伴随矩阵是由原矩阵的各个
代数余子式组成的矩阵,与
矩阵的逆之间有密切的联系。但是,相比于逆矩阵,伴随矩阵是一定存在的。同时,在矩阵可逆的情形下,伴随矩阵与原矩阵只相差
行列式倍,这被称作伴随矩阵的“母公式”,在求解逆矩阵中有重要的作用。
基础信息
定义
取n阶方阵,那么其伴随矩阵为
是方阵A去除了第i行第j列的元素后,剩下的阶方阵的
行列式。需要注意的是方阵A中第i行第j列的的代数余子式,位于方阵中的第j行第i列。
求法举例
以2阶和3阶矩阵为例。下面求矩阵
的伴随矩阵。
由定义,对于,其伴随矩阵,代入数据得.
对于,先求出其中的各代数余子式,,,,。由定义,其伴随矩阵。
基本性质
通过伴随矩阵的定义,可以验证下面的基本性质,下面式子中出现的矩阵均为至少2阶的方阵,表示矩阵A的
转置。
(性质1) 对于任意方阵A,其伴随矩阵一定存在;
(性质2)
(性质3);
(性质4) 对于常数k,;
(性质5);
(性质6) 分块阵的伴随矩阵为;分块阵的伴随矩阵为(m和n分别是A和B的阶数)。
伴随矩阵的“母公式”
一个n阶方阵A与其伴随矩阵的重要关系还包括:
其中是
单位矩阵。该式又被称作伴随矩阵的“母公式”。从上式中,可以看出伴随矩阵与
矩阵的逆之间有着密切的联系。对于方阵A,若可逆或者行列式,由上式即可得:
“母公式”的证明:
对于,不妨考虑。其第i行第i列的值为
其第i行第j列的值为
对于每一组i和j,考虑一个由A构造出的新矩阵——其第j行被替换为第i行的各值。那么显然这个新矩阵的行列式为0。而该矩阵沿第j行的展开式恰等于上式,即得
综合以上,便证明了。类似地可证。证毕。
“母公式”的推论:
通过母公式还可以得到下面的性质。下面式子中出现的矩阵均为n阶可逆方阵。
(性质7);
(性质8) 方阵可逆其行列式值非零其伴随矩阵可逆;
(性质9)。
伴随矩阵的秩
伴随矩阵的秩的证明:
若,那么𝐴可逆,从而可逆,,该情形得证。
若,那么𝐴中所有的(𝑛−1)阶子式均为0,从而可得,其伴随矩阵是
零矩阵,,该情形得证。
若,那么|𝐴|=0且𝐴中存在(𝑛−1)阶子式不为0。 那么由|𝐴|=0,代入伴随矩阵的母公式得到,从而,即;由𝐴中存在(𝑛−1)阶子式不为0可知不是零矩阵,从而。综合以上即,该情形得证。
综上所述,证毕。
特征值与特征多项式
设𝑛阶可逆方阵𝐴具有
特征值(𝑖=1,2,…,𝑛),其伴随矩阵为,那么其特征值为:
伴随矩阵的特征值的证明:
若,那么,即逆矩阵的特征值是原矩阵特征值的倒数。从而: 由此即得是伴随矩阵的特征值,证毕。
事实上还可以证明,该特征值的
特征向量与原矩阵对应特征值的特征向量共线。
伴随矩阵可以由原矩阵的
特征多项式的系数表出。如果可逆矩阵𝐴有特征多项式
那么:
特征多项式表出伴随矩阵的证明:
首先,由凯莱-哈密顿定理可知,。 且其中的。 于是,由伴随矩阵的母公式可得:
伴随矩阵由特征多项式系数给出的形式由上述即得证。
应用举例
若矩阵,利用伴随矩阵求其逆。
解: ,于是。