Каковы способы вычисления определителей

Методы вычисления определителей

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:

Задание. Вычислить определитель второго порядка $\left| \begin <11>& <-2>\\ <7>& <5>\end\right|$

Решение. $\left| \begin <11>& <-2>\\ <7>& <5>\end\right|=11 \cdot 5-(-2) \cdot 7=55+14=69$

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.

Методы вычисления определителей не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!

Задание. Вычислить определитель $\left| \begin <3>& <3>& <-1>\\ <4>& <1>& <3>\\ <1>& <-2>& <-2>\end\right|$ методом треугольников.

Решение. $\left| \begin <3>& <3>& <-1>\\ <4>& <1>& <3>\\ <1>& <-2>& <-2>\end\right|=3 \cdot 1 \cdot(-2)+4 \cdot(-2) \cdot(-1)+$

$$+3 \cdot 3 \cdot 1-(-1) \cdot 1 \cdot 1-3 \cdot(-2) \cdot 3-4 \cdot 3 \cdot(-2)=54$$

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»:

Задание. Вычислить определитель $\left| \begin <3>& <3>& <-1>\\ <4>& <1>& <3>\\ <1>& <-2>& <-2>\end\right|$ с помощью правила Саррюса.

Решение.

$$+(-1) \cdot 4 \cdot(-2)-(-1) \cdot 1 \cdot 1-3 \cdot 3 \cdot(-2)-3 \cdot 4 \cdot(-2)=54$$

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.

Задание. Разложив по первой строке, вычислить определитель $\left| \begin <1>& <2>& <3>\\ <4>& <5>& <6>\\ <7>& <8>& <9>\end\right|$

Решение. $\left| \begin <1>& <2>& <3>\\ <4>& <5>& <6>\\ <7>& <8>& <9>\end\right| \leftarrow=a_ <11>\cdot A_<11>+a_ <12>\cdot A_<12>+a_ <13>\cdot A_<13>=$

Этот метод позволяет вычисление определителя свести к вычислению определителя более низкого порядка.

Задание. Вычислить определитель $\left| \begin <1>& <2>& <3>\\ <4>& <5>& <6>\\ <7>& <8>& <9>\end\right|$

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.

Определитель равен нулю, так как вторая и третья строки являются пропорциональными.

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

Задание. Вычислить определитель $\left| \begin <9>& <8>& <7>& <6>\\ <5>& <4>& <3>& <2>\\ <1>& <0>& <1>& <2>\\ <3>& <4>& <5>& <6>\end\right|$ , 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:

Полученный определитель разложим по элементам первого столбца:

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:

$$=4 \cdot(2 \cdot 8-4 \cdot 4)=0$$

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.

Задание. Вычислить определитель $\Delta=\left| \begin <-2>& <1>& <3>& <2>\\ <3>& <0>& <-1>& <2>\\ <-5>& <2>& <3>& <0>\\ <4>& <-1>& <2>& <-3>\end\right|$ 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:

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:

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):

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:

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:

Ответ. $\Delta=-80$

Теорема Лапласа

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.

Задание. Используя теорему Лапласа, вычислить определитель $\left| \begin <2>& <3>& <0>& <4>& <5>\\ <0>& <1>& <0>& <-1>& <2>\\ <3>& <2>& <1>& <0>& <1>\\ <0>& <4>& <0>& <-5>& <0>\\ <1>& <1>& <2>& <-2>& <1>\end\right|$

Решение. Выберем в данном определителе пятого порядка две строки — вторую и третью, тогда получаем (слагаемые, которые равны нулю, опускаем):

Источник

Предмет:” Элементы высшей математики Т.З. Лекция № 4 ”Тема« Определители Определитель квадратной матрицы. Свойства определителей Способы вычисления определителей

Отделение , группа ___

Семестр ___3___, курс__2 ____ Преподаватель Пластун СВ

Предмет:” Элементы высшей математики Т.З. Лекция № 4 ” Тема« Определители Определитель квадратной матрицы.

Свойства определителей Способы вычисления определителей.»

1. Определитель квадратной матрицы.

Всякой квадратной матрице можно поставить в соответствие действительное число, называемое определителем или детерминантом этой матрицы.
Для определителя матрицы A применяются различные обозначения. Укажем наиболее употребимые: detA, D , или развернутое, указывающее на связь с данной матрицей

. (1)
Прямые скобки, заменяющие круглые (матричные), указывают на то, что имеется в виду именно определитель матрицы, т.е. единственное число, а не сама матрица A.

Рассмотрим определитель 2-го порядка .
Чтобы найти значение этого определителя надо перемножить элементы главной диагонали и отнять от полученного числа произведение элементов побочной диагонали, т.е. . (2)

Например, определитель

Определитель 3-го порядка вычисляется по формуле
. (3)
Например, .

Для того чтобы определить правило вычисления определителей порядка выше, чем 3, введем сначала некоторые новые объекты.
Пусть нам дана квадратная матрица порядка n

. (4)

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:

, (5)

где индексы q₁, q₂. q_n 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), называется алгебраическая сумма n! членов вида .

2. Свойства определителей

1. Определитель не меняется при транспонировании.

2. Если одна из строк определителя состоит из нулей, то определитель равен нулю.

3. Если в определителе переставить две строки, определитель поменяет знак.

4. Определитель, содержащий две одинаковые строки, равен нулю.

5. Если все элементы некоторой строки определителя умножить на некоторое число k, то сам определитель умножится на k.

6. Определитель, содержащий две пропорциональные строки, равен нулю.

7. Если все элементы i-й строки определителя представлены в виде суммы двух слагаемых a_{i j} = b_j + c_j (j=), 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 b_j, в другом — из элементов c_j.

8. 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.

3. Способы вычисления определителей.

Минором M_{i j} элемента a_{i j} определителя d n-го порядка называется определитель порядка n-1, который получается из d вычеркиванием строки и столбца, содержащих данный элемент.

Алгебраическим дополнением элемента a_{i j} определителя d называется его минор M_{i j}, взятый со знаком (-1) i + j . Алгебраическое дополнение элемента a_{i j} будем обозначать A_{i j}. Таким образом, A_{i j} = (-1) i + j M_{i j}. (6)

Способы практического вычисления определителей, основанные на том, что определитель порядка n может быть выражен через определители более низких порядков, дает следующая теорема.

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

d = a _{i 1} A _{i 1} + a _{i 2} A _{i 2} +. + a _{i n} A _{i n} (i = ) (7)

или j- го столбца

d = a _{1 j} A _{1 j} + a _{2 j} A _{2 j} +. + a_{n j} A_{n j} (j = ). (7а)

В частности, если все элементы строки (или столбца), кроме одного, равны нулю, то определитель равен этому элементу, умноженному на его алгебраическое дополнение.

Пример 1. 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 2. Вычислить определитель D = , разложив его по элементам второго столбца.

Решение. Разложим определитель по элементам второго столбца:

= .

Пример 3 . Вычислить определитель

A = ,

в котором все элементы по одну сторону от главной диагонали равны

Решение. Разложим определитель А по первой строке:

A = a₁₁ A₁₁ = .

Определитель, стоящий справа, можно снова разложить по первой строке, тогда получим:

A = .

И так далее. После n шагов придем к равенству A = а₁₁ а_22... a_nn.

Пример 4. 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.

Источник