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逆矩阵

逆矩阵 (Inverse Matrix)

逆矩阵是线性代数的核心概念:对方块矩阵 AA,若存在 A−1A^{-1} 满足 AA−1=A−1A=IAA^{-1}=A^{-1}A=I(II 为单位矩阵),则 A−1A^{-1} 为 AA 的逆。逆矩阵类比数的倒数:5×5−1=15\times5^{-1}=1 对应 AA−1=IAA^{-1}=I。

存在条件

两条件缺一不可:必须是方块矩阵(n×nn\times n),非方块矩阵无逆;必须非奇异,即行列式 det⁡(A)≠0\det(A)\neq0。若 det⁡(A)=0\det(A)=0,矩阵为奇异矩阵,不可逆。非奇异矩阵的逆存在且唯一。

计算方法

伴随矩阵法(适合小矩阵):A−1=1det⁡(A)adj⁡(A)A^{-1}=\frac{1}{\det(A)}\operatorname{adj}(A)。其中 adj⁡(A)\operatorname{adj}(A) 是伴随矩阵,即代数余子式矩阵的转置矩阵。对 2×22\times2 矩阵 公式暂不可显示,有:

A−1=1ad−bc(d−b−ca)A^{-1}=\frac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}

例:A=(4726)A=\begin{pmatrix}4&7\\2&6\end{pmatrix},det⁡=10\det=10,A−1=(0.6−0.7−0.20.4)A^{-1}=\begin{pmatrix}0.6&-0.7\\-0.2&0.4\end{pmatrix}。

高斯消元法(通用,适合计算机):构造增广矩阵 [A∣I][A|I],通过初等行变换将左侧变为 II,右侧即得 A−1A^{-1},最终得 [I∣A−1][I|A^{-1}]。若左侧出现全零行,则 AA 不可逆。

关键性质

设 A,BA,B 可逆,k≠0k\neq0:

  • 唯一性:逆矩阵唯一。
  • 逆的逆:(A−1)−1=A(A^{-1})^{-1}=A。
  • 乘积的逆:(AB)−1=B−1A−1(AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}(注意顺序,"鞋袜原则")。
  • 转置的逆:(AT)−1=(A−1)T(A^T)^{-1}=(A^{-1})^T,转置与求逆可交换。
  • 标量乘:(kA)−1=1kA−1(kA)^{-1}=\frac{1}{k}A^{-1}。
  • 行列式:det⁡(A−1)=1/det⁡(A)\det(A^{-1})=1/\det(A)。

应用

线性方程组 Ax=bA\mathbf{x}=\mathbf{b}:若 AA 可逆,解为 x=A−1b\mathbf{x}=A^{-1}\mathbf{b}。线性变换:逆矩阵代表逆变换(如旋转的逆→反向旋转)。统计学与计量经济学:OLS中 β^=(XTX)−1XTy\hat{\beta}=(X^TX)^{-1}X^Ty,(XTX)−1(X^TX)^{-1} 为核心逆矩阵;参数方差-协方差矩阵亦依赖逆矩阵。几何意义:二维中 A−1A^{-1} 将 AA 变换后的向量复原——若 AA 将单位正方形拉伸旋转,A−1A^{-1} 则将其反向映射回原正方形。数值稳定性:实际计算常避免直接求逆(计算量大且数值不稳定),改用求解线性方程组(LU分解/QR分解等)替代 A−1bA^{-1}\mathbf{b}。

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