12.pdf

(130 KB) Pobierz
729609171 UNPDF
12Wyznacznikirz¡dmacierzy
Definicja12.1 Permutacj¦ 2 S n nazywamy permutacj¡parzyst¡ (odpo-
wiednio— nieparzyst¡ ),je»elizbiórinv( )= { ( i,j ); i<j oraz ( i ) > ( j ) }
maparzyst¡(odpowiednionieparzyst¡)liczb¦elementów.Ka»d¡par¦ele-
mentówzpowy»szegozbiorunazywamy inwersj¡ wpermutacji .
Znakiempermutacji nazywamyliczb¦sgn równ¡1,gdypermutacja
jestparzysta,za± 1gdypermutacjajestnieparzysta.
Definicja12.2 Wyznacznikiem macierzykwadratowej A =[ a ij ] 2 M nn ( F )
nazywamyliczb¦
det A = X
2 S n
sgn a 1 (1) a 2 (2) ...a n ( n ) .
Przykład12.3 1. n =1:
det[ a 11 ]= a 11
2. n =2:
"
#
a 11 a 12
a 21 a 22
det
= a 11 a 22 a 12 a 21
3. n =3:
det
2
6 4
a 11 a 12 a 13
a 21 a 22 a 23
a 31 a 32 a 33
3
7 5 = a 11 a 22 a 33 + a 13 a 21 a 32 + a 12 a 23 a 31
a 13 a 22 a 31 a 11 a 23 a 32 a 12 a 21 a 33
Stwierdzenie12.4 Je»eli A jestmacierz¡kwadratow¡,todet A T =det A .
Dowód: Niech A 2 M nn , B =[ b ij ]= A T .Wówczas b ij = a ji .
Zauwa»my,»edladowolnejdowolnejpermutacji 2 S n zachodziwa-
runeksgn 1 =sgn .Istotnie,( i,j ) 2 inv wtedyitylkowtedy,gdy
( ( j ) , ( i )) 2 inv 1 ,wi¦cilo±¢inwersjiwpermutacji jesttakasamajak
ilo±¢inwersjiwpermutacji 1 .
Ponadtodladowolnejpermutacji 2 S n spełnionyjestwarunek
a (1)1 · ... · a ( n ) n = a 1 1 (1) · ... · a n 1 ( n ) ,
bopermutacjajestbijekcj¡(oczywi±cienieoznaczatorówno±ciczynników
wpodanejkolejno±ci).
1
Zatem
det A T = X
2 S n
sgn b 1 (1) · ... · b n ( n ) = X
2 S n
sgn a (1)1 · ... · a ( n ) n
= X
2 S n
sgn a 1 1 (1) · ... · a n 1 ( n )
= X
2 S n
sgn 1 a 1 1 (1) · ... · a n 1 ( n )
= X
2 S n
sgn a 1 (1) · ... · a n ( n ) =det A.
Powy»szyfaktwskazuje,»e—mówi¡cniezbytprecyzyjnie—twierdzenia
owyznacznikachwyra»onewterminachwierszys¡prawdziwerównie»w
sformułowaniudlakolumn.
Stwierdzenie12.5 Wyznacznikjestodwzorowaniemliniowymwzgl¦dem
dowolnegowierszamacierzy,tzn.je»eli i =1 ,...,n ,
0
B B B B B B B B B B B @
1
C C C C C C C C C C C A
0
B B B B B B B B B B B @
1
C C C C C C C C C C C A
A =
R 1
. . .
R i 1
R i
R i +1
. . .
R n
,A 0 =
R 1
. . .
R i 1
R 0 i
R i +1
. . .
R n
2 M nn ( F )oraz c,c 0 2 F ,to
det
0
B B B B B B B B B B B @
R 1
. . .
R i 1
cR i + c 0 R 0 i
R i +1
. . .
R n
1
C C C C C C C C C C C A
= c det A + c 0 det A 0 .
Dowód: Niech B b¦dziemacierz¡,którejwszystkiewierszepoza i –tym
s¡równeodpowiednimwierszommacierzy A jaki A 0 ,za±jej i –tywierszjest
kombinacj¡liniow¡ i –tegowierszamacierzy A oraz i –tegowierszamacierzy
A 0 owspółczynnikach a oraz a 0 .
2
729609171.003.png
Wówczas
det B = X
2 S n
sgn a 1 (1) · ... ·
ca i ( i ) + c 0 a 0 i ( i )
· ... · a n ( n )
= c X
2 S n
sgn a 1 (1) · ... · a i ( i ) · ... · a n ( n )
+ c 0 X
2 S n
sgn a 1 (1) · ... · a 0 i ( i ) · ... · a n ( n )
= c det A + c 0 det A 0 .
Stwierdzenie12.6 Je»eli A =[ a ij ] 2 M nn ( F )jestmacierz¡diagonaln¡
(odpowiednio:górn¡trójk¡tn¡,doln¡trójk¡tn¡)tojejwyznacznikjestilo-
czynemelementówgłównejprzek¡tnej:
det A = a 11 a 22 ...a nn .
Dowód: Rozumowanieprzeprowadzimydlamacierzygórnejtrójk¡tnej
(zawieraprzypadekmaceirzydiagonalnej).
Niech A =[ a ij ] 2 M nn b¦dziemacierz¡górn¡trójk¡tn¡,tzn. a ij =0dla
i>j .
Ka»danieto»samo±ciowapermutacjaprzyjmuejedlapewnegoargumentu
warto±¢mniejsz¡odtegoargumentu.Istotnie,wprzeciwnymprzypadku
( n )= n istosuj¡cindukcj¦wsteczn¡otrzymaliby±my ( i )= i dla i 2
{ 1 ,...,n } .
Zatemdlaka»dejnieto»samo±ciowejpermutacji 2 S n otrzymujemy,»e
iloczyn a 1 (1) · ... · a n ( n ) =0.Ostatecznie
det A = X
2 S n
sgn a 1 (1) · ... · a n ( n )
=sgn(id) a 1id(1) · ... · a n id( n ) = a 11 · ... · a nn .
Twierdzenie12.7 (Laplace’a) NiechA =[ a ij ] 2 M nn ( F ) ,za±dlai,j =
1 ,...nsymbolA ij oznaczamacierz ( n 1) × ( n 1) powstał¡zmacierzyA
przezskre±leniei–tegowierszaorazj–tejkolumny.Wówczasdladowolnego
i =1 ,...,nzachodzirówno±¢
det A =
n X
( 1) i + j a ij det A ij .
j =1
DodowodutwierdzeniaLaplace’apotrzebujemydwóchlematów:
3
729609171.004.png 729609171.005.png
Lemat12.8 Je»eli 2 S n jesttak¡permutacj¡,»edlapewnych i,j =
1 ,...,n spełnionyjestwarunek ( i )= j ,toliczbainwersjiwci¡guliczb
( (1) ,..., ( i 1) , ( i +1) ,..., ( n ))mat¦sam¡parzysto±¢coliczba(#inv
( i + j )).
Lemat12.9 Niech n 2 N .Niechdla k =1 ,...,n funkcja t k : { 1 ,...,n }\
{ k }!{ 1 ,...,n 1 } b¦dzieokre±lonawzorem
(
j gdy j<k
j 1gdy j>k
t k ( j )=
Oznaczmydla i,j =1 ,...,n zbiór Z ij = { 2 S n ; ( i )= j } .
Wówczasdladowolnych i,j funkcjaprzypisuj¡capermutacji 2 Z ij
funkcj¦ t j | { 1 ,...,n }\{ i } t 1
i jestjestbijekcj¡zbioru Z ij na S n 1 .
Wniosek12.10 Je»eli A =[ a ij ] 2 M nn ( F ),todladowolnego j =1 ,...,n
zachodzirówno±¢
n X
det A =
( 1) i + j a ij det A ij .
i =1
Definicja12.11 Przedstawieniewyznacznikamacierzy A =[ a ij ]zestwier-
dzenia12.7(odpowiedniowniosku12.10)nazywamy rozwini¦ciemLaplace’a
wzgl¦demi–tegowiersza (odpowiednio j–tejkolumny ).
Skalar( 1) i + j det A ij nazywamy dopełnieniemalgebraicznymelementu
a ij wmacierzy A .
Bezpo±redniozliniowo±ciwyznacznikawzgl¦demustalonegowiersza(stw.
12.5)wynika
Wniosek12.12 Pomno»eniewierszamacierzykwadratowejprzezskalar
niezerowymno»yjejwyznacznikprzeztensamskalar.
Innymisłowy,dla A 2 M nn ( F ),dowolnego k =1 ,...,n oraz a 2 F \{ 0 } ,
spełnionyjestwarunekdet( r a k ( A ))= a det A .
Stwierdzenie12.13 Zamianadwóchwierszywmacierzykwadratowejzmie-
niaznakjejwyznacznikanaprzeciwny.
Innymisłowy,dla A 2 M nn ( F )idowolnych k,l =1 ,...,n , k 6 = l ,speł-
nionyjestwarunekdet( s kl ( A ))= det A .
Dowód:
Wniosek12.14 Je»elidwawierszemacierzykwadratowejs¡równe,towy-
znaczniktejmacierzyjestrówny0.
4
729609171.006.png
Dowód: Je»eli R k = R l dlapewnych k,l =1 ,...,n ,tozestwierdzenia
12.13wynika,»e
det A =det( s kl ( A ))= det A ,codajetez¦.
Wniosek12.15 Dodaniedojednegowierszamacierzykwadratowejinnego
wierszapomno»onegoprzezskalarniezmieniawyznacznikamacierzy.
Innymisłowy,dla A 2 M nn ( F ),dowolnych k,l =1 ,...,n , k 6 = l oraz
b 2 F ,spełnionyjestwarunekdet
p b kl ( A )
=det A .
Dowód: Napodstawiestwierdzenia12.5otrzymujemy
0
R 1
. . .
R k 1
R k + bR l
R k +1
. . .
R n
1
0
R 1
. . .
R k 1
R k
R k +1
. . .
R n
1
0
R 1
. . .
R k 1
R l
R k +1
. . .
R n
1
det
p b kl ( A )
=det
B B B B B B B B B B B @
C C C C C C C C C C C A
=det
B B B B B B B B B B B @
C C C C C C C C C C C A
+ b det
B B B B B B B B B B B @
C C C C C C C C C C C A
=det A,
boostatniamacierzmarównywiersz k –tyi l –ty.
Stwierdzenie12.16 Je»eli A 2 M nn , B 2 M mm ,to
1.
"
#
A
XB
det
=det A det B
dladowolnejmacierzy X 2 M mn
2.
"
#
YA
B
det
=( 1) mn det A det B
dladowolnejmacierzy Y 2 M nm .
Dowód:
Twierdzenie12.17 (Cauchy’ego) Je»eliA,B 2 M nn ( F ) ,to
det( AB )=det A det B.
Dowód: Niech
"
#
A
IB
D =
Wówczaszestwierdzenia12.16(1)wynika,»edet D =det A det B .
5
729609171.001.png 729609171.002.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin