Определители

Определитель матрицы обозначается . Другими словами определитель матрицы -это сумма произведений из множества умноженная на знак, соответствующей подстановки.

Пример

Определитель второго порядка равен произведению элементов главной диагонали вычесть произведение элементов на побочной.

Для

Получили правило треугольника:

Простейшие свойства определителей

Определитель матрицы с нулевой строкой (столбцом) равен нулю

Определитель треугольной матрицы равен произведению элементов, расположенных на главной диагонали

-это треугольная матрица если элементы под главной диагональю равны нулю.

Определитель диагональной матрицы равен произведению элементов, расположенных на главной диагонали. Матрица диагональная если все элементы, расположенные вне главной диагонали равны нулю.

Основные свойства определителей

поле скаляров,

1)

Доказательство:

, обозначим . Если «пробегает» все множество , то тоже «пробегает» все т.е.

При перестановке двух столбцов (строк) матрицы ее определитель изменит знак.

Доказательство:

I) Перестановка столбцов:

Пусть - это матрица, полученная из перестановкой двух столбцов с номерами , где . Рассмотрим транспозицию:

, транспозиция является нечетной подстановкой , ,

В доказательстве будем использовать равенство:

Если пробегает все множество значений , то тоже пробегает все значения и

II) Перестановка строк

Пусть получена из перестановкой двух строк, тогда получена из перестановкой двух столбцов, тогда

III) Определитель матрицы, имеющий две одинаковые строки (столбца) равных нулю

Доказательство:

Проведем для такого поля , где

Замечание

Доказательство для случая найди в учебнике Куликовой Алгебра и теория чисел

Пусть в есть две одинаковые строки с номерами и , где , поменяем местами строки и , получим матрицу

(по св.2)

и , тогда

Если у два одинаковых столбца, то у транспонированной матрицы две одинаковые строки

IV) Если все элементы какой-либо строки (столбца) матрицы умножить на , то определитель умножиться на

Доказательство:

Пусть получена из умножением на строки

так как , то

Аналогичное доказательство для столбцов

V) Определитель матрицы у которой две строки (столбца) пропорциональны равны нулю

Доказательство:

Пусть в матрице , строки пропорциональны т.е -строка равна произведению на -строку. Пусть

Для столбцов:

Пусть получена из , . Столбцы и пропорциональны и

VI) Если каждый элемент -строки(столбца) квадратной матрицы есть сумма двух элементов, то определитель равен сумме двух определителей. В матрице первого определителя в - строке (столбце), записаны первые слагаемые, а в матрице второго определителя вторые слагаемые. Остальные элементы матриц этих определителей такие же как у матрицы

Доказательство:

VII) Ели к какой либо строке (столбцу) матрице определителя прибавить другую строку (столбец), умноженный на , то определитель не изменится.

Доказательство:

Для столбцов аналогично.

VIII) Если какая либо строка (столбец) матрицы является линейной комбинацией других строк (столбцов) , то определитель

Доказательство:

Если какая то строка линейная комбинация других строк, то к ней можно прибавить другие строки, умноженные на скаляры так, чтобы получилась нулевая строка. Определитель такой матрицы равен нулю.

Пример:

(сначала умножаем первую строку на -2 и складываем со второй, затем на -3 и складываем с третей). Такое правило приведения к треугольному виду используется для определителей - порядка:

так как определитель треугольной матрицы равен произведению элементов расположенных на главной диагонали.

Если квадратная матрица является произведением некоторых матриц (которые могут быть прямоугольными), то часто бывает важно иметь возможность выразить определитель произведения в терминах свойств множителей. Следующая теорема –мощный показатель этого.

Миноры и алгебраические дополнения.

Теоремы об определителях.

поле скаляров,

Опр. Минор элемента определителя порядка - определитель порядка , полученный из вычеркиванием -строки и -столбца.

Главные миноры определителя

Для главные миноры есть определители

, , …, ,

Пример:

Рассмотрим матрицу и вычислим ее миноры : , ,

Определение. Алгебраическим дополнением элемента обозначается называется число

Пример: Вычислим , ,

Лемма 1

и .

Доказательство:

(в сумме только те слагаемые ненулевые, где )

Тогда подстановка имеет вид: , где . К подстановке поставим в соответствие т.е

, такое соответствие называется взаимооднозначным отображением множества подстановок на множество подстановок , . Очевидно, что и имеют одинаковые инверсии, значит имеют одинаковую четность и знаки

Лемма 2

Если равны нулю все элементы какой-либо строки (столбца) матрицы за исключением быть может одного элемента, то определитель матрицы равен произведению этого элемента на его алгебраическое дополнение

Доказательство:

Пусть все элементы -строки матрицы за исключением элемента , перестановкой строк и столбцов переместили элемент в правый нижний угол , значит строк и -столбцов. Знак будет меняться раз, после этого получиться матрица у которой все элементы последней строки кроме может быть равны нулю. По Лемме 1 , т к

Теорема Лагранжа

равна сумме произведений элементов какого-либо столбца (строки) матрицы на их алгебраическое дополнение. Другими словами: разложение по -столбцу матрицы имеет вид: , а разложение по -строке матрицы :

Доказательство:

рассмотрим -столбец матрицы и запишем в виде: , по 6 свойству определителей:

, аналогично доказывается формула разложение по -строке матрицы .

Теорема 2

Справедливы равенства:

Рассмотрим матрицу , которая получена из матрицы следующим образом: все столбцы матрицы , кроме -го такие же как и у матрицы . -тый столбец матрицы совпадает с -столбцом , тогда у два одинаковых столбца, поэтому определитель матрицы равен нулю, разложим определитель матрицы по -тому столбцу.

, , тогда . Формула (2) показывается аналогично.

Следствие:

Определитель произведение матриц

поле скаляров, ,

Лемма 1

Пусть элементарная матрица порядка , тогда справедливо равенство:

1) ., т.е получена из матрицы , умножением -строки на скаляр . Определитель матрицы .

Матрица получена из умножением -строки на скаляр , поэтому определитель

2)

Матрица, полученная из прибавлением к -строке

Лемма 2

-элементарные матрицы

1) , доказательство следует из Леммы 1

2) , доказательство из утверждения (1) при условии

Теорема 1

Определитель произведения двух матриц равен произведению их определителей т.е.

Доказательство:

Пусть строки матрицы линейно независимы, тогда существует цепочка элементарных преобразований , тогда по Лемме 2 следует, что . Из того, что () имеем: , тогда

2) Строки линейно зависимы, тогда существует цепочка элементарных преобразований, которая переводит в ступенчатую матрицу , у которой есть нулевая строка т.е. , . Тогда

Из того, что , в произведении , тоже есть нулевая строка, потому

Необходимые и достаточные условия равенства определителя нулю

поле скаляров, ,-матрица над полем

Теорема 1

строки (столбцы) матрицы линейно зависимы

Достаточность:

Если строки (столбцы) матрицы линейно зависимы, то какая-то строка является линейной комбинацией других строк (по 8 свойсву определителей)

Необходимость:

Пусть . Докажем, что строки линейно зависимы. Предположим, что строки линейно независимы, тогда существует цепочка элементарных преобразований переводящее . Из доказанного в пункте II следует, что . Получили противоречье . Докажем, что если -строка матрицы линейно зависима, , но (числа векторов столбца) линейно зависима.

Теорема 2

следующие условия равносильны:

1)

2) -линейно зависимы

3) -обратима

4) представима в виде произведения элементарных матриц

Доказательство:

доказано в Теореме 1

Разбиение матриц

Если матрицу , матрицу , матрицу и матрицу записать в виде

(1)

То они, образуют некоторую матрицу . В таком случае могут быть названы блоками матрицы . И обозначены соответственно. Представление (1) называется разбиением матрицы .

Если матричное произведение существует и , разбиты на блоки , , а разбиение по столбцам матрицы соответствует разбиению по строкам матрицы , то можно ожидать, что имеет блоки , задаваемые формулой

Таким образом, мы предполагаем, что произведение матриц в терминах блоков, полученных при соответствующих разбиениях сомножителей, формально совпадает с произведением этих матриц в терминах скалярных элементов. Покажем это на примере:

Упражнение1. Пусть

, ,

, ,

Это проверяется прямым вычислением

Теорема (1)

Пусть матрица из имеет блоки , где матрица, , и матрица из с блоками размера . Тогда имеет блоки

Доказательство. Отметим, что каждое произведение существует и является матрицей. Следовательно, существует и будет матрицей. Для фиксированного каждое имеет столбцов и для фиксированного каждое имеет строк, откуда следует, что блоки некоторой матрицы .

Пусть некоторый элемент матрицы , расположенный в клетке блока . Так как , есть сумма элементов в клетках и матриц , . Но элемент матрицы в клетке является суммой произведений элементов в строке матрицы на элементы столбца матрицы . Далее, элементы строки матрицы совпадают с некоторыми элементами строки в , а именно, с , где индекс определяется неравенствами

, если

, если

Элементы столбца матрицы будут элементами в . Следовательно,

Мы определили миноры порядка для определителя. В общем случае, если из -матрицы выбросить все строки, кроме строк , и все столбцы, кроме столбцов , то определитель полученной в результате матрицы называется минором матрицы порядка , то

Миноры, для которых , называются главными для матрицы . Если - матрица, то и алгебраическое дополнение , например, есть

Если квадратная матрица является произведением некоторых матриц (которые могут быть прямоугольными), то иногда важно выразить определитель произведения в терминах свойств сомножителей. Следующая теорема - мощный результат этого рода.