Aufgabe

Bestimmen Sie die Inverse ${\rm \bf A^{-1}}$ der folgenden Matrix und formulieren Sie gleichzeitig eine Bedingung für die Existenz einer solchen Inversen: $$\mathbf{A} = \begin{pmatrix} a_{11} &a_{12} \\ a_{21} &a_{22} \end{pmatrix}.$$
Wir müssen die Matrizengleichung $$\begin{pmatrix}a_{11} &a_{12}\\ a_{21} &a_{22} \end{pmatrix} \begin{pmatrix}x_{11}&x_{12}\\ x_{21} &x_{22}\end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1 &0\\ 0 &1\end{pmatrix}$$ lösen: $$\begin{pmatrix} a_{11} x_{11} + a_{12} x_{21} &&a_{11}x_{12} + a_{12}x_{22}\\ a_{21} x_{11} + a_{22} x_{21} &&a_{21} x_{12} + a_{22} x_{22} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix}1 &0\\ 0 &1\end{pmatrix}.$$ Die jeweils erste Spalte dieser Matrixgleichung kann auch folgendermaßen geschrieben werden: $$\begin{matrix}a_{11} x_{11} &+ &a_{12} x_{21} &= &1 &&(+) \\ a_{21} x_{11} &+ &a_{22} x_{21} &= &0 &&(++)\end{matrix}$$ $$\begin{matrix}(++)\Rightarrow & a_{21} x_{11} + a_{22} x_{21} &= &0 \\ & x_{11} &= &- \frac{a_{22}}{a_{21}} x_{21} \\ \\ (+)\Rightarrow &a_{11} (- \frac{a_{22}}{a_{21}}x_{21}) + a_{12} x_{21} &= &1 \qquad\qquad / \cdot a_{21} \\ \\ & ( -a_{11} a_{22} + a_{21} a_{12}) x_{21} &= &a_{21} \\ \\ & x_{21} &= &\frac{-a_{21}}{ |{\rm \bf A}|} \\ \\ (++)\Rightarrow & a_{21} x_{11} + a_{22} \frac{-a_{21}}{|{\rm \bf A}|} &= &0 \\ \\ & x_{11} &= &\frac{a_{22}}{|{\rm \bf A}|}\end{matrix}$$ Ebenso ergeben sich $x_{12}$ und $x_{22}$ entsprechend aus der jeweiligen zweiten Spalte der Matrixgleichung: $$\begin{matrix}a_{11} x_{12} &+ &a_{12} x_{22} &= &0 \\ a_{21} x_{12} &+ &a_{22} x_{22} &= &1\end{matrix}$$ $$\begin{matrix}x_{12} &= &\frac{-a_{12}}{|{\rm \bf A}|}\\ \\ x_{22} &= &\frac{a_{11}}{|{\rm \bf A}|}\end{matrix}$$ Als Inverse ergibt sich damit $$ A^{-1} = \frac{1}{ |{\rm \bf A}|} \begin{pmatrix} a_{22} &-a_{12}\\ -a_{21} &a_{11} \end{pmatrix}$$ Diese Lösung existiert allerdings nur dann, wenn gilt: $|{\rm \bf A}| \ne 0$.

Satz [Existenz der Inversen]
Es sei ${\rm \bf A}$ eine quadratische Matrix und $|{\rm \bf A}| \ne 0$. Dann existiert die inverse Matrix ${\rm \bf A^{-1}}$. Eine Matrix, zu der eine Inverse existiert, heißt regulär. Eine Matrix ist regulär, wenn \begin{equation*} |{\rm \bf A}| \ne 0 \end{equation*} bzw. wenn die Spaltenvektoren (Zeilenvektoren) unabhängig sind.
Definition [Adjungierte]

Die Adjungierte ${\rm \bf A}_{adj}$ zur quadratischen Matrix ${\rm \bf A}$ ist folgende Matrix der Adjunkten / Kofaktoren: \begin{equation*} {\rm \bf A}_{adj} = \begin{pmatrix} A_{11} &\dots &A_{n1}\cr \vdots &&\vdots\cr A_{1n} &\dots &A_{nn}\end{pmatrix} \end{equation*}
Man beachte, dass es sich bei der Adjungierten um die transponierte Matrix der Adjunkten / Kofaktoren handelt (vgl. Ohse:1995 S.285):

Satz

Sei ${\rm \bf A}$ eine quadratische Matrix mit $|{\rm \bf A|} \neq 0$. Die Inverse ${\rm \bf A}^{-1}$ lässt sich mit Hilfe der Adjungierten ${\rm \bf A}_{adj}$ berechnen und ist gegeben durch: \begin{equation*} {\rm \bf A^{-1}} = {1\over |{\rm \bf A}|} \cdot {\rm \bf A}_{adj}. \end{equation*}