4.1: Determinantes- Definición
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
- Aprender la definición del determinante.
- Aprenda algunas formas de hacer un globo ocular con determinante cero, y cómo calcular determinantes de matrices triangulares superiores e inferiores.
- Aprende las propiedades básicas del determinante, y cómo aplicarlas.
- Receta: calcular el determinante usando operaciones de fila y columna.
- Teoremas: teorema de existencia, propiedad de invertibilidad, propiedad de multiplicatividad, propiedad de transposición.
- Palabras del vocabulario: diagonal, triangular superior, triangular inferior, transposición.
- Palabra esencial del vocabulario: determinante.
En esta sección, definimos el determinante, y presentamos una forma de calcularlo. Luego discutimos algunas de las muchas propiedades maravillosas que disfruta el determinante.
La Definición del Determinante
El determinante de una matriz cuadradaA es un número realdet(A). Se define a través de su comportamiento con respecto a las operaciones de fila; esto significa que podemos usar la reducción de filas para calcularlo. Daremos una fórmula recursiva para el determinante en la Sección 4.2. También mostraremos en la Subsección Propiedades Mágicas del Determinante que el determinante está relacionado con la invertibilidad, y en la Sección 4.3 que está relacionado con los volúmenes.
El determinante es una función
det:{square matrices}→R
satisfaciendo las siguientes propiedades:
- Hacer un reemplazo de fila enA no cambiadet(A).
- Escalar una fila deA por un escalarc multiplica el determinante porc.
- El intercambio de dos filas de una matriz multiplica el determinante por−1.
- El determinante de la matriz de identidadIn es igual a1.
Es decir, a cada matriz cuadrada leA asignamos un númerodet(A) de manera que satisfaga las propiedades anteriores.
En cada uno de los tres primeros casos, hacer una operación de fila en una matriz escala el determinante por un número distinto de cero. (Multiplicar una fila por cero no es una operación de fila). Por lo tanto, hacer operaciones de fila en una matriz cuadradaA no cambia si el determinante es cero o no.
La motivación principal detrás del uso de estas propiedades definitorias particulares es geométrica: ver Sección 4.3. Otra motivación para esta definición es que nos dice cómo calcular el determinante: remar reducir y hacer un seguimiento de los cambios.
Vamos a calculardet(2114). Primero remonamos reducir, luego calculamos el determinante en el orden opuesto:
\ begin {align*}\ amp\ left (\ begin {array} {cc} 2&1\\ 1&4\ end {array}\ right)\ amp\ strut\ det\ amp=7\\\;\ xrightarrow {R_1\ leftrightarrow R_2}\;\ amp\ left (\ begin {array} {cc} 1&4\ 2&1\ end {array}\ derecha)\ amp\ puntal\ det\ amp= -7\\\;\ xrightarrow {R_2=R_2-2R_1}\;\ amp\ izquierda (\ begin {array} {cc} 1&4\ 0&-7\ end { array}\ derecha)\ amp\ strut\ det\ amp = -7\\\;\ xrightarrow {R_2=R_2\ div -7}\;\ amp\ left (\ begin {array} {cc} 1&4\\ 0&1\ end {array}\ derecha)\ amp\ strut\ det\ amp = amp= 1\\\;\ xfila derecha {R_1=R_1-4R_2}\;\ amp\ left (\ begin {array} {cc} 1&0\\ 0&1\ end {array}\ derecha)\ amp\ strut\ det\ amp = 1\ end {align*}
La forma de escalón de fila reducida de la matriz es la matriz de identidadI2, por lo que su determinante es1. El segundo último paso en la reducción de fila fue un reemplazo de fila, por lo que la matriz de la segunda final también tiene determinante1. El paso previo en la reducción de fila fue un escalado de fila−1/7; ya que (el determinante de los tiempos de la segunda matriz−1/7) es1, el determinante de la segunda matriz debe ser−7. El primer paso en la reducción de fila fue un intercambio de filas, por lo que el determinante de la primera matriz es negativo el determinante de la segunda. Así, el determinante de la matriz original es7.
Tenga en cuenta que nuestra respuesta concuerda con la Definición 3.5.2 en la Sección 3.5 del determinante.
det(1003)Cómpiate.
Solución
VamosA=(1003). Ya queA se obtiene deI2 multiplicando la segunda fila por la constante3, que tenemos
det(A)=3det(I2)=3⋅1=3.
Tenga en cuenta que nuestra respuesta concuerda con la Definición 3.5.2 en la Sección 3.5 del determinante.
det(100001510)Cómpiate.
Solución
Primero remaremos reducir, luego calculamos el determinante en el orden opuesto:
\ begin {align*}\ amp\ left (\ begin {array} {ccc} 1&0&0\\ 0&0&0&1\\ 5&1&0\ end {array}\ derecha)\ amp\ strut\ det\ amp=-1\\\;\ xrightarrow {R_2\ leftrightarrow R_3}\;\ amp\ left (\ begin {array} {ccc} &0&0\\ 5&1&0\\ 0&0&1\ end {array}\ derecha)\ amp\ puntal\ det\ amp = 1\\\;\ xrightarrow {R_2=R_2-5R_1} \;\ amp\ left (\ begin {array} {ccc} 1&0&0\\ 0&1&0\\ 0&0&1\ end {array}\ right)\ amp\ strut\ det\ amp= 1\ end {align*}
La forma de escalón de fila reducida esI3, la que tiene determinante1. Trabajando hacia atrás desdeI3 y usando las cuatro propiedades definitorias Definición4.1.1, vemos que la segunda matriz también tiene determinante1 (difiere deI3 por un reemplazo de fila), y la primera matriz tiene determinante−1 (difiere de la segunda por un intercambio de filas).
Aquí está el método general para calcular determinantes usando la reducción de filas.
DejarA ser una matriz cuadrada. Supongamos que realiza cierto número de operaciones de filaA para obtener una matrizB en forma de escalón de filas. Entonces
det(A)=(−1)r⋅(product of the diagonal entries of B)(product of scaling factors used),
donder es el número de swaps de fila realizados.
En otras palabras, el determinante deA es el producto de entradas diagonales de la forma escalón de filaB, multiplicado por un factor de±1 procedencia del número de intercambios de filas que realizó, dividido por el producto de los factores de escalado utilizados en la reducción de fila.
Esta es una forma eficiente de computar el determinante de una matriz grande, ya sea a mano o por computadora. La complejidad computacional de la reducción de filas es,O(n3); por el contrario, el algoritmo de expansión de cofactores que aprenderemos en la Sección 4.2 tiene complejidadO(n!)≈O(nn√n), que es mucho mayor. (La expansión del cofactor tiene otros usos.)
Computedet(0−7−424637−1).
Solución
Reducimos la matriz, haciendo un seguimiento del número de swaps de fila y de los factores de escalado utilizados.
(0−7−424637−1)R1↔R2→(2460−7−437−1)r=1R1=R1÷2→(1230−7−437−1)scaling factors =12R3=R3−3R1→(1230−7−401−10)R2↔R3→(12301−100−7−4)r=2R3=R3+7R2→(12301−1000−74)
Hicimos dos swaps de filas y escalamos una vez por un factor de1/2, así que la Receta: Computación de determinantes por reducción de filas dice que
det(0−7−424637−1)=(−1)2⋅1⋅1⋅(−74)1/2=−148.
Computedet(1232−11301).
Solución
Reducimos la matriz, haciendo un seguimiento del número de swaps de fila y de los factores de escalado utilizados.
(1232−11301)R2=R2−2R1R3=R3−3R1→(1230−5−50−6−8)R2=R2÷5→(1230110−6−8)scaling factors =−15R3=R3+6R2→(12301100−2)
No hicimos ningún intercambio de filas, y escalamos una vez por un factor de−1/5, así que la Receta: Computar determinantes por reducción de filas dice que
det(1232−11301)=1⋅1⋅(−2)−1/5=10.
Usemos la Receta: Determinantes computacionales por reducción de filas para calcular el determinante de una2×2 matriz generalA=(abcd).
- Sia=0, entonces
det(abcd)=det(0bcd)=−det(cd0b)=−bc. - Sia≠0, entonces
det(abcd)=a⋅det(1b/acd)=a⋅det(1b/a0d−c⋅b/a)=a⋅1⋅(d−bc/a)=ad−bc.
En cualquier caso, recuperamos la Definición 3.5.2 en la Sección 3.5.
det(abcd)=ad−bc.
Si una matriz ya está en forma de escalón de fila, entonces simplemente puede leer el determinante como el producto de las entradas diagonales. Resulta que esto es cierto para una clase de matrices un poco más grande llamada triangular.
- Las entradas diagonales de una matrizA son las entradasa11,a22,…:
Figura4.1.1
- Una matriz cuadrada se llama superior-triangular si todas sus entradas distintas de cero se encuentran por encima de la diagonal, y se llama triangular inferior si todas sus entradas distintas de cero se encuentran por debajo de la diagonal. Se llama diagonal si todas sus entradas distintas de cero se encuentran en la diagonal, es decir, si es tanto triangulares superiores como triangulares inferiores.
Figura4.1.2
ADéjese ser unan×n matriz.
- SiA tiene una fila o columna cero, entoncesdet(A)=0.
- SiA es triangulares superiores o triangulares inferiores, entoncesdet(A) es el producto de sus entradas diagonales.
- Prueba
-
- Supongamos queA has a zero row. Let B be the matrix obtained by negating the zero row. Then det(A)=−det(B) by the second defining property, Definition 4.1.1. But A=B, so det(A)=det(B):
(123000789)R2=−R2→(123000789).
juntar estos rindedet(A)=−det(A), asídet(A)=0.
Ahora supongamos queA tiene una columna cero. Entonces noA es invertible por el Teorema 3.6.1 en la Sección 3.6, por lo que su forma de escalón de fila reducida tiene una fila cero. Dado que las operaciones de fila no cambian si el determinante es cero, concluimosdet(A)=0. - Primero supongamos queA es superior-triangular, y que una de las entradas diagonales es cero, digamosaii=0. Podemos realizar operaciones de fila para borrar las entradas por encima de las entradas diagonales distintas de cero:
(a11⋆⋆⋆0a22⋆⋆000⋆000a44)→(a110⋆00a22⋆00000000a44)
En la matriz resultante, la filai th es cero, así quedet(A)=0 por la primera parte.
Aún asumiendo queA es superior-triangular, ahora supongamos que todas las entradas diagonales deA son distintas de cero. Luego seA puede transformar a la matriz de identidad escalando las entradas diagonales y luego haciendo reemplazos de fila:
(a⋆⋆0b⋆00c)scale bya−1,b−1,c−1→(1⋆⋆01⋆001)rowreplacements→(100010001)det=abc←det=1←det=1
Dado quedet(In)=1 y escalamos por los recíprocos de las entradas diagonales, esto implica quedet(A) es el producto de la entradas diagonales.
El mismo argumento funciona para matrices triangulares inferiores, excepto que los reemplazos de fila bajan en lugar de subir.
- Supongamos queA has a zero row. Let B be the matrix obtained by negating the zero row. Then det(A)=−det(B) by the second defining property, Definition 4.1.1. But A=B, so det(A)=det(B):
Compute los determinantes de estas matrices:
(123045006)(−2000π001003−7)(1703400011/21e).
Solución
La primera matriz es triangular superior, la segunda es triangular inferior y la tercera tiene una fila cero:
det(123045006)=1⋅4⋅6=24det(−2000π001003−7)=−20⋅0⋅−7=0det(17−3400011/21e)=0.
Una matriz siempre se puede transformar en forma de escalón de filas mediante una serie de operaciones de fila, y una matriz en forma de escalón de fila es triangular superior. Por lo tanto, hemos justificado completamente Receta: Computación Determinantes por Reducción de Fila para computar el determinante.
El determinante se caracteriza por sus propiedades definitorias, Definición4.1.1, ya que podemos calcular el determinante de cualquier matriz usando reducción de filas, como en la anterior Receta: Cálculo de Determinantes por Reducción de Filas. Sin embargo, ¡aún no hemos probado la existencia de una función que satisfaga las propiedades definitorias! La reducción de filas calculará el determinante si existe, pero no podemos usar la reducción de filas para probar la existencia, porque aún no sabemos que calcula el mismo número por fila reduciendo de dos maneras diferentes.
Existe una y sólo una función desde el conjunto de matrices cuadradas hasta los números reales, que satisface las cuatro propiedades definitorias, Definición4.1.1.
Demostraremos el teorema de la existencia en la Sección 4.2, exhibiendo una fórmula recursiva para el determinante. Nuevamente, el contenido real del teorema de la existencia es:
No importa qué operaciones de fila realice, siempre calculará el mismo valor para el determinante.
Propiedades mágicas del Determinante
En esta subsección, discutiremos algunas de las increíbles propiedades que disfruta el determinante: la propiedad de invertibilidad, la Proposición4.1.2, la propiedad de multiplicatividad, la Proposición4.1.3, y la propiedad de transposición, Proposición4.1.4.
Una matriz cuadrada es invertible si y solo sidet(A)≠0.
- Prueba
-
SiA es invertible, entonces tiene un pivote en cada fila y columna según el Teorema 3.6.1 en la Sección 3.6, por lo que su forma de escalón de fila reducida es la matriz de identidad. Dado que las operaciones de fila no cambian si el determinante es cero, y dado quedet(In)=1, esto implicadet(A)≠0. Por el contrario, si noA es invertible, entonces es fila equivalente a una matriz con una fila cero. Nuevamente, las operaciones de fila no cambian si el determinante es distinto de cero, por lo que en este casodet(A)=0.
Por la propiedad de invertibilidad, una matriz que no satisface ninguna de las propiedades del Teorema 3.6.1 en la Sección 3.6 tiene determinante cero.
DejarA ser una matriz cuadrada. Si las filas o columnas deA son linealmente dependientes, entoncesdet(A)=0.
- Prueba
-
Si las columnas deA son linealmente dependientes, entonces noA es invertible por la condición 4 del Teorema 3.6.1 en la Sección 3.6. Supongamos ahora que las filas deA son linealmente dependientes. Sir1,r2,…,rn son las filas deA, entonces una de las filas está en el lapso de las otras, entonces tenemos una ecuación como
r2=3r1−r3+2r4.
Si realizamos las siguientes operaciones de fila enA:
R2=R2−3R1;R2=R2+R3;R2=R2−2R4
entonces la segunda fila de la matriz resultante es cero. De ahí que tampocoA sea invertible en este caso.
Alternativamente, si las filas deA son linealmente dependientes, entonces se puede combinar la condición 4 del Teorema 3.6.1 en la Sección 3.6 y la propiedad de transposición, Proposición a4.1.4 continuación para concluir esodet(A)=0.
En particular, si dos filas/columnas deA son múltiplos entre sí, entonces tambiéndet(A)=0. recuperamos el hecho de que una matriz con una fila o columna de ceros tiene determinante cero.
Todas las matrices siguientes tienen un determinante cero:
(02−105100−73),(5−15113−922−616),(3124000042512−1348),(πe113π3e3312−72).
Las pruebas de la propiedad de multiplicatividad, Proposición4.1.3, y la propiedad de transposición, a continuación4.1.4, así como el teorema de expansión del cofactor, Teorema 4.2.1 en la Sección 4.2, y los determinantes y volúmenes Teorema, Teorema 4.3.2 en la Sección 4.3 , utilice la siguiente estrategia: definir otra funciónd:{n×n matrices}→R, y demostrar qued satisface las mismas cuatro propiedades definitorias que el determinante. Por el teorema de la existencia4.1.1, Teorema, la funciónd es igual al determinante. Esta es una ventaja de definir una función a través de sus propiedades: para demostrar que es igual a otra función, solo hay que verificar las propiedades definitorias.
SiA yB sonn×n matrices, entonces
det(AB)=det(A)det(B).
- Prueba
-
En esta prueba, necesitamos usar la noción de una matriz elemental. Esta es una matriz obtenida haciendo una operación de fila a la matriz de identidad. Hay tres tipos de matrices elementales: las que surgen del reemplazo de filas, el escalado de filas y los swaps de filas:
(100010001)R2=R2−2R1→(100−210001)(100010001)R1=3R1→(300010001)(100010001)R1↔R2→(010100001)
La propiedad importante de las matrices elementales es la siguiente afirmación.
Reclamación: SiE es la matriz elemental para una operación de fila, entoncesEA es la matriz obtenida realizando la misma operación de fila enA.
En otras palabras, la multiplicación a la izquierda por una matriz elemental aplica una operación de fila. Por ejemplo,
(100−210001)(a11a12a13a21a22a23a31a32a33)=(a11a12a13a21−2a11a22−2a12a23−2a13a31a32a33)(300010001)(a11a12a13a21a22a23a31a32a33)=(3a113a123a13a21a22a23a31a32a33)(010100001)(a11a12a13a21a22a23a31a32a33)=(a21a22a23a11a12a13a31a32a33).
El comprobante de la Reclamación es por cálculo directo; dejamos al lector generalizar las igualdades anteriores an×n matrices.
Como consecuencia de la Reclamación y las cuatro propiedades definitorias4.1.1, Definición, tenemos la siguiente observación. DejarC ser cualquier matriz cuadrada.
- SiE es la matriz elemental para un reemplazo de fila, entoncesdet(EC)=det(C). En otras palabras, la multiplicación a la izquierda porE no cambia el determinante.
- SiE es la matriz elemental para una escala de fila por un factor dec, entoncesdet(EC)=cdet(C). En otras palabras, multiplicación a la izquierda porE escalas el determinante por un factor dec.
- SiE es la matriz elemental para un intercambio de filas, entoncesdet(EC)=−det(C). En otras palabras, la multiplicación a la izquierda porE niega el determinante.
Dado qued satisface las cuatro propiedades definitorias del determinante, es igual al determinante por el teorema de la existencia4.1.1. En otras palabras, para todas las matricesA, tenemos
det(A)=d(A)=det(AB)det(B).
Multiplicando pordet(B) dadet(A)det(B)=det(AB).
- DejarC′ ser la matriz obtenida al intercambiar dos filas deC, y dejarE ser la matriz elemental para esta sustitución de filas, asíC′=EC. Dado que la multiplicaciónE a la izquierda por niega el determinante, tenemosdet(ECB)=−det(CB), tan
d(C′)=det(C′B)det(B)=det(ECB)det(B)=−det(CB)det(B)=−d(C). - Tenemos
d(In)=det(InB)det(B)=det(B)det(B)=1.
Ahora pasamos a la prueba de la propiedad de multiplicatividad. Supongamos que para comenzar eso noB es invertible. Entonces tampocoAB es invertible: de lo contrario,(AB)−1AB=In implicaB−1=(AB)−1A. Por la propiedad de invertibilidad, Proposición4.1.2, ambos lados de la ecuacióndet(AB)=det(A)det(B) son cero.
Ahora supongamos queB es invertible, entoncesdet(B)≠0. Definir una función
d:{n×n matrices}→Rbyd(C)=det(CB)det(B).
Afirmamos qued satisface las cuatro propiedades definitorias del determinante.
- DejarC′ ser la matriz obtenida haciendo un reemplazo de fila enC, y dejarE ser la matriz elemental para este reemplazo de fila, entoncesC′=EC. Como la multiplicación a la izquierda porE no cambia el determinante, tenemosdet(ECB)=det(CB), tan
d(C′)=det(C′B)det(B)=det(ECB)det(B)=det(CB)det(B)=d(C). - DejarC′ ser la matriz obtenida escalando una fila deC por un factor dec, y dejarE ser la matriz elemental para esta sustitución de fila, asíC′=EC. Desde la multiplicación izquierda porE escalas el determinante por un factor dec, tenemosdet(ECB)=cdet(CB), tan
d(C′)=det(C′B)det(B)=det(ECB)det(B)=cdet(CB)det(B)=c⋅d(C).
Recordemos que tomar un poder de una matriz cuadradaA significa tomar productosA consigo mismo:
A2=AAA3=AAAetc.
SiA es invertible, entonces definimos
A−2=A−1A−1A−3=A−1A−1A−1etc.
Para completar, establecemosA0=In siA≠0.
SiA es una matriz cuadrada, entonces
det(An)=det(A)n
para todosn≥1. SiA es invertible, entonces la ecuación tambiénn≤0 se mantiene para todos; en particular,
det(A−1)=1det(A).
- Prueba
-
Usando la propiedad multiplicatividad, Proposición4.1.3, calculamos
det(A2)=det(AA)=det(A)det(A)=det(A)2
y
det(A3)=det(AAA)=det(A)det(AA)=det(A)det(A)det(A)=det(A)3;
el patrón es claro.
Tenemos
1=det(In)=det(AA−1)=det(A)det(A−1)
por la propiedad multiplicatividad, Proposición4.1.3 y la cuarta propiedad definitoria, Definición4.1.1, lo que demuestra quedet(A−1)=det(A)−1. Así
det(A−2)=det(A−1A−1)=det(A−1)det(A−1)=det(A−1)2=det(A)−2,
y así sucesivamente.
Calculardet(A100), dónde
A=(4121).
Solución
Tenemosdet(A)=4−2=2, tan
det(A100)=det(A)100=2100.
En ninguna parte tuvimos que calcular el poder100 th deA! (Aprenderemos una manera eficiente de hacerlo en la Sección 5.4.)
Aquí hay otra aplicación de la propiedad de multiplicatividad, Proposición4.1.3.
A1,A2,…,AkDejen sern×n matrices. Entonces el productoA1A2⋯Ak es invertible si y sólo si cada unoAi es invertible.
- Prueba
-
El determinante del producto es el producto de los determinantes por la propiedad de multiplicatividad, Proposición4.1.3:
det(A1A2⋯Ak)=det(A1)det(A2)⋯det(Ak).
Por la propiedad de invertibilidad, Proposición4.1.2, esto es distinto de cero si y solo siA1A2⋯Ak es invertible. Por otro lado,det(A1)det(A2)⋯det(Ak) es distinto de cero si y sólo si cada unodet(Ai)≠0, lo que significa que cada unoAi es invertible.
Para cualquier númeron que definamos
An=(1n12).
Demostrar que el producto
A1A2A3A4A5
no es invertible.
Solución
Cuandon=2, la matriz noA2 es invertible, porque sus filas son idénticas:
A2=(1212).
De ahí que cualquier producto que involucre noA2 es invertible.
Para establecer la propiedad de transposición, necesitamos definir la transposición de una matriz.
La transposición de unam×n matrizA es lan×m matrizAT cuyas filas son las columnas deA. En otras palabras, laij entrada deAT esaji.
Figura4.1.3
Al igual que la inversión, la transposición invierte el orden de multiplicación matricial.
DejarA ser unam×n matriz, y dejarB ser unan×p matriz. Entonces
(AB)T=BTAT.
- Prueba
-
Primero supongamos queA es un vector de fila yB es un vector de columna, es decir,m=p=1. Entonces
AB=(a1a2⋯an)(b1b2⋮bn)=a1b1+a2b2+⋯+anbn=(b1b2⋯bn)(a1a2⋮an)=BTAT.
Ahora usamos la regla fila-columna para la multiplicación matricial. r1,r2,…,rmDejen ser las filas deA, y dejar quec1,c2,…,cp sean las columnas deB, tan
AB=\left(\begin{array}{c}—r_1 —\\ —r_2— \\ \vdots \\ —r_m—\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}|&|&\quad &| \\ c_1&c_2&\cdots &c_p \\ |&|&\quad &|\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}r_1c_1&r_1c_2&\cdots &r_1c_p \\ r_2c_1&r_2c_2&\cdots &r_2c_p \\ \vdots &\vdots &{}&\vdots \\ r_mc_1&r_mc_2&\cdots &r_mc_p\end{array}\right).\nonumber
Por el caso que manejamos anteriormente, tenemosr_ic_j = c_j^Tr_i^T. Entonces
\begin{aligned}(AB)^T&=\left(\begin{array}{cccc}r_1c_1&r_2c_1&\cdots &r_mc_1 \\ r_1c_2&r_2c_2&\cdots &r_mc_2 \\ \vdots &\vdots &{}&\vdots \\ r_1c_p&r_2c_p&\cdots &r_mc_p\end{array}\right) \\ &=\left(\begin{array}{cccc}c_1^Tr_1^T &c_1^Tr_2^T&\cdots &c_1^Tr_m^T \\ c_2^Tr_1^T&c_2^Tr_2^T&\cdots &c_2^Tr_m^T \\ \vdots&\vdots&{}&\vdots \\ c_p^Tr_1^T&c_p^Tr_2^T&\cdots&c_p^Tr_m^T\end{array}\right) \\ &=\left(\begin{array}{c}—c_1^T— \\ —c_2^T— \\ \vdots \\ —c_p^T—\end{array}\right)\left(\begin{array}{cccc}|&|&\quad&| \\ r_1^T&r_2^T&\cdots&r_m^T \\ |&|&\quad&|\end{array}\right)=B^TA^T.\end{aligned}
Para cualquier matriz cuadradaA\text{,} tenemos
\det(A) = \det(A^T). \nonumber
- Prueba
-
Seguimos la misma estrategia que en la prueba de la propiedad de multiplicatividad, Proposición\PageIndex{3}: es decir, definimos
d(A) = \det(A^T), \nonumber
y demostramos qued satisface las cuatro propiedades definitorias del determinante. Nuevamente utilizamos matrices elementales, también introducidas en la prueba de la propiedad de multiplicatividad, Proposición\PageIndex{3}.
- Dejar DeC' be the matrix obtained by doing a row replacement on C\text{,} and let E be the elementary matrix for this row replacement, so C' = EC. The elementary matrix for a row replacement is either upper-triangular or lower-triangular, with ones on the diagonal: R_1=R_1+3R_3:\left(\begin{array}{ccc}1&0&3\\0&1&0\\0&0&1\end{array}\right)\quad R_3=R_3+3R_1:\left(\begin{array}{ccc}1&0&0\\0&1&0\\3&0&1\end{array}\right).\nonumber
ello se deduce que tambiénE^T es o superior-triangular o inferior triangular, con unos en la diagonal, así\det(E^T) = 1 por esta Proposición\PageIndex{1}. Por el hecho\PageIndex{1} y la propiedad de multiplicatividad, Proposición\PageIndex{3}, \begin{split} d(C') \amp= \det((C')^T) = \det((EC)^T) = \det(C^TE^T) \\ \amp= \det(C^T)\det(E^T) = \det(C^T) = d(C). \end{split} \nonumber - DejarC' ser la matriz obtenida escalando una fila deC por un factor dec\text{,} y dejarE ser la matriz elemental para esta sustitución de fila, asíC' = EC. EntoncesE es una matriz diagonal:R_2=cR_2:\: \left(\begin{array}{ccc}1&0&0\\0&c&0\\0&0&1\end{array}\right).\nonumber Así\det(E^T) = c. Por el hecho\PageIndex{1} y la propiedad de multiplicatividad, Proposición\PageIndex{3}, \begin{split} d(C') \amp= \det((C')^T) = \det((EC)^T) = \det(C^TE^T) \\ \amp= \det(C^T)\det(E^T) = c\det(C^T) = c\cdot d(C). \end{split} \nonumber
- DejarC' ser la matriz obtenida al intercambiar dos filas deC\text{,} y dejarE ser la matriz elemental para esta sustitución de filas, asíC' = EC. ElE es igual a su propia transposición:R_1\longleftrightarrow R_2:\:\left(\begin{array}{ccc}0&1&0\\1&0&0\\0&0&1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}0&1&0\\1&0&0\\0&0&1\end{array}\right)^T.\nonumber Dado queE (por lo tantoE^T) se obtiene realizando un intercambio de fila en la matriz de identidad, tenemos\det(E^T) = -1. Por el hecho\PageIndex{1} y la propiedad de multiplicatividad, Proposición\PageIndex{3}, \begin{split} d(C') \amp= \det((C')^T) = \det((EC)^T) = \det(C^TE^T) \\ \amp= \det(C^T)\det(E^T) = -\det(C^T) = - d(C). \end{split} \nonumber
- Ya queI_n^T = I_n, tenemos d(I_n) = \det(I_n^T) = det(I_n) = 1. \nonumber d Since satisface las cuatro propiedades definitorias del determinante, es igual al determinante por el teorema de la existencia\PageIndex{1}. En otras palabras, para todas las matricesA\text{,} tenemos \det(A) = d(A) = \det(A^T). \nonumber
- Dejar DeC' be the matrix obtained by doing a row replacement on C\text{,} and let E be the elementary matrix for this row replacement, so C' = EC. The elementary matrix for a row replacement is either upper-triangular or lower-triangular, with ones on the diagonal: R_1=R_1+3R_3:\left(\begin{array}{ccc}1&0&3\\0&1&0\\0&0&1\end{array}\right)\quad R_3=R_3+3R_1:\left(\begin{array}{ccc}1&0&0\\0&1&0\\3&0&1\end{array}\right).\nonumber
La propiedad de transposición, Proposición\PageIndex{4}, es muy útil. Para concretar, señalamos que\det(A)=\det(A^T) significa, por ejemplo, que
\det\left(\begin{array}{ccc}1&2&3\\4&5&6\\7&8&9\end{array}\right) = \det\left(\begin{array}{ccc}1&4&7\\2&5&8\\3&6&9\end{array}\right). \nonumber
Esto implica que el determinante tiene la curiosa característica de que también se comporta bien con respecto a las operaciones de columna. En efecto, una operación de columna enA es lo mismo que una operación de fila enA^T\text{,} y\det(A) = \det(A^T).
El determinante satisface las siguientes propiedades con respecto a las operaciones de columna:
- Hacer un reemplazo de columnaA encendido no cambia\det(A).
- Escalar una columna deA por un escalarc multiplica el determinante porc.
- El intercambio de dos columnas de una matriz multiplica el determinante por-1.
El corolario anterior facilita el cálculo del determinante: se permite realizar operaciones de fila y columna al simplificar la matriz. (Por supuesto, todavía hay que hacer un seguimiento de cómo las operaciones de fila y columna cambian el determinante).
Compute\det\left(\begin{array}{ccc}2&7&4\\3&1&3\\4&0&1\end{array}\right).
Solución
Se necesitan menos operaciones de columna que operaciones de fila para hacer esta matriz triangulares superiores:
\begin{aligned}\left(\begin{array}{ccc}2&7&4\\3&1&3\\4&0&1\end{array}\right)\quad\xrightarrow{C_1=C_1-4C_3}\quad &\left(\begin{array}{ccc}-14&7&4\\-9&1&3\\0&0&1\end{array}\right) \\ {}\xrightarrow{C_1=C_1+9C_2}\quad&\left(\begin{array}{ccc}49&7&4\\0&1&3\\0&0&1\end{array}\right)\end{aligned}
Se realizaron dos reemplazos de columna, lo que no cambia el determinante; por lo tanto,
\det\left(\begin{array}{ccc}2&7&4\\3&1&3\\4&0&1\end{array}\right) = \det\left(\begin{array}{ccc}49&7&4\\0&1&3\\0&0&1\end{array}\right) = 49. \nonumber
Multilinealidad
La siguiente observación es útil para fines teóricos.
Podemos pensar en\det como una función de las filas de una matriz:
\det(v_1,v_2,\ldots,v_n) = \det\left(\begin{array}{c}—v_1— \\ —v_2— \\ \vdots \\ —v_n—\end{array}\right). \nonumber
Dejari ser un número entero entre1 yn\text{,} y fijarn-1 vectoresv_1,v_2,\ldots,v_{i-1},v_{i+1},\ldots,v_n en\mathbb{R}^n . Luego la transformaciónT\colon\mathbb{R}^n \to\mathbb{R} definida por
T(x) = \det(v_1,v_2,\ldots,v_{i-1},x,v_{i+1},\ldots,v_n) \nonumber
es lineal.
- Prueba
-
Primero asumamos quei=1\text{,} así
T(x) = \det(x,v_2,\ldots,v_n). \nonumber
Tenemos que demostrar queT satisface las propiedades definitorias, Definición 3.3.1, en la Sección 3.3.
- Por la primera propiedad definitoria\PageIndex{1}, Definición, escalando cualquier fila de una matriz por un númeroc escala el determinante por un factor dec. Esto implica queT satisface la segunda propiedad, es decir, que T(cx) = \det(cx,v_2,\ldots,v_n) = c\det(x,v_2,\ldots,v_n) = cT(x). \nonumber
- Eso lo afirmamosT(v+w) = T(v) + T(w). Siw está en\text{Span}\{v,v_2,\ldots,v_n\}\text{,} entonces w = cv + c_2v_2 + \cdots + c_nv_n \nonumber para algunos escalaresc,c_2,\ldots,c_n. DejarA ser la matriz con filasv+w,v_2,\ldots,v_n\text{,} asíT(v+w) = \det(A). Al realizar las operaciones de fila R_1 = R_1 - c_2R_2;\quad R_1 = R_1 - c_3R_3;\quad\ldots\quad R_1 = R_1 - c_nR_n, \nonumber la primera fila de la matrizA se convierte v+w-(c_2v_2+\cdots+c_nv_n) = v + cv = (1+c)v. \nonumber Por lo tanto, \begin{split} T(v+w) = \det(A) \amp= \det((1+c)v,v_2,\ldots,v_n) \\ \amp= (1+c)\det(v,v_2,\ldots,v_n) \\ \amp= T(v) + cT(v) = T(v) + T(cv). \end{split} \nonumber Hacer las operaciones de fila opuesta R_1 = R_1 + c_2R_2;\quad R_1 = R_1 + c_3R_3;\quad\ldots\quad R_1 = R_1 + c_nR_n \nonumber a la matriz con filascv,v_2,\ldots,v_n muestra aquello \begin{split} T(cv) \amp= \det(cv,v_2,\ldots,v_n) \\ \amp= \det(cv+c_2v_2+\cdots+c_nv_n,v_2,\ldots,v_n) \\ \amp= \det(w,v_2,\ldots,v_n) = T(w), \end{split} \nonumber que termina el comprobante del primer inmueble en este caso.
Ahora supongamos que eso now está adentro\text{Span}\{v,v_2,\ldots,v_n\}. Esto implica que\{v,v_2,\ldots,v_n\} es linealmente dependiente (de lo contrario formaría una base para\mathbb{R}^n ), asíT(v) = 0. Si nov está en\text{Span}\{v_2,\ldots,v_n\}\text{,} entonces\{v_2,\ldots,v_n\} es linealmente dependiente por el criterio de span creciente, Teorema 2.5.2 en la Sección 2.5, por lo queT(x) = 0 para todosx\text{,} como la matriz con filas nox,v_2,\ldots,v_n es invertible. De ahí que podamos suponer quev está en\text{Span}\{v_2,\ldots,v_n\}. Por el argumento anterior con los roles dev yw revertidos, tenemosT(v+w) = T(v)+T(w).
Parai\neq 1\text{,} notamos que
\begin{split} T(x) \amp= \det(v_1,v_2,\ldots,v_{i-1},x,v_{i+1},\ldots,v_n) \\ \amp= -\det(x,v_2,\ldots,v_{i-1},v_1,v_{i+1},\ldots,v_n). \end{split} \nonumber
Por el caso previamente manejado, sabemos que-T es lineal:
-T(cx) = -cT(x) \qquad -T(v+w) = -T(v) - T(w). \nonumber
Multiplicando ambos lados por-1\text{,} vemos queT es lineal.
Por ejemplo, tenemos
\det\left(\begin{array}{lcr}—&v_1&— \\ —&av+bw&— \\ —&v_3&—\end{array}\right)=a\det\left(\begin{array}{c}—v_1— \\ —v— \\ —v_3—\end{array}\right)+b\det\left(\begin{array}{c}—v_1— \\ —w— \\ —v_3—\end{array}\right)\nonumber
Por la propiedad de transposición, Proposición\PageIndex{4}, el determinante también es multilineal en las columnas de una matriz:
\det\left(\begin{array}{ccc}|&|&|\\ v_1&av+bw&v_3 \\ |&|&|\end{array}\right) = a\det\left(\begin{array}{ccc}|&|&|\\v_1&v&v_3 \\ |&|&|\end{array}\right) + b\det\left(\begin{array}{ccc}|&|&|\\v_1&w&v_3\\|&|&|\end{array}\right). \nonumber
En tratamientos más teóricos del tema, donde la reducción de filas juega un papel secundario, las propiedades definitorias del determinante suelen ser:
- El determinante\det(A) es multilineal en las filas deA.
- SiA tiene dos filas idénticas, entonces\det(A) = 0.
- El determinante de la matriz de identidad es igual a uno.
Ya hemos demostrado que nuestras cuatro propiedades definitorias, Definición\PageIndex{1}, implican estas tres. Por el contrario, probaremos que estas tres propiedades alternativas implican nuestras cuatro, de manera que ambos conjuntos de propiedades son equivalentes.
Definir propiedad2 es solo la segunda propiedad definitoria, Definición 3.3.1, en la Sección 3.3. Supongamos que las filas deA sonv_1,v_2,\ldots,v_n. Si realizamos el reemplazo de filaA\text{,} entoncesR_i = R_i + cR_j las filas de nuestra nueva matriz sonv_1,v_2,\ldots,v_{i-1},v_i+cv_j,v_{i+1},\ldots,v_n\text{,} así por linealidad en la filai th,
\begin{split} \det(\amp v_1,v_2,\ldots,v_{i-1},v_i+cv_j,v_{i+1},\ldots,v_n) \\ \amp= \det(v_1,v_2,\ldots,v_{i-1},v_i,v_{i+1},\ldots,v_n) + c\det(v_1,v_2,\ldots,v_{i-1},v_j,v_{i+1},\ldots,v_n) \\ \amp= \det(v_1,v_2,\ldots,v_{i-1},v_i,v_{i+1},\ldots,v_n) = \det(A), \end{split} \nonumber
donde\det(v_1,v_2,\ldots,v_{i-1},v_j,v_{i+1},\ldots,v_n)=0 porquev_j se repite. Así, las propiedades definitorias alternativas implican nuestras dos primeras propiedades definitorias. Para el tercero, supongamos que queremos intercambiar filai con filaj. Usando la segunda alternativa que define la propiedad y la multilinealidad en las filasij th y th, tenemos
\begin{split} 0 \amp= \det(v_1,\ldots,v_i+v_j,\ldots,v_i+v_j,\ldots,v_n) \\ \amp= \det(v_1,\ldots,v_i,\ldots,v_i+v_j,\ldots,v_n) + \det(v_1,\ldots,v_j,\ldots,v_i+v_j,\ldots,v_n) \\ \amp= \det(v_1,\ldots,v_i,\ldots,v_i,\ldots,v_n) + \det(v_1,\ldots,v_i,\ldots,v_j,\ldots,v_n) \\ \amp\qquad+\det(v_1,\ldots,v_j,\ldots,v_i,\ldots,v_n) + \det(v_1,\ldots,v_j,\ldots,v_j,\ldots,v_n) \\ \amp= \det(v_1,\ldots,v_i,\ldots,v_j,\ldots,v_n) + \det(v_1,\ldots,v_j,\ldots,v_i,\ldots,v_n), \end{split} \nonumber
según se desee.
Tenemos
\left(\begin{array}{c}-1\\2\\3\end{array}\right) = -\left(\begin{array}{c}1\\0\\0\end{array}\right) + 2\left(\begin{array}{c}0\\1\\0\end{array}\right) + 3\left(\begin{array}{c}0\\0\\1\end{array}\right). \nonumber
Por lo tanto,
\begin{split} \det\amp\left(\begin{array}{ccc}-1&7&2\\2&-3&2\\3&1&1\end{array}\right) = -\det\left(\begin{array}{ccc}1&7&2\\0&-3&2\\0&1&1\end{array}\right) \\ \amp+ 2\det\left(\begin{array}{ccc}0&7&2\\1&-3&2\\0&1&1\end{array}\right) + 3\det\left(\begin{array}{ccc}0&7&2\\0&-3&2\\1&1&1\end{array}\right). \end{split} \nonumber
Esta es la idea básica detrás de las expansiones de cofactores en la Sección 4.2.
- Hay una y sólo una función que\det\colon\{n\times n\text{ matrices}\}\to\mathbb{R} satisface las cuatro propiedades definitorias, Definición\PageIndex{1}.
- El determinante de una matriz triangular superior o triangular inferior es el producto de las entradas diagonales.
- Una matriz cuadrada es invertible si y sólo si\det(A)\neq 0\text{;} en este caso, \det(A^{-1}) = \frac 1{\det(A)}. \nonumber
- SiA yB sonn\times n matrices, entonces \det(AB) = \det(A)\det(B). \nonumber
- Para cualquier matriz cuadradaA\text{,} tenemos \det(A^T) = \det(A). \nonumber
- El determinante se puede calcular realizando operaciones de fila y/o columna.