background image

 

 

Algebra of Matrices

Real Numbers

(Solve for x)

m  n Matrices

(Solve for X)

x + a = b

X + A = B

x + a + (-a) = b + (-a)

X + + (-A) = B + (-A)

x + 0 = b – a 

+ 0 = B A

x = b – a 

= B - A

matrix 
equation

background image

 

 

Algebra of Matrices

Real Numbers

(Solve for x)

m  n Matrices

(Solve for X)

 a = b

 A = B

 a 

 a

-1

   = b 

 a

-1

X  A  A

-1

 = B  

-1

 

x = b 

 a

-1

 

X = X  E = B  A

-1

matrix 
equation

/  A

-1

R

 

 X = B

A

-1

 

 

A  X = A

-1

 

 

B

X = E  X= A

-1 

 

B

 

/  A

-1

L

 

A

B

!!!

background image

 

 

Definition 7.3:

Definition 7.3:

A square matrix A is called noninvertible (or 
singular) when det(A)=0. W przeciwnym 
wypadku, matrix A is called nonsingular 
(invertible).

Definition 8.3:

Definition 8.3:

An quadratic matrix (of order n) is nonsingular 
(invertible) if there exist a quadratic matrix B 
such that
         AB = BA = E

n

where E

n

 is the identity matrix of order n. The 

matrix B is called the (multiplicative) inverse of 
A

!!!

• Nonsquare Matrix DO NOT HAVE inverses

A

n

· B

m

B

m

·

 

A

n

quadratic Matrix 
of order n

quadratic matrix 
of order m

• Not all square matrices possess inverses

V. Matrices – The Inverse of a Matrix

background image

 

 

Theorem 1.

Theorem 1.

5

5

:

:

If A is an invertible matrix, then its inverse is 

unique. We denote the inverse of A by A

-1

.

Uniqueness of an Inverse Matrix

Proof:

A is invertible  it has at least one inverse

Suppose that B and C are inverses of A

AB = BA = E      AC = CA = E 

AB = E

C(AB) = CE

(CA)B = C

EB = C

B = C= A

-1

background image

 

 

How to Find an Inverse Matrix ?

by Gauss-Jordan 

Elimination

(elementary row 

operations are used)

by Its Adjoint

(determinants 

are applied)

Finding the Inverse of Matrix

Example

:

 

Show that B is the inverse of :

,

1

1

2

1

,

1

1

2

1

B

A

1

0

0

1

1

2

1

1

2

2

2

1

1

1

2

1

1

1

2

1

AB

1

0

0

1

1

2

1

1

2

2

2

1

1

1

2

1

1

1

2

1

BA

1

A

B

background image

 

 

!!!

Finding the Inverse of Matrix by Gauss-Jordan Elimination

E

A

1

A

E

Elementary row 

operations

NOTE:

 If A cannot be row reduced to E,  then A is singular

Example

:

 

Find the inverse of the following matrix

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

background image

 

 

1

0

0

0

1

0

0

0

1

3

2

6

1

0

1

0

1

1

E

A

write the  2n matrix that consists of given matrix A 

on the left and the n  identity matrix E on the right to 

obtain [A : E]. We call this process adjoining the 
matrices A and E.

If possible, row reduce to E using elementary row 
operations on the entire matrix [A : E]. The result will be 
the matrix [E : A

-1

]. If this is not possible, then A is not 

invertible. 

1

0

0

0

1

0

0

0

1

3

2

6

1

0

1

0

1

1

)

6

(

1

)

1

(

1

r

r

1

0

6

0

1

1

0

0

1

3

4

0

1

1

0

0

1

1

~

)

4

(

2

)

1

(

2

r

r

Algorithm (

Gauss-Jordan Elimination

)

background image

 

 

1

4

2

1

3

1

1

3

2

1

0

0

0

1

0

0

0

1

~

1

4

2

1

3

3

1

3

2

1

A

Check your work by multiplying to see A

-1

A = A A

-1 

= E

1

0

0

0

1

0

0

0

1

1

4

2

1

3

3

1

3

2

3

2

6

1

0

1

0

1

1

1

4

2

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

~

)

1

(

1

4

2

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

~

)

1

(

3

)

1

(

3

r

r

1

0

0

0

1

0

0

0

1

3

2

6

1

0

1

0

1

1

1

4

2

1

3

3

1

3

2

background image

 

 

Example

:

 

Find the inverse of the following matrix

2

3

2

2

1

3

0

2

1

A

1

0

0

0

1

0

0

0

1

2

3

2

2

1

3

0

2

1

E

A

)

6

(

1

)

1

(

1

r

r

1

0

2

0

1

3

0

0

1

2

7

0

2

7

0

0

2

1

~

)

1

(

2 

 r

1

1

1

0

1

3

0

0

1

0

0

0

2

7

0

0

2

1

~

A portion” of the 
matrix has a row of 
zeros

It is not posible to 
rewrite the matrix 
[
E] to [E : A

-1

]

A has no 
inverse

background image

 

 

Finding the Inverse of Matrix by Its Adjoint

Definition 2.5:

Definition 2.5:

The 

The 

adjoint

adjoint

 of matrix A is denoted 

 of matrix A is denoted 

adj

adj

(A) and has 

(A) and has 

folowing form

folowing form

Where 

Where 

                              is a 

                              is a 

cofactor

cofactor

, and  

, and  

             is a minor of the element     .

             is a minor of the element     .

 

T

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

adj

nn

n

n

n

n

n

n

3

2

1

3

33

32

31

2

23

22

21

1

13

12

11

A

 

 

ij

j

i

ij

C

A

det

1

 

ij

A

det

ij

a

background image

 

 

Find the 

adjoint of

,

2

0

1

1

2

0

2

3

1

A

Example

:

,

2

0

1

1

2

0

2

3

1

A

 

4

2

0

1

2

det

1

1

1

11





C

Continuing this process produces the following matrix of cofactors of A

2

1

7

3

0

6

2

1

4

2

0

3

1

1

0

2

1

1

2

2

3

0

1

3

1

2

1

2

1

2

0

2

3

0

1

2

0

2

1

1

0

2

0

1

2

2

3

2

1

0

1

7

6

4

)

(A

adj

Matrix of cofactors

background image

 

 

Theorem 2.5:

Theorem 2.5:

If A is an n  n invertible matrix, then 

)

(

)

det(

1

A

A

A

1

adj

Example

:

 

Find the inverse of the following matrix

2

3

2

2

1

3

0

2

1

A

Proof: without proof

2

3

2

2

1

3

0

2

1

det

)

det(A

0

12

6

8

2

matrix A is

 singular !!! 

 A

-1

 does not exist

background image

 

 

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

2

3

2

1

0

)

1

(

1

1

11

C

T

adj

2

)

(A

background image

 

 

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

3

3

6

1

1

)

1

(

2

1

12

C

T

adj

2

)

(A

T

adj

3

2

)

(A

background image

 

 

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

2

2

6

0

1

)

1

(

3

1

13

C

T

adj

3

2

)

(A

T

adj

2

3

2

)

(A

background image

 

 

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

3

3

2

0

1

)

1

(

1

2

21

C

T

adj

2

3

2

)

(A

T

adj

 3

2

3

2

)

(A

background image

 

 

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

3

3

6

0

1

)

1

(

2

2

22

C

T

adj

 3

2

3

2

)

(A

T

adj

3

3

2

3

2

)

(A

background image

 

 

T

adj

3

3

2

3

2

)

(A

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

23

C

4

2

6

1

1

)

1

(

3

2

T

adj

4

3

3

2

3

2

)

(A

background image

 

 

T

adj

4

3

3

2

3

2

)

(A

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

31

C

1

1

0

0

1

)

1

(

1

3

T

adj

1

4

3

3

2

3

2

)

(A

background image

 

 

T

adj

1

4

3

3

2

3

2

)

(A

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

1

1

1

0

1

)

1

(

2

3

32

C

T

adj

1

1

4

3

3

2

3

2

)

(A

background image

 

 

T

adj

1

1

4

3

3

2

3

2

)

(A

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

Example

:

 

1

3

2

6

3

2

6

1

0

1

0

1

1

det

Find the inverse of matrix

A is invertible

3

2

6

1

0

1

0

1

1

A

1

0

1

1

1

)

1

(

3

3

33

C

T

adj

1

1

1

4

3

3

2

3

2

)

(A

1

4

2

1

3

3

1

3

2

1

4

2

1

3

3

1

3

2

1

1

1

A


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