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¿Cuándo se intercambian las sumas y las inversiones de las matrices?

¿Pueden ayudarme con el siguiente problema?

El problema: Encuentra las condiciones para que las matrices $A$ y $B$ deben satisfacer para que lo siguiente sea válido: $(A+B)^{-1} = A^{-1} + B^{-1}$ .

Mi solución. La primera condición es que $A$ y $B$ tienen que tener las mismas dimensiones. Entonces, ampliando las dos igualdades: $(A+B) \cdot (A^{-1} + B^{-1})=I $ y $(A^{-1} + B^{-1}) \cdot (A+B)=I$ deduje la segunda condición: $A$ y $B$ tienen que ser ambos invertibles, y la tercera condición es: $A^{-1} \cdot B=B \cdot A^{-1}$ . ¿Es correcta mi respuesta?

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jwarzech Puntos 2769

Para ampliar un poco el comentario de @MichaelHardy, de:

$$A\;B^{-1} + B\;A^{-1} = -I$$

considera también que:

$$(A\;B^{-1})^{-1} = B\;A^{-1}$$

Así que cuando hablamos de todas las soluciones posibles, éstas se pueden generar encontrando $M$ tal que:

$$M + M^{-1} = -I$$

es decir, una matriz invertible $M$ tal que:

$$M^2 + M + I = 0$$

Entonces, si $M$ tiene la(s) raíz(es) característica(s) correspondiente(s), cualquier matriz invertible $B$ puede emparejarse con una matriz invertible $A$ satisfaciendo la relación deseada a través de:

$$A = MB$$

para que $M = A\;B^{-1}$ y $M^{-1} = B\;A^{-1}$ .

Añadido: Algunas palabras más sobre $M$ y sus raíces características son útiles.

Debido a que satisface el polinomio anterior sin raíces repetidas, la matriz compleja $M$ debe ser diagonalizable (similar a una matriz diagonal) con valores propios en $\{ (-1 \pm i\sqrt{3})/2 \}$ las raíces cúbicas no triviales de la unidad. Así que para construir todas esas $M$ , elija cuántas de cada raíz para que combinadas tengamos $n$ la dimensión de $M$ y agruparlos a lo largo de la diagonal de $D$ anteponiendo las que tienen parte imaginaria positiva a las que tienen parte imaginaria negativa (en aras de la definición). Entonces tomemos para una matriz compleja invertible arbitraria $P$ la transformación de similitud:

$$M = P\; D \; P^{-1}$$

Si quisiéramos restringir $M$ a las matrices reales, entonces sus valores propios deben ocurrir en pares conjugados. Por tanto, la dimensión $n$ debe ser par y la "forma canónica real de Jordan" debe tener bloques diagonales $ \bigl(\begin{smallmatrix} \frac{-1}{2}&\frac{\sqrt{3}}{2} \\ \frac{-\sqrt{3}}{2}&\frac{-1}{2} \end{smallmatrix} \bigr)$ . Sustituir $D$ con dicha matriz diagonal en bloque y $P$ con una matriz real invertible arbitraria en nuestra receta de similitud anterior, y se obtiene la construcción de todas las soluciones reales $M$ .

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pedja Puntos 7773

Para la tercera condición tienes eso:

$(A+B)(A+B)^{-1}=(A+B)(A^{-1}+B^{-1})$

$(A+B)^{-1}(A+B)=(A^{-1}+B^{-1})(A+B)$

$\Rightarrow (A+B)(A^{-1}+B^{-1})=(A^{-1}+B^{-1})(A+B)\Rightarrow $

$\Rightarrow AA^{-1}+AB^{-1}+BA^{-1}+BB^{-1}=A^{-1}A+A^{-1}B+B^{-1}A+B^{-1}B \Rightarrow$

$\Rightarrow AB^{-1}+BA^{-1} =A^{-1}B+B^{-1}A$

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