Determinantes
Definição, propriedades, regra de Laplace, matriz adjunta, regra de Cramer e o determinante como área e volume.
A matriz da lição de matrizes tem inversa porque .
Este número é o seu determinante. Para uma matriz quadrada, um determinante não nulo garante invertibilidade. O módulo mede também o fator de escala de áreas ou volumes.
Definição para ordens 2 e 3
Para uma matriz , o determinante é a diferença dos produtos das diagonais:
Por exemplo, , o número que já usámos na fórmula da inversa.
Para ordem 3, uma forma prática é a regra de Sarrus: repete as duas primeiras colunas à direita e soma os produtos das três diagonais descendentes, subtraindo os produtos das três diagonais ascendentes. Para
as descendentes dão e as ascendentes dão .
Logo .
Atenção: Sarrus só funciona para ordem 3. Para ordens maiores (ou para demonstrar propriedades), usa-se a definição geral por regra de Laplace, que expande o determinante ao longo de uma linha ou coluna (ver abaixo).
Propriedades que poupam trabalho
Estas regras valem para matrizes quadradas reais de ordem positiva. Nos produtos, e têm a mesma ordem:
- e .
- Trocar duas linhas (ou colunas) troca o sinal do determinante.
- Multiplicar uma linha por multiplica o determinante por . Consequência muito usada: para matrizes de ordem .
- Somar a uma linha um múltiplo de outra não altera o determinante. É a autorização para triangular a matriz antes de calcular.
- Uma matriz com uma linha nula, com duas linhas iguais ou com uma linha combinação linear das outras tem determinante zero.
- e .1
- é invertível exatamente quando , e nesse caso .
A estratégia habitual para um determinante cheio de números é criar zeros com operações do tipo “somar um múltiplo de outra linha” e só depois expandir ou aplicar Sarrus. Cada zero elimina uma parcela.
Regra de Laplace e matriz adjunta
Escolhe uma linha ou coluna. Para cada entrada , risca a sua linha e coluna:
- o que resta é a submatriz ;
- o seu determinante chama-se menor;
- o cofator é , com o sinal do tabuleiro de xadrez .
O determinante é a soma dos produtos das entradas pelos respetivos cofatores:
Vê com a matriz acima, expandindo pela primeira coluna (que tem um zero simpático em ):
Isto dá .
Confirma o valor obtido por Sarrus. Uma linha ou coluna com mais zeros costuma reduzir a conta: cada zero elimina uma parcela inteira da expansão.
A matriz dos cofatores, transposta, chama-se matriz adjunta, , e dá a inversa de qualquer matriz invertível:
Para isto reproduz a fórmula da página de matrizes. Para a adjunta já dá bastante trabalho, por isso nos exercícios o método de Gauss-Jordan costuma ser mais rápido para inverter; a adjunta é sobretudo uma ferramenta teórica.
Uma propriedade que permite confirmar a adjunta é
Na matriz do exemplo, a matriz dos cofatores é
Como , a inversa é a transposta desta matriz:
Por exemplo, a entrada de é , e a entrada é . Os cofatores sem transposição não dariam a inversa.
Regra de Cramer
Se tem matriz quadrada com , cada incógnita obtém-se por um quociente de determinantes: é o determinante da matriz que resulta de substituir a coluna de pela coluna , a dividir por .
Exemplo: . O determinante do sistema é . Então
Cramer é elegante, mas só se aplica a sistemas quadrados com determinante não nulo e o custo cresce depressa: para um precisas de quatro determinantes. Na prática, Gauss resolve mais depressa; Cramer brilha quando só precisas de uma incógnita ou quando os coeficientes dependem de um parâmetro.
Determinante por eliminação
Para triangular por eliminação, considera
Trocamos com , fazemos e, depois, :
A triangular tem determinante . Houve uma troca de linhas, por isso . As somas de múltiplos não alteraram o determinante. Se também multiplicasses uma linha por um escalar, terias de registar esse fator.
Para estudar invertibilidade com um parâmetro, mantém a expressão do determinante fatorizada. Por exemplo,
Subtrair a primeira linha às outras duas produz uma triangular com diagonal . A matriz é invertível exatamente quando . Se , todas as linhas coincidem e a característica é 1, não 2.
O determinante como área e volume
Em , o módulo do determinante é a área do paralelogramo definido pelos dois vetores coluna (ou linha). Os vetores e definem um paralelogramo de área :
Em , o módulo do determinante é o volume do paralelepípedo definido pelos três vetores. O sinal também tem significado: diz se a orientação dos vetores é preservada ou invertida.
Isto explica por que significa matriz não invertível: as colunas são linearmente dependentes (vais ver o que isto quer dizer na página de espaços vetoriais), por isso “achatam” o espaço e o volume colapsa para zero.
Uma matriz com determinante nulo não consegue ser bijetiva, logo não tem inversa.
O que costuma correr mal
- Aplicar Sarrus a matrizes de ordem 4 ou mais. Não existe Sarrus para : usa Laplace ou triangularização.
- Errar os sinais dos cofatores, sobretudo esquecer o nas posições ímpares.
- Pensar que . É falso; o determinante não é linear na soma de matrizes.
- Usar Cramer quando o determinante do sistema é zero, ou quando o sistema nem sequer é quadrado.
- Confundir com para matrizes de ordem .
Notas de rodapé
-
Esta igualdade é a razão geométrica por trás de tudo: aplicar e depois multiplica volumes por e . O sinal do determinante regista a orientação. Em particular, . Voltar
Exercícios
Cramer e um determinante nulo
No sistema , , com , calcula por Cramer nos casos em que a regra se aplica. Estuda separadamente o valor excluído e escreve todas as soluções nesse caso.
Pista
Calcula o determinante dos coeficientes antes de usar um quociente. No caso em que se anula, volta às equações.
Solução
O determinante é . Se , Cramer dá
Substituir em qualquer equação dá . Para , ambas as equações são : as soluções são , . O quociente não é uma resposta; é um caso em que Cramer não se aplica. Um determinante nulo não decide, por si só, se há contradição ou infinitas soluções.
Confere a tua resposta:
- Calcula x por Cramer quando o determinante é não nulo.
- Estuda o caso excluído nas equações originais e dá todas as soluções.
Guardar o sinal
Calcula por eliminação.
Pista
Troca as primeiras duas linhas.
Mais uma pista
A triangular tem diagonal 1,2,7/2.
Solução
Após a troca, a matriz é . Com fica ; depois produz a diagonal . O produto é 7. A troca inicial inverteu o sinal: o determinante original é .
Erros frequentes
A troca inicial de linhas muda o sinal. As operações de somar múltiplos de linhas mantêm o determinante.
Cofatores, expansão e transposição
Para , calcula e usa-os para expandir pela terceira coluna. Qual é a terceira linha de ?
Pista
Retira a linha e a coluna de cada entrada. Aplica o sinal do cofator antes de multiplicar pela entrada de .
Solução
Os sinais nesta coluna são . Os cofatores são
A expansão pela coluna 3 é . A terceira linha da adjunta é , porque a adjunta transpõe a matriz dos cofatores. Na matriz dos cofatores, estes números estavam numa coluna.
Confere a tua resposta:
- Calcula os três cofatores da coluna 3 e usa-os numa expansão de Laplace.
- Indica a linha 3 da adjunta e justifica a transposição.
Escalar todas as linhas
é invertível de ordem 3. Calcula .
Pista
O fator 3 afeta as três linhas.
Solução
. Multiplicar toda a matriz por 3 não é multiplicar uma única linha.
Erros frequentes
Multiplicar toda a matriz de ordem 3 por 3 multiplica o determinante por , não por 3.