|
Основные свойства знаков 1. Знак тождественной подстановки равен 1. Доказательство. Тождественная
подстановка e четная, так как 2. Знак транспозиции равен 1. 3 Знак произведения подстановок равен
произведению знаков этих подстановок. Доказательство. Равенство 4. Если подстановку умножить на транспозицию,
то знак подстановки изменится на противоположный. Доказательство. Для произвольной
подстановки a и транспозиции t имеем: 5. Доказательство. У п р а ж н е н
и я 1. Задайте
подстановки 2. Задайте
подстановки 3. Задайте
подстановку матрицей и разложите ее в произведение независимых циклов. 4. Задайте
подстановку матрицей и разложите ее в произведение транспозиций. 5. Задайте
подстановку в виде произведения независимых циклов и найдите ее знак. 6. Как изменится знак подстановки, если ее умножить
на цикл длины 4? 7. Чему равен
знак подстановки См. [14], №№
4.5.3-4.5.5; 4.5.7 - 4.5.9; 4.5.18; 4.5.18;
[20], №№
169-173, 178; 151-168; 151-168; 151-168. § 7.
ОПРЕДЕЛИТЕЛИ 1.
Определители 2-го порядка. Рассмотрим квадратную матрицу порядка
2:
Найдем
произведения элементов, взятых по одному из каждой строки и каждого столбца
данной матрицы:
Для каждого из
этих произведений составим подстановку, первой строкой которой являются индексы
строк выбранных элементов, а второй строкой ¾ индексы
столбцов этих элементов:
Знак первой
подстановки равен +1, а второй ¾ равен .
Припишем эти знаки соответствующим произведениям и найдем сумму полученных
произведений:
Слагаемые
называются членами определителя. Схема вычисления определителя 2-го порядка: произведение элементов главной
диагонали минус произведение элементов побочной диагонали. Пример. Вычислим определитель второго порядка:
2.
Определители 3-го порядка. Пусть дана матрица 3-го порядка
Выпишем
всевозможные произведения элементов, взятых по одному из каждой строки и
каждого столбца данной матрицы. Затем для каждого произведения выпишем
подстановку индексов: в первой строке ¾ индексы строк
выбранных элементов, а во второй строке ¾ индексы
столбцов этих элементов. Найдем знак подстановки и припишем его произведению
выбранных элементов. Наконец, найдем сумму произведений с их знаками.
Полученное число называется определителем
данной матрицы или определителем 3-го
порядка, а каждое произведение с соответствующим знаком называется членом определителя. Все указанные
вычисления занесем в таблицу.
Таким образом,
определитель третьего порядка находится по формуле:
Схема вычисления определителя 3-го порядка: со знаком "+" берутся
произведения элементов главной диагонали и произведения двух элементов, взятых
параллельно главной диагонали, на недостающий третий элемент по другую сторону
от этой диагонали; со знаком "" берутся произведения элементов побочной
диагонали и произведения двух элементов, взятых параллельно побочной диагонали
на недостающий третий элемент по другую сторону от этой диагонали (рис. 6).
Пример. Вычислим определитель третьего
порядка
3. Определители n-го порядка. Пусть дана
квадратная матрица порядка n
Определение 1. Определителем квадратной матрицы A порядка n называется сумма произведений элементов этой матрицы, взятых по
одному из каждой строки и каждого столбца, причем произведение берется со
знаком, равным знаку подстановки, первая строчка которой составлена из индексов
строк элементов произведения, а вторая ¾ из соответствующих
индексов столбцов элементов. Указанные произведения с их знаками называются членами определителя. Обозначается
Произвольный
член определителя имеет вид
4.
Основные свойства определителей. Сначала установим, что
можно ограничиться доказательствами свойств определителей, связанных со
строками квадратной матрицы, "бесплатно" получая соответствующие
свойства для столбцов. 1. При транспонировании
квадратной матрицы ее определитель не изменяется. Доказательство. Докажем, что Из доказанного
свойства вытекает, что всякое свойство определителя, доказанное для строк
матрицы, будет справедливо и для столбцов. Поэтому дальнейшие свойства определителей
будем формулировать и доказывать только для строк. Формулировку соответствующего
свойства для столбцов предоставляем читателю. 2. Если
квадратная матрица содержит нулевую строку, то ее определитель равен нулю. Доказательство. Каждый член
определителя должен содержать элемент из нулевой строки, а значит, каждый член
определителя равен нулю. Следовательно, и определитель матрицы равен нулю. 3. Если в
квадратной матрице поменять местами две строки, то определитель матрицы изменит
знак на противоположный. Доказательство.
Пусть, поменяв местами в квадратной матрице 4. Если
квадратная матрица содержит две одинаковые строки, то ее определитель равен
нулю. Доказательство. Поменяем местами
две одинаковые строки данной квадратной матрицы 5. Если
строку квадратной матрицы умножить на некоторое число, то определитель
полученной матрицы будет равен произведению этого числа на определитель
исходной матрицы. Доказательство.
Всякий член определителя преобразованной матрицы должен содержать один
элемент из строки, умноженной на число. Следовательно, этот член определителя
равен соответствующему члену определителя первоначальной матрицы, умноженному
на это число. Но тогда и весь определитель исходной матрицы окажется умноженным
на это число. 6. Если в
квадратной матрице две строки пропорциональны, то ее определитель равен нулю. Доказательство.
Пусть
7. Если
в некоторой строке квадратной матрицы каждый элемент равен сумме двух
слагаемых, то определитель этой матрицы равен сумме определителей двух матриц,
у первой из которых в этой же строке стоят первые слагаемые, а у второй ¾ вторые слагаемые, а остальные элементы этих матриц
такие же, как у первоначальной матрицы. Доказательство. Пусть в k-той строке матрицы A каждый элемент равен сумме двух слагаемых.
Рассмотрим произвольный член определителя этой матрицы:
Отсюда и
следует наше утверждение.
8. (Вычислительное свойство.) Определитель
матрицы не изменится, если к одной строке матрицы прибавить другую строку,
умноженную на число. Доказательство. Обозначим строчки данной матрицы A через
9. Определитель
произведения квадратных матриц равен произведению определителей этих матриц. Доказательство.
Пусть даны квадратные матрицы Наконец,
предположим, что матрица 10. (Необходимое
и достаточное условие равенства нулю определителя.) Определитель матрицы равен нулю Доказательство. ( (
5. Вычисление определителя приведением матрицы к
треугольному виду. Наиболее простым является способ вычисления определителей методом
приведения данной матрицы к треугольному виду. Определитель треугольной матрицы
равен
произведению элементов, стоящих на главной диагонали. Рассмотрим два
характерных примера. Пример 1. Вычислим определитель приведением
матрицы к треугольному виду.
Пояснения к вычислениям 1. Очень просто под единицей делать нули, поэтому
в левом верхнем углу матрицы хотелось бы иметь 1. Этого можно добиться, поменяв
местами первый и второй столбцы матрицы, при этом знак определителя изменяется
на противоположный. 2. Делаем нули в первом столбце под 1, пользуясь
вычислительным свойством определителя. 3. Меняем местами вторую и третью строчки,
определитель изменяет знак. 4. Делаем нули во втором столбце под 5. Из второй строки выносим Пример 2. Вычислим определитель n-го
порядка
Вычтем
последний столбец из всех предыдущих, а затем к последней строке прибавим все
предыдущие строки:
6. Минор и
алгебраическое дополнение элемента. Пусть дана
квадратная матрица
Выделим элемент
Аналогично получаем минор и алгебраическое дополнение элемента
Теперь дадим
общее определение этим понятиям. Определение 2. Минором элемента Легко видеть,
что
Докажем общее
утверждение. Лемма. Если в некоторой строке квадратной матрицы Доказательство. Рассмотрим сначала случай, когда все элементы первой
строки, кроме, быть может, Теперь
предположим, что в i-й строке все элементы,
кроме быть может Теорема 1. (О разложении определителя по элементам строки или
столбца.) Определитель
квадратной матрицы равен сумме произведений элементов строки (столбца) на их алгебраические дополнения. Доказательство. Для простоты
рассмотрим разложение определителя по элементам первой строки. При этом, мы
используем свойство определителей 7 и доказанную выше лемму.
= Пример вычисления определителя разложением по элементам строки или столбца.
Этот способ особенно эффективен в случае, когда в
некоторой строке или в некотором столбце есть нули. Например, следующий
определитель целесообразно разложить по элементам второй строки:
второй определитель равен нулю (почему?);
первый определитель разложим по элементам 3-го столбца: = (3) 4 Теорема 2. Сумма произведений элементов некоторой строки
квадратной матрицы Доказательство. Найдем, например,
сумму произведений элементов второй строки на алгебраические дополнения
элементов первой строки. Воспользовавшись леммой, получаем
7.
Нахождение обратной матрицы с помощью определителей. С каждой
матрицей связывается так называемая присоединенная матрица. Покажем на примере
как она строится. Пусть дана матрица
Для каждого
элемента матрицы
Составим
матрицу порядка 3, записывая в столбцы
алгебраические дополнения соответствующих элементов строк:
Так построенная
матрица называется присоединенной для
матрицы Определение 3. Присоединенной для
квадратной матрицы Продолжим эксперименты с данной выше
матрицей
Получили
диагональную матрицу, у которой каждый элемент диагонали равен определителю
данной матрицы Найдем произведение Используя теоремы 1 и 2, находим:
Аналогично вычисляем
остальные элементы результирующей матрицы. В итоге получаем
Докажем общую
теорему. Теорема 3. Для любой квадратной матрицы A произведение Доказательство.
Найдем произведение Следствие. Если определитель квадратной матрицы Доказательство.
Простой проверкой находим, что = 8. Метод
Крамера. Используем предыдущие результаты для решения системы n линейных уравнений с n
переменными методом Крамера. Запишем такую систему в матричном виде: AX=B, где A ¾ квадратная матрица системы, X ¾ столбец переменных и B ¾ столбец свободных членов. Умножим это матричное уравнение слева на присоединенную матрицу Найдем
произведение
Вычислим элементы
последней матрицы и введем обозначения:
......................................................................................
Таким образом, для
каждого
Запишем это
равенство в виде системы линейных уравнений
Если
Если же Наконец, если
В каждом случае Итак, нами
доказана Теорема 4. Пусть дана система n линейных уравнений с n
переменными, A ¾ матрица системы, и для любого
2) Если 3) Если 9. Нахождение ранга матрицы с помощью
определителей. Поясним на примере
одно новое понятие. Рассмотрим матрицу, содержащую 4 строки и пять столбцов.
Вычеркнем несколько строк и столбцов, чтобы оставшиеся элементы образовали
квадратную матрицу. Например, вычеркнем вторую и четвертую строчки, первый,
третий и пятый столбцы:
Из оставшихся
элементов составим матрицу и найдем ее определитель:
Этот
определитель называется минором 2-го
порядка данной матрицы. Вычеркивая одну строку (например, четвертую) и два столбца (например,
третий и пятый), из оставшихся элементов получим минор 3-го порядка:
Вычеркивая один (любой) столбец, можно получить минор 4-го порядка. Определение 4. Минором k-го
порядка матрицы, содержащей Продолжим
рассмотрение примера. Возьмем минор 3-го порядка
называется окаймлением данного минора 3-го порядка. Можно «пришить»
и другую «каемочку», например, из четвертой строки и третьего столбца:
получили другое окаймление минора Дадим общее определение. Определение 5. Пусть дана матрица, содержащая m строк и n столбцов, и Определение 6. Пусть дана
матрица. Отличный от нуля минор, все окаймления которого равны нулю, называется
базисным минором данной матрицы. Теорема 5. (О базисном
миноре.) Ранг ненулевой матрицы равен
порядку базисного минора. Доказательство. Пусть дана
матрица Пусть Предположим, что ранг матрицы
Обозначим через Пример. Найдите базисный минор и ранг матрицы
Решение. Находим отличный от нуля минор 2-го порядка. В нашем случае можно взять
минор
Теперь к выделенной матрице «пришиваем»
всевозможные «каемочки»:
и вычисляем
соответствующие миноры:
Ответ: базисный
минор 10. Решение произвольных систем линейных уравнений
с помощью определителей. Рассмотрим метод
решения систем линейных уравнений, который полностью сводится к вычислению
определителей. Пусть дана система m линейных
уравнений с n переменными. Выписываем расширенную матрицу системы и находим базисный
минор матрицы системы. Если он не является
базисным минором расширенной матрицы системы, то есть его окаймление некоторой
строкой и столбцом свободных членов отлично от нуля, то это означает, что ранг
матрицы меньше ранга расширенной матрицы и, стало быть, система линейных
уравнений несовместна. Пусть базисный минор матрицы системы является базисным
минором расширенной матрицы системы. Тогда ранг матрицы равен рангу
расширенной матрицы и, следовательно, система совместна. Очевидно, строчки
(столбцы) расширенной матрицы, которые пересекаются с базисным минором,
образуют базис системы вектор-строк (соответственно, вектор-столбцов). Поэтому,
если из данной системы линейных уравнений удалить те уравнения, которые
соответствуют строчкам, не пересекающимся с базисным минором, то получим
систему, равносильную первоначальной. Кроме того, те переменные, коэффициенты
которых входят в базисный минор, являются главными, а остальные ¾ свободными.
Переносим свободные переменные в правые части уравнений и полученную систему
решаем по формулам Крамера, считая свободные переменные параметрами. Пример. Решите методом
определителей систему линейных уравнений
Решение. Выписываем расширенную матрицу системы и находим базисный минор матрицы
системы:
В предыдущем пункте уже найден базисный минор матрицы системы:
Остается
проверить, является ли
Итак, ранг матрицы равен рангу расширенной матрицы и равен 2.
Следовательно, система совместна и неопределенна. Третья строчка расширенной
матрицы системы не пересекается с базисным минором, следовательно, третье
уравнение системы можно отбросить. Главными являются те переменные, коэффициенты
которых входят в базисный минор, то есть
Полученную
систему решаем по формулам Крамера:
Ответ: общее решение У п р а ж н е н
и я 1. Какие из
произведений 2. Придумайте матрицу и найдите ее определитель.
3. Придумайте матрицу и найдите ей обратную с
помощью определителей. 4. Придумайте квадратную систему линейных уравнений и решите ее методом
Крамера. 5. Приведите пример системы линейных
уравнений, определитель матрицы которой был бы равен нулю, а сама система была
бы совместной (несовместной). 6. Как изменится определитель матрицы, если ее третью строчку поставить на
первое место, сохранив порядок следования остальных строк? 7. Чему будет равен определитель квадратной матрицы порядка 8. Сколько членов определителя матрицы порядка 9. Назовите вид однородной системы линейных уравнений, если определитель
матрицы системы равен нулю. 10. Если
матрица 11. Дана квадратная матрица 12. Пусть 13. Выпишите
все трансвекции 14. Придумайте
квадратную матрицу и ее элементарное преобразование. Осуществите его с помощью
умножения на трансвекцию. 15. Придумайте квадратную
матрицу, которая элементарными преобразованиями приводится к диагональному
виду, и представьте ее в виде произведения диагональной матрицы, умноженной
слева на трансвекции. 16. На какую матрицу
нужно умножить данную матрицу, чтобы ее определитель удвоился (утроился)? 17. Придумайте
матрицу и найдите ее ранг методом окаймления миноров. 18. Придумайте
систему линейных уравнений, которая имела бы бесконечное множество решений, и
найдите общее решение с помощью определителей. 19. Придумайте
систему арифметических векторов и найдите ее базис с помощью базисного минора соответствующей
матрицы. См. [14], №№ 4.6.5, 4.6.6, 4.7.1, 4.8.3;
4.10.5; 4.10.6, 4.10.7; [20], №№ 1-7, 43-60, 257-278, 279-325;
836-845; 74-77, 82-89; [25], №№ 138-147, 151, 152, 163-237, 288, 335-354, 361-380. |