อ่าน 11 นาที
ผกผันทั่วไป
ใน ทางคณิตศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน พีชคณิต ตัว ผกผันทั่วไป (หรือ g-inverse ) ขององค์ประกอบ x คือองค์ประกอบ y ที่มีคุณสมบัติบางอย่างของ องค์ประกอบผกผัน...
ผกผันทั่วไป
ในทางคณิตศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพีชคณิตตัวผกผันทั่วไป (หรือg-inverse ) ขององค์ประกอบxคือองค์ประกอบyที่มีคุณสมบัติบางอย่างขององค์ประกอบผกผันแต่ไม่จำเป็นต้องมีคุณสมบัติทั้งหมด จุดประสงค์ของการสร้างตัวผกผันทั่วไปของเมทริกซ์คือการได้เมทริกซ์ที่สามารถใช้เป็นตัวผกผันในแง่ใดแง่หนึ่งสำหรับเมทริกซ์ประเภทที่กว้างกว่าเมทริกซ์ที่ผกผันได้ตัวผกผันทั่วไปสามารถกำหนดได้ในโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ ใดๆ ที่เกี่ยวข้องกับ การคูณ แบบสมาคมนั่นคือในเซมิกรุปบทความนี้จะอธิบายตัวผกผันทั่วไปของ เมท ริก ซ์
เมทริกซ์เป็นอินเวอร์สทั่วไปของเมทริกซ์ถ้า[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]อินเวอร์สทั่วไปมีอยู่สำหรับเมทริกซ์ใดๆ และเมื่อเมทริกซ์มีอินเวอร์สปกติอินเวอร์สนี้จะเป็นอินเวอร์สทั่วไปที่ไม่ซ้ำกัน[ 1 ]
แรงจูงใจ
พิจารณาระบบเชิงเส้น
โดยที่เป็นเมทริกซ์ และเป็นปริภูมิคอลัมน์ของถ้าและเป็น เมทริกซ์ ไม่เอกฐานแล้วจะเป็นคำตอบของระบบสมการ โปรดทราบว่า ถ้าเป็นเมทริกซ์ไม่เอกฐาน แล้ว
สมมติว่าเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ( ) หรือรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสและเป็นรูปเอกฐาน ดังนั้นเราจึงต้องการตัวเลือกด้านขวาที่มีลำดับเช่นนั้นสำหรับทุก
นั่นคือเป็นคำตอบของระบบสมการเชิงเส้นหรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง เราต้องการเมทริกซ์ที่มีอันดับเช่นนั้น
ดังนั้นเราสามารถกำหนดอินเวอร์สทั่วไปได้ดังนี้: เมื่อกำหนดเมทริกซ์เมทริกซ์จะเรียกว่าเป็นอินเวอร์สทั่วไปของถ้า [1 ] [ 2 ] [ 3 ]เมทริกซ์ได้รับการเรียกขานว่าเป็นอินเวอร์สปกติของโดยผู้เขียนบางท่าน[ 5 ]

ปัญหาคือจะเลือกค่า a เป็นผลลัพธ์ของฟังก์ชันสำหรับทุกๆ ค่า a เมื่อฟังก์ชันนั้นไม่ใช่ฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่งทั่วถึง
- ถ้าฟังก์ชันไม่เป็นฟังก์ชันทั่วถึง (surjective)แสดงว่าไม่ใช่ทุกค่าของ ในโดเมนร่วม ของฟังก์ชันนั้น จะมีค่า ที่สอดคล้องกันผ่านทางเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ เราจึงกำหนดให้ฟังก์ชัน แมปค่าเหล่านั้นไปยังค่าใดๆ ก็ได้
- ตัวอย่างเช่น แยกโคโดเมนของ ออกเป็นผลรวมโดยตรงของปริภูมิคอลัมน์และปริภูมิย่อยส่วนเติมเต็ม แล้วสร้างดังต่อไปนี้
- สำหรับค่า's ในซับสเปซก่อนหน้า ให้ แมปกลับไปยังค่า 's ที่สอดคล้องกัน
- สำหรับค่า 's ในซับสเปซหลัง ให้แมปค่าทั้งหมดไปที่ศูนย์ (เนื่องจากไม่มีค่า's ที่สอดคล้องกัน)
- สำหรับค่าอื่นๆ ให้แยกส่วนประกอบออกเป็นผลรวมของส่วนประกอบทั้งสองข้างต้น นำไปใช้ตามลำดับ แล้วจึงหาผลรวม
- ถ้าฟังก์ชันไม่เป็นฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่ง (injective)แสดงว่าบางค่าของ's สอดคล้องกับค่าของ 's หลายค่าผ่านทาง 's เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ เราจึงกำหนดให้แต่ละค่าของ 's แมปไปยังค่าของ 's ค่าใดค่าหนึ่งตามอัลกอริทึม
- ตัวอย่างเช่น แยกโดเมนของ ออกเป็นผลรวมโดยตรงของและปริภูมิย่อยส่วนเติมเต็ม สำหรับทุกค่าที่เป็นไปได้ของ ภาพผกผันของมันจะต้องขนานกับและตัดกับปริภูมิย่อยส่วนเติมเต็มที่เลือกไว้ที่จุดเดียว ให้แมปไปยังจุดนี้
- ถ้า ฟังก์ชัน นั้นไม่ใช่ทั้งฟังก์ชันทั่วถึงและฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่ง เราจะรวมสองวิธีข้างต้นเข้าด้วยกัน
- ภาพทางด้านขวาเป็นตัวอย่าง
ประเภท
ประเภทสำคัญของอินเวอร์สทั่วไป ได้แก่:
- ตัวผกผันด้านเดียว (ตัวผกผันด้านขวาหรือตัวผกผันด้านซ้าย)
- เมทริกซ์ผกผันขวา: ถ้าเมทริกซ์มีมิติและแล้วจะมีเมทริกซ์ที่เรียกว่าเมทริกซ์ผกผันขวาของอยู่ ซึ่งโดยที่คือเมทริกซ์เอกลักษณ์
- ผกผันซ้าย: ถ้าเมทริกซ์มีมิติและแล้วจะมีเมทริกซ์ที่เรียกว่าผกผันซ้ายของซึ่งโดยที่คือเมทริกซ์เอกลักษณ์[ 6 ]
- บอตต์-ดัฟฟิน ผกผัน
- ดราซินผกผัน
- ผกผันมัวร์-เพนโรส
อินเวอร์สทั่วไปบางประเภทได้รับการกำหนดและจำแนกตามเงื่อนไขของเพนโรส:
โดยที่หมายถึงการสลับตำแหน่งแบบสังยุคถ้าตรงตามเงื่อนไขแรก แสดงว่าเป็นตัวผกผันทั่วไปของถ้า ตรงตามเงื่อนไขสองข้อแรก แสดงว่าเป็นตัวผกผันทั่วไปแบบสะท้อนกลับของถ้า ตรงตามเงื่อนไขทั้งสี่ข้อ แสดงว่าเป็นตัวผกผันเทียมของซึ่งใช้สัญลักษณ์และเรียกอีกอย่างว่าตัวผกผันมัวร์-เพนโรสตามผลงานบุกเบิกของEH MooreและRoger Penrose [ 2 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] เป็นการสะดวกที่จะกำหนดตัวผกผันของเป็นตัวผกผันที่ตรงตามเงื่อนไขย่อยของเงื่อนไขเพนโรสที่ระบุไว้ข้างต้น ความสัมพันธ์ เช่นสามารถสร้างขึ้นระหว่างตัวผกผัน คลาสต่างๆ เหล่านี้ได้ [ 1 ]
เมื่อเมทริกซ์ไม่เอกฐาน อินเวอร์สทั่วไปใดๆจะเท่ากับและดังนั้นจึงมีเพียงหนึ่งเดียว สำหรับเมทริกซ์เอกฐาน อินเวอร์สทั่วไปบางตัว เช่น อินเวอร์สของดราซินและอินเวอร์สของมัวร์-เพนโรส จะมีเพียงหนึ่งเดียว ในขณะที่อินเวอร์สทั่วไปอื่นๆ อาจไม่จำเป็นต้องมีเพียงหนึ่งเดียวเสมอไป
ตัวอย่าง
อินเวอร์สทั่วไปที่ไม่สะท้อนกลับ

อนุญาต
เห็นได้ชัดว่าเป็นเอกพจน์และตรงตามเงื่อนไขของ Penrose (1) แต่ไม่ใช่เงื่อนไขอื่น ดังนั้น จึงเป็นตัวผกผันทั่วไปที่ไม่สะท้อนกลับของ
คอลัมน์แรกของช่วงและแมปไปยังซึ่งไม่อยู่ในนอกจากนี้ยังแมปไปยังซึ่งอยู่ในความสัมพันธ์นี้สรุปได้ในภาพด้านขวา
ตัวผกผันทั่วไปแบบสะท้อนกลับ

อนุญาต
เนื่องจากเป็นเอกฐานและไม่มีอินเวอร์สปกติ อย่างไรก็ตามและเป็นไปตามเงื่อนไขของ Penrose (1) และ (2) แต่ไม่เป็นไปตามเงื่อนไข (3) หรือ (4) ดังนั้น จึงเป็นอินเวอร์สทั่วไปแบบสะท้อนกลับของ
การผกผันด้านเดียว
อนุญาต
เนื่องจากไม่ใช่เมทริกซ์จัตุรัสจึงไม่มีเมทริกซ์ผกผันปกติ อย่างไรก็ตามเป็นเมทริกซ์ผกผันทางขวาของเมทริกซ์ไม่มีเมทริกซ์ผกผันทางซ้าย
- เป็นการผกผันทางซ้ายของ( )
- เป็นการผกผันทางขวาของ( )
ส่วนกลับของเซมิกรุป (หรือริง) อื่นๆ
สมาชิกbเป็นตัวผกผันทั่วไปของสมาชิกa ก็ต่อเมื่อ ในเซมิกรุปใดๆ (หรือริง ใด ๆ เนื่องจาก ฟังก์ชัน การคูณในริงใดๆ ก็เป็นเซมิกรุป)
ตัวผกผันทั่วไปของสมาชิก 3 ในริงคือ 3, 7 และ 11 เนื่องจากในริง:
ตัวผกผันทั่วไปของสมาชิก 4 ในริงคือ 1, 4, 7 และ 10 เนื่องจากในริง:
ถ้าสมาชิกaในเซมิกรุป (หรือริง) มีตัวผกผัน ตัวผกผันนั้นจะต้องเป็นตัวผกผันทั่วไปเพียงตัวเดียวของสมาชิกนี้ เช่น สมาชิก 1, 5, 7 และ 11 ในริง
ในริงนี้สมาชิกใดๆ ก็เป็นตัวผกผันทั่วไปของ 0 ได้ แต่ 2 ไม่มีตัวผกผันทั่วไป เนื่องจากไม่มีbในริงนี้ที่ทำให้0 เป็นจริง
การก่อสร้าง
ลักษณะต่างๆ ต่อไปนี้สามารถตรวจสอบได้ง่าย:
- เมทริกซ์ผกผันขวาของเมทริกซ์ที่ไม่ใช่เมทริกซ์จัตุรัส จะกำหนดโดย โดยมีเงื่อนไขว่าเมทริกซ์นั้นมีอันดับแถวเต็ม[ 6 ]
- เมทริกซ์ผกผันซ้ายของเมทริกซ์ที่ไม่ใช่เมทริกซ์จัตุรัสจะกำหนดโดย โดยมีเงื่อนไขว่าเมทริกซ์นั้นมีอันดับคอลัมน์เต็ม[ 6 ]
- ถ้าเป็นการแยกตัวประกอบอันดับแล้วเป็น g-อินเวอร์สของโดยที่เป็นอินเวอร์สขวาของและเป็นอินเวอร์สซ้ายของ
- ถ้าสำหรับเมทริกซ์ที่ไม่เอกฐานใดๆและแล้วจะเป็นอินเวอร์สทั่วไปของสำหรับและ ใด ๆ
- ให้เป็นเมทริกซ์ที่มีอันดับโดยไม่เสียความเป็นทั่วไปให้ โดยที่เป็นเมทริกซ์ย่อยที่ไม่เอกฐานของแล้วเป็นเมทริกซ์ผกผันทั่วไปของ ก็ ต่อเมื่อ
การใช้งาน
อินเวอร์สทั่วไปใดๆ ก็สามารถใช้เพื่อตรวจสอบว่าระบบสมการเชิงเส้นมีคำตอบหรือไม่ และถ้ามี ก็สามารถให้คำตอบทั้งหมดได้ หากมีคำตอบใดๆ สำหรับระบบสมการเชิงเส้นขนาด n × m
โดยมีเวกเตอร์ของตัวแปรที่ไม่ทราบค่าและเวกเตอร์ของค่าคงที่ คำตอบทั้งหมดจะได้รับจาก
พาราเมตริกบนเวกเตอร์ใดๆโดยที่เป็นอินเวอร์สทั่วไปใดๆ ของคำตอบมีอยู่ก็ต่อเมื่อเป็นคำตอบ นั่นคือ ก็ต่อเมื่อถ้าAมีอันดับคอลัมน์เต็ม นิพจน์ในวงเล็บในสมการนี้จะเป็นเมทริกซ์ศูนย์ดังนั้นคำตอบจึงมีเพียงหนึ่งเดียว[ 12 ]
เมทริกซ์ผกผันทั่วไป
เมทริกซ์ผกผันทั่วไปสามารถอธิบายได้ดังนี้ ให้และ
เป็นการ แยกส่วนค่าเอกลักษณ์ของมันจากนั้นสำหรับอินเวอร์สทั่วไปใดๆ จะมี เมทริกซ์, , และอยู่[ 1 ]เช่นนั้น
ในทางกลับกัน การเลือก, , และสำหรับเมทริกซ์ในรูปแบบนี้จะเป็นอินเวอร์สทั่วไปของ[ 1 ] อินเวอร์ส - คืออินเวอร์สที่, อินเวอร์ส - คืออินเวอร์สที่, และอินเวอร์ส - คืออินเวอร์สที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อินเวอร์สเทียมจะกำหนดโดย:
คุณสมบัติความสอดคล้องของการแปลง
ในการใช้งานจริง จำเป็นต้องระบุประเภทของการแปลงเมทริกซ์ที่ต้องคงไว้โดยอินเวอร์สทั่วไป ตัวอย่างเช่น อินเวอร์สของมัวร์-เพนโรสสอดคล้องกับนิยามความสอดคล้องต่อไปนี้เกี่ยวกับการแปลงที่เกี่ยวข้องกับเมทริกซ์เอกลักษณ์UและV :
- .
อินเวอร์สของดราซินสอดคล้องกับนิยามความสอดคล้องกันต่อไปนี้เกี่ยวกับการแปลงความคล้ายคลึงกันที่เกี่ยวข้องกับเมทริกซ์S ที่ไม่เอกฐาน :
- .
อินเวอร์สที่สอดคล้องกับหน่วย (UC) [ 13 ] สอดคล้องกับคำจำกัดความของความสอดคล้องดังต่อไปนี้เกี่ยวกับการแปลงที่เกี่ยวข้องกับเมทริกซ์แนวทแยงที่ไม่เอกฐานDและE :
- .
ข้อเท็จจริงที่ว่าตัวผกผันของมัวร์-เพนโรสให้ความสอดคล้องกับการหมุน (ซึ่งเป็นการแปลงเชิงตั้งฉาก) อธิบายถึงการใช้งานอย่างแพร่หลายในฟิสิกส์และการประยุกต์ใช้งานอื่นๆ ที่ต้องรักษาระยะทางแบบยุคลิดไว้ ในทางตรงกันข้าม ตัวผกผันของยูซีใช้ได้เมื่อคาดว่าพฤติกรรมของระบบจะไม่เปลี่ยนแปลงไปตามการเลือกหน่วยของตัวแปรสถานะที่แตกต่างกัน เช่น ไมล์เทียบกับกิโลเมตร
ดูเพิ่มเติม
การอ้างอิง
- ^ a b c d e f Ben-Israel & Greville 2003 , หน้า 2, 7
- ^ a b c Nakamura 1991 , หน้า 41–42
- ^ a b Rao & Mitra 1971 , หน้า vii, 20
- ^ Rao & Mitra 1971 , หน้า 24
- ↑เราและมิตรา 1971 , หน้า 19–20
- ^ a b c Rao & Mitra 1971 , หน้า 19
- ↑เราและมิตรา 1971 , หน้า 20, 28, 50–51
- ^เบน-อิสราเอลและเกรวิลล์ 2003หน้า 7
- ^แคมป์เบลล์และเมเยอร์ 1991หน้า 10
- ^เจมส์ 1978หน้า 114
- ^นากามูระ 1991หน้า 42
- ^เจมส์ 1978หน้า 109–110
- ^อูลมันน์ 2018
แหล่งที่มา
ตำราเรียน
- เบน-อิสราเอล, อาดี ; เกรวิลล์, โทมัส นอลล์ อีเดน (2003). อินเวอร์สทั่วไป: ทฤษฎีและการประยุกต์ใช้ (ฉบับที่ 2). นิวยอร์ก, นิวยอร์ก: สปริงเกอร์. doi : 10.1007/b97366 . ISBN 978-0-387-00293-4.
- Campbell, Stephen L.; Meyer, Carl D. (1991). ตัวผกผันทั่วไปของการแปลงเชิงเส้น . Dover. ISBN 978-0-486-66693-8.
- ฮอร์น, โรเจอร์ อลัน ; จอห์นสัน, ชาร์ลส์ รอยัล (1985). การวิเคราะห์เมทริกซ์ . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ . ISBN 978-0-521-38632-6.
- นากามูระ, โยชิฮิโกะ (1991). หุ่นยนต์ขั้นสูง: ความซ้ำซ้อนและการเพิ่มประสิทธิภาพ . แอดดิสัน-เวสลีย์. ISBN 978-0201151985.
- Rao, C. Radhakrishna; Mitra, Sujit Kumar (1971). เมทริกซ์ผกผันทั่วไปและการประยุกต์ใช้ . นิวยอร์ก: John Wiley & Sons. หน้า 240. ISBN 978-0-471-70821-6.
สิ่งพิมพ์
- James, M. (มิถุนายน 1978). "ตัวผกผันทั่วไป". The Mathematical Gazette . 62 (420): 109– 114. doi : 10.2307/3617665 . JSTOR 3617665 .
- Uhlmann, Jeffrey K. (2018). "เมทริกซ์ผกผันทั่วไปที่สอดคล้องกับการแปลงแนวทแยง" . SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications . 239 (2): 781– 800. doi : 10.1137/17M113890X .
- Zheng, Bing; Bapat, Ravindra (2004). "ตัวผกผันทั่วไป A(2)T,S และสมการอันดับ" คณิตศาสตร์ประยุกต์และการคำนวณ 155 ( 2): 407– 415. doi : 10.1016/S0096-3003(03)00786-0 .
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ผกผันทั่วไป
ใน ทางคณิตศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน พีชคณิต ตัว ผกผันทั่วไป (หรือ g-inverse ) ขององค์ประกอบ x คือองค์ประกอบ y ที่มีคุณสมบัติบางอย่างของ องค์ประกอบผกผัน...
ส่วนกลับของเซมิกรุป (หรือริง) อื่นๆ
สมาชิก b เป็นตัวผกผันทั่วไปของสมาชิก a ก็ต่อเมื่อ ในเซมิกรุปใดๆ (หรือ ริง ใด ๆ เนื่องจาก ฟังก์ชัน การคูณ ในริงใดๆ ก็เป็นเซมิกรุป) เอ ⋅ ข ⋅ เอ = เอ {\displaystyle a\cdot b\cdot a=a}
การก่อสร้าง
ลักษณะต่างๆ ต่อไปนี้สามารถตรวจสอบได้ง่าย:
การใช้งาน
อินเวอร์สทั่วไปใดๆ ก็สามารถใช้เพื่อตรวจสอบว่า ระบบสมการเชิงเส้น มีคำตอบหรือไม่ และถ้ามี ก็สามารถให้คำตอบทั้งหมดได้ หากมีคำตอบใดๆ สำหรับระบบสมการเชิงเส้นขนาด n × m