Определитель матрицы.
Навигация по странице:
- Определение определителя матрицы
- Свойства определителя матрицы
- Методы вычисления определителя матрицы
- Определитель матрицы 1×1
- Определитель матрицы 2×2
- Определитель матрицы 3×3
- Правило треугольника для вычисления определителя матрицы 3-тего порядка
- Правило Саррюса для вычисления определителя матрицы 3-тего порядка
- Определитель матрицы произвольного размера
- Разложение определителя по строке или столбцу
- Приведение определителя к треугольному виду
- Теорема Лапласа
Определитель матрицы или детерминант матрицы — это одна из основных численных характеристик квадратной матрицы, применяемая при решении многих задач.
Определение.
Определителем матрицы n×n будет число:
det(A) = | Σ | (-1)N(α1,α2,…,αn)·aα11·aα22·…·aαnn |
(α1,α2,…,αn) |
где (α1,α2,…,αn) — перестановка чисел от 1 до n, N(α1,α2,…,αn) — число инверсий в перестановке, суммирование идёт по всем возможным перестановкам порядка n.
Обозначение
Определитель матрици A обычно обозначается det(A), |A|, или ∆(A).
Свойства определителя матрицы
-
Определитель матрицы с двумя равными строками (столбцами) равен нулю.
-
Определитель матрицы с двумя пропорциональными строками (столбцами) равен нулю.
-
Определитель матрицы, содержащий нулевую строку (столбец), равен нулю.
-
Определитель матрицы равен нулю если две (или несколько) строк (столбцев) матрицы линейно зависимы.
-
При транспонировании значение определителя матрицы не меняется:
det(A) = det(AT)
-
Определитель обратной матрицы:
det(A-1) = det(A)-1
-
Определитель матрицы не изменится, если к какой-то его строке (столбцу) прибавить другую строку (столбец), умноженную на некоторое число.
-
Определитель матрицы не изменится, если к какой-то его строке (столбцу) прибавить линейную комбинации других строк (столбцов).
-
Если поменять местами две строки (столбца) матрицы, то определитель матрицы поменяет знак.
-
Общий множитель в строке (столбце) можно выносить за знак определителя:
a11a12…a1n
a21a22…a2n
….
k·ai1k·ai2…k·ain
….
an1an2…ann=
k·
a11a12…a1n
a21a22…a2n
….
ai1ai2…ain
….
an1an2…ann
-
Если квадратная матрица n-того порядка умножается на некоторое ненулевое число, то определитель полученной матрицы равен произведению определителя исходной матрицы на это число в n-той степени:
B = k·A => det(B) = kn·det(A)
где A матрица n×n, k — число.
-
Если каждый элемент в какой-то строке определителя равен сумме двух слагаемых, то исходный определитель равен сумме двух определителей, в которых вместо этой строки стоят первые и вторые слагаемые соответственно, а остальные строки совпадают с исходным определителем:
a11a12…a1n
a21a22…a2n
….
bi1 + ci1bi2 + ci2…bin + cin
….
an1an2…ann=
a11a12…a1n
a21a22…a2n
….
bi1bi2…bin
….
an1an2…ann+
a11a12…a1n
a21a22…a2n
….
ci1ci2…cin
….
an1an2…ann -
Определитель верхней (нижней) треугольной матрицы равен произведению его диагональных элементов.
-
Определитель произведения матриц равен произведению определителей этих матриц:
det(A·B) = det(A)·det(B)
Методы вычисления определителя матрицы
Вычисление определителя матрицы 1×1
Правило:
Для матрицы первого порядка значение определителя равно значению элемента этой матрицы:
∆ = |a11| = a11
Вычисление определителя матрицы 2×2
Правило:
Для матрицы 2×2 значение определителя равно разности произведений элементов главной и побочной диагоналей:
∆ = |
|
= a11·a22 — a12·a21 |
Пример 1.
Найти определитель матрицы A
Решение:
det(A) = |
|
= 5·1 — 7·(-4) = 5 + 28 = 33 |
Вычисление определителя матрицы 3×3
Правило треугольника для вычисления определителя матрицы 3-тего порядка
Правило:
Для матрицы 3×3 значение определителя равно сумме произведений элементов главной диагонали и произведений элементов лежащих на треугольниках с гранью параллельной главной диагонали, от которой вычитается произведение элементов побочной диагонали и произведение элементов лежащих на треугольниках с гранью параллельной побочной диагонали.
∆ = |
|
= |
=
a11·a22·a33 +
a12·a23·a31 +
a13·a21·a32 —
a13·a22·a31 —
a11·a23·a32 —
a12·a21·a33
Правило Саррюса для вычисления определителя матрицы 3-тего порядка
Правило:
Справа от определителя дописывают первых два столбца и произведения элементов на главной диагонали и на диагоналях, ей параллельных, берут со знаком «плюс»; а произведения элементов побочной диагонали и диагоналей, ей параллельных, со знаком «минус»:
∆ = |
|
= |
=
a11·a22·a33 +
a12·a23·a31 +
a13·a21·a32 —
a13·a22·a31 —
a11·a23·a32 —
a12·a21·a33
Пример 2.
Найти определитель матрицы A =
571
-410
203
Решение:
det(A) =
571
-410
203
=
5·1·3 + 7·0·2 + 1·(-4)·0 —
1·1·2 — 5·0·0 — 7·(-4)·3 = 15 + 0 + 0 — 2 — 0 + 84 = 97
Вычисление определителя матрицы произвольного размера
Разложение определителя по строке или столбцу
Правило:
Определитель матрицы равен сумме произведений элементов строки определителя на их алгебраические дополнения:
n | |||
det(A) = | Σ | aij·Aij | — разложение по i-той строке |
j = 1 |
Правило:
Определитель матрицы равен сумме произведений элементов столбца определителя на их алгебраические дополнения:
n | |||
det(A) = | Σ | aij·Aij | — разложение по j-тому столбцу |
i = 1 |
При разложение определителя матрицы обычно выбирают ту строку/столбец, в которой/ом максимальное количество нулевых элементов.
Пример 3.
Найти определитель матрицы A
Решение: Вычислим определитель матрицы разложив его по первому столбцу:
det(A) = |
|
= |
= 2·(-1)1+1·
21
11
+ 0·(-1)2+1·
41
11
+ 2·(-1)3+1·
41
21
=
= 2·(2·1 — 1·1) + 2·(4·1 — 2·1) = 2·(2 — 1) + 2·(4 — 2) = 2·1 + 2·2 = 2 + 4 = 6
Пример 4.
Найти определитель матрицы A
Решение: Вычислим определитель матрицы, разложив его по второй строке (в ней больше всего нулей):
det(A) =
2411
0200
2113
4023
=
— 0·
411
113
023
+ 2·
211
213
423
— 0·
241
213
403
+ 0·
241
211
402
=
= 2·(2·1·3 + 1·3·4 + 1·2·2 — 1·1·4 — 2·3·2 — 1·2·3) = 2·(6 +12 + 4 — 4 — 12 — 6) = 2·0 = 0
Приведение определителя к треугольному виду
Правило:
Используя свойства определителя для элементарных преобразований над строками и столбцами 8 — 11, определитель приводится к треугольному виду, и тогда его значение будет равно произведению элементов стоящих на главной диагонали.
Пример 5.
Найти определитель матрицы A приведением его к треугольному виду
Решение:
det(A) =
2411
0210
2113
4023
Сначала получим нули в первом столбце под главной диагональю. Для этого отнимем от 3-тей строки 1-ую строку, а от 4-той строки 1-ую строку, умноженную на 2:
det(A) =
2411
0210
2 — 21 — 41 — 13 — 1
4 — 2·20 — 4·22 — 1·23 — 1·2
=
2411
0210
0-302
0-801
Получим нули во втором столбце под главной диагональю. Для этого поменяем местами 2-ой и 3-тий столбцы (при этом детерминант сменит знак на противоположный):
det(A) = —
2141
0120
00-32
00-81
Получим нули в третьем столбце под главной диагональю. Для этого к 3-ему столбцу добавим 4-тий столбец, умноженный на 8:
det(A) = —
214 + 1·81
012 + 0·80
00-3 + 2·82
00-8 + 1·81
=
—
21121
0120
00132
0001
= -2·1·13·1 = -26
Теорема Лапласа
Теорема:
Пусть ∆ — определитель n-ого порядка. Выберем в нем произвольные k строк (столбцов), причем k < n. Тогда сумма произведений всех миноров k-ого порядка, которые содержатся в выбранных строках (столбцах), на их алгебраические дополнения равна определителю.
Содержание:
Определители II и III порядка
Определение: Определителем порядка n называется число (выражение), записанное в виде квадратной таблицы, имеющей n строк и n столбцов, которая раскрывается по определенному правилу.
Числа
Определение: Определителем II порядка называется число (выражение), записанное в виде квадратной таблицы размером 2×2, т.е. имеющая 2 строки и 2 столбца.
Определение: Определитель II порядка вычисляется по правилу: из произведения элементов, стоящих на главной диагонали, надо вычесть произведение элементов, стоящих на побочной диагонали:
Пример:
Определение: Определителем III порядка называется число (выражение), записанное в виде квадратной таблицы размером 3×3, то есть имеющей 3 строки и 3 столбца.
Определитель III порядка вычисляется по правилу Саррюса: за определителем выписывают первый и второй столбцы, затем из суммы произведений элементов, стоящих на главной диагонали ей параллельных диагоналях, надо вычесть сумму произведений элементов, стоящих на побочной диагонали и ей параллельных:
Пример:
Определение: Минором элемента
называется определитель порядка (n-1), который получается из исходного определителя порядка n путем вычеркивания строки i и столбца j, на пересечении которых стоит элемент
Пример:
Найти миноры элементов и
определителя из Примера 2. Вычеркивая в определителе строку 1 и столбец 2:
получим минор
Поступая аналогично со строкой 3 и столбцом 3, получим минор
Пример:
Найти миноры элементов и
определителя
Исходя из определения минора
получаем
аналогично найдем минор
Определение: Алгебраическим дополнением элемента
называется произведение минора этого элемента на
т.е.
Замечание: Из определения алгебраического дополнения следует, что алгебраическое дополнение совпадает со своим минором, если сумма является четным числом, и противоположно ему по знаку, если сумма
— нечетное число.
Определение: Транспонированным определителем n-го порядка называется определитель порядка n, полученный из исходного определителя путем замены строк на соответствующие столбцы, а столбцов на соответствующие строки.
Если
Пример:
Найти определитель, транспонированный к определителю Из определения транспонированного определителя
Свойства определителей
1. Величина транспонированного определителя равна величине исходного определителя. Пусть Отсюда видно, что
2. Перестановка местами двух строк (столбцов) изменяет знак определителя на противоположный. Пусть
Если поменять местами строки (столбцы) четное число раз, то величина и знак определителя не меняется. Нечетная перестановка местами строк (столбцов) не меняет величину определителя, но изменяет его знак на противоположный.
3. Определитель, содержащий две (или более) одинаковых строки (столбца), равен нулю. Если определитель содержит два одинаковых столбца, то
4. Для того чтобы умножить определитель на число k, достаточно умножить на это число все элементы какой-либо одной строки (столбца). Обратно: если все элементы какой-либо строки (столбца) имеют общий множитель k, то его можно вынести за знак определителя.
Докажем это свойство:
5. Если две каких-либо строки (столбца) пропорциональны, то определитель равен нулю.
Пусть в определителе II порядка первая и вторая строки пропорциональны, тогда
6. Если все элементы какой-либо строки (столбца) равны нулю, то определитель равен нулю.
Пусть в определителе II порядка все элементы первой строки равны нулю, тогда
7. Если элементы какой-либо строки (или столбца) можно представить в виде двух слагаемых, то сам определитель можно представить в виде суммы двух определителей. Если Доказать самостоятельно.
8. Если все элементы какой-либо строки (столбца) умножить на вещественное число к и прибавить k соответствующим элементам другой строки (соответственно, столбца), то величина определителя не изменится.
Умножим элементы второго столбца на вещественное число k и прибавим результат умножения к соответствующим элементам первого столбца, получим
Второй определитель равен нулю по свойству 5.
Замечание: Данное свойство применяется для обнуления всех элементов какой-либо строки (столбца) за исключением одного (метод обнуления), что существенно снижает трудоемкость вычисления определителей порядка выше 3 (см. также свойство 9.).
9. [Метод раскрытия определителя по элементам какой-либо строки (или столбца); универсальный способ вычисления определителя любого порядка]. Определитель любого порядка равен сумме произведений элементов какой-либо строки (столбца) на их алгебраические дополнения:
Пример:
Вычислить определитель по элементам 3 строки и по элементам 2 столбца.
Решение:
Воспользуемся свойством 9.: раскроем определитель по элементам 3 строки Вычислим определитель по элементам 2 столбца
Из полученных результатов видно, что свойство 9. является универсальным методом вычисления любых определителей по элементам любой строки или столбца.
Используя свойство 8. можно обнулить все элементы какой-либо строки (столбца) за исключением одного (метод обнуления), а затем раскрыть определитель по элементам этой строки, воспользовавшись свойством 9.
Пример:
Вычислить определитель
Решение:
Обнулим элементы в третьей строке, для чего выполним следующие действия: (по свойству 4. из третьей строки вынесем множитель 2)
используя свойство 8., умножим все элементы второго столбца на 1.5 и прибавим к соответствующим элементам третьего столбца, получим)
(по свойству 4. из третьего столбца вынесем множитель 0,5, тогда множитель перед определителем станет равным 1)
(раскроем определитель по элементам третьей строки: выше из определителя третьего порядка вычеркнута третья строка с нулями и второй столбец, т.е. показан необходимый для дальнейших вычислений минор
Таким образом, метод обнуления позволяет значительно ускорить процесс вычисления любого определителя.
Пример:
Решить уравнение
Решение:
Вычислим определители второго и третьего порядков согласно вышеописанным правилам:
Найденные величины подставим в исходное уравнение
Пример:
Решить неравенство
Решение:
Вычислим определители второго и третьего порядков согласно вышеописанным правилам:
Найденные величины подставим в исходное неравенство
Пример:
Вычислить определитель четвертого порядка (аналогично выполнить такие же действия с определителем третьего порядка), преобразовав его так, чтобы три элемента некоторого ряда равнялись нулю, и вычислить полученный определитель по элементам этого ряда:
Решение:
Во второй строке исходного определителя присутствуют 1 и 0, поэтому обнуление элементов будем производить в этой строке (при обнулении элементов в строке действия производят со столбцами и наоборот): — строка обнуления;
— столбцы, с которыми производят действия)=
(по методу обнуления раскроем определитель по элементам 2-ой строки ( — цифры, с которыми производятся действия))
(по универсальному методу раскроем определитель по элементам третьей строки)
Определители
Перестановкой чисел 1, 2,…, n называется любое расположение этих чисел в определенном порядке. В элементарной алгебре доказывается, что число всех перестановок, которые можно образовать из n чисел, равно 12…n = n!. Например, из трех чисел 1, 2, 3 можно образовать 3!=6 перестановок: 123, 132, 312, 321, 231, 213. Говорят, что в данной перестановке числа i и j составляют инверсию (беспорядок), если i>j, но i стоит в этой перестановке раньше j, то есть если большее число стоит левее меньшего.
Перестановка называется четной (или нечетной), если в ней соответственно четно (нечетно) общее число инверсий. Операция, посредством которой от одной перестановки переходят к другой, составленной из тех же n чисел, называется подстановкой n-ой степени.
Подстановка, переводящая одну перестановку в другую, записывается двумя строками в общих скобках, причем числа, занимающие одинаковые места в рассматриваемых перестановках, называются соответствующими и пишутся одно под другим. Например, символ обозначает подстановку в которой 3 переходит в
Подстановка называется четной (или нечетной), если общее число инверсий в обеих строках подстановки четно (нечетно). Всякая подстановка n-ой степени может быть записана в виде т.е. с натуральным расположением чисел в верхней строке.
Пусть нам дана квадратная матрица порядка n
Рассмотрим все возможные произведения по n элементов этой матрицы, взятых по одному и только по одному из каждой строки и каждого столбца, т.е. произведений вида:
где индексы составляют некоторую перестановку из чисел 1, 2,…,n. Число таких произведений равно числу различных перестановок из n символов, т.е. равно n!. Знак произведения (4.4) равен (-1)q где q — число инверсий в перестановке вторых индексов элементов.
Определителем n-го порядка, соответствующим матрице (4.3), называется алгебраическая сумма n! членов вида (4.4). Для записи определителя употребляется символ (детерминант, или определитель, матрицы А).
Свойства определителей:
- Определитель не меняется при транспонировании.
- Если одна из строк определителя состоит из нулей, то определитель равен нулю.
- Если в определителе переставить две строки, определитель поменяет знак.
- Определитель, содержащий две одинаковые строки, равен нулю.
- Если все элементы некоторой строки определителя умножить на некоторое число
то сам определитель умножится на
- Определитель, содержащий две пропорциональные строки, равен нулю.
- Если все элементы i-й строки определителя представлены в виде суммы двух слагаемых
то определитель равен сумме определителей, у которых все строки, кроме i-ой, — такие же, как в заданном определителе, а i-я строка в одном из слагаемых состоит из элементов
в другом — из элементов
- Определитель не меняется, если к элементам одной из его строк прибавляются соответствующие элементы другой строки, умноженные на одно и то же число.
Замечание. Все свойства остаются справедливыми, если вместо строк взять столбцы.
Минором элемента
определителя d n-го порядка называется определитель порядка n-1, который получается из d вычеркиванием строки и столбца, содержащих данный элемент.
Алгебраическим дополнением элемента определителя d называется его минор
взятый со знаком
Алгебраическое дополнение элемента
будем обозначать
Таким образом,
Способы практического вычисления определителей, основанные на том, что определитель порядка n может быть выражен через определители более низких порядков, дает следующая теорема.
- Заказать решение задач по высшей математике
Теорема (разложение определителя по строке или столбцу).
Определитель равен сумме произведений всех элементов произвольной его строки (или столбца) на их алгебраические дополнения. Иначе говоря, имеет место разложение d по элементам i-й строки или j- го столбца
В частности, если все элементы строки (или столбца), кроме одного, равны нулю, то определитель равен этому элементу, умноженному на его алгебраическое дополнение.
Пример:
Не вычисляя определителя показать, что он равен нулю.
Решение:
Вычтем из второй строки первую, получим определитель равный исходному. Если из третьей строки также вычесть первую, то получится определитель
в котором две строки пропорциональны.
Такой определитель равен нулю.
Пример:
Вычислить определитель разложив его по элементам второго столбца.
Решение:
Разложим определитель по элементам второго столбца:
Пример:
Вычислить определитель в котором все элементы по одну сторону от главной диагонали равны нулю.
Решение:
Разложим определитель А по первой строке:
Определитель, стоящий справа, можно снова разложить по первой строке, тогда получим:
И так далее. После n шагов придем к равенству
Пример:
Вычислить определитель
Решение:
Если к каждой строке определителя, начиная со второй, прибавить первую строку, то получится определитель, в котором все элементы, находящиеся ниже главной диагонали, будут равны нулю. А именно, получим определитель: равный исходному.
Рассуждая, как в предыдущем примере найдем, что он равен произведению элементов главной диагонали, т.е. n!. Способ, с помощью которого вычислен данный определитель, называется способом приведения к треугольному виду.
——- в вышмате
Определители. Алгебраические дополнения
Внимание! Понятие определителя вводится только для квадратной матрицы.
Матрица называется квадратной порядка n, если количество ее строк совпадает с количеством столбцов и равно n.
Элементы квадратной матрицы, имеющие одинаковые значения индексов, составляют главную диагональ. Элементы квадратной матрицы порядка n, сумма индексов каждого из которых равна n+1, составляют побочную диагональ.
Определитель матрицы обозначается одним из следующих символов:
Внимание! Определитель — это число, характеризующее квадратную мат- рицу.
Определитель матрицы второго порядка равен разности элементов главной и побочной диагоналей соответственно:
Определитель матрицы третьего порядка равен сумме элементов главной диагонали и элементов, расположенных в вершинах треугольников с основаниями, параллельными главной диагонали, а также разности элементов побочной диагонали и элементов, расположенных в вершинах треугольников с основаниями, параллельными побочной диагонали.
Схематично это правило изображается так (правило треугольника):
Например,
Квадратная матрица называется верхней (нижней) треугольной, если все элементы, стоящие под (над) главной диагональю равны нулю.
Отметим некоторые свойства определителя.
- Определитель треугольной матрицы равен произведению элементов главной диагонали.
- При транспонировании матрицы ее определитель не изменяется.
- От перестановки двух рядов (строк или столбцов) определитель меняет знак.
- Общий множитель всех элементов некоторого ряда определителя можно выносить за знак определителя.
- Если все элементы какого-нибудь ряда матрицы равны нулю, то определитель равен нулю.
- Определитель, содержащий два пропорциональных ряда, равен нулю.
- Определитель не изменится, если к элементам какого-либо ряда прибавить соответствующие элементы другого ряда, умноженные на одно и то же число.
- Определитель произведения двух матриц одинакового порядка равен произведению определителей этих матриц.
Минором элемента определителя n-го порядка называется определитель (n-l)-ro порядка, получаемый вычеркиванием i-й строки и j-ro столбца, на пересечении которых стоит этот элемент. Обозначение:
Алгебраическим дополнением элемента называется его минор, умноженный на
Обозначение:
Теорема разложения.
Определитель матрицы равен сумме произведений элементов любого ряда на их алгебраические дополнения.
Пример №2
Вычислить определитель, разлагая его по элементам первой строки:
Решение:
По теореме разложения
Найдем алгебраические дополнения элементов матрицы А:
Следовательно,
Для вычисления определителя порядка выше третьего удобно пользоваться теоремой разложения (метод понижения порядка) или методом приведения определителя к треугольному виду.
Пример №3
Вычислить определитель, приведя его к треугольному виду:
Решение:
Применяя свойство 6 определителей, преобразуем последовательно второй, третий, четвертый столбцы матрицы.
- прибавили ко второму столбцу первый, умноженный на -2;
- прибавили к третьему столбцу первый, умноженный на -3;
- прибавили к четвертому столбцу первый, умноженный на -4;
- применили свойство 1 определителей.
- Критерий совместности Кронекера-Капелли
- Формулы Крамера
- Матричный метод
- Экстремум функции
- Пределы в математике
- Функции многих переменных
- Уравнения прямых и кривых на плоскости
- Плоскость и прямая в пространстве
Задача 1.
Вычислить определитель
.
Указание
Воспользуйтесь либо правилом треугольников, либо разложением определителя по 2-й строке или 2-му столбцу, содержащим нулевой элемент.
Решение
1-й способ (правило треугольников).
Вычислим определитель 3-го порядка, используя его определение:
Δ = 2·0·(-1) + (-3)·(-4)·2 + 5·1·1 — 2·0·5 -1·(-4)·2 – (-1)·1·(-3) =
= 0 + 24 + 5 – 0 + 8 – 3 = 34.
2-й способ (разложение по строке).
Применим свойство определителя:
.
Для удобства вычисления выберем 2-ю строку, содержащую нулевой элемент (А22 = 0), поскольку при этом нет необходимости находить А22, так как произведение А22 А22 = 0. Итак,
(напомним, что определитель второго порядка, входящий в алгебраическое дополнение Aij, получается вычеркиванием из исходного определителя I-й строки и J-го столбца).
Тогда Δ = А21 А21 + А23 А23 = 1·2 + (-4)(-8) = 34.
Ответ: Δ = 34.
Задача 2.
Используя свойства определителя, вычислить определитель
.
Указание
Вычитая из 2-й и 3-й строк определителя соответствующие элементы 1-й строки, добьемся того, что в 1-м столбце останется только один ненулевой элемент. Далее можно разложить определитель по 1-му столбцу.
Решение
Поскольку все элементы первого столбца равны 1, вычтем из 2-й и 3-й строк определителя соответствующие элементы 1-й строки (при этом величина определителя не изменится – свойство 6):
.
Заметим, что теперь все элементы 2-й строки кратны двум, а элементы 3-й строки кратны трем. По следствию 2.2 соответствующие множители можно вынести за знак определителя:
.
Вычтем из элементов 3-й строки полученного определителя соответствующие элементы 2-й строки:
И разложим определитель по 1-му столбцу:
Ответ: Δ = 6.
Разумеется, можно было вычислять этот определитель непосредственно (например, по правилу треугольников), но использование свойств определителей позволило существенно сократить и упростить численные расчеты.
Задача 3.
Используя свойства определителей, вычислить определитель
.
Указание
Прибавьте к элементам 2-й строки соответствующие элементы 1-й строки, а из элементов 3-й строки вычтите удвоенные элементы 1-й строки. Затем вынесите за знак определителя все общие множители элементов какой-либо строки или столбца.
Решение
Прибавим к элементам 2-й строки соответствующие элементы 1-й строки, а из элементов 3-й строки вычтем удвоенные элементы 1-й строки:
Вынесем за знак определителя множитель -1 из 2-й строки и 3 – из 3-й:
Теперь из 3-го столбца вынесем множитель -2:
Вычтем из элементов 2-го столбца элементы 3-го столбца и разложим полученный определитель по 3-й строке:
Ответ: Δ = 306.
Задача 4.
Решить уравнение
Указание
Разложив определитель, стоящий в левой части равенства, по первой строке, и приравняв его 40, вы получите квадратное уравнение для Х.
Решение
Разложим определитель, стоящий в левой части равенства, по первой строке. Предварительно найдем соответствующие алгебраические дополнения:
Тогда
И требуется решить квадратное уравнение
.
Ответ:
Задача 5.
Решить неравенство
Указание
Раскройте определитель, стоящий в левой части неравенства, по 1-й строке.
Решение
Раскроем определитель, стоящий в левой части неравенства, по 1-й строке:
3(10 — 12) – X(2X – 9) + 4X – 15 > — 3;
-2X2 + 13X – 18 > 0;
2X2 – 13X + 18 < 0;
2 < X < 4,5.
Ответ: (2; 4,5).
Задача 6.
Используя свойства определителей (не раскрывая определитель), вычислить определитель
Указание
Используйте тригонометрическую формулу cos 2A = cos2A — sin2A и свойство определителя с двумя равными столбцами.
Решение
Из тригонометрии известно, что cos 2A = cos2A — sin2A. Вычтем из элементов
2-го столбца определителя соответствующие элементы 1-го столбца:
У полученного определителя, равного исходному (свойство 6), два столбца одинаковы, поэтому он равен нулю (следствие 2.1).
Ответ: 0.
Задача 7.
Вычислить определитель 4-го порядка
.
Указание
Преобразуйте определитель так, чтобы три из четырех элементов какой-либо строки или столбца стали равными нулю. Для этого воспользуйтесь свойством 6.
Решение
Преобразуем определитель так, чтобы три из четырех элементов какой-либо строки или столбца стали равными нулю. Для этого воспользуемся свойством 6. Его особенно удобно применять, если в определителе существует элемент, равный +1. Выберем в качестве такого элемента А13 = 1 и с его помощью обратим все остальные элементы 3-го столбца в нуль. С этой целью:
А) к элементам 2-й строки прибавим соответствующие элементы 1-й строки;
Б) из элементов 3-й строки вычтем элементы 1-й строки, умноженные на 2;
В) из элементов 4-й строки вычтем элементы 1-й строки
(напомним, что при этом величина определителя не изменится). Тогда
Разложим полученный определитель по 3-му столбцу:
Вычтем из элементов 1-й строки нового определителя удвоенные элементы 2-й строки:
И разложим этот определитель по 1-й строке:
Ответ: Δ = -9.
Задача 8.
Вычислить определитель 4-го порядка
Указание
Разложите определитель по 1-й строке, а затем полученный определитель 3-го порядка вновь разложите по 1-й строке.
Решение
Разложим определитель по 1-й строке:
Полученный определитель 3-го порядка вновь разложим по 1-й строке:
Ответ: Δ = 24.
Обратите внимание: если в определителе все элементы, стоящие по одну сторону от главной диагонали, равны нулю, то определитель равен произведению элементов,
Стоящих на главной диагонали.
Ответ: Δ = 24.
< Предыдущая | Следующая > |
---|
Совокупность n2
чисел, расположенных в виде таблицы,
называетсяопределителемn-го
порядка. Для определителя используются
следующие обозначения:
.
(1.1)
Числа аijназываютсяэлементамиопределителя.
Первый индекс iобозначает номер строки, второй индекс
jобозначает номер
столбца.Порядок определителяравен числу строк. У определителя число
строк всегда равно числу столбцов.
Определитель
является числом.
Определитель
первого порядка содержит один элемент
и равен ему
.
(1.2)
Определитель
второго порядка имеет вид
.
Он вычисляется по
следующему правилу
.
(1.3)
Определитель
третьего порядка записывается в виде:
.
Его можно вычислить
по следующей схеме, добавив к определителю
первые два столбца:
.
(1.4)
Определители
высших порядков вычисляются с помощью
свойств определителей.
Свойства определителей
-
Определитель при
транспонировании матрицы не изменится. -
Определитель
изменит знак, если в нем поменять местами
какие-нибудь две строки или два столбца. -
Общий множитель
элементов строки или столбца можно
выносить за символ определителя. -
Если все элементы
какой-нибудь строки или столбца равны
нулю, то определитель равен нулю. -
Определитель
равен нулю, если элементы двух строк
или столбцов пропорциональны. -
Определитель
равен нулю, если он имеет две одинаковых
строки или два одинаковых столбца. -
Если все элементы
некоторой строки или столбца состоят
из двух слагаемых, то определитель
можно представить в виде суммы двух
определителей, в одном из которых
элементами соответствующей строки
являются первые слагаемые, во втором
— вторые. Например:
=
+
.
-
Если к элементам
некоторого столбца или строки определителя
прибавить соответствующие элементы
другого столбца или строки, умноженные
на любой общий множитель ,
то величина определителя не изменится.
Например:
=
.
Следующее свойство
позволяет понижать порядок определителя.
Оно формулируется с помощью понятия
алгебраического дополнения.
Алгебраическим
дополнением Аij
элементааijназывается произведение (-1)i+jна определитель, который получается
вычеркиванием в данном определителе
строки и столбца, на пересечении которых
стоит элементаij.
-
Определитель
равен сумме произведений элементов
какого-нибудь столбца или строки на их
алгебраические дополнения (теорема
Лапласа). Например:
=
=.
С помощью этого
свойства вычисление определителя n-го
порядка приводится к вычислению
определителей (n-1)-го
порядка. Эта процедура называетсяразложением определителя по элементам
строки или столбца.
Пример 1. 1
Вычислить
определитель
.
По правилу вычисления
определителя второго порядка (2.3) получим
.
Пример 1.2
Вычислить
определитель
.
По правилу вычисления
определителя третьего порядка (2.4)
получим
.
Пример 1.3
Упростить и
вычислить определитель:
.
Прежде, чем вычислять
определитель, можно упростить его,
пользуясь свойствами определителей. В
данном примере можно выполнить следующие
действия: умножим элементы 1-го столбца
на 2 и вычтем из элементов 2-го столбца,
затем умножим элементы 1-го столбца на
3 и вычтем из элементов 3-го столбца.
Тогда получим
.
Теперь можно легко
вычислить этот определитель, разложив
его по элементам 1-ой строки:
Пример 1.4
Вычислить
алгебраические дополнения элементов
2-ой строки определителя
.
Учитывая определение
алгебраического дополнения получим
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Содержание:
- Вычисления определителей второго порядка
- Методы вычисления определителей третьего порядка
- Приведение определителя к треугольному виду
- Правило треугольника
- Правило Саррюса
- Разложение определителя по строке или столбцу
- Разложение определителя по элементам строки или столбца
- Теорема Лапласа
В общем случае правило вычисления определителей
$n$-го порядка
является довольно громоздким. Для определителей второго и третьего порядка существуют рациональные способы их вычислений.
Вычисления определителей второго порядка
Чтобы вычислить определитель матрицы второго порядка, надо от произведения
элементов главной диагонали отнять произведение
элементов побочной диагонали:
$$left| begin{array}{ll}{a_{11}} & {a_{12}} \ {a_{21}} & {a_{22}}end{array}right|=a_{11} cdot a_{22}-a_{12} cdot a_{21}$$
Пример
Задание. Вычислить определитель второго порядка
$left| begin{array}{rr}{11} & {-2} \ {7} & {5}end{array}right|$
Решение. $left| begin{array}{rr}{11} & {-2} \ {7} & {5}end{array}right|=11 cdot 5-(-2) cdot 7=55+14=69$
Ответ. $left| begin{array}{rr}{11} & {-2} \ {7} & {5}end{array}right|=69$
Методы вычисления определителей третьего порядка
Для вычисления определителей третьего порядка существует такие правила.
Правило треугольника
Схематически это правило можно изобразить следующим образом:
Произведение элементов в первом определителе, которые соединены прямыми,
берется со знаком «плюс»; аналогично, для второго определителя — соответствующие произведения берутся со знаком «минус», т.е.
$$left| begin{array}{ccc}{a_{11}} & {a_{12}} & {a_{13}} \ {a_{21}} & {a_{22}} & {a_{23}} \ {a_{31}} & {a_{32}} & {a_{33}}end{array}right|=a_{11} a_{22} a_{33}+a_{12} a_{23} a_{31}+a_{13} a_{21} a_{32}-$$
$$-a_{11} a_{23} a_{32}-a_{12} a_{21} a_{33}-a_{13} a_{22} a_{31}$$
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Пример
Задание. Вычислить определитель $left| begin{array}{rrr}{3} & {3} & {-1} \ {4} & {1} & {3} \ {1} & {-2} & {-2}end{array}right|$ методом треугольников.
Решение. $left| begin{array}{rrr}{3} & {3} & {-1} \ {4} & {1} & {3} \ {1} & {-2} & {-2}end{array}right|=3 cdot 1 cdot(-2)+4 cdot(-2) cdot(-1)+$
$$+3 cdot 3 cdot 1-(-1) cdot 1 cdot 1-3 cdot(-2) cdot 3-4 cdot 3 cdot(-2)=54$$
Ответ. $left| begin{array}{rrr}{3} & {3} & {-1} \ {4} & {1} & {3} \ {1} & {-2} & {-2}end{array}right|=54$
Правило Саррюса
Справа от определителя дописывают первых два столбца и произведения элементов на главной диагонали и на диагоналях, ей
параллельных, берут со знаком «плюс»; а произведения элементов побочной диагонали и диагоналей, ей параллельных,
со знаком «минус»:
$$-a_{13} a_{22} a_{31}-a_{11} a_{23} a_{32}-a_{12} a_{21} a_{33}$$
Пример
Задание. Вычислить определитель $left| begin{array}{rrr}{3} & {3} & {-1} \ {4} & {1} & {3} \ {1} & {-2} & {-2}end{array}right|$ с помощью правила Саррюса.
Решение.
$$+(-1) cdot 4 cdot(-2)-(-1) cdot 1 cdot 1-3 cdot 3 cdot(-2)-3 cdot 4 cdot(-2)=54$$
Ответ. $left| begin{array}{rrr}{3} & {3} & {-1} \ {4} & {1} & {3} \ {1} & {-2} & {-2}end{array}right|=54$
Разложение определителя по строке или столбцу
Определитель равен сумме произведений элементов строки определителя на их
алгебраические дополнения. Обычно выбирают
ту строку/столбец, в которой/ом есть нули. Строку или столбец, по которой/ому ведется разложение, будет обозначать стрелкой.
Пример
Задание. Разложив по первой строке, вычислить определитель $left| begin{array}{lll}{1} & {2} & {3} \ {4} & {5} & {6} \ {7} & {8} & {9}end{array}right|$
Решение. $left| begin{array}{lll}{1} & {2} & {3} \ {4} & {5} & {6} \ {7} & {8} & {9}end{array}right| leftarrow=a_{11} cdot A_{11}+a_{12} cdot A_{12}+a_{13} cdot A_{13}=$
$1 cdot(-1)^{1+1} cdot left| begin{array}{cc}{5} & {6} \ {8} & {9}end{array}right|+2 cdot(-1)^{1+2} cdot left| begin{array}{cc}{4} & {6} \ {7} & {9}end{array}right|+3 cdot(-1)^{1+3} cdot left| begin{array}{cc}{4} & {5} \ {7} & {8}end{array}right|=-3+12-9=0$
Ответ. $left| begin{array}{lll}{1} & {2} & {3} \ {4} & {5} & {6} \ {7} & {8} & {9}end{array}right|=0$
Этот метод позволяет вычисление определителя свести к вычислению определителя более низкого порядка.
Пример
Задание. Вычислить определитель $left| begin{array}{lll}{1} & {2} & {3} \ {4} & {5} & {6} \ {7} & {8} & {9}end{array}right|$
Решение. Выполним следующие
преобразования над строками определителя: из второй строки отнимем четыре
первых, а из третьей первую строку, умноженную на семь, в результате, согласно свойствам определителя, получим определитель,
равный данному.
$$left| begin{array}{ccc}{1} & {2} & {3} \ {4} & {5} & {6} \ {7} & {8} & {9}end{array}right|=left| begin{array}{ccc}{1} & {2} & {3} \ {4-4 cdot 1} & {5-4 cdot 2} & {6-4 cdot 3} \ {7-7 cdot 1} & {8-7 cdot 2} & {9-7 cdot 3}end{array}right|=$$
$$=left| begin{array}{rrr}{1} & {2} & {3} \ {0} & {-3} & {-6} \ {0} & {-6} & {-12}end{array}right|=left| begin{array}{ccc}{1} & {2} & {3} \ {0} & {-3} & {-6} \ {0} & {2 cdot(-3)} & {2 cdot(-6)}end{array}right|=0$$
Определитель равен нулю, так как вторая и третья строки являются пропорциональными.
Ответ. $left| begin{array}{lll}{1} & {2} & {3} \ {4} & {5} & {6} \ {7} & {8} & {9}end{array}right|=0$
Для вычисления определителей четвертого порядка и выше применяется либо разложение по строке/столбцу, либо приведение
к треугольному виду, либо с помощью теоремы Лапласа.
Разложение определителя по элементам строки или столбца
Пример
Задание. Вычислить определитель
$left| begin{array}{llll}{9} & {8} & {7} & {6} \ {5} & {4} & {3} & {2} \ {1} & {0} & {1} & {2} \ {3} & {4} & {5} & {6}end{array}right|$ , разложив его по элементам какой-то строки или какого-то столбца.
Решение. Предварительно выполним
элементарные преобразования над строками определителя, сделав
как можно больше нулей либо в строке, либо в столбце. Для этого вначале от первой строки отнимем девять третьих,
от второй — пять третьих и от четвертой — три третьих строки, получаем:
$$left| begin{array}{cccc}{9} & {8} & {7} & {6} \ {5} & {4} & {3} & {2} \ {1} & {0} & {1} & {2} \ {3} & {4} & {5} & {6}end{array}right|=left| begin{array}{cccc}{9-1} & {8-0} & {7-9} & {6-18} \ {5-5} & {4-0} & {3-5} & {2-10} \ {1} & {0} & {1} & {2} \ {0} & {4} & {2} & {0}end{array}right|=left| begin{array}{rrrr}{0} & {8} & {-2} & {-12} \ {0} & {4} & {-2} & {-8} \ {1} & {0} & {1} & {2} \ {0} & {4} & {2} & {0}end{array}right|$$
Полученный определитель разложим по элементам первого столбца:
$$left| begin{array}{rrrr}{0} & {8} & {-2} & {-12} \ {0} & {4} & {-2} & {-8} \ {1} & {0} & {1} & {2} \ {0} & {4} & {2} & {0}end{array}right|=0+0+1 cdot(-1)^{3+1} cdot left| begin{array}{rrr}{8} & {-2} & {-12} \ {4} & {-2} & {-8} \ {4} & {2} & {0}end{array}right|+0$$
Полученный определитель третьего порядка также разложим по элементам строки и столбца, предварительно получив нули,
например, в первом столбце. Для этого от первой строки отнимаем две вторые строки, а от третьей — вторую:
$$left| begin{array}{rrr}{8} & {-2} & {-12} \ {4} & {-2} & {-8} \ {4} & {2} & {0}end{array}right|=left| begin{array}{rrr}{0} & {2} & {4} \ {4} & {-2} & {-8} \ {0} & {4} & {8}end{array}right|=4 cdot(-1)^{2+2} cdot left| begin{array}{ll}{2} & {4} \ {4} & {8}end{array}right|=$$
$$=4 cdot(2 cdot 8-4 cdot 4)=0$$
Ответ. $left| begin{array}{cccc}{9} & {8} & {7} & {6} \ {5} & {4} & {3} & {2} \ {1} & {0} & {1} & {2} \ {3} & {4} & {5} & {6}end{array}right|=0$
Замечание
Последний и предпоследний определители можно было бы и не вычислять,
а сразу сделать вывод о том, что они равны нулю, так как содержат пропорциональные строки.
Приведение определителя к треугольному виду
С помощью элементарных преобразований над строками или столбцами определитель приводится к треугольному виду и тогда его
значение, согласно свойствам определителя, равно произведению
элементов стоящих на главной диагонали.
Пример
Задание. Вычислить определитель
$Delta=left| begin{array}{rrrr}{-2} & {1} & {3} & {2} \ {3} & {0} & {-1} & {2} \ {-5} & {2} & {3} & {0} \ {4} & {-1} & {2} & {-3}end{array}right|$ приведением его к треугольному виду.
Решение. Сначала делаем нули в первом столбце под главной диагональю. Все преобразования
будет выполнять проще, если элемент $a_{11}$ будет
равен 1. Для этого мы поменяем местами первый и второй столбцы определителя, что, согласно свойствам определителя,
приведет к тому, что он сменит знак на противоположный:
$$Delta=left| begin{array}{rrrr}{-2} & {1} & {3} & {2} \ {3} & {0} & {-1} & {2} \ {-5} & {2} & {3} & {0} \ {4} & {-1} & {2} & {-3}end{array}right|=-left| begin{array}{rrrr}{1} & {-2} & {3} & {2} \ {0} & {3} & {-1} & {2} \ {2} & {-5} & {3} & {0} \ {-1} & {4} & {2} & {-3}end{array}right|$$
Далее получим нули в первом столбце, кроме элемента $a_{11}$ ,
для этого из третьей строки вычтем две первых, а к четвертой строке прибавим первую, будем иметь:
$$Delta=-left| begin{array}{rrrr}{1} & {-2} & {3} & {2} \ {0} & {3} & {-1} & {2} \ {0} & {-1} & {-3} & {-4} \ {0} & {2} & {5} & {-1}end{array}right|$$
Далее получаем нули во втором столбце на месте элементов, стоящих под главной диагональю. И снова, если
диагональный элемент будет равен $pm 1$ , то
вычисления будут более простыми. Для этого меняем местами вторую и третью строки (и при этом меняется на
противоположный знак определителя):
$$Delta=left| begin{array}{rrrr}{1} & {-2} & {3} & {2} \ {0} & {-1} & {-3} & {-4} \ {0} & {3} & {-1} & {2} \ {0} & {2} & {5} & {-1}end{array}right|$$
Далее делаем нули во втором столбце под главной диагональю, для этого поступаем следующим образом:
к третьей строке прибавляем три вторых, а к четвертой — две вторых строки, получаем:
$$Delta=left| begin{array}{rrrr}{1} & {-2} & {3} & {2} \ {0} & {-1} & {-3} & {-4} \ {0} & {0} & {-10} & {-10} \ {0} & {0} & {-1} & {-9}end{array}right|$$
Далее из третьей строки выносим (-10) за определитель и делаем нули в третьем столбце под
главной диагональю, а для этого к последней строке прибавляем третью:
$$Delta=-10 left| begin{array}{rrrr}{1} & {-2} & {3} & {2} \ {0} & {-1} & {-3} & {-4} \ {0} & {0} & {1} & {1} \ {0} & {0} & {-1} & {-9}end{array}right|=$$
$$=-10 cdot left| begin{array}{cccc}{1} & {-2} & {3} & {2} \ {0} & {-1} & {-3} & {-4} \ {0} & {0} & {1} & {1} \ {0} & {0} & {0} & {-8}end{array}right|=(-10) cdot 1 cdot(-1) cdot 1 cdot(-8)=-80$$
Ответ. $Delta=-80$
Теорема Лапласа
Теорема
Пусть $Delta$ — определитель
$n$-го порядка. Выберем в нем произвольные
$k$ строк (или столбцов), причем
$k leq n-1$ . Тогда сумма произведений всех
миноров
$k$-го порядка, которые содержатся в выбранных
$k$ строках (столбцах), на их
алгебраические дополнения равна определителю.
Пример
Задание. Используя теорему Лапласа, вычислить определитель
$left| begin{array}{rrrrr}{2} & {3} & {0} & {4} & {5} \ {0} & {1} & {0} & {-1} & {2} \ {3} & {2} & {1} & {0} & {1} \ {0} & {4} & {0} & {-5} & {0} \ {1} & {1} & {2} & {-2} & {1}end{array}right|$
Решение. Выберем в данном определителе пятого порядка две строки —
вторую и третью, тогда получаем (слагаемые, которые равны нулю, опускаем):
$$left| begin{array}{rrrrr}{2} & {3} & {0} & {4} & {5} \ {0} & {1} & {0} & {-1} & {2} \ {3} & {2} & {1} & {0} & {1} \ {0} & {4} & {0} & {-5} & {0} \ {1} & {1} & {2} & {-2} & {1}end{array}right|=left| begin{array}{cc}{1} & {-1} \ {4} & {-5}end{array}right| cdot(-1)^{2+4+2+4} cdot left| begin{array}{ccc}{2} & {0} & {5} \ {3} & {1} & {1} \ {1} & {2} & {1}end{array}right|+$$
$$+left| begin{array}{ll}{1} & {2} \ {4} & {0}end{array}right| cdot(-1)^{2+4+2+5} cdot left| begin{array}{rrr}{2} & {0} & {4} \ {3} & {1} & {0} \ {1} & {2} & {-2}end{array}right|+left| begin{array}{cc}{-1} & {2} \ {-5} & {0}end{array}right| cdot(-1)^{2+4+5} cdot left| begin{array}{ccc}{2} & {3} & {0} \ {3} & {2} & {1} \ {1} & {1} & {2}end{array}right|=$$
$$=-23+128+90=195$$
Ответ. $left| begin{array}{rrrrr}{2} & {3} & {0} & {4} & {5} \ {0} & {1} & {0} & {-1} & {2} \ {3} & {2} & {1} & {0} & {1} \ {0} & {4} & {0} & {-5} & {0} \ {1} & {1} & {2} & {-2} & {1}end{array}right|=195$
Читать дальше: обратная матрица.