Transcript

Lecture 4: ๐ฟ๐‘ˆ Decomposition and MatrixInverse

Thang Huynh, UC San Diego1/17/2018

Gaussian elimination revisited

โ–ถ Example. Keeping track of the elementary matrices duringGaussian elimination on ๐ด:

๐ด = โŽกโŽขโŽฃ2 14 โˆ’6

โŽคโŽฅโŽฆ

๐ธ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ

1 0โˆ’2 1

โŽคโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽฃ2 14 โˆ’6

โŽคโŽฅโŽฆ

= โŽกโŽขโŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

.

Note that๐ด = ๐ธโˆ’1 โŽกโŽข

โŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

= โŽกโŽขโŽฃ1 02 1

โŽคโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

We factored ๐ด as the product of a lower and upper triangularmatrix! We say that ๐ด has triangular factorization.

1

Gaussian elimination revisited

โ–ถ Example. Keeping track of the elementary matrices duringGaussian elimination on ๐ด:

๐ด = โŽกโŽขโŽฃ2 14 โˆ’6

โŽคโŽฅโŽฆ

๐ธ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ

1 0โˆ’2 1

โŽคโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽฃ2 14 โˆ’6

โŽคโŽฅโŽฆ

= โŽกโŽขโŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

.

Note that๐ด = ๐ธโˆ’1 โŽกโŽข

โŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

= โŽกโŽขโŽฃ1 02 1

โŽคโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

We factored ๐ด as the product of a lower and upper triangularmatrix! We say that ๐ด has triangular factorization.

1

Gaussian elimination revisited

โ–ถ Example. Keeping track of the elementary matrices duringGaussian elimination on ๐ด:

๐ด = โŽกโŽขโŽฃ2 14 โˆ’6

โŽคโŽฅโŽฆ

๐ธ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ

1 0โˆ’2 1

โŽคโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽฃ2 14 โˆ’6

โŽคโŽฅโŽฆ

= โŽกโŽขโŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

.

Note that๐ด = ๐ธโˆ’1 โŽกโŽข

โŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

= โŽกโŽขโŽฃ1 02 1

โŽคโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

We factored ๐ด as the product of a lower and upper triangularmatrix! We say that ๐ด has triangular factorization.

1

Gaussian elimination revisited

โ–ถ Example. Keeping track of the elementary matrices duringGaussian elimination on ๐ด:

๐ด = โŽกโŽขโŽฃ2 14 โˆ’6

โŽคโŽฅโŽฆ

๐ธ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ

1 0โˆ’2 1

โŽคโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽฃ2 14 โˆ’6

โŽคโŽฅโŽฆ

= โŽกโŽขโŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

.

Note that๐ด = ๐ธโˆ’1 โŽกโŽข

โŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

= โŽกโŽขโŽฃ1 02 1

โŽคโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽฃ2 10 โˆ’8

โŽคโŽฅโŽฆ

We factored ๐ด as the product of a lower and upper triangularmatrix! We say that ๐ด has triangular factorization.

1

Gaussian elimination revisited

๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ is known as the LU decomposition of ๐ด.

โ–ถ Definition.lower triangular

โŽกโŽขโŽขโŽขโŽขโŽขโŽขโŽฃ

โˆ— 0 0 0 0โˆ— โˆ— 0 0 0โˆ— โˆ— โˆ— 0 0โˆ— โˆ— โˆ— โˆ— 0โˆ— โˆ— โˆ— โˆ— โˆ—

โŽคโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฆ

upper triangular

โŽกโŽขโŽขโŽขโŽขโŽขโŽขโŽฃ

โˆ— โˆ— โˆ— โˆ— โˆ—0 โˆ— โˆ— โˆ— โˆ—0 0 โˆ— โˆ— โˆ—0 0 0 โˆ— โˆ—0 0 0 0 โˆ—

โŽคโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฆ

2

Gaussian elimination revisited

๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ is known as the LU decomposition of ๐ด.

โ–ถ Definition.lower triangular

โŽกโŽขโŽขโŽขโŽขโŽขโŽขโŽฃ

โˆ— 0 0 0 0โˆ— โˆ— 0 0 0โˆ— โˆ— โˆ— 0 0โˆ— โˆ— โˆ— โˆ— 0โˆ— โˆ— โˆ— โˆ— โˆ—

โŽคโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฆ

upper triangular

โŽกโŽขโŽขโŽขโŽขโŽขโŽขโŽฃ

โˆ— โˆ— โˆ— โˆ— โˆ—0 โˆ— โˆ— โˆ— โˆ—0 0 โˆ— โˆ— โˆ—0 0 0 โˆ— โˆ—0 0 0 0 โˆ—

โŽคโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฅโŽฆ

2

๐ฟ๐‘ˆ decompostion

โ–ถ Example. Factor ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

as ๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ.

โ–ถ Solution.

๐ธ1๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 0โˆ’2 1 00 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’2

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ธ2(๐ธ1๐ด) =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 01 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’2

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 8 3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ธ3๐ธ2๐ธ1๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 00 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 8 3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

= ๐‘ˆ

3

๐ฟ๐‘ˆ decompostion

โ–ถ Example. Factor ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

as ๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ.

โ–ถ Solution.

๐ธ1๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 0โˆ’2 1 00 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’2

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ธ2(๐ธ1๐ด) =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 01 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’2

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 8 3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ธ3๐ธ2๐ธ1๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 00 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 8 3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

= ๐‘ˆ

3

๐ฟ๐‘ˆ decompostion

โ–ถ Example. Factor ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

as ๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ.

โ–ถ Solution.

๐ธ1๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 0โˆ’2 1 00 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’2

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ธ2(๐ธ1๐ด) =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 01 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’2

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 8 3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ธ3๐ธ2๐ธ1๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 00 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 8 3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

= ๐‘ˆ

3

๐ฟ๐‘ˆ decompostion

โ–ถ Example. Factor ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

as ๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ.

โ–ถ Solution.

๐ธ1๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 0โˆ’2 1 00 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’2

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ธ2(๐ธ1๐ด) =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 01 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’2

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 8 3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ธ3๐ธ2๐ธ1๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 00 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 8 3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

= ๐‘ˆ

3

๐ฟ๐‘ˆ decompostion

๐ธ3๐ธ2๐ธ1๐ด = ๐‘ˆ

โŸน ๐ด = ๐ธโˆ’11 ๐ธโˆ’1

2 ๐ธโˆ’13 ๐‘ˆ

The factor ๐ฟ is given by

๐ฟ = ๐ธโˆ’11 ๐ธโˆ’1

2 ๐ธโˆ’13

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 02 1 00 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 0

โˆ’1 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 00 โˆ’1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 02 1 0

โˆ’1 โˆ’1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

4

๐ฟ๐‘ˆ decompostion

๐ธ3๐ธ2๐ธ1๐ด = ๐‘ˆ โŸน ๐ด = ๐ธโˆ’11 ๐ธโˆ’1

2 ๐ธโˆ’13 ๐‘ˆ

The factor ๐ฟ is given by

๐ฟ = ๐ธโˆ’11 ๐ธโˆ’1

2 ๐ธโˆ’13

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 02 1 00 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 0

โˆ’1 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 00 โˆ’1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 02 1 0

โˆ’1 โˆ’1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

4

๐ฟ๐‘ˆ decompostion

๐ธ3๐ธ2๐ธ1๐ด = ๐‘ˆ โŸน ๐ด = ๐ธโˆ’11 ๐ธโˆ’1

2 ๐ธโˆ’13 ๐‘ˆ

The factor ๐ฟ is given by

๐ฟ = ๐ธโˆ’11 ๐ธโˆ’1

2 ๐ธโˆ’13

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 02 1 00 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 0

โˆ’1 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 00 1 00 โˆ’1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

=โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 02 1 0

โˆ’1 โˆ’1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

4

๐ฟ๐‘ˆ decompostion

We found the following ๐ฟ๐‘ˆ decomposition of ๐ด:

๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

= ๐ฟ๐‘ˆ =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 02 1 0

โˆ’1 โˆ’1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 10 โˆ’8 โˆ’20 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

.

5

Why ๐ฟ๐‘ˆ decomposition?Once we have ๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ, it is simple to solve ๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘.

๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘๐ฟ(๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ) = ๐‘๐‘๐‘

๐ฟ๐‘๐‘๐‘ = ๐‘๐‘๐‘ and ๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘.Both of the final systems are triangular and hence easily solved:

โ€ข ๐ฟ๐‘๐‘๐‘ = ๐‘๐‘๐‘ by forward substitution to find ๐‘๐‘๐‘, and thenโ€ข ๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘ by backward substitution to find ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ.

โ–ถ Example. Solve

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

410โˆ’3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

.

6

Why ๐ฟ๐‘ˆ decomposition?Once we have ๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ, it is simple to solve ๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘.

๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘๐ฟ(๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ) = ๐‘๐‘๐‘

๐ฟ๐‘๐‘๐‘ = ๐‘๐‘๐‘ and ๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘.Both of the final systems are triangular and hence easily solved:

โ€ข ๐ฟ๐‘๐‘๐‘ = ๐‘๐‘๐‘ by forward substitution to find ๐‘๐‘๐‘, and thenโ€ข ๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘ by backward substitution to find ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ.

โ–ถ Example. Solve

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

410โˆ’3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

.

6

Why ๐ฟ๐‘ˆ decomposition?Once we have ๐ด = ๐ฟ๐‘ˆ, it is simple to solve ๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘.

๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘๐ฟ(๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ) = ๐‘๐‘๐‘

๐ฟ๐‘๐‘๐‘ = ๐‘๐‘๐‘ and ๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘.Both of the final systems are triangular and hence easily solved:

โ€ข ๐ฟ๐‘๐‘๐‘ = ๐‘๐‘๐‘ by forward substitution to find ๐‘๐‘๐‘, and thenโ€ข ๐‘ˆ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘ by backward substitution to find ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ.

โ–ถ Example. Solve

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

410โˆ’3

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

.

6

The inverse of a matrix

โ–ถ Definition. An ๐‘› ร— ๐‘› matrix ๐ด is invertible if there is a matrix ๐ตsuch that

๐ด๐ต = ๐ต๐ด = ๐ผ๐‘›ร—๐‘›.

In that case, ๐ต is the inverse of ๐ด and is denoted by ๐ดโˆ’1.

โ–ถ Remark.

โ€ข The inverse of a matrix is unique. (Why?)โ€ข Do not write ๐ด

๐ต .

7

The inverse of a matrix

โ–ถ Definition. An ๐‘› ร— ๐‘› matrix ๐ด is invertible if there is a matrix ๐ตsuch that

๐ด๐ต = ๐ต๐ด = ๐ผ๐‘›ร—๐‘›.

In that case, ๐ต is the inverse of ๐ด and is denoted by ๐ดโˆ’1.โ–ถ Remark.

โ€ข The inverse of a matrix is unique. (Why?)

โ€ข Do not write ๐ด๐ต .

7

The inverse of a matrix

โ–ถ Definition. An ๐‘› ร— ๐‘› matrix ๐ด is invertible if there is a matrix ๐ตsuch that

๐ด๐ต = ๐ต๐ด = ๐ผ๐‘›ร—๐‘›.

In that case, ๐ต is the inverse of ๐ด and is denoted by ๐ดโˆ’1.โ–ถ Remark.

โ€ข The inverse of a matrix is unique. (Why?)โ€ข Do not write ๐ด

๐ต .

7

The inverse of a matrix

โ–ถ Example. Let ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ๐‘Ž ๐‘๐‘ ๐‘‘

โŽคโŽฅโŽฆ

. If ๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘ โ‰  0, then

๐ดโˆ’1 = 1๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘

โŽกโŽขโŽฃ

๐‘‘ โˆ’๐‘โˆ’๐‘ ๐‘Ž

โŽคโŽฅโŽฆ

.

โ–ถ Example. The matrix ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ0 10 0

โŽคโŽฅโŽฆ

is not invertible.

โ–ถ Example. A 2 ร— 2 matrix โŽกโŽขโŽฃ๐‘Ž ๐‘๐‘ ๐‘‘

โŽคโŽฅโŽฆ

is invertible if and only if

๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘ โ‰  0.

8

The inverse of a matrix

โ–ถ Example. Let ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ๐‘Ž ๐‘๐‘ ๐‘‘

โŽคโŽฅโŽฆ

. If ๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘ โ‰  0, then

๐ดโˆ’1 = 1๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘

โŽกโŽขโŽฃ

๐‘‘ โˆ’๐‘โˆ’๐‘ ๐‘Ž

โŽคโŽฅโŽฆ

.

โ–ถ Example. The matrix ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ0 10 0

โŽคโŽฅโŽฆ

is not invertible.

โ–ถ Example. A 2 ร— 2 matrix โŽกโŽขโŽฃ๐‘Ž ๐‘๐‘ ๐‘‘

โŽคโŽฅโŽฆ

is invertible if and only if

๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘ โ‰  0.

8

The inverse of a matrix

โ–ถ Example. Let ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ๐‘Ž ๐‘๐‘ ๐‘‘

โŽคโŽฅโŽฆ

. If ๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘ โ‰  0, then

๐ดโˆ’1 = 1๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘

โŽกโŽขโŽฃ

๐‘‘ โˆ’๐‘โˆ’๐‘ ๐‘Ž

โŽคโŽฅโŽฆ

.

โ–ถ Example. The matrix ๐ด = โŽกโŽขโŽฃ0 10 0

โŽคโŽฅโŽฆ

is not invertible.

โ–ถ Example. A 2 ร— 2 matrix โŽกโŽขโŽฃ๐‘Ž ๐‘๐‘ ๐‘‘

โŽคโŽฅโŽฆ

is invertible if and only if

๐‘Ž๐‘‘ โˆ’ ๐‘๐‘ โ‰  0.

8

The inverse of a matrix

Suppose ๐ด and ๐ต are invertible. Then

โ€ข ๐ดโˆ’1 is invertible and (๐ดโˆ’1)โˆ’1 = ๐ด.

โ€ข ๐ด๐‘‡ is invertible and (๐ด๐‘‡ )โˆ’1 = (๐ดโˆ’1)๐‘‡ .โ€ข ๐ด๐ต is invertible and (๐ด๐ต)โˆ’1 = ๐ตโˆ’1๐ดโˆ’1. (Why?)

9

The inverse of a matrix

Suppose ๐ด and ๐ต are invertible. Then

โ€ข ๐ดโˆ’1 is invertible and (๐ดโˆ’1)โˆ’1 = ๐ด.โ€ข ๐ด๐‘‡ is invertible and (๐ด๐‘‡ )โˆ’1 = (๐ดโˆ’1)๐‘‡ .

โ€ข ๐ด๐ต is invertible and (๐ด๐ต)โˆ’1 = ๐ตโˆ’1๐ดโˆ’1. (Why?)

9

The inverse of a matrix

Suppose ๐ด and ๐ต are invertible. Then

โ€ข ๐ดโˆ’1 is invertible and (๐ดโˆ’1)โˆ’1 = ๐ด.โ€ข ๐ด๐‘‡ is invertible and (๐ด๐‘‡ )โˆ’1 = (๐ดโˆ’1)๐‘‡ .โ€ข ๐ด๐ต is invertible and (๐ด๐ต)โˆ’1 = ๐ตโˆ’1๐ดโˆ’1. (Why?)

9

Solving systems using matrix inverse

Theorem. Let ๐ด be invertible. Then the system ๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘ has theunique solution ๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐ดโˆ’1๐‘๐‘๐‘.

10

Computing the inverse

โ–ถ To solve ๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘, we do row reduction on [ ๐ด โˆฃ ๐‘ ].

โ–ถ To solve ๐ด๐‘‹ = ๐ผ, we do row reduction on [ ๐ด โˆฃ ๐ผ ].โ–ถ To compute ๐ดโˆ’1 (The Gauss-Jordan Method):

โ€ข Form the augmented matrix [ ๐ด โˆฃ ๐ผ ].โ€ข Compute the reduced echelon form.โ€ข If ๐ด is invertible, the result is of the form [ ๐ผ โˆฃ ๐ดโˆ’1 ].

11

Computing the inverse

โ–ถ To solve ๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘, we do row reduction on [ ๐ด โˆฃ ๐‘ ].โ–ถ To solve ๐ด๐‘‹ = ๐ผ, we do row reduction on [ ๐ด โˆฃ ๐ผ ].

โ–ถ To compute ๐ดโˆ’1 (The Gauss-Jordan Method):

โ€ข Form the augmented matrix [ ๐ด โˆฃ ๐ผ ].โ€ข Compute the reduced echelon form.โ€ข If ๐ด is invertible, the result is of the form [ ๐ผ โˆฃ ๐ดโˆ’1 ].

11

Computing the inverse

โ–ถ To solve ๐ด๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘ฅ = ๐‘๐‘๐‘, we do row reduction on [ ๐ด โˆฃ ๐‘ ].โ–ถ To solve ๐ด๐‘‹ = ๐ผ, we do row reduction on [ ๐ด โˆฃ ๐ผ ].โ–ถ To compute ๐ดโˆ’1 (The Gauss-Jordan Method):

โ€ข Form the augmented matrix [ ๐ด โˆฃ ๐ผ ].โ€ข Compute the reduced echelon form.โ€ข If ๐ด is invertible, the result is of the form [ ๐ผ โˆฃ ๐ดโˆ’1 ].

11

Computing the inverse

โ–ถ Example. Find the inverse of ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ, if it exists.

โ–ถ Solution.

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 04 โˆ’6 0 0 1 0

โˆ’2 7 2 0 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…2โŸถ๐‘…2โˆ’2๐‘…1โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…1

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 8 3 1 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…2โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 0 1 โˆ’1 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’ โ€ฆ

12

Computing the inverse

โ–ถ Example. Find the inverse of ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ, if it exists.

โ–ถ Solution.

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 04 โˆ’6 0 0 1 0

โˆ’2 7 2 0 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…2โŸถ๐‘…2โˆ’2๐‘…1โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…1

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 8 3 1 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…2โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 0 1 โˆ’1 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’ โ€ฆ

12

Computing the inverse

โ–ถ Example. Find the inverse of ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ, if it exists.

โ–ถ Solution.

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 04 โˆ’6 0 0 1 0

โˆ’2 7 2 0 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…2โŸถ๐‘…2โˆ’2๐‘…1โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…1

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 8 3 1 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…2โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 0 1 โˆ’1 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’ โ€ฆ

12

Computing the inverse

โ–ถ Example. Find the inverse of ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ, if it exists.

โ–ถ Solution.

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 04 โˆ’6 0 0 1 0

โˆ’2 7 2 0 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…2โŸถ๐‘…2โˆ’2๐‘…1โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…1

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 8 3 1 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…2โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 0 1 โˆ’1 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’ โ€ฆ

12

Computing the inverse

โ–ถ Example. Find the inverse of ๐ด =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 14 โˆ’6 0

โˆ’2 7 2

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ, if it exists.

โ–ถ Solution.

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 04 โˆ’6 0 0 1 0

โˆ’2 7 2 0 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…2โŸถ๐‘…2โˆ’2๐‘…1โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…1

โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 8 3 1 0 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐‘…3โŸถ๐‘…3+๐‘…2โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’โŽกโŽขโŽขโŽฃ

2 1 1 1 0 00 โˆ’8 โˆ’2 โˆ’2 1 00 0 1 โˆ’1 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’ โ€ฆ

12

Computing the inverse

โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โˆ’โ†’โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1 0 0 1216

โˆ’516

โˆ’616

0 1 0 48

โˆ’38

โˆ’28

0 0 1 โˆ’1 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

๐ดโˆ’1 =โŽกโŽขโŽขโŽฃ

1216

โˆ’516

โˆ’616

48

โˆ’38

โˆ’28

โˆ’1 1 1

โŽคโŽฅโŽฅโŽฆ

13

Why does it work?

โ€ข Each row reduction corresponds to multiplying with anelementary matrix ๐ธ:

[ ๐ดโˆฃ ๐ผ ] โ†’ [ ๐ธ1๐ดโˆฃ ๐ธ1๐ผ ] โ†’ [ ๐ธ2๐ธ1๐ดโˆฃ ๐ธ2๐ธ1 ] โ†’ โ€ฆ

โ€ฆ โ†’ [ ๐น๐ด โˆฃ ๐น] where ๐น = ๐ธ๐‘Ÿ โ€ฆ ๐ธ2๐ธ1.

โ€ข If we manage to reduce [ ๐ดโˆฃ ๐ผ ] to [ ๐ผโˆฃ ๐น ], this means

๐น๐ด = ๐ผ โŸน ๐ดโˆ’1 = ๐น.

14

Why does it work?

โ€ข Each row reduction corresponds to multiplying with anelementary matrix ๐ธ:

[ ๐ดโˆฃ ๐ผ ] โ†’ [ ๐ธ1๐ดโˆฃ ๐ธ1๐ผ ] โ†’ [ ๐ธ2๐ธ1๐ดโˆฃ ๐ธ2๐ธ1 ] โ†’ โ€ฆ

โ€ฆ โ†’ [ ๐น๐ด โˆฃ ๐น] where ๐น = ๐ธ๐‘Ÿ โ€ฆ ๐ธ2๐ธ1.

โ€ข If we manage to reduce [ ๐ดโˆฃ ๐ผ ] to [ ๐ผโˆฃ ๐น ], this means

๐น๐ด = ๐ผ โŸน ๐ดโˆ’1 = ๐น.

14

Why does it work?

โ€ข Each row reduction corresponds to multiplying with anelementary matrix ๐ธ:

[ ๐ดโˆฃ ๐ผ ] โ†’ [ ๐ธ1๐ดโˆฃ ๐ธ1๐ผ ] โ†’ [ ๐ธ2๐ธ1๐ดโˆฃ ๐ธ2๐ธ1 ] โ†’ โ€ฆ

โ€ฆ โ†’ [ ๐น๐ด โˆฃ ๐น] where ๐น = ๐ธ๐‘Ÿ โ€ฆ ๐ธ2๐ธ1.

โ€ข If we manage to reduce [ ๐ดโˆฃ ๐ผ ] to [ ๐ผโˆฃ ๐น ], this means

๐น๐ด = ๐ผ โŸน ๐ดโˆ’1 = ๐น.

14


Top Related