \\ 134 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 150 - 134 \\ -250 + 268 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 16 \\ 18 \end{bmatrix}, а то су слова Н и О.

Одговор: Марко је послао реч „кино“.

Задатак за вежбу

Ана одговара на исти начин, али са матрицом B=[3243]B = \begin{bmatrix} 3 & 2 \\ 4 & 3 \end{bmatrix}, и шаље колону [1723]\begin{bmatrix} 17 \\ 23 \end{bmatrix}. Шта је одговорила?

Прикажи решење

det⁡B=9−8=1\det B = 9 - 8 = 1 и B−1=[3−2−43]B^{-1} = \begin{bmatrix} 3 & -2 \\ -4 & 3 \end{bmatrix}, па је B−1[1723]=[51−46−68+69]=[51]B^{-1}\begin{bmatrix} 17 \\ 23 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 51 - 46 \\ -68 + 69 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} 5 \\ 1 \end{bmatrix}: то су слова Д и А, па је одговор „да“.