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Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 1 MATEMÁTICAS BÁSICAS DETERMINANTES CONCEPTO DE DETERMINANTE DEFINICIÓN Sea A una matriz cuadrada de orden n . Se define como determinante de A (denotado como A , ( )Adet ó A∆ ) a la suma de los n productos (signados) formados por n-factores que se obtienen al multiplicar n-elementos de la matriz de tal forma que cada producto contenga un sólo elemento de cada fila y columna de A . Esto significa que un determinante es un valor numérico κ que está relacionado con una matriz cuadrada y que sigue ciertas reglas para su cálculo . ( ) κ== nnnnn n n n aaaa aaaa aaaa aaaa A ⋯ ⋮⋮⋮⋮⋮ … … … 321 3333231 2232221 1131211 det Dos matrices diferentes (tanto en orden como en elementos) pueden tener igual determinante. Nótese como la notación de determinante no presenta los corchetes (a diferencia de las matrices) sino sólo líneas. CÁLCULO DE DETERMINANTES DE SEGUNDO Y TERCER ORDEN. REGLA DE SARRUS Para calcular determinantes de segundo y tercer grado el método más simple es el de multiplicación diagonal, mejor conocido como Regla de Sarrus. Esta regla establece que para una matriz de segundo orden = 2221 1211 aa aa A , su determinante se calcula de la siguiente manera: ( ) 12212211 2221 1211 det aaaa aa aa A −== esto significa que el determinante de segundo orden es el producto de los elementos de la diagonal principal menos el producto de los elementos de la diagonal secundaria. Ejemplos. 1) ( ) ( ) 210125243 42 53 =−=−= Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 2 2) ( ) ( ) 424288374 73 84 −=+−=−−−= − − 3) ( ) ( ) 78304865412 45 612 =+=−−−−= − −− La regla de Sarrus aplicada a una matriz de tercer orden = 333231 232221 131211 aaa aaa aaa A , establece que su determinante se calcula como: ( ) 233211331221132231231231133221332211 333231 232221 131211 det aaaaaaaaaaaaaaaaaa aaa aaa aaa A −−−++== esto significa que el determinante de segundo orden es la suma de los productos de los elementos de la diagonal principal y sus dos paralelas, menos la suma de los productos de los elementos de la diagonal secundaria y sus dos paralelas. Ejemplos. 1) ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )101637542132507641 602 147 531 −−−−−−−−−++= − − − 1840126406024 =+++−+= 2) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )10728130511011073852 871 1053 012 −−−−−−++−= − − 25414024010080 −=−−−−+−= 3) ( )( ) ( )( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )( )393154827357894123 197 324 853 −−−−−−−+−+−= − − − 57281201121052886 −=−+−−−−= PROPIEDADES DE LOS DETERMINANTES 1. Si todos los elementos de una columna o de un renglón son cero, entonces el determinante es cero. Ejemplos. 1) ( ) ( ) 0000602 06 02 =−=−= Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 3 2) ( )( ) ( ) 0001009 00 19 =−=−−= − 2. El determinante de la matriz A es igual al determinante de la matriz TA Ejemplo. − = 38 15 A ( ) ( ) ( )( ) 238151835 38 15 det =+=−−= − =A − = 31 85 TA ( ) ( ) ( )( ) 238158135 31 85 det =+=−−= − =TA 3. Si cada elemento de un renglón o una columna es multiplicado por un escalar k , el determinante es también multiplicado por k . Ejemplos. ( ) ( ) 212103452 54 32 −=−=−= Multiplicando el primer renglón por 3=k ( ) ( )( ) 636309456 54 96 −=−=−= Multiplicando la primera columna por 3=k ( ) ( ) 6363031256 512 36 −=−=−= en general: nnnn n n nnnn n n nnnn n n aaa aaa kakaka aaka aaka aaka aaa aaa aaa k … ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ 21 22221 11211 21 22221 11211 21 22221 11211 == 4. Si se intercambian dos renglones o (columnas) el signo del determinante cambia. Ejemplos. ( ) ( ) 3585124 21 54 =−=−= intercambiando renglones: Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 4 ( ) ( ) 3852451 54 21 −=−=−= intercambiando columnas: ( ) ( ) 3854215 12 45 −=−=−= 5. Si un renglón (o columna) se traslada p renglones (o columnas) entonces el determinante obtenido es igual a: ( ) ∆− p1 Ejemplo. ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )( ) ( )( )114221300120311204 210 101 324 −−−−−−−+−+−= −− −=∆ 3440030 −=−+−+−= si se mueve la primera columna, dos posiciones, entonces: ( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )122030411131420012 021 110 432 1 −−−−−−−+−+−= −− −=∆ ( ) ∆−=−=+−−−−= 213404300 si se mueve el primer renglón, una posición, se tiene: ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )( ) ( )( )311204120300114221 210 324 101 2 −−−−−−+−−+−= −− − =∆ ( ) ∆−==+++++−= 113300044 6. Si dos renglones o dos columnas son iguales, entonces el determinante es cero. Ejemplos. 1) ( ) ( ) 0661661 66 11 =−=−= 2) ( )( ) ( )( ) 010105252 52 52 =+−=−−−= − − 7. Un determinante no cambia de valor si a todos los elementos de un renglón (o columna) le son sumados o restados los elementos de otro renglón (o columna) multiplicados por un escalar: innninin n n nnnnjn nj nj nnnn n n kaakaakaa aaa aaa aakaa aakaa aakaa aaa aaa aaa +++ = + + + = … ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ 2211 22221 11211 21 222221 112111 21 22221 11211 Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 5 Ejemplo. ( ) ( ) 5383142 41 32 =−=−==∆ sumando a la primera columna la segunda multiplicada por 2 : ( ) ( ) ( ) ( ) 52732394849 38 4421 3322 2 =−=−==+ + =∆ al segundo renglón de ∆ se le resta tres veces el primer renglón: ( )( ) ( )( ) ( ) ( )( ) 51510355255 32 334231 32 2 =+−=−−−=−− = −− =∆ Esta propiedad es muy empleada para obtener ceros y así simplificar el cálculo del determinante. Ejemplo. ( ) ( ) ( ) 15 300 250 111 30326 25224 11123 306 254 113 = − = − − −− = − =∆ MENOR DE UN ELEMENTO Sea un determinante de orden n , correspondiente a una matriz A : ( ) nnnn n n aaa aaa aaa A ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ 21 22221 11211 det = Se define el menor de un elemento ija al determinante que resulta de eliminar el renglón i y la columna j . Si se denota como ijM a tal determinante, se tiene: nnnjnn inijjj nj nj ij aaaa aaaa aaaa aaaa M ⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ 21 21 222221 111211 = Ejemplos. Dado el determinante: 2610 412 351 − −− =∆ Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 6 Algunos menores son: 32302 210 31 2610 412 351 22 =+= − −− = − −− =M 23320 41 35 2610 412 351 31 =+= − = − −− =M 56506 610 51 2610 412 351 23 −=−−= − = − −− =M Ejemplo. Dado el determinante: 6132 4578 10209 2315 − =∆ Encontrar el menor 43M Solución: 180350360801260 478 1009 215 6132 4578 10209 2315 43 −=−−−++== − =M COFACTOR DE UN ELEMENTO Se define el cofactor de un elemento ija , el cual se denota ijA , como: ( ) ijjiij MA +−= 1 es decir, el cofactor es igual al menor multiplicado por 1 ó 1− , dependiendo si la suma de los dos subíndices es par o impar, respectivamente. Ejemplo. Calcular los cofactores del siguiente determinante: ( ) 85 114 det −− =A Solución: 8 11 −=A 5 12 =A Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 7 11 21 −=A 4 22 =A Ejemplo. Calcular los cofactores de los elementos correspondientes al primer renglón del siguiente determinante: ( ) 2103 452 101 det −=A Solución. 304010 210 45 11 −=−==A ( ) 16124 23 42 12 =−−−= − −=A351520 103 52 13 −=−−= − =A El determinante de una matriz A de cualquier orden puede obtenerse mediante la suma de los productos de los elementos de cualquier renglón o columna por sus respectivos cofactores: ( ) ∑ ∑ = = == n j n i ililkjkj AaAaA 1 1 det Para el renglón k o la columna l . Así, para un determinante de tercer orden, se tiene: ( ) 131312121111 333231 232221 131211 det AaAaAa aaa aaa aaa A ++== 3231 2221 13 3331 2321 12 3332 2322 11 aa aa a aa aa a aa aa a +−= esto significa que se elige el primer renglón y se suman los elementos por sus respectivos cofactores. Este procedimiento también puede aplicarse a columnas, por ejemplo, para el caso anterior: ( ) 2221 1211 33 3231 1211 23 3231 2221 13 det aa aa a aa aa a aa aa aA +−= esto significa que se elige la tercera columna y se suman los elementos por sus respectivos cofactores. Ejemplo. Calcular el siguiente determinante aplicando cofactores: Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 8 ( ) 312 546 821 det − − − =A Tomando el primer renglón se tiene: ( ) ( ) ( ) ( )( )868101825121 12 46 8 32 56 2 31 54 1 +−−+−−+−= − − −+− − − = ( ) ( ) ( )( ) 3916167288271 −=−−−=−+−−= Ahora, tomando la segunda columna se tiene: ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( )4851163410182 56 81 1 32 81 4 32 56 2 +−−+−+−−= − −− − −+−= ( ) ( ) ( ) 3953761653119482 −=+−−=+−−= Cuando aparecen varios ceros en un renglón o en una columna, a fin de simplificar el cálculo de un determinante, es conveniente utilizar ese renglón o columna. Ejemplo. ( ) 3140 5230 2120 4121 det − − − =A 1141312111 0001 AAAAA =+++= calculando el cofactor 11A y tomando el segundo renglón se tiene: ( ) ( ) ( ) ( )( )8322091562 14 23 2 34 53 1 31 52 2 −−−+−−+= − −+− − = ( ) ( ) ( )( ) 55221122112111112 =++=−−+−−= MATRIZ ADJUNTA Si ijaA = es una matriz cuadrada y ijA es el cofactor de ija , se define la matriz adjunta de A , denotada AAdj , como la matriz de cofactores de su transpuesta. nnnn n n AAA AAA AAA AAdj ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ 21 22221 11211 = Esto significa que para encontrar la matriz adjunta primero se traspone la matriz y después, con base en ella, se calcula la matriz de cofactores. Ejemplo. Obtener la matriz adjunta de: Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 9 − = 81 73 A La matriz transpuesta es: − = 87 13 TA La matriz de cofactores de la matriz transpuesta es: − = 31 78 AAdj Ejemplo. Encontrar la matriz adjunta de: = 433 232 321 A Solución. = 423 332 321 TA −− −− − = − −− − = 133 452 516 32 21 32 31 33 32 23 21 43 31 42 32 23 32 43 32 42 33 AAdj MATRIZ INVERSA MATRIZ INVERSA POR EL MÉTODO DE LA ADJUNTA En el álgebra matricial, la división no está definida. La inversión de matrices es la contraparte de la división en álgebra. La inversa de una matriz está definida como aquella matriz, que multiplicada por la original da por resultado la matriz identidad, se denota como 1−A : IAAAA =⋅=⋅ −− 11 esto se cumple siempre y cuando ( ) 0det ≠A . La matriz inversa se obtiene en su forma clásica, de la siguiente manera: Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 10 ( ) ( ) nnnn n n AAA AAA AAA A AAdj A A ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ 21 22221 11211 1 det 1 det 1 =⋅=− El procedimiento para obtener la matriz inversa de una matriz A por el método de la adjunta es el siguiente: • Se calcula el determinante de A . Si ( ) 0det ≠A entonces tiene matriz inversa (en caso contrario se dice que es una matriz singular) • Se obtiene la transpuesta de A , es decir, TA • Se calcula la matriz de cofactores de TA , dando lugar a la matriz adjunta de A , esto es, AAdj • Se forma el producto ( ) AAdjA ⋅det 1 . Ejemplo. Obtener la matriz inversa de: −− = 43 12 A Solución. ( ) ( ) 538 43 12 det −=−−−= −− =A − − = 41 32 TA −− = 23 14 AAdj −− = −−− =⋅ − =− 5 2 5 3 5 1 5 4 23 14 5 1 5 11 AAdjA Comprobación: +−+− −− = −− −− =⋅ − 5 8 5 3 5 12 5 12 5 2 5 2 5 3 5 8 5 2 5 3 5 1 5 4 43 12 1 AA I= = 10 01 Ejemplo. Obtener la matriz inversa de: Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 11 − − − = 634 215 012 A Solución. ( ) 14123008012det −=+−−−+=A −− − = 620 311 452 TA − − − = − − −− − − − − − − − −−− − − = 3211 41238 2612 11 52 31 42 31 45 20 52 60 42 62 45 20 11 60 31 62 31 AAdj −− −− −− = − − − − =⋅ − =− 14 3 14 2 14 11 14 4 14 12 14 38 14 2 14 6 14 12 3211 41238 2612 14 1 14 11 AAdjA Comprobación: −− −− −− − − − =⋅ − 14 3 14 2 14 11 14 4 14 12 14 38 14 2 14 6 14 12 634 215 012 1AA +−−+−−+− ++−−−−− +−++−++− = 14 18 14 12 14 8 14 12 14 36 14 24 14 66 14 114 14 48 14 6 14 4 14 10 14 4 14 12 14 30 14 22 14 38 14 60 0 14 4 14 4 0 14 12 14 12 0 14 38 14 24 I= = 100 010 001 La inversa de una matriz diagonal se obtiene invirtiendo sus términos, esto es, si: Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 12 ⇒ = × nn nnnn a a a a a a A 1 00 0 1 0 00 1 00 00 00 22 11 22 11 ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ ⋯ ⋮⋮⋮⋮ ⋯ ⋯ La inversa de un producto de matrices se obtiene de la siguiente regla: ( ) 111 −−− ⋅=⋅ ABBA SOLUCIÓN DE SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES Muchos problemas de la vida real obligan a resolver simultáneamente varias ecuaciones lineales para hallar las soluciones comunes a todas ellas. También resultan muy útiles en geometría (las ecuaciones lineales se interpretan como rectas y planos, y resolver un sistema equivale a estudiar la posición relativa de estas figuras geométricas en el plano o en el espacio). Un sistema de ecuaciones lineales es un conjunto de ecuaciones lineales que se puede escribir de forma tradicional así : =+++ =+++ =+++ mnmnmnm nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa … …⋯⋯… … ⋯ 221 22222121 11212111 Un sistema así expresado tiene m ecuaciones y n incógnitas, donde ija son los coeficientes reales del sistema, los valores mb son los términos independientes del sistema y las incógnitas ix son las variables del sistema. La solución del sistema es un conjunto ordenado de números reales nsss ,,, 21 ⋯ tales que al sustituir en las incógnitas satisfacen a la vez las m ecuaciones del sistema. Este mismo sistema de ecuaciones lineales en notación matricial tiene esta forma : [ ] [ ] [ ]BxA =⋅ = mnmnmm n n b b b x x x aaa aaa aaa …… ⋯ ⋯⋯⋯⋯ ⋯ ⋯ 2 1 2 1 21 22221 11211 donde: [ ]A es una matriz de coeficientes Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor:Dr. José Manuel Becerra Espinosa 13 [ ]B es un vector de constantes [ ]x es un vector de incógnitas MÉTODO DE LA MATRIZ INVERSA Sea la ecuación matricial: [ ] [ ] [ ]BxA =⋅ que denota un sistema de ecuaciones lineales. Esta ecuación puede ser resuelta para [ ]x , premultiplicando [ ]A por su inversa, y para no alterar el resultado, también se premultiplica [ ]B por la inversa de [ ]A : [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]BAxAA ⋅=⋅⋅ −− 11 , esto es: [ ] [ ] [ ]BAx ⋅= −1 Ejemplos. Resolver los siguientes sistemas de ecuaciones: 1) =+ =+ 52 1543 21 21 xx xx Solución. = 12 43 A ( ) 583 12 43 det −=−==A = 14 23 TA − − = 32 41 AAdj − − = − − − =⋅ − =− 5 3 5 2 5 4 5 1 32 41 5 1 5 11 AAdjA [ ] [ ] [ ] = − +− = − − =⋅= − 3 1 36 43 5 15 5 3 5 2 5 4 5 1 1 BAx 3;1 21 ==∴ xx Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 14 2) −=−+ =+− =++ 2634 523 1154 zyx zyx zyx Solución. − −= 314 123 541 A ( ) 1121364016156det =−++++=A − −= 315 124 431 TA − −= − − − − −− − − − − − − = 141511 142313 14175 24 31 14 41 12 43 15 31 35 41 31 43 15 24 35 14 31 12 AAdj − −= − −=⋅=− 112 14 112 15 112 11 112 14 112 23 112 13 112 14 112 17 112 5 141511 142313 14175 112 1 112 11 AAdjA [ ] [ ] [ ] − − = − − = ++ −− −+ = − − −=⋅= − 5 3 2 112 560 112 336 112 224 112 364 112 75 112 121 112 364 112 115 112 143 112 364 112 85 112 55 26 5 11 112 14 112 15 112 11 112 14 112 23 112 13 112 14 112 17 112 5 1 BAx 5;3;2 =−=−=∴ zyx REGLA DE CRAMER La regla de Cramer es aplicable para aquellos sistemas que tienen igual número de ecuaciones que de incógnitas ( )mn = y el determinante de la matriz de coeficientes es distinto de cero. Es decir, para sistemas de que tienen siempre una solución única (compatibles determinados). Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 15 =+++ =+++ =+++ nnnnnnn nn nn bxaxaxa bxaxaxa bxaxaxa … …⋯⋯… … ⋯ 221 22222121 11212111 El valor de cada incógnita jx se obtiene de un cociente cuyo denominador es el determinante de la matriz de coeficientes y cuyo numerador es el determinante que se obtiene al cambiar la columna j del determinante de la matriz de coeficientes por la columna de los términos independientes. Ejemplos. Resolver los siguientes sistemas de ecuaciones: 1) =+ =− 1365 2343 21 21 xx xx Solución. 382018 65 43 =+= − =∆ Para calcular 1x , se sustituyen los términos independientes en la primera columna: 5 38 190 38 52138613 423 1 1 == += ∆ − = ∆ ∆ = xx Para calcular 2x , se sustituyen los términos independientes en la segunda columna: 2 38 76 38 11539135 233 2 2 −= −=−= ∆ = ∆ ∆ = xx 2;5 21 −==∴ xx 2) −=−−− =+− =+− 9396 28104 21732 zyx zyx zyx Solución: 3618036421802526 396 1014 732 =+−−+−= −−− − − =∆ Para calcular 1x , se sustituyen los términos independientes en la primera columna: 4 36 144 36 189025263270176463399 10128 7321 ==+−−+−= ∆ −−− − − = ∆ ∆= xx Facultad de Contaduría y Administración. UNAM Determinantes Autor: Dr. José Manuel Becerra Espinosa 16 Para calcular y , se sustituyen los términos independientes en la segunda columna: 2 36 72 36 18025211761260252168396 10284 7212 −=−=+++−−−= ∆ −−− = ∆ ∆ = yy Para calcular z , se sustituyen los términos independientes en la tercera columna: 1 36 36 36 50410812650475618996 2814 2132 ==+−−+−= ∆ −−− − − = ∆ ∆= zz 1;2;4 =−==∴ zyx