Матричные уравнения

Уравнение, называется матричным, если в качестве неизвестного оно содержит матрицу. Простейшие матричные уравнения имеют вид

, (1.24)

, (1.25)

, (1.26)

где – известные матрицы, а – неизвестные матрицы соответствующих размеров. В общем случае уравнения (1.24)-(1.26) эквивалентны некоторым системам линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), но в том частном случае, когда матрицы и обратимы, теория этих уравнений проста. Прежде чем изложить её отметим, что числовая матрица является решением уравнения (1.24), если при подстановке её в это уравнение вместо матрицы мы получаем верное матричное равенство (и аналогично для уравнений (1.25) и (1.26)).

Предложение 1.8. Пусть матрицы и обратимы, тогда уравнения (1.24)-(1.26) разрешимы при любых правых частях соответственно, а их единственные решения определяются по формулам

, ()

, ()

, ()

◄ Так как уравнения (1.25) и (1.26) являются частными случаями уравнения (1.24) ( в первом случае и во втором случае), доказательство проведём лишь для уравнения (1.24). (Рассуждения в случае уравнений (1.25) и (1.26) предлагаем читателю провести самостоятельно.)

Пусть , , тогда по необходимости матрицы и имеют размер . Так как , , то для любой матрицы из существует матрица вида (). Подставляя её в уравнение (1.24), получаем

,

т.е. матрица вида () является решением уравнения (1.24). Тем самым показано, что решение уравнения (1.24) существует.

Осталось показать его единственность. В самом деле, пусть некоторое решение уравнения (1.24), тогда справедливо матричное равенство

.

Умножая обе части слева на матрицу , а справа на матрицу , получаем, что

или

.

т.е. имеет вид (). ►

Два матричных уравнения будем называть равносильными, если они имеют одинаковые решения. В частности, если у одного из равносильных уравнений решений нет, то их нет и у второго уравнения. В последнем случае мы предполагаем, что неизвестные матрицы, входящие в оба уравнения, имеют одинаковые размеры.

Предложение 1.9. Пусть и . Тогда уравнения

, (1.27)

(1.28)

равносильны для любых матриц из .

◄ Действительно, если – решение уравнения (1.27), тогда . Умножая обе части этого равенства слева на матрицу , получаем, что.

или ,

т.е. является решением уравнения (1.28). Наоборот, если – решение уравнения (1.28), тогда

.

Но матрица обратима. Умножая обе части последнего равенства слева на матрицу , получаем, что

,

т.е. – решение уравнения (1.27). Если же у одного из уравнений (1.27) или (1.28) решений нет, тогда их нет и у второго уравнения, так как в противном случае, повторяя проведённые выше рассуждения, приходим к противоречию. ►