Wykład 14
Wyznacznik macierzy cd.
Twierdzenie 1 Niech A będzie macierzą kwadratową i niech Ai, Aj będą
dwiema różnymi jej kolumnami, wtedy dla dowolnego k " K:
det[A1, . . . , Ai, . . . , Aj, . . . , An] = det[A1, . . . , Ai + kAj, . . . , Aj, . . . , An]
Dowód Udowodniliśmy, że:
det[A1, . . . , Ai + kAj, . . . , Aj, . . . , An] =
det[A1, . . . , Ai, . . . , Aj, . . . , An] + det[A1, . . . , kAj, . . . , Aj, . . . , An]
Ponadto det[A1, . . . , kAj, . . . , Aj, . . . , An] = 0.
Twierdzenie 2 JeÅ›li macierz A = [aij]n×n jest macierzÄ… trójkÄ…tnÄ… to:
det A = a11 · a22 · · · ann
Dowód JeÅ›li à = i to w wyrażeniu a1Ã(1)a2Ã(2) · · · anÃ(n) wystÄ™puje przynaj-

mniej jedno zero. Zatem det(A) = a11 · · · ann.
Zadanie Obliczyć wyznacznik macierzy:
îÅ‚ Å‚Å‚
1 2 3 4
ïÅ‚ śł
2 3 1 2
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ ûÅ‚
1 1 1 -1
1 0 -2 -6
Rozwiązanie W Twierdzeniu 1 udowodniliśmy, że wyznacznik macierzy nie
zmienia się gdy do pewnego wiersza macierzy dodamy inny pomnożony przez
stałą. Możemy więc do drugiego wiersza dodać pierwszy pomnożony przez
-2:


1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4


2 3 1 2 0 0
r2-2r1 -1 -5 -6
r3-r1 -1 -5 -6
r4-r1
= = =
-1 -2 -5

1 1 1 -1 1 1 1 -1 0


1 0 -2 -6 1 0 -2 -6 1 0 -2 -6

r3
- r2 1 2 3 4 1 2 3 4
1 2 3 4


r4 - 2r2 0 -1 -5 -6 r4-2r3 0 -1 -5 -6 r4 r3
0 -1 -5 -6

= = =
-1 -2 -5 0 0 3 1 0 0 3 1

0


0 -2 -5 -10 0 0 5 2 0 0 -1 0


1 2 3 4 1 2 3 4


0 -1 -5 -6 0
r4+3r3 -1 -5 -6

= = 1

0 0 -1 0 0 0 -1 0


0 0 3 1 0 0 0 1
1
Twierdzenie 3 Jeśli macierz kwadratowa A stopnia n ma postać:

B C
A =
0 D
gdzie B i D sÄ… macierzami kwadratowymi stopni k i n - k, a 0 jest macierzÄ…
zerowÄ… wymiaru (n - k) × k, to:
det A = (det B) · (det D)
Zadanie Na podstawie powyższego twierdzenia wyznacznik:


1 2 3 4 5


2 1 1 0 1


3 2 1 2 1


0 0 0 4 1



0 0 0 2 2
jest równy:


1 2 3

4 1

2 1 1

2 2

3 2 1
Twierdzenie 4 (Cauchy) Niech A i B będą macierzami kwadratowymi stop-
nia n wtedy:
det(A · B) = det(A) det(B).
Zadanie Udowodnić, że jeśli A jest macierzą odwracalną to det A = 0 i

1
det(A-1) =
det A
RozwiÄ…zanie Ponieważ A · A-1 = I to mamy det(A · A-1) = det I = 1. Z
twierdzenia Cauchy ego mamy:
1 = det(A · A-1) = det(A) · det(A-1)
1
zatem det A = 0 i otrzymujemy det(A-1) = .

det A
Rozwinięcie wyznacznika względem kolumny (wiersza) macierzy
Niech A = [aij]n×n bÄ™dzie macierzÄ… kwadratowÄ…, wtedy przez Aij ozna-
czać bÄ™dziemy macierz wymiaru (n - 1) × (n - 1) powstaÅ‚Ä… z macierzy A
przez wykreślenie i-tego wiersza i j-tej kolumny.
Twierdzenie 5 (Laplace) Niech A będzie macierzą stopnia n wtedy:
det A = a1j(-1)1+j det A1j + a2j(-1)2+j det A2j + · · · + anj(-1)n+j det Anj,
det A = ai1(-1)i+1 det Ai1 + ai2(-1)i+2 det Ai2 + · · · + ain(-1)i+n det Ain.
2
Pierwszy z powyższych wzorów nazywamy rozwinięciem wyznacznika wzglę-
dem j-tej kolumny, a drugi względem i-tego wiersza.
Zadanie Obliczyć wyznacznik:


2 3 4


1 2 5


3 5 4
Rozwiązanie Rozwiniemy ten wyznacznik względem drugiego wiersza:


2 3 4

3 4 2 4 2 3

1 2 5 = 1(-1)2+1 + 2(-1)2+2 + 5(-1)2+3


5 4 3 4 3 5

3 5 4
Często wyznaczniki oblicza się łącząc różne metody. Jeśli korzystamy z
rozwinięcia wyznacznika dobrze jest czasem wyzerować niektóre elementy w
wierszu.
Zadanie Obliczyć wyznacznik:


1 3 1 2


3 4 5 1



2 4 1 0


-1 4 2 1
Rozwiązanie Możemy najpierw wyzerować elementy w pierwszej kolumnie
pod pierwszym wierszem, a następnie rozwinąć względem pierwszej kolumny:
w2 - 3w1

w3
- 2w1 1 3 1 2
1 3 1 2

-5 2 -5

w4 + w1 0 -5 2 -5
3 4 5 1

= = 1(-1)1+1 -2 -1 -4

-2 -1 -4

2 4 1 0 0

7 3 3

-1 4 2 1 0 7 3 3
Niech A = [aij]n×n bÄ™dzie macierzÄ… kwadratowÄ…, wtedy dopeÅ‚nieniem
algebraicznym elementu aij nazywać będziemy element bij = (-1)i+j det Aij,
a macierz:
îÅ‚ Å‚Å‚
b11 b12 . . . b1n
ïÅ‚
b21 b22 . . . b2n śł
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
AD =
. . .
ïÅ‚ . śł
. . . .
.
ðÅ‚ . . . ûÅ‚
bn1 bn2 . . . bnn
Obliczmy nastÄ™pujÄ…cy iloczyn A · (AD)T :
3
1. Iloczyn i-tego wiersza i i-tej kolumny wynosi:
îÅ‚ Å‚Å‚
bi1
ïÅ‚ śł
bi2
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
[ai1, ai2, . . . , ain] · = ai1bi1 + ai2bi2 + · · · + ainbin =
.
ïÅ‚ śł
.
ðÅ‚ . ûÅ‚
bin
ai1(-1)i+1 det Ai1 + ai2(-1)i+2 det Ai2 + . . . + ain(-1)i+n det Ain = det A
2. Iloczyn i-tego wiersza i j-tej kolumny dla i = j wynosi:

îÅ‚ Å‚Å‚
bj1
ïÅ‚ śł
bj2
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
[ai1, ai2, . . . , ain] · = ai1bj1 + ai2bj2 + · · · + ainbjn =
.
ïÅ‚ śł
.
ðÅ‚ ûÅ‚
.
bjn
ai1(-1)j+1 det Aj1 + aj2(-1)j+2 det Aj2 + . . . + ain(-1)j+n det Ajn = 0
ostatnia równość wynika z faktu, że ai1(-1)j+1 det Aj1 + aj2(-1)j+2 det Aj2 +
. . . + ain(-1)j+n det Ajn jest wyznacznikiem macierzy, która powstała z ma-
cierzy A przez zastąpienie j-tego wiersza wierszem i-tym, więc wyznacznik
ten jest równy 0. Zatem mamy:
îÅ‚ Å‚Å‚
det A 0 0 0 0
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
0 det A 0 0 0
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
0 0 det A 0 0
A · (AD)T = ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
. . . .
.
ïÅ‚ śł
. . . . .
.
. . . .
ðÅ‚ ûÅ‚
0 0 0 0 det A
co oznacza, że jeśli det A = 0 to macierz A jest odwracalna. Udowodniliśmy,

następujące twierdzenie:
Twierdzenie 6 Macierz kwadratowa A jest odwracalne wtedy i tylko wtedy
gdy det A = 0.

Konstrukcja macierzy odwrotnej
Powtórzmy jeszcze raz konstrukcjÄ™ macierzy odwrotnej. JeÅ›li A = [aij]n×n
jest macierzÄ… kwadratowÄ… stopnia n to mamy:
1
A-1 = (AD)T
det A
gdzie AD = [bij]n×n, bij = (-1)i+j det Aij, macierz Aij jest macierzÄ… kwadra-
tową stopnia n - 1, która powstała z macierzy A przez wykreślanie i-tego
wiersza i j-tej kolumny.
4
Zadanie Wyznaczyć macierz odwrotną do:
îÅ‚ Å‚Å‚
0 1 1 1
ïÅ‚ śł
1 0 1 1
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ ûÅ‚
1 1 0 1
1 1 1 0
Przekształcenia elementarne wierszy macierzy
Niech A bÄ™dzie dowolnÄ… macierzÄ… o wymiarze m × n o współczynnikach z
pewnego ciaÅ‚a K i niech A = [aij]m×n. PrzeksztaÅ‚ceniem elementarnym
wierszy macierzy A nazywamy jedno z poniższych przekształceń:
(1) zamiana dwóch wybranych wierszy macierzy,
(2) dodanie do wiersza Ai wiersza kAj (dla i = j).

(3) pomnożenie wybranego wiersza przez pewien element niezerowy ele-
ment ciała K.
Można również mówić o przekształceniach elementarnych kolumn macie-
rzy.
Wniosek 1 Jeśli macierz A jest kwadratowa to pierwsze z przekształceń ele-
mentarnych zmienia tylko znak wyznacznika, a drugie nie zmienia wyznacz-
nika macierzy A.
Macierz A = [aij]m×n nazywamy macierzÄ… trapezowÄ… jeÅ›li:
îÅ‚ Å‚Å‚
a11 a12 a13 . . . . . . a1n
ïÅ‚
0 a22 a23 . . . . . . a2n śł
ïÅ‚ śł
ïÅ‚
ïÅ‚ śł
0 0 a33 . . . . . . a3n śł
ïÅ‚ śł
ïÅ‚
0 . . . 0 akk . . . akn śł
A = ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ 0 . . . . . . 0 . . . 0 śł
ïÅ‚ śł
. . . . .
ïÅ‚ . śł
. . . . . .
ðÅ‚ . ûÅ‚
. . . . .
0 . . . . . . 0 . . . 0
przy czym wiersze od pierwszego do k-tego sÄ… niezerowe
Twierdzenie 7 Niech A bÄ™dzie macierzÄ… wymiaru m × n, wtedy przy po-
mocy przekształceń elementarnych można macierz A sprowadzić do pewnej
macierzy trapezowej.
Dowód W dowodzie wykorzystujemy tzw Algorytm Gaussa
Niech A = [aij]m×n bÄ™dzie dowolnÄ… macierzÄ…. JeÅ›li a11 = 0 to można przy po-

mocy tego elementu wyzerować wszystkie elementy leżące pod nim w pierw-
szej kolumnie w następujący sposób:
5
od wiersza i-tego [ai1, ai2, . . . , ain] odejmujemy wiersz pierwszy pomnożony
ai1 ai1
przez współczynnik (jest to przekształcenie (2)) czyli [a11, a12, . . . , a1n]
a11 a11
ai1 ai1
otrzymując: [0, ai2 - a12, . . . , ain - a1n]. W ten sposób pod elementem
a11 a11
pierwszym w pierwszej kolumnie pojawią się zera. Jeśli element a11 = 0
to możemy zastosować przekształcenie (1), sprawdzamy który z elementów
ai1 jest niezerowy i przestawiamy wiersze. Po dokonaniu tych przekształceń
otrzymujemy macierz:
îÅ‚ Å‚Å‚
a a a . . . . . . a
11 12 13 1n
ïÅ‚
ïÅ‚ 0 a a . . . . . . a śł
śł
22 23 2n
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
0 a a . . . . . . a
ïÅ‚ 23 33 3n śł
ïÅ‚ śł
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
ðÅ‚ ûÅ‚
0 a a . . . . . . a
m2 m3 mn
Dalej postÄ™pujemy tak samo dla macierzy (m - 1) × (n - 1):
îÅ‚ Å‚Å‚
a a . . . . . . a
22 23 2n
ïÅ‚ śł
a a . . . . . . a
ïÅ‚ śł
23 33 3n
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ ûÅ‚
. . . . . . . . . . . . . . .
a a . . . . . . a
m2 m3 mn
Zadanie Sprowadzić do postaci trapezowej macierz:
îÅ‚ Å‚Å‚
1 2 3 4 5
ïÅ‚ śł
3 2 1 -2 3
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ ûÅ‚
2 1 2 1 -1
1 1 1 1 1
oraz macierz:
îÅ‚ Å‚Å‚
1 2 3 4
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ 3 2 1 -2 śł
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
2 1 2 1
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
1 1 1 1
ðÅ‚ ûÅ‚
2 3 4 5
RzÄ™dem macierzy A wymiaru m×n nazywamy ilość niezerowych wierszy
postaci trapezowej macierzy A i oznaczamy go przez r(A).
Uwaga 1 JeÅ›li macierz A ma wymiar m × n to r(A) min(m, n).
Uwaga 2 r(A) = r(AT ).
Uwaga 3 Rząd macierzy kwadratowej A stopnia n wynosi dokładnie n wtedy
i tylko wtedy gdy det A = 0.

6
Zadanie Wyznaczyć rząd macierzy w zależności od parametru a:
îÅ‚ Å‚Å‚
a 1 1 1
ïÅ‚ śł
1 a 1 1
ïÅ‚ śł
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ ûÅ‚
1 1 a 1
1 1 1 a
Inne podejście
Niech A bÄ™dzie macierzÄ… m × n wtedy minorem stopnia k min(m, n)
tej macierzy nazywamy wyznacznik macierzy kwadratowej powstałej z A
przez skreślenie m - k wierszy i n - k kolumn.
Przykład Minorami stopnia 2 macierzy:
îÅ‚ Å‚Å‚
1 3 1 2
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ 3 4 5 1 ûÅ‚
-1 4 2 1

1 3
są na przykład det (wykreślono ostatni wiersz oraz trzecią i czwartą
3 4

1 1
kolumnę), lub det (wykreślono drugi wiersz oraz drugą i czwartą
-1 2
kolumnÄ™).
Twierdzenie 8 Rząd macierzy A jest równy stopniowi maksymalnego nie-
zerowego minora zawartego w macierzy A.
7


Wyszukiwarka