กลับไปหน้าบทความ

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

[ 4 ]

นั่นคือเป็นคำตอบของระบบสมการเชิงเส้นหรือกล่าวอีกนัยหนึ่ง เราต้องการเมทริกซ์ที่มีอันดับเช่นนั้น

ดังนั้นเราสามารถกำหนดอินเวอร์สทั่วไปได้ดังนี้: เมื่อกำหนดเมทริกซ์เมทริกซ์จะเรียกว่าเป็นอินเวอร์สทั่วไปของถ้า‍ [1 ] [ 2 ] [ 3 ]เมทริกซ์ได้รับการเรียกขานว่าเป็นอินเวอร์สปกติของโดยผู้เขียนบางท่าน[ 5 ]

G (แทนด้วย X ในภาพ) คืออินเวอร์สทั่วไปของ A และ U กับ V คือโดเมนและโคโดเมนของ A ตามลำดับในกรณีนี้ G จะแมปภาพ ของ A (ปริภูมิคอลัมน์ im A) ไปยังปริภูมิย่อยส่วนเติมเต็มของเคอร์เนล (ปริภูมิว่าง ker A) แบบหนึ่งต่อหนึ่ง และแมปปริภูมิย่อยส่วนเติมเต็มของภาพของ A ทั้งหมดไปยังศูนย์

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

G (แทนด้วย X ในภาพ) คืออินเวอร์สทั่วไปที่ไม่สะท้อนกลับของ A และ U กับ V คือโดเมนและโคโดเมนของ A ตามลำดับ (เช่นเดียวกันด้านล่าง)

อนุญาต

เห็นได้ชัดว่าเป็นเอกพจน์และตรงตามเงื่อนไขของ Penrose (1) แต่ไม่ใช่เงื่อนไขอื่น ดังนั้น จึงเป็นตัวผกผันทั่วไปที่ไม่สะท้อนกลับของ

คอลัมน์แรกของช่วงและแมปไปยังซึ่งไม่อยู่ในนอกจากนี้ยังแมปไปยังซึ่งอยู่ในความสัมพันธ์นี้สรุปได้ในภาพด้านขวา

ตัวผกผันทั่วไปแบบสะท้อนกลับ

G (แทนด้วย X ในภาพ) คือตัวผกผันทั่วไปแบบสะท้อนกลับของ A

อนุญาต

เนื่องจากเป็นเอกฐานและไม่มีอินเวอร์สปกติ อย่างไรก็ตามและเป็นไปตามเงื่อนไขของ Penrose (1) และ (2) แต่ไม่เป็นไปตามเงื่อนไข (3) หรือ (4) ดังนั้น จึงเป็นอินเวอร์สทั่วไปแบบสะท้อนกลับของ

การผกผันด้านเดียว

อนุญาต

เนื่องจากไม่ใช่เมทริกซ์จัตุรัสจึงไม่มีเมทริกซ์ผกผันปกติ อย่างไรก็ตามเป็นเมทริกซ์ผกผันทางขวาของเมทริกซ์ไม่มีเมทริกซ์ผกผันทางซ้าย

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

แหล่งที่มา

ตำราเรียน

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 .
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Generalized_inverse&oldid=1352747379 "

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