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ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 22 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL TUCUMÁN DETERMINANTES NOTAS TEÓRICAS EJERCICIOS Y APLICACIONES MG ANALIA MENA ESP. GRACIELA ABRAHAM ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 23 2.- DETERMINANTES La teoría de los determinantes tiene su origen con el matemático alemán G. Leibniz, quien los usó en 1693 en referencia a los sistemas de ecuaciones lineales que es precisamente donde tienen su más importante campo de aplicación. Sin embargo, Cauchy en 1812 fue el primero que utilizó los determinantes en el sentido moderno puesto que él fue el responsable del desarrollo de gran parte de la joven teoría de los determinantes, incluyendo varios resultados importantes tales como: la regla del producto para determinantes, el polinomio característico, los eigenvalores y la noción de matriz diagonalizable. Recién en 1841, Jacobi los popularizó aunque en el contexto de las funciones de varias variables, tales como las que se encuentran en un curso de Cálculo de variables múltiples. Estos tipos de determinantes fueron llamados posteriormente “jacobianos”, término que se utiliza hasta la fecha. Lo cierto es que los determinantes representan uno de los temas más útiles del Álgebra lineal, con muchas aplicaciones en ingeniería, física, economía, estadística, matemática y otras ciencias lo que hace más importante su estudio particular y detallado. En esta unidad abordaremos un concepto importante y muy particular, el de determinante de una matriz, con el cual resolveremos una gran cantidad de problemas. Este concepto nos permitirá más adelante hallar una forma de llegar a la inversa de una matriz y aprenderemos un nuevo método para resolver sistemas de ecuaciones lineales. La particularidad de este concepto es que a diferencia de las operaciones de matrices, que nos dan como resultado otra matriz, éste nos da un número. 2.1.- Definición: Dada la matriz A M nxn , se llama determinante de A al único número real asociado a dicha matriz. Lo representamos por Det(A) o A o D(A) o bien A = nn a ..... in a .... nj a ........ ...a .... 2n a ...... .... 2i a 1n a ..... 1i a ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a .ij Observación 1: i) No debe confundirse esta notación con las barras de valor absoluto. A denota determinante A si A es una matriz cuadrada, mientras que x denota el valor ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 24 absoluto de x si x es un número real. ii) Se aclara que una tabla ordenada de n filas y n columnas de escalares situada entre dos líneas verticales y que llamamos determinante de orden n, no es una matriz, sino que se trata de una forma de escribir el determinante de dicha matriz. iii) Un determinante siempre es un número asociado a una matriz cuadrada. El determinante de orden n se definirá de manera inductiva; por ello comenzaremos definiendo los casos especiales de los determinantes de órdenes uno, dos y tres. Posteriormente, definiremos un determinante de orden arbitrario.. 2.2.- Determinante de orden uno Definición: Si A = (a11) M 1x1 entonces A = a11 Ejemplo: Sea A M 1x1 tal que A = (-3) entonces A = 3 = -3 2.3.- Determinante de orden dos Definición: Sea A M 2x2 / A= 2221 1211 aa aa definimos A = aa aa 2221 1211 = a11 a22 – a12a21 Esto es, el determinante de orden dos es igual al producto de los elementos situados en la diagonal principal menos el producto de los elementos situados en la diagonal secundaria. Ejemplo: Sea A = 63 52 entonces A = 63 52 = 2.6 – 3. (-5) = 12 + 15 = 27 Observación 2: El valor de un determinante es un único número real. Pero dado un número real, éste puede ser el valor de más de un determinante. En el ejemplo anterior: 63 52 = 27 y 27 = 63 52 = 90 03 = … = 51 74 2.4.- Determinante de orden 3 Definición: Sea A M 3x3 tal que A = 333231 232221 131211 aaa aaa aaa definimos ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 25 A = aaa aaa aaa 333231 232221 131211 = a11 a22 a33+a12 a23 a31+a21 a32 a13–a31 a22 a13–a21 a12 a33–a32 a23 a11 Observación 3: Obsérvese que hay seis términos, cada uno compuesto por los productos de tres elementos de la matriz original. Cada término tiene tres factores y ninguno de ellos pertenece a la misma fila ni a la misma columna que el otro. Tres de los términos aparecen con signo positivo y tres con signo negativo respondiendo a la siguiente ley de formación. Los tres términos algebraicamente positivos se forman de la siguiente manera: “el primero es el producto de los elementos situados en la diagonal principal, y cada uno de los otros dos es el producto de los elementos situados en las paralelas a esta diagonal multiplicados por el elemento situado en el ángulo opuesto de A . Los términos que figuran con signo menos se forman de manera semejante, pero respecto a la diagonal no principal ó secundaria.” Se puede ver en el esquema siguiente. Signo + Signo - Ejemplo 3 Sea A = 210 515 214 , calcule el A 4 1 2 5 -1 5 0 1 -2 = 4 (-1)(-2) + 1.5.0 + 5. 1. 2 – 0 (-1) 2 – 1.5.4 – 5. 1. (-2) = = 8 + 0 + 10 – 0 – 20 + 10 = 18-10 = 8 Observación 4: Es importante aclarar que este esquema sólo es válido para calcular determinantes de orden 3. A continuación abordaremos conceptos que nos permitirán enunciar cómo calcular el determinante asociado a cualquier matriz cuadrada de orden n. A = ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 26 2.5.- Menor de un elemento Definición: Dada una matriz A = (aij) M nxn denominamos menor de un elemento cualquiera aij al determinante asociado a la matriz cuadrada de orden n-1 que se obtiene al suprimir la fila i y la columna j. Al menor del elemento aij lo representamos como Aij. Dada la matriz A = nn a ..... in a .... nj a ........ .... ij a .... 2n a ...... .... 2i a 1n a ..... 1i a ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a , el menor del elemento a11 es el determinante de orden n-1 asociado a la matriz cuadrada que resulta de suprimir la fila 1 y la columna 1. Es decir A11 = ...... ............... ...... ............... ...... 1 2 2222 nnnjn iniji nj aaa aaa aaa Como el menor de in elemento es un determinante, tiene entonces un valor numérico, o lo que es lo mismo, es un número. Ejemplo: Dada A = 087 654 321 determinar los menores de los elementos a11, a12 y a13 A11 = 08 65 = - 48 A12 = 07 64 = -42 A13 = 87 54 = -3 2.6.- Cofactor de un elemento Definición: Al cofactor de un elemento aij lo representamos por Cij y está dado por la igualdad: Cij = (-1) i+j Aij Ejemplo: Dada la matriz A = 087 654 321 , calcular todos los cofactores. C11 = (-1) 1+1 A11 = -48 , C12 = (-1) 1+2 A12 = - (-42) = 42, C13 = (-1) 1+3 A13 = -3 C21 = (-1) 2+1 A21= - 08 32 = 24, C22 = (-1) 2+2 A22 = 07 31 = -21, C23 = (-1)2+3 A23 = - 87 21 = 6 ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 27 C31 = (-1) 3+1 A31 = 65 32 =-3, C32 = (-1) 3+2 A32 = - 64 31 = 6, C33 = (-1) 3+3 A33 = 54 21 = -3 Observación 5: Se observa que el menor y el cofactor de un elemento sólo pueden diferir en el signo. Son iguales si ( i + j ) es par y opuestos si ( i + j ) es impar. Ejemplo: Sea A = 7204 2951 3042 6531 . Calcular C32 y C24 C32 = (-1) 3+2 A32 = - 724 302 651 = - 8 ; C24 = (-1) 2+4 204 951 531 = -192 Teniendo en cuenta lo expuesto hasta ahora, sólo aprendimos a resolver determinantes asociados a matrices de órdenes uno, dos y tres. Veremos a continuación un teorema, cuya demostración escapa a los objetivos del presente curso y que permite calcular determinantes de órdenes superiores. 2.7.- Determinantes de orden n Teorema: Sea A una matriz cuadrada de orden n, ( n > 2 ) entonces A = nn a ..... in a .... nj a ........ .... ij a .... 2n a ...... .... 2i a 1n a ..... 1i a ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a es el único número asociado a la matriz A dado por: A = ij n 1j ijCa = n 1j ij ji ij A)1(a (1) O bien por: A = ij n 1i ijCa = n 1i ij ji ij A)1(a (2) A la expresión (1) se la llama desarrollo mediante cofactores (o menores) correspondientes a los elementos de la i- ésima fila. A la expresión (2) se la llama desarrollo mediante cofactores (o menores) correspondientes a los elementos de la j- ésima columna. ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 28 Observación 6: A este desarrollo se lo conoce con el nombre de Desarrollo Laplaceano y se puede probar que consta de n! términos. Asegura que un determinante se puede calcular sumando los productos de los elementos de una de sus filas o columnas por el cofactor correspondiente a cada elemento. Observación 7: Sea A una matriz cuadrada de orden 3 dada por: A = 333231 232221 131211 aaa aaa aaa Dijimos que el determinante asociado a esa matriz, se calcula de la siguiente manera: A = aaa aaa aaa 333231 232221 131211 = a11 a22 a33 + a12 a23 a31 + a21 a32 a13 – a31 a22 a13 – a21 a12 a33 – a32 a23 a11 Si trabajamos algebraicamente esta expresión, podemos escribir: A = a11 (a22 a33 – a23 a32) + a12 (a23 a31 - a21 a33) + a13 (a21a32 – a22 a31) = a11 (a22 a33 – a23 a32) + a12 (-1) (a21 a33-a23 a31) + a13 (a21a32 – a22 a31) = a11 aa aa 3332 2322 + a12 (-1) aa aa 3331 2321 + a13 aa aa 3231 2221 A = a11 (-1) 1+1 A11 + a12 (-1) 1+2 A12 + a13 (-1) 1+3 A13 = a11 C11 + a12 C12 + a13 C13 A = 3 1 j j1 j 1 j1 A1a )( = 3 1 j j1j1 Ca En este caso, el determinante de A es igual a la suma de los productos de los elementos de la primera fila por sus cofactores correspondientes Este resultado sería igualmente válido si se hubiese utilizado cualquier otra fila o columna de la matriz A. Para llegar a él, bastaría, en el desarrollo anterior, haber sacado como factor común los elementos de la fila o columna considerada. Ejemplo: Calcular el determinante asociado a la matriz A = 087 654 321 usando el teorema anterior. ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 29 A = 087 654 321 = 3 1j j1j1 Ca = a11 C11 + a12 C12 + a13 C13 Calculamos los cofactores correspondientes a los elementos d la primera fila: C11 = (-1) 1+1 08 65 = - 48 , C12 = (-1) 1+2 07 64 = 42 , C13 = (-1) 1+3 87 54 = -3 Entonces: A = 1 (-48) + 2 (42) + 3. (-3) = 27 El teorema permite calcular un determinante de cualquier orden, reduciendo el cálculo a determinantes de orden inferior. Así por ejemplo, para calcular un determinante de orden 4 se deben calcular cuatro determinantes de orden 3, como lo muestra el siguiente ejemplo. Ejemplo: Calcular el determinante asociado a la matriz C = 0120 1031 5102 0041 Desarrollando el determinante de C por los cofactores de la cuarta columna obtenemos: C = 0120 1031 5102 0041 = 0 C14 + 5 C24 + 1 C34 + 0 C44 = 5 (-1) 2+4 A24 + (-1) 3+4 A34 C = 5 120 031 041 - 120 102 041 . Desarrollando el primer determinante obtenido por los cofactores de los elementos de la tercera columna, y el segundo determinante por los cofactores de la primera fila: C = 5 ( 0 C13 + 0 C23 + 1 C33 ) – (1 C11 + 4 C12 + 0 C13 ) = 5 31 41 - 12 10 + 4 10 12 C = 5 .(-1) + 2 + 4 2 = 5 , entonces C = 5 Observación 8: Se observa que la línea elegida para desarrollar el primer determinante tiene dos elementos nulos, por lo que sólo se necesita calcular un cofactor. Por lo tanto, siempre es conveniente elegir la fila o columna que tenga la mayor cantidad d ceros. Se deja como ejercicio, además verificar que si se utiliza otra columna u otra fila para el desarrollo, el valor del determinante es el mismo. ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 30 2.8.- Determinante de una matriz triangular Teorema: Si A M nxn es una matriz triangular superior o inferior, entonces el determinante de A es igual al producto de los elementos de su diagonal principal. Esto se puede verificar en el siguiente ejemplo: Ejemplo: Sea A = 44434241 333231 2221 11 aaaa 0aaa 00aa 000a matriz triangular inferior. Calcule A . A = 44434241 333231 2221 11 aaaa 0aaa 00aa 000a = a11 C11 + 0 C12 +0 C13 + 0 C14 = a11 C11 Dado que a12 , a13 y a14 son nulos sólo se deberá calcular un determinante de orden 3. A = a11(-1) 1+1 A11 = a11 444342 3332 22 aaa 0aa 00a = a11 aa 0a )1(a 4443 3311 22 = a11 a22 a33 a44 , Que es, precisamente, el producto de los elementos de la diagonal principal. Ejemplo: Calcule A = 10000 25000 06100 75230 40132 . Aplicando directamente el teorema: A = 2.3.1.5.(-1) = -30 En general (es decir a menos que sea una matriz triangular o tenga alguna otra forma especial), el cálculo de un determinante por medio del desarrollo por cofactores no es eficiente. Por ejemplo, el determinante de una matriz de orden 3 tiene 6 sumandos, cada uno de los cuales requiere de dos multiplicaciones, y posteriormente es necesario realizar cinco sumas y restas para finalizar los cálculos. Y esto se complica al crecer el orden de las matrices, pero, afortunadamente existen métodos más eficientes. 2.9.- Propiedades de los determinantes A continuación se estudiará un conjunto de propiedades, que permitirán simplificar el cálculo de un determinante. Propiedad 1: Sea A M nxn , entonces el determinante de A es igual al de su transpuesta. ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 31 En símbolos: tA A Demostración: Un enfoque sencillo para comprobar esta propiedad puede hacerse a través del determinante asociado a una matriz cuadrada de orden 3. Si A = 333231 232221 131211 aaa aaa aaa , A t = 332313 322212 312111 aaa aaa aaa A = aaa aaa aaa 333231 232221 131211 = a11 (a22 a33 – a23 a32) - a12 (a21 a33 - a23 a31) + a13 (a21a32 – a22 a31) (1) tA = aaa aaa aaa 332313 322212 312111 = a11 (a22 a33 – a23 a32) - a12 (a21 a33 - a23 a31) + a13 (a21a32 – a22 a31) (2) Como (1)= (2) A = tA Este resultado puede generalizarse para matrices de orden nxn a través del principio de inducción completa. Observación 9: Esta propiedad es relevante ya que permite hacer extensiva cualquier otra propiedad demostrada para fila a columna o viceversa. Ejemplo: En un ejemplo anterior se calculó el determinante asociado a la matriz A = 087 654 321 , obteniéndose como resultado A = 27 Si consideramos ahora A t = 063 852 741 y calculamos tA = 063 852 741 tA = a11 C11 + a12 C12 + a13 C13 = 1.(-1) 1+1 08 65 + 4 (-1) 1+2 03 82 + 7 (-1) 1+3 63 52 tA = -48 + 96 - 21 = 27 A = tA Propiedad 2: Sea A M nxn . Si en la matriz A se intercambian dos líneas (filas o columnas), el determinante asociado a dicha matriz cambia de signo. Demostración: Se dará un enfoque sencillo para comprobar esta propiedad a través del determinante asociado a una matriz cuadrada de orden 3. ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 32 Sea A = 333231 232221 131211 aaa aaa aaa y B = 333231 131211 232221 aaa aaa aaa la matriz que se obtiene al permutar las dos primeras filas de A. Si calculamos los determinantes asociados a cada una de las matrices, obtenemos: A = a11 C11 + a12 C12 + a13 C13 = a11 A11 – a12 A12 + a13 A13 B = a11 C11 + a12 C12 + a13 C13 = -a11 A11 + a12 A12 – a13 A13 = -a11 A11–a12 A12+a13 A13 Por lo tanto: B = - A . Luego A = - B Ejemplo: Sea A = 520 413 123 . Al intercambiar las filas 1 y 3 se obtiene B = 123 413 520 Si desarrollamos el A por los cofactores de la primera fila y B por los cofactores de la tercera fila: A = 3 (-1) 1+1 52 41 + 2 (-1) 1+2 50 43 + 1 (-1) 1+3 20 13 = 39 - 30 - 6 = 3 B = 3 (-1) 3+1 41 52 + 2 (-1) 3+2 43 50 + 1 (-1) 3+3 13 20 = -39 + 30 + 6 = -3 A = 3 , B = -3 A = - B Propiedad 3: Sean A M nxn y B M nxn la matriz que se obtiene al multiplicar una línea (fila o columna) de la matriz A por un escalar k, entonces B = k A Demostración: Sea A = nn a ..... in a .... nj a ........ .... ij a .... 2n a ...... .... 2i a 1n a ..... 1i a ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a y sea B = nn a ..... in ka .... nj a ........ .... ij ka .... 2n a ...... .... 2i ka 1n a ..... 1i ka ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a la matriz que se obtiene al multiplicar fila i de A por el escalar k. Si desarrollamos el determinante de B por los cofactores de la i – ésima fila, obtenemos: ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 33 B = nn a ..... in ka .... nj a ........ .... ij ka .... 2n a ...... .... 2i ka 1n a ..... 1i ka ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a = (k ai1) Ci1 + (k ai2) Ci2 +…+ (k aij) Cij +…+ (k ain) Cin B = n 1j ijij C)ka( . Aplicado propiedad homogénea de ∑, obtenemos: B = k n 1j ijijCa (1) Considerando que el desarrollo de A por los cofactores de la i-ésima fila es: A = n 1j ijijCa , al reemplazar en (1) se obtiene B = k A Ejemplo: Sea A = ihg fed cba tal que A = ihg fed cba = 3. Calcular B = ihg2 f5e5d10 cba2 usando propiedades de los determinantes. Sacando factor común (-1) de la fila uno, 5 de la fila dos y 2 de la columna uno de B , obtenemos: B =(-1) ihg2 f5e5d10 cba2 =(-1) 5 ihg2 fed2 cba2 =(-1) 5 2 ihg fed cba =-10 ihg fed cba = -10 3 = -30 Corolarios de la Propiedad 3: a) Sea A M nxn y k escalar arbitrario, entonces A k kA n Esto es evidente puesto que: a...aa ............ a...aa a...aa k kA nn2n1n n22221 1n1211 = ka...kaka ............ ka...kaka ka...kaka nn2n1n n22221 1n1211 = = sfactoren k ... k k a...aa ............ a...aa a...aa nn2n1n n22221 1n1211 = k n A Ejemplo: Si A M 4x4 con A = 2, calcular A 3 . A 3 = (-3) 4 A = 81 . 2 = 162 ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 34 b) El producto de un escalar por un determinante, es igual al determinante que se obtiene multiplicando el escalar por una de las líneas (filas o columnas ) del determinante dado. Propiedad 4: Sea A M nxn . Si A tiene todos los elementos de una línea (fila o columna) nulos, entonces A = 0 Demostración: Sea A = nn a ..... in a .... nj a ........ .... ij a .... 2n a ...... .... 2i a 1n a ..... 1i a ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a . Supongamos que todos los elementos de la i-ésima fila de A son ceros, es decir que ai1 = ai2 = …= ain = 0. Entonces desarrollando el determinante de A por los cofactores de la i – ésima fila, obtenemos: A = ai1 Ci1 + ai2 Ci2 +…+ ain Cin = 0 Ci1 + 0 Ci2 +…+ 0 Cin A = 0 Ejemplo: Sea A = 252 434 000 . Calcular A . A = 252 434 000 = 0 C11 + 0 C12 + 0 C13 = 0 A = 0 Propiedad 5: Sea A M nxn . Si la matriz A tiene dos líneas (filas o columnas) iguales, entonces su determinante es nulo. Demostración: Sea A una matriz cuadrada tal que las filas i-ésima y j- ésima son iguales. Al intercambiar estas filas, se obtiene una matriz B con la propiedad de que B = - A (1) (por la propiedad 2). Pero como la fila i es igual a la fila j , al intercambiarlas se obtiene la misma matriz. Es decir B = A y por lo tanto B = A . Reemplazando en (1) B = A = - A 2 A = 0 A = 0 Ejemplo: Sea A = 252 434 101 . Calcular A . ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 35 A = 252 434 101 = 1(-1) 1+1 25 43 + 1 (-1) 1+3 52 34 = 14 -14 = 0 A = 0 Propiedad 6: Sea A M nxn .Si una matriz A tiene dos líneas paralelas (filas o columnas) proporcionales, entonces su determinante es nulo. Demostración: Sea A una matriz cuadrada que tiene dos líneas paralelas proporcionales. Sin perdida de generalidad podemos suponer que la fila i es proporcional a la fila uno. Es decir A = nn a ..... n1 ka .... nj a ........ .... j1 ka .... 2n a ...... .... 12 ka 1n a ..... 11 ka ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a Como todos los elementos de la fila i admiten el factor común k (k un escalar arbitrario), podemos escribir: A = nn a ..... n1 ka .... nj a ........ .... j1 ka .... 2n a ...... .... 12 ka 1n a ..... 11 ka ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a = k nn a ..... n1 a .... nj a ........ .... j1 a .... 2n a ...... .... 12 a 1n a ..... 11 a ..................... n2 a.... j2 a.... 22 a 21 a n1 a.... j1 a.... 12 a 11 a Se observa que el determinante obtenido tiene dos filas iguales y por lo tanto: A = k 0 = 0 Ejemplo: Sea la matriz A = 642 1284 623 . Calcular A . A = 642 1284623 = 2 642 642 623 = 2.0 = 0. El determinante es nulo porque tiene dos filas iguales. Propiedad 7: Sea A M nxn . Si los elementos de una línea (fila o columna) de A son suma de m términos, entonces el determinante asociado puede descomponerse en la suma de m determinantes ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 36 Demostración: Se comprobará esta propiedad a través de un determinante asociado a una matriz cuadrada de orden 3. Sea la matriz A = 333231 232221 131312121111 aaa aaa bababa donde la primera fila es la suma de dos sumandos, entonces A = aaa aaa bababa 333231 232221 131312121111 Si desarrollamos A por lo cofactores de correspondientes a los elementos de la primera fila obtenemos: A = (a11 + b11) C11 + (a12 + b12) C12 + (a13 + b13) C13 = = a11 C11 + a12 C12 + a13 C13 + b11 C11 + b12 C12 + b13 C13 = = (a11 C11 + a12 C12 + a13 C13) + (b11 C11 + b12 C12 + b13 C13) = aaa aaa aaa 333231 232221 131211 + aaa aaa bbb 333231 232221 131211 Luego: aaa aaa bababa 333231 232221 131312121111 = aaa aaa aaa 333231 232221 131211 + aaa aaa bbb 333231 232221 131211 Ejemplos: i) A = fdb e2c2a2 fedcba = fdb e2c2a2 eca + fdb e2c2a2 fdb Como la fila uno de la matriz A es su ma de dos términos, el determinante puede descomponerse en la suma de dos determinantes ii) B = 3fed 2cba = 3d 2a + 3e 2b + 3f 2c Como la columna uno de la matriz B es suma de tres términos, el determinante puede descomponerse en la suma de tres determinantes. ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 37 Propiedad 8: Sea A M nxn . El número que se obtiene al sumar los productos de los elementos de una línea (fila o columna) por los cofactores correspondientes a una paralela a ella es cero. Demostración: Se comprobará esta propiedad a través de un determinante asociado a una matriz cuadrada de orden 3 Sea A = 333231 232221 131211 aaa aaa aaa , y consideremos la suma de los productos de los elementos de la segunda fila por lo cofactores de los elementos correspondientes a la primera fila: a21 C11 + a22 C12 + a23 C13 = aaa aaa aaa 333231 232221 232221 = 0, por tener dos filas iguales. Propiedad 9: Un determinante no varía si a una línea (fila o columna) cualquiera se le suma otra línea paralela multiplicada por un escalar k Demostración Se comprobará esta propiedad a través de un determinante asociado a una matriz cuadrada de orden 3 Sea A = aaa aaa aaa 333231 232221 131211 y sea B = aaa aaa kaakaakaa 333231 232221 231322122111 el determinante obtenido a partir de A sumando a la primera fila, la segunda multiplicada por k. B = aaa aaa kaakaakaa 333231 232221 231322122111 = aaa aaa aaa 333231 232221 131211 + aaa aaa kakaka 333231 232221 232221 Por propiedad 7 B = aaa aaa aaa 333231 232221 131211 + k aaa aaa aaa 333231 232221 232221 = A + k .0 = A Por propiedad 3 Por propiedad 5 Luego se mostró que B = A ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 38 Ejemplo: Calcular B = 9963 1 2 5 21 10662 4321 La propiedad anterior asegura que un determinante no varía si a una fila (columna) se le suman o restan múltiplos de otras filas (columnas) En este caso aplicamos la propiedad con el objetivo de transformar en ceros a los elementos a21 , a31 y a41 de la siguiente manera: 1º) F2 + F1(-2) ( a la fila 2 le sumo la fila 1, multiplicada por (-2)). 2º) F3 + F1 ( a la fila 3 le sumo la fila 1). 3º) F4+ F1(-3) ( a la fila 4 le sumo la fila 1 multiplicada por (-3)). B = 9963 1 2 5 21 10662 4321 = 3000 3 2 1 00 2020 4321 = 1. 2. 2 1 .(-3) Por ser una matriz triangular superior Ejemplo: Sea B = 302 410 231 , calcular B . B = 302 410 231 = 160 410 231 = 1 (-1) 1+1 16 41 = 23 Observación 8: Las propiedades anteriores facilitan en gran medida la evaluación de determinantes de orden elevado. El objetivo será emplear la propiedad 9 en forma repetida hasta que el nuevo determinante tenga una línea (fila o columna) compuesta por la mayor cantidad de ceros posibles. Esto nos permite simplificar el cálculo puesto que cada elemento que se logre anular evita el cálculo de un cofactor al desarrollar el determinante. Propiedad 10: Sean A M nxn y B M nxn . El determinante del producto entre las matrices A y B es igual al producto entre sus respectivos determinantes. En símbolos: B A B A La demostración de esta propiedad escapa a los fines de este curso. F3+F1(-2) ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 39 Ejemplo: Sean las matrices A= 13 12 y B = 41 52 . Compruebe que B A B A A B = 197 63 , B A = 197 63 = 57 – 42 = 15 A = 13 12 A = 5 Luego B A B A B = 41 52 B = 3 Observación 9: Sabemos que el determinante de un producto de matrices es igual al producto de los determinantes, cuando las matrices son cuadradas y de igual orden. Sin embargo, no sucede lo mismo para la suma de matrices cuadradas. Esto es, en general, BABA , como lo muestra el siguiente ejemplo: Ejemplo: Sean A = 43 21 y B = 25 43 A + B = 43 21 + 25 43 = 62 62 ; BA = 62 62 = 0 A = 43 21 = -2 , B = 25 43 = 14 A + B = 2 + 14 = 16 Por lo tanto, B A BA 2.10.- Aplicaciones 1.- Dada la matriz A = 121 0b1 02a tal que A = a b +2, calcule los determinantes de las siguientes matrices, utilizando A y las propiedades de los determinantes. i) A1 = 100 2b2 11a Se observa que A1 = A t y como tA A A A A t 1 a b + 2 ii) A2 = 02a 0b1 121 ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 40 A2 se obtiene intercambiando en A la primera y tercera fila, por lo tanto: A A 2 = -a b - 2 iii) A3 = 2b2 11a 100 3A = 2b2 11a 100 = - 2b2 100 11a = 100 2b2 11a = tA = A = a b + 2 iv) A4 = 123 0b3 02a3 4A = 123 0b3 02a3 = 3 121 0b1 02a = 3 A = 3 (a b + 2) v) A5 = 633 b303 60a3 5A = 633 b303 60a3 = 3 3 211 b01 20a = - 27 121 0b1 02a = -27 (a b + 2) vi) A6 = 3 121 0b1 02a 6A = A A A = (a b + 2) 3 2.- Dado el determinante A, formar el determinante C, de los cofactores de cada elemento y comprobar que: C = A 2 . A = 214 102 321 Recordemos que: C= 333231 232221 131211 ccc ccc ccc C= 472 7147 201 ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA41 Calculamos ambos determinantes Desarrollamos el determinante A, por la fila 2 y el determinante C, por la fila 1 y se obtiene: 49 72 147 )1(2 47 714 )1(1 7 14 21 )1()1( 21 32 )1(2 3111 3212 C A 3.- Determinante de Vandermonde Entre los determinantes especiales está el de Vandermonde, que está formado por potencias sucesivas de n números distintos a, b, c,…, h. Veamos el caso particular donde n = 4 V = dcba dcba dcba 1111 3333 2222 Para resolverlo se reducen a cero los elementos de la primera columna, excepto el primero, restando a cada fila la anterior multiplicada por a. V = )ad(d)ac(c)ab(b0 )ad(d)ac(c)ab(b0 adacab0 1111 222 Desarrollando por los cofactores de los elementos de la primera columna y luego extrayendo los factores comunes, obtenemos: V = 1(-1) 1+1 )ad(d)ac(c)ab(b )ad(d)ac(c)ab(b adacab 222 V = (b-a) (c-a) (d-a) dcb dcb 111 222 , este determinante también es de Vandermonde, se procede de la misma manera; ahora a cada fila se le resta la anterior multiplicada por b: 2AC ALGEBRA Y GEOMETRÍA ANALÍTICA 42 V = (b-a) (c-a) (d-a) )bd(d)bc(c0 bdbc0 111 = (b-a) (c-a) (d-a) (-1) 1+1 )bd(d)bc(c bdbc = (b-a) (c-a) (d-a) (c-b) (d-b) dc 11 = (b-a) (c-a) (d-a) (c-b) (d-b) (d-c)
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