1.2. Определитель квадратной матрицы
Каждой квадратной матрице можно поставить
в соответствие число, вычисляемое по
определенному правилу. Если матрица
то
ее определителем называется число,
которое вычисляется по формуле:
(1.2.1.)
Например, для матрицы
определитель
Рассмотрим квадратную матрицу третьего порядка:
Определителем матрицы третьего порядка называется число, которое вычисляется по формуле:
Пример. Вычислить определитель третьего порядка:
Решение.
Чтобы получить правило для вычисления
определителя любого порядка, введем
понятие минора
и алгебраического дополнения элемента
квадратной
матрицы
.
Минором
элемента
матрицы n-го порядка
называется определитель (n-1)-го
порядка, полученный из матрицы А
вычеркиванием i-й строки
и j-го столбца.
Алгебраическим дополнением
элемента
матрицы n-го порядка
называется его минор, взятый со знаком
,
то есть
Пример. Дана матрица третьего порядка:
Найти миноры
и алгебраические дополнения
Решение. Вычеркивая первую строку
и первый столбец, получим минор
Вычеркивая первую строку и второй
столбец, найдем минор
Тогда
Ответ.
За правило вычисления определителя n-го порядка примем утверждение следующей теоремы.
Теорема Лапласа. Определитель квадратной матрицы равен сумме произведений элементов любой строки (столбца) на соответствующие алгебраические дополнения.
,
где i=1,2,…,n.
Эта формула называется разложением определителя по элементам i-й строки. Аналогично имеет место разложение по элементам j-го столбца:
где j=1,2,…,n.
Убедимся в справедливости теоремы на примере определителя третьего порядка, разложив его по элементам первой строки.
Полученный ответ совпадает с определением
Пример. Вычислить определитель квадратной матрицы третьего порядка:
Решение. Разложим определитель
по элементам первой строки
Пример. Вычислить определитель
матрицы четвертого порядка:
Решение. Раскроем определитель данной матрицы по элементам первого столбца
Заметим, что определитель равен произведению элементов, стоящих на главной диагонали. И вообще, если квадратная матрица имеет под главной диагональю или над ней элементы равные нулю, то ее определитель равен произведению чисел главной диагонали
Рассмотрим свойства определителей, которые можно доказать с помощью теоремы Лапласа.
-
При транспонировании матрицы ее определитель не меняется. Из этого свойства следует, что все свойства, сформулированные относительно строк, справедливы и относительно столбцов.
-
Если все элементы какой-либо строки имеют общий множитель, то его можно вынести за знак определителя:
-
При перестановке двух строк матрицы ее определитель меняет знак на противоположный.
-
Определитель, имеющий нулевую строку, равен нулю.
-
Если определитель имеет две одинаковые строки, то он равен нулю.
-
Если определитель имеет две пропорциональные строки, то он равен нулю.
7. Если все элементы какой-либо строки представляют сумму двух слагаемых, то определитель можно представить как сумму двух определителей: у первого в соответствующей строке стоят первые слагаемые, а у второго – вторые, остальные элементы те же, что и у данного определителя:
8. Определитель матрицы не изменится, если к элементам какой-либо строки матрицы прибавить элементы другой строки, умноженные на одно и то же число.
9. Сумма произведений элементов какой-либо строки матрицы на алгебраические дополнения элементов другой строки этой матрицы равна нулю.
10. Определитель произведения двух
квадратных матриц равен произведению
их определителей.
,
где А,В- матрицы n-го
порядка. То есть если даже АВ
,
Приведенные свойства определителей используются при их вычислении.
Пример. Вычислить определитель матрицы
Решение. Выполним преобразования, которые по свойству 8 не изменят величины определителя: первую строку прибавим ко второй, и, умноженную на 2, вычтем из последней строки:
Определитель третьего порядка можно вычислить по определению или продолжить применение свойства 8: третью строку, умноженную на 4, вычитаем из первой строки, умноженную на 3 вычтем из второй, получим
Примеры для самостоятельной работы
Вычислить определители:
1)
2)
3)
Ответы: 1)24; 2)0; 3)10.