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APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 1 CAPÍTULO 2: DETERMINANTES 2.1 DEFINIÇÃO DE DETERMINANTE A definição de determinante de uma matriz quadrada A , denotado por )det(A , pode ser dada de diversas maneiras. Aqui vai ser adotada uma definição que ajuda ao cálculo do determinante e está baseada em termos de determinantes de matrizes de menor ordem; em outras palavras, dar-se-á uma definição recursiva. Definição 2.1: 1. Se [ ]α=A é uma matriz de ordem 11× , então α=)det(A . 2. O menor jiM é o determinante da sub-matriz de ordem )1()1( −×− nn , obtida a partir da matriz A pela retirada da i -ésima linha e da j -ésima coluna da matriz. 3. O cofator jiC associado ao menor jiM é definido como ji ji ji MC + −= )1( . 4. Sendo = nnnn n n aaa aaa aaa L MOMM L L 21 22221 11211 A uma matriz quadrada de ordem nn × , com 1>n , então o determinante da matriz A é dado por niniiiii n j jiji CaCaCaCa +++==∑ = L2211 1 )det(A para qualquer ni ,,2,1 K= fixo, denominado o desenvolvimento de Lagrange do determinante pelos cofatores da i-ésima linha de A , ou, equivalentemente, jnjnjjjj n i jiji CaCaCaAa +++===∑ = L2211 1 )det(A para qualquer nj ,,2,1 K= fixo, denominado o desenvolvimento de Lagrange do determinante pelos cofatores da j-ésima coluna de A . Estas fórmulas para o determinante são conhecidas como o desenvolvimento de Lagrange. Cabe salientar que em ambos desenvolvimentos, a escolha do i fixo ou do j fixo produz o mesmo valor para )det(A . Exemplo 2.1: Seja = dc ba A . Tem-se que ddM == ])det([11 , ccM == ])det([12 , bbM == ])det([21 , aaM == ])det([22 , e então dMC =−= + 111111 )1( , cMC −=−= + 122112 )1( , bMC −=−= + 211221 )1( , aMC =−= + 222222 )1( . Se 1=i , cbdacbdaCaCaCa j jj −=−+=+== ∑ = )()det( 12121111 2 1 11A . Se 2=i , cbdaadbcCaCaCa j jj −=+−=+==∑ = )()det( 22222121 2 1 22A . APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 2 Se 1=j , cbdabcdaCaCaCa i ii −=−+=+== ∑ = )()det( 21211111 2 1 11A . Se 2=j , cbdaadcbCaCaCa i ii −=+−=+== ∑ = )()det( 22221212 2 1 22A . Como foi afirmado na definição, note que os quatro somatórios fornecem o mesmo valor para o determinante cbda dc ba −= det . Exemplo 2.2 Seja = 333231 232221 131211 aaa aaa aaa A . Para calcular )det(A , vai ser utilizada, neste exemplo, a seguinte expressão 131312121111 3 1 11)det( CaCaCaCa j jj ++==∑ = A conhecida pelo nome de desenvolvimento do determinante pelos cofatores da primeira linha. Assim 32233322 3332 2322 11 aaaa aa aa M −== , 31233321 3331 2321 12 aaaa aa aa M −== , 31223221 3231 2221 13 aaaa aa aa M −== , e então 3223332211 11 11 )1( aaaaMC −=−= + , 3123332112 21 12 )1( aaaaMC +−=−= + , 3122322113 31 13 )1( aaaaMC −=−= + . Logo ( ) ( ) ( ) . )det( 322311332112312213322113312312332211 312232211331233321123223332211 131312121111 3 1 11 aaaaaaaaaaaaaaaaaa aaaaaaaaaaaaaaa CaCaCaCa j jj −−−++= −++−+−= ++== ∑ = A Devido à dificuldade deste desenvolvimento algébrico, existe uma maneira de lembrá-lo, conhecida como a regra de Sarrus APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 3 onde são somados os produtos de três elementos que vão de esquerda para direita e são subtraídos os produtos de três elementos que vão de direita para esquerda, como mostra o esquema da figura acima(1). (1) Tomado de http://matematica134.zip.net/ Notação 2.1: Alternativamente, o determinante da matriz = nnnn n n aaa aaa aaa L MOMM L L 21 22221 11211 A pode ser denotado por nnnn n n aaa aaa aaa L MOMM L L 21 22221 11211 det =(A) . Exemplo 2.3: Seja − −−= 245 342 013 A . Aqui, calcular-se-á )det(A pelo desenvolvimento dos cofatores da segunda coluna. Assim, .1362411)9()6()()11( 32 03)1( 25 03)1()( 25 32)1()det( 232221 −=−+=⋅−−⋅−+−⋅−= − −⋅+ − −⋅−+ − − −⋅= +++ 441 441A Exemplo 2.4: Para calcular 1002 1201 2213 1001 − − pode-se escolher o desenvolvimento pelos cofatores da segunda coluna como ( ) 621)2( 12 11)1()( 102 121 101 )1( 1002 1201 2213 1001 )2( 22 )1( 22 −=+⋅−= − −⋅−=− − −⋅= − − −= + = + 443442143421 21 . Observa-se que foram escolhidas propositalmente as colunas com a maior quantidade de zeros possível. Escolher colunas ou linhas com a maior quantidade de zeros possível constitui uma boa estratégia para o cálculo de um determinante pelo desenvolvimento de Lagrange. Em geral, o determinante de uma matriz de ordem nn × tem no seu desenvolvimento por cofatores ao todo !n produtos. Este fato dificulta enormemente o cálculo de determinantes de matrizes de ordem maior que 33× . Observe que o desenvolvimento de Lagrange para o determinante de uma matriz de ordem 55× possui 120 produtos de cinco fatores cada! Pelo motivo acima exposto, procura-se realizar o cálculo dos determinantes de ordem maior que 33× mediante propriedades simplificativas detalhadas na seção seguinte. 2.2 PROPRIEDADES DOS DETERMINANTES Propriedades 2.1: 1. O determinante da matriz nula é zero, ou seja, 0)det( =O . APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 4 2. O determinante da matriz identidade é igual a 1, ou seja, 1)det( =I . 3. O determinante de uma matriz diagonal é igual ao produto dos elementos da diagonal principal, ou seja, se = nnd d d L MOMM L L 00 00 00 22 11 D , então nn nn ddd d d d ⋅⋅== L L MOMM L L 2211 22 11 00 00 00 det(D) . 4. O determinante de uma matriz triangular superior é igual ao produto dos elementos da diagonal principal, ou seja, se = mn n n u uu uuu L MOMM L L 00 0 222 11211 U , então nn mn n n uuu u uu uuu ⋅⋅== L L MOMM L L 2211 222 11211 00 0 det(U) . 5. O determinante de uma matriz triangular inferior é igual ao produto dos elementos da diagonal principal, ou seja, se = mnnn lll ll l L MOMM L L 21 2221 11 0 00 L , então nn mnnn lll lll ll l ⋅⋅⋅== L L MOMM L L 2211 21 2221 11 0 00 det(L) . 6. Se uma matriz quadrada A possui uma linha ou coluna nula, então 0)det( =A . 7. Dada uma matriz quadrada A , tem-se que )det()det( AAt = . 8. O determinante de uma matriz quadrada A muda de sinal quando são permutadas duas linhas ou duas colunas de A ; 9. Se B é formada a partir de uma matriz quadrada A mediante a multiplicação de uma linha ou coluna de A por um escalar α , então )det()det( AB α= . Nesses termos, )det()det( AA nαα = , sendo A de ordem nn × . 10. O determinante do produto de duas matrizes A e B das mesmas ordens é igual ao produto dos determinantes dessas matrizes, ou seja, APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo2: Determinantes 5 )det()det()det( BABA = . 11. Se uma matriz A possui duas linhas ou colunas proporcionais, então 0)det( =A . 12. Se, numa matriz quadrada A , uma linha (ou coluna) é obtida a partir da combinação linear das demais linhas (ou colunas) então 0)det( =A . 13. Se, numa matriz quadrada A , adiciona-se a uma linha (ou coluna) uma combinação linear de outras linhas (ou colunas, respectivamente), então o determinante da matriz resultante é igual ao determinante da matriz A . Exemplo 2.5: O valor de 2000 33313 2290 12200 3 1 − pode ser calculado como segue 4. prop. pela ,42)2( 3 13 linhas terceirae primeira a permutadas foram pois 8, prop. pela , 2000 12200 2290 33313 2000 33313 2290 12200 =⋅−⋅⋅−= − −= − 3 1 3 1 Exemplo 2.6: O valor de 1062 1784 531 − − é zero, pela prop. 11, pois a terceira linha é o dobro da primeira. Uma forma comum de calcular o determinante de uma matriz A é usar as operações elementares para reduzir a matriz a uma matriz triangular superior, como pode ser visto nos dois exemplos seguintes. Exemplo 2.7: Vai ser calculado o determinante 1682 2621 3695 1321 −−− − − . } } } 4. prop. pela ,39)13()3(11 13000 1300 2910 1321 2310800 1300 2910 1321 10120 1300 2910 1321 1682 2621 3695 1321 32 36122 5 =−⋅−⋅⋅= − −− −− − = −− −− − = − −− −− − = −−− − − +−− + − LLLLLL LL LL 4414 13 12 Exemplo 2.8: Vai ser calculado o determinante 00 0 1 1110 3 2 3 1 3 1 3 1 3 2 2 1 2 1 2 1 − . APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 6 Observe que 9, prop. pela 0021 0112 1211 1110 18 1 0021 0112 1211 1110 3 1 3 1 2 1 00 0 1 1110 − = − ⋅⋅= − 3 2 3 1 3 1 3 1 3 2 2 1 2 1 2 1 e assim, } } } } . 6 1 2 3)2(11 18 1 000 1200 1110 1211 18 1 2100 1200 1110 1211 18 1 1230 2310 1110 1211 18 1 0021 0112 1110 1211 18 1 0021 0112 1211 1110 18 1 00 0 1 1110 3 2 2 −= −⋅−⋅⋅⋅−= − −− −= −− −− −= −−− −= − −= − = − − − + + − ↔ 2 3 LLLL LL LL LL LL 3 2 3 1 3 1 3 1 3 2 2 1 2 1 2 1 32 1 424 23 14 13 1 Propriedade 2.2: Seja A uma matriz quadrada invertível. Então 0)det( ≠A . Mais ainda, )det( 1)det( 1 A A =− . Prova: Se A é uma matriz quadrada invertível, então IAA =⋅ −1 . Assim, ( ) 1det 1 =⋅ −AA , ou seja, 1)det()det( 1 =⋅ −AA . Se fosse 0)det( =A , não seria possível 1)det()det( 1 =⋅ −AA . Logo, 0)det( ≠A . Aqui, esta sendo feita a afirmação que se A é invertível, então 0)det( ≠A . A afirmação recíproca da propriedade anterior também é verdadeira, ou seja, é verdade que se 0)det( ≠A , então A é invertível. Mas, a prova desta recíproca precisa de ferramentas adicionais. 2.3 IDENTIDADE DE CRAMER Definição 2.2: Seja = nnnn n n aaa aaa aaa L MOMM L L 21 22221 11211 A uma matriz quadrada de ordem nn × . 1. Define-se a matriz de cofatores como [ ] nnjiCcof ×=)(A . 2. Define-se a matriz adjunta como [ ] ( )tAA )()( cofCadj nnij == × . Exemplo 2.9: Se = dc ba A , então a matriz de cofatores é − − = ab cd cof )(A e a matriz adjunta é − − = ac bd adj )(A . APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 7 Também, observe que IAIAA )det()( 0 0)( =−= − − = − − = bcad bcad bcad ac bd dc ba adj . Similarmente, verifica-se que IAAA )det()( =adj . Exemplo 2.10: Vai-se determinar a matriz de cofatores )(Acof e a matriz adjunta )(Aadj , sendo = 987 654 322 A . Tem-se que − −− −− = − −− − = 203 236 363 54 22 64 32 65 32 87 22 97 32 98 32 87 54 97 64 98 65 )(Acof . Logo, ( ) −− − −− == 223 036 363 )()( tAA cofadj . Pode-se verificar que 3)det( −=A . Também, observe que IAIAA ⋅=⋅−= − − − = −− − −− ⋅ =⋅ )det()3( 300 030 003 223 036 363 987 654 322 )(adj . Similarmente, verifica-se que IAAA ⋅=⋅ )det()(adj . O resultado obtido nos dois últimos exemplos pode ser generalizado: Propriedade 2.3: Seja A uma matriz quadrada. Então tem-se a seguinte igualdade, IAAAAA ⋅=⋅=⋅ )det()()( adjadj , conhecida como a identidade de Cramer, Prova: Considere o produto ⋅ =⋅ nnnn n n nnnn n n aaa aaa aaa AAA AAA AAA adj L MOMM L L L MOMM L L 21 22221 11211 21 22212 12111 )( AA . Observe que o elemento kj, de tal produto é da forma njnkjkjkjk AaAaAa +++= L2211δ . APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 8 Se, na matriz A , a j -ésima coluna = nj j j a a a M 2 1 ja é substituída pela k -ésima coluna = nk k k k a a a M 2 1 a , formando a matriz jkB , tem-se que ≠ = = .se0, ,se),det()det( jk jkA B jk Por outro lado, calculando o )det( jkB mediante o desenvolvimento pelos cofatores da k -ésima coluna, tem-se que jknjnkjkjk AaAaAa δ=+++= L2211)det( jkB , desde que os cofatores dessa coluna não mudam em relação à matriz A . Assim, IA A A A AA ⋅= = =⋅ )det( )det(00 0)det(0 00)det( )( 21 22221 11211 L MOMM L L L MOMM L L nnnn n n adj δδδ δδδ δδδ . Similarmente, pode-se provar que IAAA ⋅=⋅ )det()(adj . A igualdade anterior nos fornece um resultado importante: Propriedade 2.4: Seja A uma matriz quadrada. Se 0)det( ≠A , então a matriz A é invertível e )()det( 11 A A A adj=− . A propriedade anterior fornece uma condição suficiente para saber quando uma matriz possui matriz inversa e também dá uma maneira de calcular tal inversa. Exemplo 2.11: Sendo = dc ba A , tem-se que − − = ac bd adj )(A e bcad −=)det(A . Se 0)det( ≠−= bcadA , então − − − = − ac bd bcad 11A . Exemplo 2.6: Sendo = 987 654 322 A , tem-se que −− − −− = 223 036 363 )(Aadj e 3)det( −=A . Logo, − − = −− − −− −=⋅= − − 3 2 3 2 1 1 012 121 223 036 363 3 1)()det( 1 A A A adj . A pesar da identidade de Cramer determinar a matriz inversa de qualquermatriz quadrada invertível, o método que fornece tal identidade é imprático, pois requer o cálculo de 12 +n determinantes de ordem )1()1( −×− nn . Em termos de complexidade computacional, pode-se dizer que a identidade de Cramer é de ordem )!(nn ⋅ . Inclusive com o uso de supercomputadores, esta complexidade gera tempos computacionais impressionantes; por exemplo, utilizando um computador com uma velocidade de 3 gigaflops por segundo, seriam necessárias pelo menos duas décadas para calcular a inversa de uma matriz ordem 2020 × . APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 9 Prova da Propriedade 1.8: Seja A uma matriz quadrada. Então as três afirmações seguintes são equivalentes; 1. uma forma escalonada por linhas de A é a matriz identidade I ; 2. a matriz A pode ser expressa como um produto de matrizes elementares; 3. a matriz A é invertível. 1.⇒2. Como a matriz na forma escalonada de A é obtida pela aplicação de várias operações elementares e cada uma das últimas tem uma matriz elementar associada, então tem-se que AEEEI 12k ⋅⋅⋅⋅= K . Logo, ( ) ( ) ( ) 111 −−− ⋅⋅⋅= kEEEA 21 K , e como cada matriz elementar é invertível, e mais ainda, cada inversa é, por sua vez, uma matriz elementar, tem-se 2. 2.⇒3. Se kEEEA 21 ⋅⋅⋅= K para certas matrizes elementares, então ( ) ( ) ( ) 1111 −−−− ⋅⋅= 12k EEEA K . 3.⇒1. Suponha agora que a matriz A é invertível. Pela propriedade 1.8, uma forma escalonada de A é uma matriz R igual à matriz identidade ou uma matriz com linhas nulas, ou seja, AEEER 12k ⋅⋅⋅⋅= K . Como 0)det( ≠iE e 0)det( ≠A , então .0)det()det()det()det()det( ≠⋅⋅⋅⋅= AEEER 12k K Necessariamente IR = , caso contrário se teria 0)det( =R . 2.4 INTERPRETAÇÂO E APLICAÇÃO DIRETA DOS DETERMINANTES Área de um triângulo e de um paralelogramo formados por dois vetores no plano cartesiano: Se = 2 1 u u u e = 2 1 v v v são dois vetores com ponto inicial na origem do plano cartesiano, então a área do paralelogramo formado por estes dois vetores é )det(A , sendo = 22 11 vu vu A . Veja a figura abaixo à esquerda. Similarmente, os vetores = 2 1 u u u e = 2 1 v v v podem também formar um triângulo, cuja área é igual a )det( 2 1 A , sendo, como antes, = 22 11 vu vu A . Veja a figura abaixo à direita. APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 10 Área de um triângulo no plano cartesiano dadas as coordenadas dos seus três vértices: Se um triângulo no plano cartesiano tem seus vértices nos pontos ),( 11 yxA = , ),( 22 yxB = e ),( 33 yxC = , então ele tem área igual a )det( 2 1 A sendo = 1 1 1 33 22 11 yx yx yx A . Para fins de ilustração, veja a figura ao lado. Volume de um paralelepípedo determinado por três vetores no espaço cartesiano: Se = 3 2 1 u u u u , = 3 2 1 v v v v e = 3 2 1 w w w w são três vetores com ponto inicial na origem de coordenadas do espaço cartesiano, então o volume do paralelepípedo determinado por estes três vetores é )det(A , sendo = 333 222 111 wvu wvu wvu A . Veja a figura ao lado. Produto vetorial de dois vetores de ordem 3: Se = 3 2 1 u u u u e = 3 2 1 v v v v são dois vetores de ordem 3, o produto vetorial de u e v , denotado por vu × , define-se como 321 321 33 22 11 vvv uuu vu vu vu kji k j i vu ==× , sendo = 0 0 1 i , = 0 1 0 j e = 1 0 0 k . Em termos dos cofatores, usando os vetores i , j e k , tem-se que −=+−=× 22 11 33 11 33 22 22 11 33 11 33 22 vu vu vu vu vu vu vu vu vu vu vu vu kjivu , ou ainda, ( ) − −− − =× 1221 1331 2332 vuvu vuvu vuvu vu . APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 11 Verifica-se que o vetor vu × é sempre perpendicular aos vetores u e v , simultaneamente. Por exemplo, se −= 1 3 2 u e = 1 2 1 v , então − − = − − −=× 7 1 5 23 12 11 12 11 23 vu , e tem-se que ( ) 071)1()3()5(2 =⋅+−⋅−+−⋅=×⋅ vuu e ( ) 071)1(2)5(1 =⋅+−⋅+−⋅=×⋅ vuv . Estes fatos são mostrados na figura ao lado. Área de um triângulo no espaço cartesiano dadas as coordenadas dos seus três vértices: Se um triângulo no espaço cartesiano tem seus vértices nos pontos ),,( 111 zyxA = , ),,( 222 zyxB = e ),,( 333 zyxC = , então ele tem área igual a ACAB ×2 1 . Por exemplo, se )0,2,1(=A , )1,2,2(−=B e )4,2,2( −−=C , então − = 1 0 3 AB e − − = 4 4 3 AC . Assim, = − −− −− − −=× 12 9 4 40 33 41 33 41 40 ACAB e a área do triângulo ABC é 71443616 2 1 2 1 =++=× ACAB . Veja a figura ao lado. 2.5 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 1. Encontre os valores de θ para os quais a matriz − = )cos()(sen )(sen)cos( θθ θθ A é invertível e nesses casos determine 1A− . 2. Encontre todos os valores de λ para os quais APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 12 a. 0 45 12 = +− − λ λ ; b. 0 500 01 044 = − − − λ λ λ . 3. Usando o desenvolvimento por cofatores, calcule )det(A , sendo a. − −= 531 401 133 A ; b. − − = 23102 0314 2022 5033 A ; c. − = 3 3 3 0 0 2 2 2 1 1 4 6 4 3 0 2 4 2 3 0 2 9 1 3 4 A . 4. Usando operações elementares para reduzir a matriz a uma matriz triangular, calcule os determinantes a seguir: a. 423 211 130 ; b. 510 272 963 −− − ; c. 3210 0120 1101 1312 ; d. 1 1 1 2 3 1 1 0 4 5 0 2 1 0 1 0 0 0 7 3 0 0 0 2 1 −−− . 5. Encontre o determinante a b b b b b b a b b b b b b a b b b b b b a b b b b b b a b b b b b b a . 6. Diga se as seguintes matrizes são invertíveis e, em caso afirmativo, determine a matriz inversa pela identidade de Cramer: = 200 000 003 A , −= 3 100 010 003 A , − = 101 010 001 A , = 000 010 003 A . 7. Utilizando a identidade de Cramer, encontre a matriz inversa de a. = 23 35 A b. = 101 010 001 A c. − = 101 010 101 A d. = 222 111 zyx zyxA e. = 567 408 321 A f. = 5 1 4 1 3 1 4 1 3 1 2 1 3 1 2 11 A 8. Mediante o algoritmo por operações elementares do capítulo anterior, calcule a matriz inversa de cada uma das matrizes do exercício anterior. 9. Verifique que se A é uma matriz tal que OAk = , para algum inteiro positivo k , e AI − é invertível, então 1k21 AAIA)(I −− +++=− L . 10. Utilizando o exercício anterior, calcule 1A)(I −− sabendo que APOSTILA DE ÁLGEBRA LINEAR Prof. Germán R. C. Suazo Capítulo 2: Determinantes 13 a. − = 01 00 A b. = 00 20 A c. − = 012 001 000 A d. = 000 700 410 A
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