9.7: Kutatua Mifumo na Inverses
- Pata inverse ya tumbo.
- Tatua mfumo wa equations linear kwa kutumia tumbo inverse
Nancy mipango ya kuwekeza$10,500 katika vifungo viwili tofauti ili kueneza hatari yake. dhamana ya kwanza ina kurudi kila mwaka ya10, na dhamana ya pili ina kurudi kila mwaka ya6. Kupokea8.5 kurudi kutoka vifungo viwili, ni kiasi gani Nancy kuwekeza katika kila dhamana? Njia bora ya kutatua tatizo hili ni nini? Kuna njia kadhaa tunaweza kutatua tatizo hili. Kama tulivyoona katika sehemu zilizopita, mifumo ya equations na matrices ni muhimu katika kutatua matatizo halisi ya ulimwengu yanayohusisha fedha. Baada ya kujifunza sehemu hii, tutakuwa na zana za kutatua tatizo la dhamana kwa kutumia inverse ya tumbo.
Kutafuta Inverse ya Matrix
Tunajua kwamba inverse multiplicative ya idadi halisia nia−1, hivyo
aa−1=a−1a=(1a)a=1
Kwa mfano, fikiria hali ya kuzidisha scalar
2−1=12
kwa hiyo kutoka Equation\ ref {eq0}
(12)2=1.
Inverse ya kuzidisha ya tumbo ni sawa na dhana, isipokuwa kwamba bidhaa ya tumboA na inverse yakeA−1 ni sawa na tumbo la utambulisho. Matrix ya utambulisho ni tumbo la mraba iliyo na chini ya diagonal kuu na zero kila mahali pengine. Tunatambua matrices ya utambulisho naIn wapin inawakilisha mwelekeo wa tumbo. Ulinganifu\ ref {eq1} na\ ref {eq2} ni matrices ya utambulisho kwa2×2 tumbo na3×3 tumbo, mtawalia:
I2=[1001]
I3=[100010001]
Matrix ya utambulisho hufanya kama1 algebra ya tumbo. Kwa mfano,
AI=IA=A
Matrix ambayo ina inverse ya kuzidisha ina mali
AA−1=I
A−1A=I
Matrix ambayo ina inverse ya kuzidisha inaitwa tumbo la invertible. Tu tumbo mraba inaweza kuwa na inverse multiplicative, kama reversibility,
AA−1=A−1A=I
ni mahitaji. Sio matrices yote ya mrabaA yana inverse, lakini ikiwa haiwezi kuingizwa, basiA−1 ni ya pekee. Tutaangalia njia mbili za kutafuta inverse ya2×2 tumbo na njia ya tatu ambayo inaweza kutumika kwa wote2×2 na3×3 matrices.
Matrix ya utambulishoIn,, ni tumbo la mraba lililo na ndio chini ya diagonal kuu na zero kila mahali pengine.
I2=[1001]
kama kwa tumbo la2×2 utambulisho
I3=[100010001]
kama kwa tumbo la3×3 utambulisho
IkiwaA nin×n tumbo naB nin×n tumbo kama hiyoAB=BA=In, basiB=A−1, inverse ya kuzidisha ya tumboA.
Kutokana na tumboA, onyesha hiloAI=IA=A.
A=[34−25]
Suluhisho
Tumia kuzidisha kwa tumbo ili kuonyesha kwamba bidhaaA na matriki ya utambulisho ni sawa na bidhaa ya tumbo la utambulisho naA.
AI=[34−25][1001]=[3⋅1+4⋅03⋅0+4⋅1−2⋅1+5⋅0−2⋅0+5⋅1]=[34−25]
AI=[1001][34−25]=[1⋅3+0⋅(−2)1⋅4+0⋅50⋅3+1⋅(−2)0⋅4+1⋅5]=[34−25]
- Kutokana na tumboA la utaratibun×n na tumboB la utaratibun×n kuzidishaAB.
- IkiwaAB=I, basi pata bidhaaBA. IkiwaBA=I, basiB=A−1 naA=B−1.
Onyesha kwamba matrices zilizopewa ni inverses nyingi za kila mmoja.
A=[15−2−9]
na
B=[−9−521]
Suluhisho
KuzidishaAB naBA. Ikiwa bidhaa zote mbili zinafanana na utambulisho, basi matrices mbili ni inverses ya kila mmoja.
AB=[15−2−9]·[−9−521]=[1(−9)+5(2)1(−5)+5(1)−2(−9)−9(2)−2(−5)−9(1)]=[1001]
na
BA=[−9−521]·[15−2−9]=[−9(1)−5(−2)−9(5)−5(−9)2(1)+1(−2)2(−5)+1(−9)]=[1001]
AnaB ni inverses ya kila mmoja.
Onyesha kwamba matrices mbili zifuatazo ni inverses ya kila mmoja.
A=[14−1−3]
na
B=[−3−411]
- Jibu
-
AB=[14−1−3][−3−411]=[1(−3)+4(1)1(−4)+4(1)−1(−3)+−3(1)−1(−4)+−3(1)]=[1001]
BA=[−3−411][14−1−3]=[−3(1)+−4(−1)−3(4)+−4(−3)1(1)+1(−1)1(4)+1(−3)]=[1001]
Kutafuta Inverse ya Kuzidisha Kutumia Kuzidisha Matrix
Sasa tunaweza kuamua kama matrices mbili ni inverses, lakini tutawezaje kupata inverse ya tumbo iliyotolewa? Kwa kuwa tunajua kwamba bidhaa ya tumbo na inverse yake ni tumbo la utambulisho, tunaweza kupata inverse ya tumbo kwa kuanzisha equation kwa kutumia kuzidisha matrix.
Tumia kuzidisha matrix ili kupata inverse ya tumbo iliyotolewa.
A=[1−22−3]
Suluhisho
Kwa njia hii, tunazidishaA na tumbo iliyo na vipindi visivyojulikana na kuiweka sawa na utambulisho.
[1−22−3][abcd]=[1001]
Pata bidhaa ya matrices mbili upande wa kushoto wa ishara sawa.
[1−22−3][abcd]=[1a−2c1b−2d2a−3c2b−3d]
Kisha, fungua mfumo wa equations na kuingia katika mstari wa 1, safu ya 1 ya tumbo mpya sawa na kuingia kwanza ya utambulisho,1. Weka kuingia katika mstari wa 2, safu ya 1 ya tumbo mpya sawa na kuingia sambamba ya utambulisho, yaani0.
1a−2c=1 R1
2a−3c=0 R2
Kutumia shughuli za mstari, kuzidisha na kuongeza kama ifuatavyo:(−2)R1+R2→R2. Kuongeza milinganyo, na kutatua kwac.
1a−2c=10+1c=−2c=−2
Back-mbadala ya kutatua kwaa.
a−2(−2)=1a+4=1a=−3
Andika mfumo mwingine wa equations kuweka kuingia katika mstari wa 1, safu ya 2 ya tumbo mpya sawa na kuingia sambamba ya utambulisho,0. Weka kuingia katika mstari wa 2, safu ya 2 sawa na kuingia sambamba ya utambulisho.
1b−2d=0 R1
2b−3d=1 R2
Kutumia shughuli za mstari, kuzidisha na kuongeza kama ifuatavyo:(−2)R1+R2=R2. Kuongeza milinganyo mbili na kutatua kwad.
1b−2d=00+1d=1d=1
Mara nyingine zaidi, nyuma-mbadala na kutatua kwab.
b−2(1)=0b−2=0b=2
A−1=[−32−21]
Kutafuta Inverse ya kuzidisha kwa Kuongeza na Identity
Njia nyingine ya kupata inverse ya kuzidisha ni kwa kuongeza na utambulisho. Wakati tumboA limebadilishwaI, tumbo la kuongezekaI linabadilikaA−1.
Kwa mfano, kutokana na
A=[2153]
kuongezaA na utambulisho
[21105301]
Fanya shughuli za mstari kwa lengo la kugeuza A katika utambulisho.
- Badilisha mstari wa 1 na mstari wa 2.
[53012110]
- Panua mstari wa 2 na -1 na uongeze mstari wa 1.
[11−212110]
- Panua mstari 1 na -1 na uongeze mstari wa 2.
[11−210−15−2]
- Ongeza mstari 2 kwa mstari 1.
[103−10−15−2]
- Panua mstari wa 2 na-1. -1.
[103−101−52]
Matrix tumepata niA−1.
A−1=[3−1−52]
Kutafuta Inverse ya Kuzidisha ya2×2 Matrices Kutumia Mfumo
Tunapohitaji kupata inverse ya kuzidisha ya2×2 tumbo, tunaweza kutumia formula maalum badala ya kutumia kuzidisha matrix au kuongeza na utambulisho.
IkiwaA ni2×2 tumbo, kama vile
A=[abcd]
inverse ya multiplicativeA inatolewa na formula
A−1=1ad−bc[d−b−ca]
wapiad−bc≠0. Ikiwaad−bc=0, basiA haina inverse.
Tumia formula ili kupata inverse ya kuzidisha
A=[1−22−3]
Suluhisho
Tunaweza kuangalia kwamba formula yetu inafanya kazi kwa kutumia moja ya njia nyingine kuhesabu inverse. Hebu tuongezeA na utambulisho.
[1−2102−301]
Fanya shughuli za mstari kwa lengo laA kugeuka katika utambulisho.
- Panua mstari wa 1−2 na uongeze mstari wa 2.
[1−21001−21]
- Panua mstari wa 12 na uongeze mstari wa 1.
[10−3201−21]
Kwa hiyo, tumehakikishia ufumbuzi wetu wa awali.
A−1=[−32−21]
Tumia formula ili kupata inverse ya tumboA. Thibitisha jibu lako kwa kuongeza na tumbo la utambulisho.
A=[1−123]
- Jibu
-
A−1=[3515−2515]
Pata inverse, ikiwa iko, ya tumbo iliyotolewa.
A=[3612]
Suluhisho
Tutatumia njia ya kuongeza na utambulisho.
[36101301]
- Badilisha mstari wa 1 na mstari wa 2.
[13013610]
- Panua mstari 1 na -3 na uongeze kwenye mstari wa 2.
[121000−31]
- Hakuna kitu zaidi tunaweza kufanya. Zero katika mstari wa 2 zinaonyesha kwamba tumbo hili halina inverse.
Kutafuta Inverse ya Multiplicative ya3×3 Matrices
Kwa bahati mbaya, hatuna formula sawa na ile ya2×2 tumbo ili kupata inverse ya3×3 tumbo. Badala yake, sisi kuongeza tumbo awali na utambulisho Matrix na matumizi ya shughuli mstari kupata inverse.
Kutokana na3×3 tumbo
A=[231331241]
kuongezaA na tumbo la utambulisho
AI=[231100331010241001]
Kuanza, tunaandika tumbo la kuongezeka na utambulisho upande wa kulia naA wa kushoto. Kufanya shughuli za mstari wa msingi ili tumbo la utambulisho linaonekana upande wa kushoto, tutapata tumbo la kinyume upande wa kulia. Tutapata inverse ya tumbo hili katika mfano unaofuata.
- Andika tumbo la awali lililoongezwa na tumbo la utambulisho upande wa kulia.
- Tumia shughuli za mstari wa msingi ili utambulisho uonekane upande wa kushoto.
- Nini kinachopatikana kwa haki ni inverse ya tumbo la awali.
- Tumia kuzidisha kwa tumbo ili kuonyesha kwambaAA−1=I naA−1A=I.
Kutokana na3×3 tumboA, tafuta inverse.
A=[231331241]
Suluhisho
KuongezaA na tumbo utambulisho, na kisha kuanza shughuli mstari mpaka utambulisho Matrix nafasiA. Matrix upande wa kulia itakuwa inverse yaA.
[231100331010241001]Interchange R2 and R1→[331010231100241001]
−R2+R1=R1→[100−110231100241001]
−R2+R3=R3→[100−110231100010−101]
R2↔R3→[100−110010−101231100]
−2R1+R3=R3→[100−110010−1010313−20]
−3R2+R3=R3→[100−110010−1010016−2−3]
Hivyo,
A−1=B=[−110−1016−2−3]
Uchambuzi
Ili kuthibitisha kwambaB=A−1, hebu tuzidishe matrices mbili pamoja ili kuona kama bidhaa ni sawa na utambulisho, ikiwaAA−1=I naA−1A=I.
AA−1=[231331241][−110−1016−2−3]=[2(−1)+3(−1)+1(6)2(1)+3(0)+1(−2)2(0)+3(1)+1(−3)3(−1)+3(−1)+1(6)3(1)+3(0)+1(−2)3(0)+3(1)+1(−3)2(−1)+4(−1)+1(6)2(1)+4(0)+1(−2)2(0)+4(1)+1(−3)]=[100010001]A−1A=[−110−1016−2−3][231331241]=[−1(2)+1(3)+0(2)−1(3)+1(3)+0(4)−1(1)+1(1)+0(1)−1(2)+0(3)+1(2)−1(3)+0(3)+1(4)−1(1)+0(1)+1(1)6(2)+−2(3)+−3(2)6(3)+−2(3)+−3(4)6(1)+−2(1)+−3(1)]=[100010001]
Pata inverse ya3×3 tumbo.
A=[2−1711−111−703−2]
- Jibu
-
A−1=[11224−336−5]
Kutatua Mfumo wa Ulinganisho wa Mstari Kutumia Inverse ya Matrix
Kutatua mfumo wa equations linear kwa kutumia inverse ya tumbo inahitaji ufafanuzi wa matrices mbili mpya:X ni tumbo anayewakilisha vigezo vya mfumo, naB ni tumbo anayewakilisha constants. Kutumia kuzidisha matrix, tunaweza kufafanua mfumo wa equations na idadi sawa ya equations kama vigezo kama
AX=B
Ili kutatua mfumo wa equations linear kwa kutumia tumbo inverse, hebuA kuwa tumbo la mgawo, basiX iwe tumbo la kutofautiana, naB iwe tumbo la mara kwa mara. Hivyo, tunataka kutatua mfumoAX=B. Kwa mfano, angalia mfumo wafuatayo wa equations.
a1x+b1y=c1
a2x+b2y=c2
Kutoka kwa mfumo huu, tumbo la mgawo ni
A=[a1b1a2b2]
Matrix ya kutofautiana ni
X=[xy]
Na tumbo la mara kwa mara ni
B=[c1c2]
KishaAX=B inaonekana kama
[a1b1a2b2][xy]=[c1c2]
Kumbuka majadiliano mapema katika sehemu hii kuhusu kuzidisha idadi halisi kwa inverse yake,(2−1)2=(12)2=1. Ili kutatua single linear equationax=b kwax, tunataka tu kuzidisha pande zote mbili za equation na inverse multiplicative (kubadilishana) yaa. Hivyo,
ax=b(1a)ax=(1a)b(a−1)ax=(a−1)b[(a−1)a]x=(a−1)b1x=(a−1)bx=(a−1)b
Tofauti tu kati ya kutatua equation linear na mfumo wa milinganyo imeandikwa katika mfumo Matrix ni kwamba kutafuta inverse ya tumbo ni ngumu zaidi, na Matrix kuzidisha ni mchakato tena. Hata hivyo, lengo ni sawa-kujitenga variable.
Sisi kuchunguza wazo hili kwa undani, lakini ni muhimu kwa kuanza na2×2 mfumo na kisha kuendelea na3×3 mfumo.
Kutokana na mfumo wa equations, andika tumbo la mgawoA, tumbo la kutofautianaX, na tumbo la mara kwa maraB. Kisha
AX=B
Kuzidisha pande zote mbili kwa inverse yaA kupata ufumbuzi.
(A−1)AX=(A−1)B[(A−1)A]X=(A−1)BIX=(A−1)BX=(A−1)B
Hapana, ikiwa tumbo la mgawo hauwezi kuingizwa, mfumo hauwezi kuwa sawa na hauna suluhisho, au kuwa tegemezi na kuwa na ufumbuzi mkubwa sana.
Tatua mfumo uliotolewa wa equations kwa kutumia inverse ya tumbo.
3x+8y=54x+11y=7
Suluhisho
Andika mfumo kwa suala la tumbo la mgawo, tumbo la kutofautiana, na tumbo la mara kwa mara.
A=[38411],X=[xy],B=[57]
Kisha
[38411][xy]=[57]
Kwanza, tunahitaji kuhesabuA−1. Kutumia formula ili kuhesabu inverse ya22 tumbo, tuna:
A−1=1ad−bc[d−b−ca]=13(11)−8(4)[11−8−43]=11[11−8−43]
Hivyo,
A−1=[11−8−43]
Sasa tuko tayari kutatua. Kuzidisha pande zote mbili za equation naA−1.
(A−1)AX=(A−1)B[11−8−43][38411][xy]=[11−8−43][57][1001][xy]=[11(5)+(−8)7−4(5)+3(7)][xy]=[−11]
Suluhisho ni(−1,1).
Hapana, kumbuka kuwa kuzidisha kwa tumbo sio kubadilisha, hivyoA−1B≠BA−1. Fikiria hatua zetu za kutatua equation ya tumbo.
(A−1)AX=(A−1)B[(A−1)A]X=(A−1)BIX=(A−1)BX=(A−1)B
Taarifa katika hatua ya kwanza sisi tele pande zote mbili za equation naA−1, lakiniA−1 ilikuwaA upande wa kushoto wa upande wa kushoto na upande wa kushoto waB upande wa kulia. Kwa sababu Matrix kuzidisha si commutative, ili mambo.
Tatua mfumo wafuatayo kwa kutumia inverse ya tumbo.
5x+15y+56z=35−4x−11y−41z=−26−x−3y−11z=−7
Suluhisho
Andika equationAX=B.
[51556−4−11−41−1−3−11][xyz]=[35−26−7]
Kwanza, tutapata inverse yaA kwa kuongeza na utambulisho.
[51556100−4−11−41010−1−3−11001]
Kuzidisha mstari 1 na15.
[135651500−4−11−41010−1−3−11001]
Panua mstari wa 14 na uongeze mstari wa 2.
[135651500011954510−1−3−11001]
Ongeza mstari 1 kwa mstari 3.
[13565150001195451000151501]
Panua mstari wa 2−3 na uongeze mstari wa 1.
[10−15−115−3001195451000151501]
Kuzidisha mstari 3 na5.
[10−15−115−30011954510001105]
Panua mstari wa 315 na uongeze mstari wa 1.
[100−2−31011954510001105]
Panua mstari wa 3−195 na uongeze mstari wa 2.
[100−2−31010−31−19001105]
Hivyo,
A−1=[−2−31−31−19105]
Kuzidisha pande zote mbili za equation naA−1. TunatakaA−1AX=A−1B:
[−2−31−31−19105][51556−4−11−41−1−3−11][xyz]=[−2−31−31−19105][35−26−7]
Hivyo,
A−1B=[−70+78−7−105−26+13335+0−35]=[120]
Suluhisho ni(1,2,0).
Tatua mfumo kwa kutumia inverse ya tumbo la mgawo.
2x−17y+11z=0−x+11y−7z=83y−2z=−2
- Jibu
-
X=[43858]
- Hifadhi tumbo la mgawo na tumbo la mara kwa mara kama vigezo vya tumbo[A] na[B].
- Ingiza kuzidisha ndani ya calculator, wito up kila variable Matrix kama inahitajika.
- Ikiwa tumbo la mgawo hauwezi kuingizwa, calculator itawasilisha tumbo la suluhisho; ikiwa tumbo la mgawo hauwezi kuingizwa, calculator itawasilisha ujumbe wa kosa.
Tatua mfumo wa equations na inverses ya tumbo kwa kutumia calculator
2x+3y+z=323x+3y+z=−272x+4y+z=−2
Suluhisho
Kwenye ukurasa wa tumbo wa calculator, ingiza tumbo la mgawo kama variable ya tumbo[A], na uingie tumbo la mara kwa mara kama kutofautiana kwa tumbo[B].
[A]=[231331241],[B]=[32−27−2]
Kwenye skrini ya nyumbani ya calculator, funga katika kuzidisha ili kutatuaX, wito juu ya kila variable ya tumbo kama inahitajika.
[A]−1×[B]
Tathmini maneno.
[−59−34252]
Fikia rasilimali hizi za mtandaoni kwa maelekezo ya ziada na mazoezi na mifumo ya kutatua na inverses.
Mlinganyo muhimu
Matrix ya utambulisho kwa2×2 tumbo | I2=[1001] |
Matrix ya utambulisho kwa3×3 tumbo | I3=[100010001] |
Inverse ya kuzidisha ya2×2 tumbo | A−1=1ad−bc[d−b−ca], wapiad−bc≠0 |
Dhana muhimu
- Matrix ya utambulisho ina maliAI=IA=A. Angalia Mfano9.7.1.
- Matrix invertible ina maliAA−1=A−1A=I. Angalia Mfano9.7.2.
- Tumia kuzidisha tumbo na utambulisho ili kupata inverse ya2×2 tumbo. Angalia Mfano9.7.3.
- Inverse ya kuzidisha inaweza kupatikana kwa kutumia formula. Angalia Mfano9.7.4.
- Njia nyingine ya kutafuta inverse ni kwa kuongeza na utambulisho. Angalia Mfano9.7.5.
- Tunaweza kuongeza3×3 tumbo na utambulisho juu ya haki na kutumia shughuli mfululizo kurejea tumbo awali katika utambulisho, na tumbo upande wa kulia inakuwa inverse. Angalia Mfano9.7.6.
- Andika mfumo wa equations kamaAX=B, na kuzidisha pande zote mbili kwa inverse yaA:A−1AX=A−1B. Angalia Mfano9.7.7 na Mfano9.7.8.
- Tunaweza pia kutumia calculator kutatua mfumo wa equations na inverses ya tumbo. Angalia Mfano9.7.9.