שבוע 0 — חזרה מסמסטר א׳

מטריצה מצורפת וכלל קרמר

מטריצה מצורפתכלל קרמרמינוריםדטרמיננטות

רקע — על מה השבוע הזה

אלה הכלים מסמסטר א׳ שהקורס הזה נשען עליהם כבר מהשיעור הראשון. המטריצה המצורפת adj(A) בנויה מהמינורים של A עם סימני שחמט והיא משוחלפת — האיבר ה‑(i,j) בה בנוי מהמינור ה‑(j,i). מכאן נובע הקשר המרכזי A·adj(A) = det(A)·I, ומכאן גם הנוסחה להופכית וגם כלל קרמר.

מטריצה מצורפתכלל קרמרמינוריםדטרמיננטות

אם נתון לי… אז אני יודעת

7 מסקנות · זה מה שכותבים בשורה הראשונה של הפתרון
בשאלה מופיעה adj(A)\mathrm{adj}(A)
  • Aadj(A)=adj(A)A=det(A)InA\cdot\mathrm{adj}(A)=\mathrm{adj}(A)\cdot A=\det(A)\,I_n — זו הזהות היחידה שהכול נגזר ממנה
  • אם AA הפיכה: adj(A)=det(A)A1\mathrm{adj}(A)=\det(A)\,A^{-1}, ומכאן ממשיכים באלגברה של מטריצות הפיכות
  • det(adj(A))=(detA)n1\det(\mathrm{adj}(A))=(\det A)^{n-1}
  • תמיד כדאי להפעיל det\det על שני אגפי המשוואה הנתונה ולקבל משוואה סקלרית ב-det(A)\det(A)
adj(A)\mathrm{adj}(A) מוגדרת לכל מטריצה ריבועית, גם לא הפיכה. ההצבה adj(A)=det(A)A1\mathrm{adj}(A)=\det(A)A^{-1} חוקית רק אחרי שהראית det(A)0\det(A)\neq0.
צריך לחשב adj(A)\mathrm{adj}(A) לפי ההגדרה
  • [adj(A)]ij=(1)i+jMji[\mathrm{adj}(A)]_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ji} — האינדקסים מתחלפים
  • adj(A)\mathrm{adj}(A) היא השחלוף של מטריצת הקופקטורים
  • עבור 2×22\times2: adj(abcd)=(dbca)\mathrm{adj}\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}d&-b\\-c&a\end{pmatrix}
זו הטעות מספר 1: לכתוב MijM_{ij} במקום MjiM_{ji}. בבדיקה מהירה — הכפילי ב-AA וודאי שקיבלת det(A)In\det(A)I_n.
AA הפיכה
  • det(A)0\det(A)\neq0
  • A1=1det(A)adj(A)A^{-1}=\dfrac{1}{\det(A)}\mathrm{adj}(A)
  • למערכת Ax=bA\vec x=\vec b יש פתרון יחיד
  • מותר להשתמש בכלל קרמר
מעל שדה סופי "שונה מאפס" הוא מודולו pp: ב-Z7\mathbb{Z}_7 הערך detA=7\det A=7 פירושו detA=0\det A=0, כלומר AA אינה הפיכה.
det(A)=0\det(A)=0
  • AA אינה הפיכה והעמודות שלה ת"ל
  • Aadj(A)=0nA\cdot\mathrm{adj}(A)=0_n
  • אסור להשתמש בכלל קרמר ואסור להציב adj(A)=det(A)A1\mathrm{adj}(A)=\det(A)A^{-1}
  • למערכת Ax=bA\vec x=\vec b יש אינסוף פתרונות או אף פתרון
מ-Aadj(A)=0nA\cdot\mathrm{adj}(A)=0_n אי אפשר להסיק adj(A)=0n\mathrm{adj}(A)=0_n — אין חוק צמצום למטריצות לא הפיכות.
נתונה מערכת ריבועית Ax=bA\vec x=\vec b עם det(A)0\det(A)\neq0
  • הפתרון יחיד ונתון בכלל קרמר: xi=det(Ai)det(A)x_i=\dfrac{\det(A_i)}{\det(A)}
  • AiA_i היא AA שבה העמודה ה-ii הוחלפה ב-b\vec b
  • אם ביקשו רק רכיב אחד — מחשבים רק דטרמיננטה אחת, לא פותרים את המערכת
קרמר דורש מטריצה ריבועית והפיכה. במערכת עם פרמטר חייבים לפצל למקרים לפי det(A)=0\det(A)=0, ובמערכת לא ריבועית קרמר לא חל כלל.
מופיעה adj\mathrm{adj} של מכפלה או של כפל בסקלר
  • adj(A)adj(B)=adj(BA)\mathrm{adj}(A)\mathrm{adj}(B)=\mathrm{adj}(BA) — שימי לב להיפוך הסדר
  • adj(cA)=cn1adj(A)\mathrm{adj}(cA)=c^{\,n-1}\mathrm{adj}(A)
  • adj(A1)=Adet(A)\mathrm{adj}(A^{-1})=\dfrac{A}{\det(A)} (כאשר AA הפיכה)
adj\mathrm{adj} אינה לינארית: adj(A+B)adj(A)+adj(B)\mathrm{adj}(A+B)\neq\mathrm{adj}(A)+\mathrm{adj}(B) בדרך כלל. וכן adj(A)=(1)n1adj(A)\mathrm{adj}(-A)=(-1)^{n-1}\mathrm{adj}(A) — הסימן תלוי בזוגיות nn.
השאלה מבקשת det\det של ביטוי מטריציוני
  • det(AB)=det(A)det(B)\det(AB)=\det(A)\det(B) ו-det(At)=det(A)\det(A^t)=\det(A)
  • det(cA)=cndet(A)\det(cA)=c^{\,n}\det(A)
  • det(A1)=1det(A)\det(A^{-1})=\dfrac{1}{\det(A)}
  • אחרי ההפעלה נשארת משוואה סקלרית אחת — פותרים אותה כמשוואה רגילה
det(cA)=cndet(A)\det(cA)=c^{\,n}\det(A) ולא cdet(A)c\det(A) — זו הטעות היקרה ביותר. וגם det(A+B)det(A)+det(B)\det(A+B)\neq\det(A)+\det(B).

איך מפריכים

מהבדיקה הזולה ביותר לכיוון היקרה
להפריך זהות מוצעת על adj\mathrm{adj} (למשל adj(A+B)=adj(A)+adj(B)\mathrm{adj}(A+B)=\mathrm{adj}(A)+\mathrm{adj}(B))
  1. 1שלב 0 — לא לחפש דוגמה נגדית ב-2×22\times2: שם adj\mathrm{adj} היא לינארית ולכן לא תמצאי שם דוגמה נגדית לאדיטיביות.
  2. 2עברי ל-3×33\times3 ולמטריצות הכי פשוטות שיש: A=B=I3A=B=I_3.
  3. 3חשבי בעזרת adj(X)=det(X)X1\mathrm{adj}(X)=\det(X)X^{-1}: adj(2I3)=812I3=4I3\mathrm{adj}(2I_3)=8\cdot\tfrac12 I_3=4I_3, בעוד adj(I3)+adj(I3)=2I3\mathrm{adj}(I_3)+\mathrm{adj}(I_3)=2I_3. 4I32I34I_3\neq2I_3 — הופרך.
  4. 4לזהות מהצורה adj(A)=adj(A)\mathrm{adj}(-A)=-\mathrm{adj}(A): קחי n=3n=3 ו-A=I3A=I_3, ואז adj(I3)=I3I3\mathrm{adj}(-I_3)=I_3\neq-I_3.
  5. 5רק אם שתי הדוגמאות הפשוטות נכשלו — נסי מטריצה אלכסונית לא סקלרית כמו diag(1,2,3)\mathrm{diag}(1,2,3).
להפריך שאפשר לפתור את המערכת בכלל קרמר
  1. 1בדקי שהמערכת ריבועית — אם מספר המשוואות שונה ממספר הנעלמים, קרמר לא חל וסיימת.
  2. 2חשבי det(A)\det(A). אם הוא 00 — קרמר לא חל.
  3. 3אם יש פרמטר: פתרי det(A)=0\det(A)=0 וקבלי בדיוק את הערכים שבהם קרמר נשבר.
  4. 4הדגימי שם: הראי שהמערכת חסרת פתרון או בעלת אינסוף פתרונות (דירוג מהיר).

איך מוכיחים

המהלכים שעובדים בשבוע הזה
להוכיח זהות שמערבת adj\mathrm{adj}
  1. 1בדקי אם נתון (או נובע) ש-AA הפיכה. אם לא — עבדי ישירות עם Aadj(A)=det(A)InA\cdot\mathrm{adj}(A)=\det(A)I_n.
  2. 2אם כן — החליפי כל adj(X)\mathrm{adj}(X) ב-det(X)X1\det(X)X^{-1}. מכאן זו אלגברה של מטריצות הפיכות בלבד.
  3. 3העבירי את הסקלרים (det\det) לצד אחד — הם מתחלפים עם הכול.
  4. 4צמצמי משמאל/מימין במטריצות הפיכות בלבד, וכתבי במפורש למה מותר.
  5. 5אם המבוקש הוא רק דטרמיננטה — הפעילי det\det על שני האגפים כבר בהתחלה.
לחלץ det(A)\det(A) ממשוואה מטריציונית נתונה
  1. 1הפעילי det\det על שני אגפי המשוואה.
  2. 2פרקי בעזרת det(AB)=detAdetB\det(AB)=\det A\det B, det(At)=detA\det(A^t)=\det A, det(cA)=cndetA\det(cA)=c^n\det A, det(adjA)=(detA)n1\det(\mathrm{adj}A)=(\det A)^{n-1}.
  3. 3סמני d=det(A)d=\det(A) וקבלי משוואה פולינומית ב-dd — פתרי אותה.
  4. 4פסלי פתרונות: אם נתון ש-AA הפיכה, d=0d=0 נפסל.
  5. 5בשדה סופי — צמצמי מודולו pp רק בסוף.
להוכיח/להשתמש בכלל קרמר
  1. 1ודאי ריבועיות והפיכות (det(A)0\det(A)\neq0).
  2. 2כתבי A1=1detAadj(A)A^{-1}=\frac{1}{\det A}\mathrm{adj}(A) ולכן x=A1b=1detAadj(A)b\vec x=A^{-1}\vec b=\frac{1}{\det A}\mathrm{adj}(A)\vec b.
  3. 3הרכיב ה-ii של adj(A)b\mathrm{adj}(A)\vec b הוא בדיוק פיתוח לפלס של det(Ai)\det(A_i) לפי העמודה ה-ii.
  4. 4מסקנה: xi=det(Ai)/det(A)x_i=\det(A_i)/\det(A).

מסקנות — מה לוקחים מהשבוע

  • 1adj(A) תמיד מוגדרת — גם כשהמטריצה לא הפיכה. רק החלוקה ב-det דורשת הפיכות.
  • 2הסימון הפוך: [adj(A)]_{ij} בנוי מהמינור M_{ji}. זו הטעות הכי נפוצה בחישוב.
  • 3כלל קרמר נוח לשאלות תיאורטיות ולמערכות קטנות, אבל לא לחישוב בפועל.
בשבוע 0 לא הייתה הרצאה — החומר כולו בתרגול 1 ובמטלה 1.