חזור לתיקייה: 01040166 - אלגברה אמ

11 - דטרמיננטים

חיפוש בתיקיה
Ctrl K
לחץ כאן או הקש Ctrl K כדי לחפש בכל התיקיה
  • סיפורים ליום שלישי
  • הדטרמיננטה
  • כללים לחישוב דטרמיננטים

11 - דטרמיננטים

01040166

אלגברה אמ

רשימות הרצאה לקריאה בשבת

דטרמיננטים

הופק מתוך תקיית התואר של שקד

uni-folder.vercel.app

סיפורים ליום שלישי

∣(2)∣=2|\begin{pmatrix} 2 \end{pmatrix}|=2∣(2​)∣=2 ∣(1234)∣=1⋅4−2⋅3\begin{vmatrix} \begin{pmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{pmatrix} \end{vmatrix}=1\cdot 4-2\cdot 3​(13​24​)​​=1⋅4−2⋅3 ∣123456789∣=1⋅∣5689∣−2∣4679∣+3∣4578∣=1⋅(45−48)−2⋅(36−42)+3⋅(32−35)=0\begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{vmatrix}= 1 \cdot \begin{vmatrix} 5 & 6 \\ 8 & 9 \end{vmatrix}-2\begin{vmatrix} 4 & 6 \\ 7 & 9 \end{vmatrix}+3\begin{vmatrix} 4 & 5 \\ 7 & 8 \end{vmatrix}=1 \cdot (45-48)-2\cdot (36-42)+3 \cdot (32-35)=0​147​258​369​​=1⋅​58​69​​−2​47​69​​+3​47​58​​=1⋅(45−48)−2⋅(36−42)+3⋅(32−35)=0 ∣a11a12a13a21a22a23a31a32a33∣=a11∣a22a23a32a33∣−a12∣a21a23a31a33∣+a13∣a21a22a31a32∣=a11(a22a33−a23a32)\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix}=a_{11}\begin{vmatrix} a_{22} & a_{23} \\ a_{32} & a_{33} \end{vmatrix}-a_{12}\begin{vmatrix} a_{21} & a_{23} \\ a_{31} & a_{33} \end{vmatrix}+a_{13}\begin{vmatrix} a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \end{vmatrix}=a_{11}(a_{22}a_{33}-a_{23}a_{32})​a11​a21​a31​​a12​a22​a32​​a13​a23​a33​​​=a11​​a22​a32​​a23​a33​​​−a12​​a21​a31​​a23​a33​​​+a13​​a21​a31​​a22​a32​​​=a11​(a22​a33​−a23​a32​) −a12(a21a33−a23a31)+a13(a21a32−a22a31)=a11a22a33−a11a23a32+a12a23a31+a13a21a32-a_{12}(a_{21}a_{33}-a_{23}a_{31})+a_{13}(a_{21}a_{32}-a_{22}a_{31})=a_{11}a_{22}a_{33}-a_{11}a_{23}a_{32}+a_{12}a_{23}a_{31}+a_{13}a_{21}a_{32}−a12​(a21​a33​−a23​a31​)+a13​(a21​a32​−a22​a31​)=a11​a22​a33​−a11​a23​a32​+a12​a23​a31​+a13​a21​a32​ −a13a22a31-a_{13}a_{22}a_{31}−a13​a22​a31​

דדרמיננט זה אוסף כל התמורות מ-111 עד nnn ל-111 עד nnn. הסימני מינוס נבין באלגברה מודרנית וממש צריך להיכנס לתוך זה.

{1,2,3}→σ{1,2,3}\left\{ 1,2,3 \right\}\xrightarrow{\quad \sigma \quad}\left\{ 1,2,3 \right\}{1,2,3}σ​{1,2,3}

המספר nnn נקבע לפי מספר השורות/העמודות.
תמורה זה העתקה חח"ע ועל.
דדטרמיננט זה אוסף התמורות מ-{1,…,n}→{1,…,n}\left\{ 1,\dots,n \right\}\to \left\{ 1,\dots,n \right\}{1,…,n}→{1,…,n}.

הדטרמיננטה

הגדרה 1 (מינור)

לדדרמיננט של המטריצה הנוצרת ע"י מחיקת שורה iii ועמודה jjj קוראים המינור ה-i,ji,ji,j ומסמנים Mi,jM_{i,j}Mi,j​.

הערה

ראינו אם כן כי אם n=2n=2n=2 אזי ∣A∣=a11M11−a12M12|A|=a_{11}M_{11}-a_{12}M_{12}∣A∣=a11​M11​−a12​M12​ ול-n=3n=3n=3 מתקיים ∣A∣=a11M11−a12M12+a13M13|A|=a_{11}M_{11}-a_{12}M_{12}+a_{13}M_{13}∣A∣=a11​M11​−a12​M12​+a13​M13​.

הגדרה 2 (דטרמיננטה)

עבור מטריצה A∈Fn×nA \in \mathbb{F}^{n\times n}A∈Fn×n נגדיר את הדטרמיננטה של מטריצה AAA ע"י:
\quad א. אם n=1n=1n=1 אזי ∣(a)∣=a|(a)|=a∣(a)∣=a.
\quad ב. אחרת:

∣A∣=a11M11−a12M12+⋯+(−1)1+na1nM1n|A|=a_{11}M_{11}-a_{12}M_{12}+\dots+(-1)^{1+n}a_{1n}M_{1n}∣A∣=a11​M11​−a12​M12​+⋯+(−1)1+na1n​M1n​
משפט

ניתן להגדיר דטרמיננט לפי שורה כלשהי iii.

∣A∣=(−1)i+1ai1Mi1+(−1)i+2ai2Mi2+⋯+(−1)i+nainMin|A|=(-1)^{i+1}a_{i1}M_{i1}+(-1)^{i+2}a_{i2}M_{i2}+\dots+(-1)^{i+n}a_{in}M_{in}∣A∣=(−1)i+1ai1​Mi1​+(−1)i+2ai2​Mi2​+⋯+(−1)i+nain​Min​

ובאופן דומה ניתן להראות משפט כאשר המאפשר לפתוח דטרמיננט לפי כל עמודה jjj.

מסקנה

∣A∣=∣At∣|A|=|A^t|∣A∣=∣At∣
דוגמה

∣1403100312011053∣=(−1)2+1⋅1∣403201053∣+(−1)2+4⋅3∣140120105∣\begin{vmatrix} 1 & 4 & 0 & 3\\1 & 0 & 0 & 3\\1 & 2 & 0 & 1\\1 & 0 & 5 & 3 \end{vmatrix}=(-1)^{2+1}\cdot 1\begin{vmatrix} 4 & 0 & 3 \\ 2 & 0 & 1\\0 & 5 & 3 \end{vmatrix}+(-1)^{2+4}\cdot 3\begin{vmatrix} 1 & 4 & 0 \\ 1 & 2 & 0 \\ 1 & 0 & 5 \end{vmatrix}​1111​4020​0005​3313​​=(−1)2+1⋅1​420​005​313​​+(−1)2+4⋅3​111​420​005​​ =−1⋅(−1)2+3⋅5∣4321∣+3⋅(−1)3+3∣1412∣=5⋅(−2)+3⋅(−2)=−16=-1 \cdot (-1)^{2+3}\cdot 5\begin{vmatrix} 4 & 3\\2 & 1 \end{vmatrix}+3\cdot (-1)^{3+3}\begin{vmatrix} 1 & 4\\1 & 2 \end{vmatrix}=5\cdot(-2)+3\cdot(-2)=-16=−1⋅(−1)2+3⋅5​42​31​​+3⋅(−1)3+3​11​42​​=5⋅(−2)+3⋅(−2)=−16

כללים לחישוב דטרמיננטים

  1. אם אחת השורות/עמודות 000 אזי הדטרמיננט 000.
  2. הדטרמיננטה של מטריצה משולשת זו מכפלת איברי האלכסון.
    ∣10002300456078910∣=1⋅3⋅6⋅10\begin{vmatrix}1 & 0 & 0 & 0\\2 & 3 & 0 & 0\\4 & 5 & 6 & 0\\ 7 & 8 & 9 & 10\end{vmatrix}=1 \cdot 3 \cdot 6 \cdot 10​1247​0358​0069​00010​​=1⋅3⋅6⋅10
  3. אם מחליפים שתי שורות/עמודות זו בזו סימן הדטרמיננט מתהפך.
    דוגמה:
    ∣100010001∣=1∣010100001∣=−1\begin{vmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{vmatrix}=1 \qquad \begin{vmatrix}0&1&0\\1&0&0\\0&0&1\end{vmatrix}=-1​100​010​001​​=1​010​100​001​​=−1
  4. אם יש שתי שורות/עמודות זהות הדטרמיננט הוא 000.
    נסמן: ∣A∣=m|A|=m∣A∣=m כעת, נחליף את השורות הזהות ונקבל: ∣A∣=−m|A|=-m∣A∣=−m ולכן: m=−mm=-mm=−m ⇐ m=0m=0m=0.
  5. ניתן להוציא גורם משותף משורה/עמודה של המטריצה.
    מסקנה: ∣αA∣=αn∣A∣|\alpha A|=\alpha^n|A|∣αA∣=αn∣A∣.
  6. אם יש שתי שורות/עמודות שאחת היא כפולה של השנייה, הדטרמיננט אפס.
  7. נראה כי:
    ∣1+23+45+610910−111∣=∣13510910−111∣+∣24610910−111∣=…\begin{vmatrix}1+2 & 3+4 & 5+6 \\ 1 & 0 & 9\\10 & -1 & 11\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}1 & 3 & 5\\1 & 0 & 9\\10 & -1 & 11\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}2 & 4 & 6\\1 & 0 & 9\\10 & -1 & 11\end{vmatrix}=\dots​1+2110​3+40−1​5+6911​​=​1110​30−1​5911​​+​2110​40−1​6911​​=…
  8. אם מוסיפים לשורה/עמודה כפולה של שורה/עמודה אחרת הדטרמיננט לא משתנה.
    ∣R1R2⋮Ri+αRj⋮Rj⋮Rn∣=∣R1R2⋮Ri⋮Rj⋮Rn∣+∣R1R2⋮αRj⋮Rj⋮Rn∣=∣R1R2⋮Ri⋮Rj⋮Rn∣\begin{vmatrix}R_{1}\\R_{2}\\\vdots\\R_{i}+\alpha R_{j}\\ \vdots\\ R_{j}\\ \vdots \\ R_{n}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}R_{1}\\R_{2}\\ \vdots\\ R_{i} \\ \vdots \\ R_{j}\\ \vdots \\ R_{n}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}R_{1}\\R_{2}\\ \vdots \\ \alpha R_{j} \\ \vdots\\ R_{j}\\ \vdots\\ R_{n}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}R_{1}\\R_{2}\\ \vdots\\ R_{i} \\ \vdots \\ R_{j}\\ \vdots \\ R_{n}\end{vmatrix}​R1​R2​⋮Ri​+αRj​⋮Rj​⋮Rn​​​=​R1​R2​⋮Ri​⋮Rj​⋮Rn​​​+​R1​R2​⋮αRj​⋮Rj​⋮Rn​​​=​R1​R2​⋮Ri​⋮Rj​⋮Rn​​​
מסקנה

יהיו A,BA,BA,B ריבועיות שקולות שורה

∣B∣=0  ⟺  ∣A∣=0|B|=0 \iff |A|=0∣B∣=0⟺∣A∣=0

הוכחה:

רורברורברורב

∎

הערה

פעולות הדירוג משנות את הדטרמיננט עד כדי כפל בסקלר.

משפט

∣A∣≠0  ⟺   הפיכהA|A|\neq 0 \iff \R{\text{ הפיכה}} A∣A∣=0⟺ הפיכהA

הוכחה:
נסמן ב-BBB את המטריצה המדורגת הקנונית המתאימה ל-AAA.
⇐: אם AAA הפיכה, אזי B=IB=IB=I. כלומר ∣B∣=∣I∣≠0|B|=|I|\neq 0∣B∣=∣I∣=0 ולפי המסקנה, ∣A∣≠0|A|\neq 0∣A∣=0.
⇒: אם AAA לא הפיכה אזי r(A)<nr(A)<nr(A)<n ולכן ב-BBB יש לפחות שורת אפסים אחת. זאת אומרת, ∣B∣=0|B|= 0∣B∣=0 ולכן נקבל כי ∣A∣=0|A|=0∣A∣=0 (לפי המסקנה)
∎

משפט

כל ההבאים שקולים. תהא AAA מטריצה מספר n×nn\times nn×n.

  1. AAA הפיכה.
  2. מתקיים ∣A∣≠0|A|\neq 0∣A∣=0.
  3. שורות/עמודות AAA בת"ל/פורשות את Fn\mathbb{F}^nFn/בסיס
  4. מתקיים r(A)=nr(A)=nr(A)=n.
  5. AAA מכפלת מטריצות אלמנטריות
  6. המדורגת הקנונית של AAA היא III.
  7. לכל b‾∈Fn\underline{b} \in \mathbb{F}^nb​∈Fn קיים פתרון יחיד ל-Ax‾=b‾A\underline{x}=\underline{b}Ax​=b​.
  8. AAA מייצגת ט"ל הפיכה (T(v‾)=Av‾T(\underline{v})=A\underline{v}T(v​)=Av​)
משפט

יהיו A,B∈Fn×nA,B \in \mathbb{F}^{n\times n}A,B∈Fn×n אזי ∣AB∣=∣A∣∣B∣|AB|=|A||B|∣AB∣=∣A∣∣B∣.

הוכחה של החברה:
אם AAA או BBB איננה הפיכה, אזי ברור ש-∣AB∣=∣A∣∣B∣=0|AB|=|A||B|=0∣AB∣=∣A∣∣B∣=0 (כי אז גם ABABAB איננה הפיכה)
אם AAA הפיכה אזי היא ניתנת להצגה כמכפלת אלמנטריות A=Ek…E1A=E_{k}\dots E_{1}A=Ek​…E1​ וצריך להראות באינדוקציה כי:

∣Ek…E1⋅B∣=∣B⋅Ek…E1∣|E_{k}\dots E_{1} \cdot B|=|B\cdot E_{k}\dots E_{1}|∣Ek​…E1​⋅B∣=∣B⋅Ek​…E1​∣
דוגמה

E1E_{1}E1​ - החפת שורה

∣E1⋅B∣=−∣B∣|E_{1}\cdot B|=-|B|∣E1​⋅B∣=−∣B∣ ∣E1∣∣B∣=(−1)∣B∣=−∣B∣|E_{1}||B|=(-1)|B|=-|B|∣E1​∣∣B∣=(−1)∣B∣=−∣B∣
מסקנה

אם AAA הפיכה, אזי ∣A−1∣=∣A∣−1=1∣A∣|A^{-1}|=|A|^{-1}=\frac{1}{|A|}∣A−1∣=∣A∣−1=∣A∣1​.

הוכחה:

רורברורברורב

∎

∣I∣=∣A−1⋅A∣=∣A−1∣∣A∣|I|=|A^{-1}\cdot A|=|A^{-1}||A|∣I∣=∣A−1⋅A∣=∣A−1∣∣A∣ ∣A−1∣=∣A∣−1|A^{-1}|=|A|^{-1}∣A−1∣=∣A∣−1
מסקנה (מהמסקנה)

∣A∣=∣B∣  ⟸  A∼B|A|=|B| \impliedby A \sim B∣A∣=∣B∣⟸A∼B

הוכחה:
אם A∼BA \sim BA∼B אזי קיימת PPP הפיכה כך ש-B=P−1APB=P^{-1}APB=P−1AP.

∣B∣=∣P−1AP∣=∣P−1∣∣A∣∣P∣=∣P∣−1∣A∣∣P∣=∣A∣|B|=|P^{-1}AP|=|P^{-1}||A||P|=|P|^{-1}|A||P|=|A|∣B∣=∣P−1AP∣=∣P−1∣∣A∣∣P∣=∣P∣−1∣A∣∣P∣=∣A∣

∎

דוגמה

∣3−1−4223−2−42−1−3212−1−3∣=−∣12−1−323−2−42−1−323−1−42∣=↓R2−2R1→R1R3−2R1→R3R4−3R1→R4−∣12−1−30−1020−5−180−7−111∣\begin{vmatrix} 3 & -1 & -4 & 2\\2 & 3 & -2 & -4 \\ 2 & -1 & -3 & 2\\1 & 2 & -1 & -3 \end{vmatrix}=-\begin{vmatrix} 1 & 2 & -1 & -3 \\ 2 & 3 & -2 & -4 \\ 2 & -1 & -3 & 2 \\ 3 & -1 & -4 & 2 \end{vmatrix}\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ R_{2}-2R_{1}\to R_{1} \\ R_{3}-2R_{1}\to R_{3} \\ R_{4}-3R_{1}\to R_{4} \end{matrix}}{=} -\begin{vmatrix} 1 & 2 & -1& -3 \\ 0 & -1 & 0 & 2 \\ 0 & -5 & -1 & 8 \\ 0 & -7 & -1 & 11 \end{vmatrix}​3221​−13−12​−4−2−3−1​2−42−3​​=−​1223​23−1−1​−1−2−3−4​−3−422​​↓R2​−2R1​→R1​R3​−2R1​→R3​R4​−3R1​→R4​​=​−​1000​2−1−5−7​−10−1−1​−32811​​ =↓R3−5R2→R3R4−7R2→R4−∣12−1−30−10200−1−200−1−3∣=↓R4−R3→R4−∣12−1−30−10200−1−2000−1∣=1\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ R_{3}-5R_{2}\to R_{3} \\ R_{4}-7R_{2}\to R_{4} \end{matrix}}{=}-\begin{vmatrix} 1 & 2 & -1 & -3 \\ 0 & -1 & 0 & 2 \\ 0 & 0 & -1 & -2 \\ 0 & 0 & -1 & -3 \end{vmatrix}\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ R_{4}-R_{3}\to R_{4} \end{matrix}}{=}-\begin{vmatrix} 1 & 2 & -1 & -3 \\ 0 & -1 & 0 & 2 \\ 0 & 0 & -1 & -2 \\ 0 & 0 & 0 & -1 \end{vmatrix}=1↓R3​−5R2​→R3​R4​−7R2​→R4​​=​−​1000​2−100​−10−1−1​−32−2−3​​↓R4​−R3​→R4​​=​−​1000​2−100​−10−10​−32−2−1​​=1
תרגיל

נתונה ∣abcdefkℓm∣=4\begin{vmatrix}a&b&c\\d&e&f\\k&\ell&m\end{vmatrix}=4​adk​beℓ​cfm​​=4.
עבור אילו ערכי ttt מתקיים:

36=∣e−tbd−taf−tct2bt2at2cℓ+tek+tdm+tf∣36=\begin{vmatrix} e-tb & d-ta & f-tc \\ t^2b & t^2a & t^2c \\ \ell+te & k+td & m+tf \end{vmatrix}36=​e−tbt2bℓ+te​d−tat2ak+td​f−tct2cm+tf​​
=∣edft2bt2at2cℓ+tek+tdm+tf∣+∣−tb−ta−tct2bt2at2cℓ+tek+tdm+tf∣⏟0=∣edft2bt2at2cℓkm∣+∣edft2bt2at2ctetdtf∣⏟0=\begin{vmatrix} e & d & f \\ t^2b & t^2a & t^2c \\ \ell+te & k+td & m+tf \end{vmatrix}+\underbrace{\begin{vmatrix} -tb & -ta & -tc \\ t^2b & t^2a & t^2c \\ \ell+te & k+td & m+tf \end{vmatrix}}_{0}=\begin{vmatrix} e & d & f \\ t^2b & t^2a & t^2c \\ \ell & k & m \end{vmatrix}+\underbrace{\begin{vmatrix} e & d & f \\ t^2b & t^2a & t^2c \\ te & td & tf \end{vmatrix}}_{0}=​et2bℓ+te​dt2ak+td​ft2cm+tf​​+0​−tbt2bℓ+te​−tat2ak+td​−tct2cm+tf​​​​=​et2bℓ​dt2ak​ft2cm​​+0​et2bte​dt2atd​ft2ctf​​​​ =t2∣edfbacℓkm∣=↓C1↔C2−t2∣defabckℓm∣=↓R1↔R2t2∣abcdefkℓm∣⏟4=4t2=t^2\begin{vmatrix} e & d & f \\ b & a & c \\ \ell & k & m \end{vmatrix}\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ C_{1} \leftrightarrow C_{2} \end{matrix}}{=}-t^2\begin{vmatrix} d & e & f \\ a & b & c \\ k & \ell & m \end{vmatrix}\underset{\begin{matrix} \downarrow \\ R_{1}\leftrightarrow R_{2} \end{matrix}}{=}t^2 \underbrace{\begin{vmatrix} a & b & c \\ d & e & f \\ k & \ell & m \end{vmatrix}}_{4}=4t^2=t2​ebℓ​dak​fcm​​↓C1​↔C2​​=​−t2​dak​ebℓ​fcm​​↓R1​↔R2​​=​t24​adk​beℓ​cfm​​​​=4t2 ⇓\Downarrow⇓ 4t2=36  ⟹  t=±34t^2=36 \implies t=\pm34t2=36⟹t=±3