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Nota 38. Sistemas de ecuaciones.

Por Julio César Soria Ramírez

(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

En esta entrada empezaremos a estudiar los sistemas de ecuaciones lineales con cierto número de incógnitas. El objetivo de este tipo de sistemas es encontrar los valores adecuados que se deben colocar en el lugar de las incógnitas para que se satisfagan simultáneamente todas las ecuaciones del sistema.

Cada una de las ecuaciones en el sistema representa una restricción en las posibles soluciones del mismo, por lo que la solución del sistema debe cumplir con todas las restricciones impuestas por las ecuaciones. Las soluciones de este tipo de sistemas pueden no existir, ser únicas o puede haber múltiples soluciones.

Resolver un sistema de ecuaciones lineales puede ser útil en diferentes áreas como en la física, la ingeniería, la economía, entre otras. Existen diferentes métodos para resolver este tipo de sistemas como el método de eliminación de Gauss, el método de eliminación de Gauss-Jordan y el método de la matriz inversa, entre otros.

Definición

Sean $n$ y $m$ naturales positivos. Un sistema de $m$ ecuaciones lineales con $n$ incógnitas con coeficientes en los reales es una colección de ecuaciones de la siguiente forma:

$\begin{array}{cccc} a_{11} x_{1} + a_{12} x_{2} + \dots + a_{1 n} x_{n} & = & b_{1} \\ ⋮ \\ a_{m 1} x_{1} + a_{m 2} x_{2} + \dots + a_{m n} x_{n} & = & b_{n} \end{array}$

con $a_{i j}, b_{j} \in R$ para todo $i \in {1, \dots, m}$ y para todo $j \in {1, \dots, n}$ . Los números $a_{i j}$ son llamados los coeficientes del sistema, mientras que $x_{1}, \dots, x_{n}$ son llamadas las incógnitas del sistema.

Si $b_{1} = b_{2} = \dots = b_{m} = 0$ decimos que es un sistema homogéneo.

Ejemplo

$\begin{array}{ccccc} 3 x_{1} & - 2 x_{2} & + \frac{1}{4} x_{3} & + x_{4} & = 0 \\ - 2 x_{1} & + x_{2} & + 5 x_{4} & = 0 \\ 7 x_{1} & + 8 x_{2} & = 0 \end{array}$

Éste es un sistema de $3$ ecuaciones lineales con $4$ incógnitas.

Podemos reescribir el sistema en forma matricial:

$(\begin{matrix} a_{11} x_{1} + \dots + a_{1 n} x_{n} \\ ⋮ \\ a_{m 1} x_{1} + \dots + a_{m n} x_{n} \end{matrix})$ $= (\begin{matrix} b_{1} \\ ⋮ \\ b_{m} \end{matrix})$

o bien,

$(\begin{array}{ccc} a_{11} & \dots & a_{1 n} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ a_{m 1} & \dots & a_{m n} \end{array})$ $(\begin{matrix} x_{1} \\ ⋮ \\ x_{n} \end{matrix})$ $= (\begin{matrix} b_{1} \\ ⋮ \\ b_{m} \end{matrix}) .$

Si $A = (\begin{array}{ccc} a_{11} & \dots & a_{1 n} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ a_{m 1} & \dots & a_{m n} \end{array})$ , $X = (\begin{matrix} x_{1} \\ ⋮ \\ x_{n} \end{matrix})$ y $B = (\begin{matrix} b_{1} \\ ⋮ \\ b_{m} \end{matrix})$ , el sistema quedaria abreviado como:

$A X = B .$

A la matriz $A$ se le llama la matriz de coeficientes del sistema.

La matriz aumentada del sistema es:

$(\begin{array}{cccc} a_{11} & \dots & a_{1 n} & b_{1} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ & ⋮ \\ a_{m 1} & \dots & a_{m n} & b_{m} \end{array})$ $= {(A | B)}_{m \times (n + 1)}$

Decimos que un vector $S = (s_{1}, \dots, s_{n}) \in R^{n}$ , que identificamos con la matriz columna formada por las entradas $s_{1}, \dots, s_{n}$ , es solución del sistema si $A S = B$ .

Observación 1

Sean $n$ y $m$ naturales positivos, $A \in M_{m \times n} (R)$ , $B \in M_{m \times 1} (R)$ y $S = (s_{1}, \dots, s_{n}) \in R^{n}$ . Sean $A^{1}, \dots, A^{n} \in R^{m}$ son las columnas de $A$ . Tenemos que $S$ es una solución del sistema si y sólo si $s_{1} A^{1} + s_{2} A^{2} + \dots + s_{n} A^{n} = B .$

Demostración

Sean $n$ y $m$ naturales positivos, $A \in M_{m \times n} (R)$ , $B \in M_{m \times 1} (R)$ y $S = (s_{1}, \dots, s_{n}) \in R^{n}$ . Sean $A^{1}, \dots, A^{n} \in R^{m}$ son las columnas de $A$ .

$S$ es solución del sistema $A X = B ⟺ A S = B$

$⟺$ $(\begin{matrix} a_{11} s_{1} + \dots + a_{1 n} s_{n} \\ ⋮ \\ a_{m 1} s_{1} + \dots + a_{m n} s_{n} \end{matrix})$ $(\begin{matrix} b_{1} \\ ⋮ \\ b_{m} \end{matrix})$

$⟺$ $s_{1} (\begin{matrix} a_{11} \\ ⋮ \\ a_{m 1} \end{matrix})$ $+$ $\dots$ $+$ $s_{n} (\begin{array}{r} a_{1 n} \\ ⋮ \\ a_{m n} \end{array})$ $= (\begin{matrix} b_{1} \\ ⋮ \\ b_{m} \end{matrix})$

$⟺$ $s_{1} A^{1} + s_{2} A^{2} + \dots + s_{n} A^{n} = B .$

Observación 2

Todo sistema homogéneo tiene al menos la solución $S = (0, \dots, 0) \in R^{n}$ , llamada la solución trivial.

Teorema.

Al realizar operaciones elementales en la matriz aumentada de un sistema, el sistema asociado puede cambiar, pero las soluciones son las mismas.

Demostración

Sean $n$ y $m$ naturales positivos, $A \in M_{m \times n} (R)$ y $B \in M_{m \times 1} (R)$

Consideremos el sistema $A X = B$ y $(A | B)$ su matriz aumentada. Basta probar que al aplicar una operación elemental $e$ a $(A | B)$ el sistema asociado tiene las mismas soluciones.

$1)$ Sea $e$ la operación que intercambia los renglones $r$ y $t$ . Las ecuaciones del sistema obtenido son las mismas que las del sistema original sólo que en otro orden, así que las soluciones son las mismas.

$2)$ Sea $e$ la operación que multipica el renglón $r$ por un real $λ$ , con $λ \neq 0.$

Las ecuaciones del sistema obtenido son las mismas que las del sistema original salvo por la ecuación $r$ que queda multiplicada por $λ$ . Pero todo $S = (s_{1}, \dots, s_{n}) \in R^{n}$ cumple que

$\begin{array}{rrr} a_{r 1} s_{1} + \dots + a_{r n} s_{n} = b_{r} & ⟺ & λ (a_{r 1} s_{1} + \dots + a_{r n} s_{n}) = λ b_{r} \\ ⟺ & (λ a_{r 1}) s_{1} + \dots + (λ a_{r n}) s_{n} = λ b_{r} . \end{array}$

Así, las soluciones de ambos sistemas coinciden.

$3)$ Sea $e$ la operación que suma al renglón $r$ , $λ$ veces el renglón $t$ , con $λ \in R .$

Las ecuaciones del sistema obtenido son las mismas que las del sistema original salvo por la ecuación $r .$ Pero todo $S = (s_{1}, \dots, s_{n}) \in R^{n}$ cumple que:

$\begin{array}{ll} a_{r 1} s_{1} + \dots + a_{r n} s_{n} & = b_{r} \\ a_{t 1} s_{1} + \dots + a_{t n} s_{n} & = b_{t} \end{array}$

si y sólo si

$\begin{array}{ll} (a_{r 1} s_{1} + \dots + a_{r n} s_{n}) + λ (a_{t 1} s_{1} + \dots + a_{t n} s_{n}) & = b_{r} + λ b_{t} \\ a_{t 1} s_{1} + \dots + a_{t n} s_{n} & = b_{t} \end{array}$

si y sólo si

$\begin{array}{ll} (a_{r 1} + λ a_{t 1}) s_{1} + \dots + (a_{r n} + λ a_{t n}) s_{n} & = b_{r} + λ b_{t} \\ a_{t 1} s_{1} + \dots + a_{t n} s_{n} & = b_{t} \end{array}$

y por lo tanto las soluciones son las mismas.

Tarea Moral

$1.$ Determina si los siguientes sistemas son lineales. Para aquellos que lo sean expresa al sistema en forma matricial $A X = B$ , encuentra una solución y expresa a $B$ como combinación lineal de las columnas de $A$ .

$i)$

$\begin{aligned} 3 x + y & = 1 \\ - 5 x + y & = 0 \end{aligned}$

$i i)$

$\begin{aligned} - 7 \frac{1}{x} - \frac{1}{y} & = 1 \\ - \frac{1}{x} + 6 \frac{1}{y} & = 0 \end{aligned}$

$i i i)$

$\begin{aligned} x - 3 y z - 2 x z & = 8 \end{aligned}$

$i v)$

$\begin{aligned} 2 x + 3 y - 4 z + w & = 9 \\ y + 5 z & = 1 \end{aligned}$

$2.$ Considera a un sistema de ecuaciones en forma matricial $A X = B$ . Sea $S_{p}$ una solución particular del sistema y $S_{o}$ una solución al sistema $A X = 0$ .

$i)$ ¿Qué puedes decir de $S_{o} + S_{p}$ ?

$i i)$ ¿Cualquier solución de $A X = B$ será la suma de $S_{p}$ con alguna solución del sistema $A X = 0$ ?

Más adelante

En la siguiente nota veremos ejemplos de resolución de sistemas de ecuaciones, los caracterizaremos de acuerdo a si tiene o no solución y al número de soluciones.

Enlaces relacionados

Página principal del curso.

Enlace a la nota anterior. Nota 37. El rango de una matriz.

Enlace a la nota siguiente. Nota 39. Ejemplos de sistemas de ecuaciones

Nota 43. Propiedad multiplicativa del determinante y teorema de invertibilidad de matrices.

Por Julio César Soria Ramírez

3 respuestas

(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

La propiedad multiplicativa del determinante establece que si $A$ y $B$ son dos matrices cuadradas de igual tamaño, entonces el determinante de su producto $A B$ es igual al producto de los determinantes de $A$ y $B$ , es decir:

$d e t A B = d e t A d e t B .$

La propiedad multiplicativa del determinante es muy útil en muchos problemas de álgebra lineal, ya que permite calcular el determinante de una matriz grande descomponiéndola como producto de matrices cuyos determinantes sean más sencillos de calcular.

En esta última entrada vamos a probar la propiedad multiplicativa del determinante, primero cuando una de las matrices es elemental, después probaremos la propiedad multiplicativa cuando una de las matrices es una matriz escalonada reducida por renglones para finalmente justificar con ello el caso general.

Observación 1

Sea $E$ es una matriz elemental:

El determinante de $E$ es $- 1$ si $E$ se obtiene de $I_{n}$ intercambiando dos renglones.
El determinante de $E$ es $λ$ si $E$ se obtiene de $I_{n}$ multiplicando un renglón por un escalar $λ$ no nulo.
El determinante de $E$ es $+ 1$ si $E$ se obtiene de $I_{n}$ sumando a un renglón un múltiplo de otro.

Demostración

Es consecuencia directa de cómo cambia el determinante cuando aplicamos a la matriz una operación elemental. Se deja la prueba al lector.

Lema 3

Sean $n$ un natural positivo, $E, B \in M_{n \times n} (R)$ con $E$ una matriz elemental. Tenemos que $d e t E B = d e t E d e t B .$

Demostración

Sean $n$ un natural positivo, $E, B \in M_{n \times n} (R)$ con $E$ una matriz elemental, $t, s \in {1, \dots, n}$ , $λ \in R$ .

Caso 1

Si $E$ se obtiene de $I_{n}$ intercambiando los renglones $t$ y $s$ , entonces, gracias a la observación $1$ de la nota 35, $E B$ se obtiene de $B$ intercambiando los renglones $t$ y $s$ . Por la propiedad $3$ de determinantes vista en la nota 41 tenemos que:

$d e t E B = - d e t B = (- 1) d e t B$

y por la observación 1 $(- 1) d e t B = d e t E d e t B$ . Por lo tanto $d e t E B = d e t E d e t B .$

Caso 2

Si $E$ se obtiene de $I_{n}$ multiplicando el renglón $s$ por $λ \in R ∖ {0}$ , entonces, gracias a la observación $1$ de la nota 35, $E B$ se obtiene de $B$ multplicando el renglón $s$ por $λ \in R ∖ {0} .$ Por la propiedad $2$ de determinantes vista en la nota 41 tenemos que $d e t E B = λ d e t B$ y por la observación 1 $d e t E = λ$ , así $d e t E B = d e t E d e t B .$

Caso 3

Si $E$ se obtiene de $I_{n}$ sumando al renglón $t$ $λ$ veces el renglón $s$ , entonces, gracias a la observación $1$ de la nota 35, $E B$ se obtiene de $B$ sumando al renglón $t$ $λ$ veces el renglón $s$ , así por la propiedad $5$ de determinantes vista en la nota 41 $d e t E B = + 1 d e t B$ y por la observación $1$ tenemos que $d e t E = + 1$ y así $d e t E B = d e t E d e t B .$

Observación 2

Sean $n$ un natural positivo, $R \in M_{n \times n} (R)$ una matriz escalonada reducida. Tenemos que $R = I_{n}$ o bien $R$ tiene al menos un renglón nulo.

Demostración

Se deja la prueba al lector.

Lema 4

Sean $n$ un natural positivo, $R, B \in M_{n \times n} (R)$ con $R$ escalonada reducida, se tiene que $d e t R B = d e t R d e t B .$

Demostración

Sean $n$ un natural positivo, $R, B \in M_{n \times n} (R)$ con $R$ escalonada reducida.

Por la observación $2$ sabemos que $R = I_{n}$ o bien $R$ tiene al menos un renglón nulo. Analicemos cada uno de estos dos casos.

Caso 1

Si $R = I_{n}$ entonces:

$d e t R B = d e t I_{n} B = d e t B = d e t I_{n} d e t B = d e t R d e t B .$

Caso 2

Si $R$ tiene al menos un renglón nulo, tenemos que $R B$ tiene al menos un renglón nulo y por la propiedad $6$ de determinantes vista en la nota 41 $d e t R = 0 = d e t R B$ , así:

$d e t R B = 0 = 0 d e t B = d e t R d e t B .$

Teorema

Sean $n$ un natural positivo, $A, B \in M_{n \times n} (R)$ . Se tiene que $d e t A B = d e t A d e t B .$

Demostración

Sean $n$ un natural positivo, $A, B \in M_{n \times n} (R) .$

Sabemos, gracias a lo que se vio en la nota 36, que $A \sim R$ para alguna $R \in M_{n \times n} (R)$ matriz escalonada reducida, entonces, por la observación 2 de la nota 35 sabemos que $A = E_{t} \dots E_{1} R$ , con $t$ un natural positivo y $E_{1}, \dots, E_{t}$ matrices elementales. Así:

$d e t A B = d e t E_{t} \dots E_{1} R B$

Por el lema $3$ aplicado varias veces tenemos que:

$d e t A B = d e t E_{t} d e t E_{t - 1} \dots d e t E_{1} d e t R B$

y por el lema $4$ tenemos que:

$d e t A B = d e t E_{t} d e t E_{t - 1} \dots d e t E_{1} d e t R d e t B .$

Por el lema $3$ tenemos que:

$d e t A B = d e t E_{t} d e t E_{t - 1} \dots d e t E_{1} R d e t B$

y aplicando sucesivamente el lema $3$ obtenemos:

$d e t A B = d e t E_{t} E_{t - 1} \dots E_{1} R d e t B .$

Concluimos que:

$d e t A B = d e t A d e t B .$

Observación 3

Sean $n$ un natural positivo, $A, R \in M_{n \times n} (R)$ con $R$ una matriz escalonada reducida tal que $A \sim R$ . Tenemos que $d e t A \neq 0$ si y sólo si $d e t R \neq 0$ .

Demostración

Sean $n$ un natural positivo, $A, R \in M_{n \times n} (R)$ con $R$ una matriz escalonada reducida tal que $A \sim R$ .

Dado que las operaciones elementales sólo afectan el signo del determinante o lo modifican por un factor $λ \neq 0$ , se tiene que $d e t A$ y $d e t R$ sólo difieren por un factor $λ \neq 0$ , es decir $d e t R = λ d e t R$ con $λ \neq 0$ , por lo cual $d e t R \neq 0$ si y sólo si $d e t A \neq 0$ .

Teorema

Sean $n$ un natural positivo, $A \in M_{n \times n} (R)$ . Las siguientes afirmaciones son equivalentes:

$1.$ Los renglones de $A$ forman un conjunto linealmente independiente en $R^{n}$ .

$2.$ $r k A = n$ .

$3.$ $A \sim I_{n}$ .

$4.$ $A$ tiene inversa.

$5.$ $d e t A \neq 0.$

Demostración

Sean $n$ un natural positivo, $A \in M_{n \times n} (R) .$

$1 ⟹ 2$ Supongamos que los renglones de $A$ forman un conjunto $l . i$ en $R^{n}$ . Entonces como son $n$ vectores $l . i$ en $R^{n}$ son una base de $R^{n}$ y así el espacio de renglones de $A$ es $R^{n}$ que tiene dimensión $n$ y por lo tanto $r k A = n .$

$2 ⟹ 3$ Supongamos $r k A = n$ . Entonces al escalonar $A$ se obtiene una matriz reducida $R \in M_{n \times n} (R)$ con $n$ renglones no nulos. Por la observación $2$ sabemos que $R = I_{n}$ y así $A \sim I_{n}$ .

$3 ⟹ 4$ Supongamos que $A \sim I_{n}$ entonces $A = E_{t} \dots E_{1} I_{n}$ con $t$ un natural positivo y $E_{1}, \dots, E_{t}$ matrices elementales (que son invertibles). Así, $A$ es producto de matrices invertibles y es por lo tanto invertible con $A^{- 1} = E_{1}^{- 1} \dots E_{t}^{- 1} .$

$4 ⟹ 5$ Supongamos que $A$ es invertible, entonces existe $A^{- 1}$ tal que $A A^{- 1} = I_{n}$ . Así, $1 = d e t I_{n} = d e t A A^{- 1} = d e t A d e t A^{- 1}$ . En particular $d e t A \neq 0$ .

$5 ⟹ 1$ Supongamos que $d e t A \neq 0$ . Sea $R$ la matriz escalonada tal que $A \sim R$ . Por la observación $3$ tenemos que $d e t R \neq 0$ y entonces $R$ no puede tener renglones nulos, entonces, usando la observación $2$ , tenemos que $R = I_{n}$ . Dado que $r k A = r k R = r k I_{n},$ se tiene que el rango de $A$ es $n$ y así la dimensión del espacio de renglones de $A$ es $n$ . Concluimos finalmente que los $n$ renglones de $A$ deben formar un conjunto $l . i .$

Tarea Moral

$1.$ Analiza qué condiciones debe cumplir una matriz diagonal para que sea invertible.

$2.$ Analiza qué condiciones debe cumplir una matriz triangular superior (o inferior) para que sea invertible.

$3.$ ¿Para que valores reales de $k$ , si es que existen, la matriz $C = (\begin{array}{ccc} k & - 3 & 9 \\ 2 & 4 & k + 1 \\ 1 & k^{2} & 3 \end{array})$ es invertible?

$4.$ ¿Qué condiciones se deben pedir a $a, b, c$ para que la matriz $(\begin{array}{ccc} 1 & 1 & 1 \\ a & b & c \\ a^{2} & b^{2} & c^{2} \end{array})$ sea invertible?

Más adelante

Con esta entrada se terminan las notas del curso de Álgebra Superior I impartido por la Dra. Diana Avella Alaminos.

Enlaces relacionados

Página principal del curso.

Enlace a la nota anterior. Nota 42. Formula para obtener el determinante.

Nota 42. Fórmula para obtener el determinante.

Por Julio César Soria Ramírez

2 respuestas

(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

El cálculo del determinante de una matriz es una operación fundamental en la teoría de matrices y álgebra lineal. En esta entrada estudiaremos el método de los menores o cofactores que es una técnica utilizada para calcular el determinante de una matriz cuadrada de cualquier tamaño.

El método se basa en la expansión del determinante a lo largo de una fila o columna de la matriz, calculando el determinante de una matriz a partir de determinantes de ciertas matrices que resultan de eliminar una fila y una columna de la matriz original, acompañados de algunas entradas de la matriz y signos positivos o negativos que se alternan en función de la posición del elemento en la matriz.

El método de los menores o cofactores puede ser un poco tedioso para matrices grandes, pero es una herramienta poderosa para calcular determinantes de matrices cuadradas de cualquier tamaño y puede usarse junto con las propiedades que hemos estudiado de los determinantes para facilitar el cálculo de los mismos.

Ve el siguiente video con las demostraciones de los dos lemas que estudiaremos en esta entrada.

Definición

Sean $n$ un natural positivo, $A \in M_{n \times n} (R)$ e $i, j \in {1, \dots, n} .$ Denotamos por $A (i ∣ j)$ a la matriz $(n - 1) \times (n - 1)$ que se obtiene de $A$ quitando el renglón $i$ y la columna $j$ de $A$ . El menor $i, j$ de $A$ es el determinante de $A (i ∣ j) .$

Ejemplo

Considera las siguientes matrices:

$A = (\begin{array}{rrr} 1 & - 2 & 3 \\ 5 & 7 & 0 \\ 2 & 4 & - 1 \end{array})$ y $A (1 ∣ 2) = (\begin{array}{rr} 5 & 0 \\ 2 & - 1 \end{array}) .$

El menor $1, 2$ de $A$ es $d e t (\begin{array}{rr} 5 & 0 \\ 2 & - 1 \end{array}) = - 5.$

$A (2 ∣ 3) = (\begin{array}{rr} 1 & - 2 \\ 2 & 4 \end{array})$ , el menor $2, 3$ de $A$ es $d e t (\begin{array}{rr} 1 & - 2 \\ 2 & 4 \end{array}) = 8.$

Lema 1

Sean $n$ un natural positivo y $A \in M_{n \times n} (R)$ tal que $a_{n 1} = \dots = a_{n (n - 1)} = 0$ , entonces $d e t A = a_{n n} d e t A (n ∣ n) .$

Demostración

Sean $n$ un natural positivo y $A \in M_{n \times n} (R)$ tal que $a_{n 1} = \dots = a_{n (n - 1)} = 0$ .

Por definición de determinante tenemos que:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots a_{n σ (n)} .$

Como todos los elementos de la fila $n$ son cero salvo en $n$ -ésimo entonces los únicos sumandos que pueden contribuir con algún valor no nulo son aquellos tales que $σ (n) = n$ , así:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}, σ (n) = n} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots a_{n - 1 σ (n - 1)} a_{n n} .$

Factorizando $a_{n n}$ tenemos que:

$det A = a_{n n} \sum_{σ \in S_{n}, σ (n) = n} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots a_{n - 1 σ (n - 1)} .$

Pero cada $σ \in S_{n}$ tal que $σ (n) = n$ da lugar a una $γ \in S_{n - 1}$ , a saber $γ : {1, 2, \dots, n - 1} \to {1, 2, \dots, n - 1}$ tal que $γ (i) = σ (i)$ para toda $i \in {1, 2, \dots, n - 1}$ , y recíprocamente, cada $γ \in S_{n - 1}$ da lugar a una $σ \in S_{n}$ tal que $σ (n) = n$ , a saber $σ : {1, 2, \dots, n} \to {1, 2, \dots, n}$ tal que $σ (i) = γ (i)$ para toda $i \in {1, 2, \dots, n - 1}$ y $σ (n) = n$ . Podemos reescribir lo anterior entonces como:

$det A = a_{n n} \sum_{γ \in S_{n - 1}} s g n γ a_{1 γ (1)} \dots a_{n - 1 γ (n - 1)}$

y por definición de determinante tenemos que:

$d e t A = a_{n n} d e t A (n ∣ n) .$

Lema 2

Sean $n$ un natural positivo, $A \in M_{n \times n} (R)$ e $i, j \in {1, \dots, n} .$ Si todos los elementos del renglón $i$ de $A$ salvo quizás $a_{i j}$ son cero, entonces $d e t A = (- 1)^{i + j} a_{i j} d e t A (i ∣ j) .$

Al número $(- 1)^{i + j} d e t A (i ∣ j)$ se le conoce como el cofactor $i, j$ de $A$ .

Demostración

Sean $n$ un natural positivo, $A \in M_{n \times n} (R)$ , $i, j \in {1, \dots, n}$ con $a_{i l} = 0 \forall l \neq j .$

Entonces la matriz $A$ se ve de la siguiente forma (el renglón $i$ está marcador en rojo):

$A = (\begin{array}{ccccc} a_{11} & \dots & a_{1 j} & \dots & a_{1 n} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ 0 & \dots & a_{i j} & \dots & 0 \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1} & \dots & a_{n j} & \dots & a_{n n} \end{array}) .$

Vamos a intercambiar renglones y columnas para llevar esta matriz a una del tipo de las requeridas en la hipótesis del lema 1.

Nuestro objetivo es transformar la matriz $A$ en una equivalente $A^{'}$ , que tenga en el último renglón ceros en todas sus entradas salvo quizás en la última, y cuyo menor $n, n$ que es $d e t A^{'} (n ∣ n)$ , sea igual al menor $i, j$ de $A$ , es decir el determinante de la matriz que se obtiene de quitar el $i -$ ésimo renglón y la $j -$ ésima columna de $A$ . Consideremos $A^{'}$ la matriz que se obtiene de $A$ después de intercambiar el renglón $i$ de $A$ con cada uno de los $n - i$ renglones subsecuentes, y después intercambiando la columna $j$ de la matriz obtenida con las $n - j$ columnas subsecuentes.

La matriz $A^{'}$ es de la forma:

$A^{'} = (\begin{array}{ccccccc} a_{11} & \dots & a_{1 j - 1} & a_{1 j + 1} & \dots & a_{1 n} & a_{i j} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & ⋮ & \dots & ⋮ & ⋮ \\ a_{i - 11} & \dots & a_{i - 1 j - 1} & a_{i - 1 j + 1} & \dots & a_{i - 1 n} & a_{i - 1 j} \\ a_{i + 11} & \dots & a_{i + 1 j - 1} & a_{i + 1 j + 1} & \dots & a_{i + 1 n} & a_{i + 1 j} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & ⋮ & \dots & ⋮ & ⋮ \\ a_{n 1} & \dots & a_{n j - 1} & a_{n j + 1} & \dots & a_{n n} & a_{n j} \\ 0 & \dots & 0 & 0 & \dots & 0 & a_{i j} \end{array}) .$

Dado Que $A^{'}$ se obtuvo de $A$ realizando $n - i$ intercambios de renglones y $n - j$ intercambios de columnas, por la propiedad $3$ de la nota anterior tenemos que:

$d e t A = (- 1)^{(n - i) + (n - j)} d e t A^{'} .$

Desarrollando tenemos que:

$d e t A = (- 1)^{2 n - (i + j)} d e t A^{'} = (- 1)^{2 n} (- 1)^{- (i + j)} d e t A^{'}$

y dado que $(- 1)^{2 n} = 1$ y que $(- 1)^{- (i + j)} = \frac{1}{(- 1)^{i + j}} = (- 1)^{i + j} .$

Obtenemos por el lema 1 que:

$d e t A = (- 1)^{i + j} a_{i j} d e t A (i ∣ j) .$

Teorema

Sean $n$ un natural positivo, $A \in M_{n \times n} (R)$ e $i, j \in {1, \dots, n} .$ Se tiene que:

$d e t A = (- 1)^{i + 1} a_{i 1} d e t A (i ∣ 1) + (- 1)^{i + 2} a_{i 2} d e t A (i ∣ 2) + \dots + (- 1)^{i + n} a_{i n} d e t A (i ∣ n),$

que se conoce como el desarrollo del determinante por el renglón $i$ de $A$ , o bien

$d e t A = (- 1)^{1 + j} a_{1 j} d e t A (1 ∣ j) + (- 1)^{2 + j} a_{2 j} d e t A (2 ∣ j) + \dots + (- 1)^{n + j} a_{n j} d e t A (n ∣ j),$

que se conoce como el desarrollo del determinante por la columna $j$ de $A$ .

Ve el siguiente video de la demostración del teorema:

Demostración

Sean $n$ un natural positivo, $A \in M_{n \times n} (R)$ e $i, j \in {1, \dots, n} .$

Vamos a considerar el renglón $i$ y pensaremos que en cada término $a_{i j}$ aparece una suma de $n$ términos, $n - 1$ son ceros y el otro $a_{i j}$ en el sumando $j$ -ésimo. Así, vamos a escribir a la matriz $A$ como:

$A = (\begin{array}{ccccc} a_{11} & \dots & a_{1 j} & \dots & a_{1 n} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{i 1} + 0 + \dots + 0 & \dots & 0 + \dots + a_{i j} + \dots + 0 & \dots & 0 + \dots + 0 + a_{i n} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1} & \dots & a_{n j} & \dots & a_{n n} \end{array}) .$

Desde esta perspectiva podemos visualizar al renglón $i$ como la suma de los siguientes $n$ vectores:

$(a_{i 1}, 0, \dots, 0), (0, a_{i 2}, 0, \dots, 0), \dots, (0, \dots, 0, a_{i n}) .$

Consideraremos ahora para cada $j \in {1, \dots, n}$ , una matriz que tiene los mismos renglones que $A$ , excepto en el $i$ -ésimo renglón, en el que tendremos precisamente al vector $j$ -ésimo de la lista anterior.

Recordemos la propiedad uno de determinantes vista en la nota 41 que nos dice que: Si $R_{k}^{'}$ y $R_{k}^{''}$ son los renglones $k$ de $A^{'}$ y $A^{''}$ respectivamente, el renglón $k$ de $A$ es $R_{k}^{'} + R_{k}^{''}$ , y el resto de los renglones de $A, A^{'}$ y $A^{''}$ coinciden, entonces $d e t A = d e t A^{'} + d e t A^{''} .$ Gracias a dicha propiedad obtenemos que:

$d e t A = d e t (\begin{array}{ccccc} a_{11} & \dots & a_{1 j} & \dots & a_{1 n} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{i 1} & \dots & 0 & \dots & 0 \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1} & \dots & a_{n j} & \dots & a_{n n} \end{array})$ $+ \dots +$ $d e t (\begin{array}{ccccc} a_{11} & \dots & a_{1 j} & \dots & a_{1 n} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ 0 & \dots & a_{i j} & \dots & 0 \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1} & \dots & a_{n j} & \dots & a_{n n} \end{array})$ $+ \dots +$ $(\begin{array}{ccccc} a_{11} & \dots & a_{1 j} & \dots & a_{1 n} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ 0 & \dots & 0 & \dots & a_{i n} \\ ⋮ & \dots & ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1} & \dots & a_{n j} & \dots & a_{n n} \end{array}) .$

Finalmente, por el lema 2 obtenemos que:

$d e t A = (- 1)^{i + 1} a_{i 1} d e t A (i ∣ 1) + \dots + (- 1)^{i + j} a_{i j} d e t A (i ∣ j) + \dots + (- 1)^{i + n} a_{i n} d e t A (i ∣ n) .$

La prueba es análoga para las columnas.

Ejemplos

$1.$ Considera la matriz $A = (\begin{array}{rrrrr} 1 & - 2 & 8 & 0 & 4 \\ 5 & 0 & 13 & 0 & 2 \\ 3 & 8 & 9 & 5 & 7 \\ 0 & 0 & - 2 & 0 & 0 \\ 9 & 0 & 11 & 0 & 1 \end{array})$

Vamos a desarrollar su determinante. Conviene hacerlo por los renglones o columnas que tengan muchos ceros, en este caso vamos a desarrollar por la cuarta columna.

$d e t A = d e t (\begin{array}{rrrrr} 1 & - 2 & 8 & 0 & 4 \\ 5 & 0 & 13 & 0 & 2 \\ 3 & 8 & 9 & 5 & 7 \\ 0 & 0 & - 2 & 0 & 0 \\ 9 & 0 & 11 & 0 & 1 \end{array})$

Según el teorema tenemos que:

$\begin{array}{ll} d e t A = & (- 1)^{1 + 4} (0) d e t A (1 ∣ 4) + (- 1)^{2 + 4} (0) d e t A (2 ∣ 4) \\ + (- 1)^{3 + 4} (5) d e t A (3 ∣ 4) + (- 1)^{4 + 4} (0) d e t A (4 ∣ 4) + (- 1)^{1 + 5} (0) d e t A (5 ∣ 4) . \end{array}$

Eliminando los términos con cero obtenemos que:

$d e t A = (- 1)^{3 + 4} 5 d e t A (3 ∣ 4) = - 5 d e t (\begin{array}{rrrr} 1 & - 2 & 8 & 4 \\ 5 & 0 & 13 & 2 \\ 0 & 0 & - 2 & 0 \\ 9 & 0 & 11 & 1 \end{array})$

Consideremos ahora la matriz:

$A^{'} = (\begin{array}{rrrr} 1 & - 2 & 8 & 4 \\ 5 & 0 & 13 & 2 \\ 0 & 0 & - 2 & 0 \\ 9 & 0 & 11 & 1 \end{array})$ .

Vamos a calcular su determinante desarrollándolo a través de su tercer renglón:

$d e t A^{'} = d e t (\begin{array}{rrrr} 1 & - 2 & 8 & 4 \\ 5 & 0 & 13 & 2 \\ (0) & (0) & (- 2) & (0) \\ 9 & 0 & 11 & 1 \end{array})$ ,

al desarrollar obtenemos que:

$d e t A^{'} = (- 1)^{3 + 1} 0 d e t A^{'} (3 ∣ 1) + (- 1)^{3 + 2} (0) d e t A^{'} (3 ∣ 2) + (- 1)^{3 + 3} (- 2) d e t A^{'} (3 ∣ 3) + (- 1)^{3 + 4} (0) d e t A^{'} (3 ∣ 4)$

Eliminando los términos con ceros tenemos que:

$d e t A^{'} = (- 1)^{3 + 3} (- 2) d e t A^{'} (3 ∣ 3) = - 2 d e t A^{'} (3 ∣ 3) = (\begin{array}{rrr} 1 & - 2 & 4 \\ 5 & 0 & 2 \\ 9 & 0 & 1 \end{array})$

y como $d e t A = - 5 d e t A^{'} = (- 5) (- 2) d e t (\begin{array}{rrr} 1 & - 2 & 4 \\ 5 & 0 & 2 \\ 9 & 0 & 1 \end{array})$

Sea $A^{''} = (\begin{array}{rrr} 1 & - 2 & 4 \\ 5 & 0 & 2 \\ 9 & 0 & 1 \end{array})$ .

Desarrollemos su determinante por la segunda columna:

$d e t A^{''} = d e t (\begin{array}{rrr} 1 & - 2 & 4 \\ 5 & 0 & 2 \\ 9 & 0 & 1 \end{array}) = (- 1)^{1 + 2} (- 2) d e t A^{''} (1 ∣ 2) + (- 1)^{2 + 2} (0) d e t A^{''} (2 ∣ 2) + (- 1)^{3 + 2} (0) d e t A^{''} (3 ∣ 2)$ .

Eliminando los términos con cero tenemos que:

$d e t A^{''} = (- 1)^{1 + 2} (- 2) d e t A^{''} (1 ∣ 2) = 2 d e t A^{''} (1 ∣ 2) = 2 (\begin{array}{rr} 5 & 2 \\ 9 & 1 \end{array}) .$

Finalmente, como $d e t A = (- 5) (- 2) d e t A^{''}$ obtenemos que:

$d e t A = (- 5) (- 2) (2) d e t (\begin{array}{rr} 5 & 2 \\ 9 & 1 \end{array}) = (- 5) (- 2) (2) [5 - 18] = (- 5) (- 2) (2) (- 13) = - 260$

Para el siguiente ejemplo tienes que tener el consideración las siguientes propiedades de determinantes vistos en la nota anterior.

$2.$ Considera la matriz:

$A = (\begin{array}{rrrr} - 1 & 4 & 2 & 1 \\ 5 & 5 & 1 & 3 \\ 2 & 2 & 2 & 1 \\ 3 & 6 & 4 & 2 \end{array})$

Escalonemos la matriz para obtener una matriz escalonada reducida por renglones, cuyo determinante será más sencillo de obtener. Dado que sabemos cómo cambia el determinante con las operaciones elementales realizadas, podremos decir cuál es el determinante de $A$ :

	Explicación de las igualdades y operaciones elementales
$d e t A = d e t (\begin{array}{rrrr} - 1 & 4 & 2 & 1 \\ 5 & 5 & 1 & 3 \\ 2 & 2 & 2 & 1 \\ 3 & 6 & 4 & 2 \end{array})$	Efectúa las operaciones elementales: $R_{2} \to R_{2} + 5 R_{1}$ $R_{3} \to R_{3} + 2 R_{1}$ $R_{4} \to R_{4} + 3 R_{1}$
$= d e t (\begin{array}{rrrr} - 1 & 4 & 2 & 1 \\ 0 & 25 & 11 & 8 \\ 0 & 10 & 6 & 3 \\ 0 & 18 & 10 & 5 \end{array})$	La igualdad se da por la propiedad 5. Efectúa la operación elemental: $\frac{1}{10} R_{3}$
$= 10 d e t (\begin{array}{rrrr} - 1 & 4 & 2 & 1 \\ 0 & 25 & 11 & 8 \\ 0 & 1 & \frac{3}{5} & \frac{3}{10} \\ 0 & 18 & 10 & 5 \end{array})$	La multiplicación por 10 se da por la propiedad 2. Efectúa la operación elemental: $R_{2} \leftrightarrow R_{3}$
$= - 10 d e t (\begin{array}{rrrr} - 1 & 4 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & \frac{3}{5} & \frac{3}{10} \\ 0 & 25 & 11 & 8 \\ 0 & 18 & 10 & 5 \end{array})$	El cambio de signo es por la propiedad 3. Efectúa las operaciones elementales: $R_{3} \to R_{3} + (- 2) R_{2}$ $R_{4} \to R_{4} + (- 18) R_{2}$
$= - 10 d e t (\begin{array}{rrrr} - 1 & 4 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & \frac{3}{5} & \frac{3}{10} \\ 0 & 0 & - 4 & \frac{1}{2} \\ 0 & 0 & - \frac{4}{5} & - \frac{2}{5} \end{array})$	La igualdad se da por la propiedad 5. Efectúa la operación elemental: $R_{4} \to R_{4} + (- \frac{1}{5}) R_{2}$
$= - 10 d e t (\begin{array}{rrrr} - 1 & 4 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & \frac{3}{5} & \frac{3}{10} \\ 0 & 0 & - 4 & \frac{1}{2} \\ 0 & 0 & 0 & - \frac{1}{2} \end{array})$	La igualdad se da por la propiedad 5.
$= - 10 (- 1) (1) (- 4) (- \frac{1}{2}) = 20$	Por ser una matriz diagonal inferior su determinante es el producto de los elementos de la diagonal. Pruébalo de tarea moral.

Tarea Moral

$1.$ Una matriz cuadrada $A$ es diagonal si $A_{i j} = 0$ para $i \neq j$ . Por otro lado una matriz cuadrada $A$ es triangular superior si $A_{i j} = 0$ para $i > j$ . De acuerdo a la definición del determinante.

$i)$ ¿Cuál es el determinante de una matriz diagonal?

$i i)$ ¿Cuál es el determinante de una matriz triangular superior?

$2.$ Sea $A = (\begin{array}{rrrr} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 0 & - 1 & 0 & 4 \\ 3 & 1 & 0 & 4 \\ 4 & 2 & 1 & 4 \end{array}),$ calcula los menores $3, 4$ y $1, 1$ de $A$ .

$3.$ Calcula el determinante de $A, B, C .$

$A = (\begin{array}{rrr} 8 & 2 & - 1 \\ - 3 & 4 & - 6 \\ 1 & 7 & 2 \end{array})$

$B = (\begin{array}{rrrr} 1 & - 3 & 4 & 6 \\ - 2 & 4 & 1 & 7 \\ 3 & - 1 & 2 & 5 \\ 1 & 2 & 3 & 7 \end{array})$

$C = (\begin{array}{rrr} k & - 3 & 9 \\ 2 & 4 & k + 1 \\ 1 & k^{2} & 3 \end{array})$

$4.$ Considera la matriz $(\begin{array}{rrr} 1 & 1 & 1 \\ a & b & c \\ a^{2} & b^{2} & c^{2} \end{array})$

¿Cómo es su determinante en términos de $a, b, c$ ?, ¿cómo generalizarías el resultado para matrices $n \times n$ con $n$ un natural positivo?

Más adelante

En la siguiente y última nota veremos la propiedad multiplicativa que tiene el determinante y estudiaremos qué condición debe cumplir el determinante de una matriz para saber si es invertible.

Enlaces relacionados

Página principal del curso.

Enlace a la nota anterior. Nota 41. Propiedades de los determinantes.

Enlace a la nota siguiente. Nota 43. Propiedad multiplicativa del determinante y teorema de invertibilidad de matrices.

Nota 41. Propiedades de los determinantes.

Por Julio César Soria Ramírez

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(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

En esta nota deduciremos propiedades importantes que tienen los determinantes, para ello usaremos la definición dada en la nota anterior. Sería conveniente que, si no lo has hecho, revisaras los ejemplos de la nota anterior para que sea más natural su deducción.

Propiedades

Sean $n$ un natural positivo, $k \in {1, \dots, n}$ , $A, A^{'}, A^{''} \in M_{n \times n} (R)$ y $λ \in R .$

$1.$ Si $R_{k}^{'}$ y $R_{k}^{''}$ son los renglones $k$ de $A^{'}$ y $A^{''}$ respectivamente, el renglón $k$ de $A$ es $R_{k}^{'} + R_{k}^{''}$ , y el resto de los renglones de $A, A^{'}$ y $A^{''}$ coinciden, entonces:

$d e t A = d e t A^{'} + d e t A^{''} .$

$2.$ Si $A$ se obtiene de $A^{'}$ multiplicando el renglón $k$ por $λ$ , entonces:

$d e t A = λ d e t A^{'} .$

$3.$ Si $A$ se obtiene de $A^{'}$ intercambiando dos renglones, entonces:

$d e t A = - d e t A^{'} .$

$4.$ Si $A$ tiene dos renglones iguales, entonces:

$d e t A = 0.$

$5.$ Si $A$ se obtiene de $A^{'}$ sumando a un renglón un múltiplo de otro, entonces:

$d e t A = d e t A^{'} .$

$6.$ Si $A$ tiene un renglón de ceros, entonces:

$d e t A = 0$

$7.$ $d e t A^{t} = d e t A .$

Ve el siguiente video con las demostraciones de las propiedades $1$ y $2$ :

Demostración de las propiedades

Sean $n$ un natural positivo, $k, s \in {1, \dots, n}$ , $A, A^{'}, A^{''} \in M_{n \times n} (R)$ y $λ \in R .$

Demostración de la propiedad 1

Supongamos que $a_{i j} = a_{i j}^{'} = a_{i j}^{''}$ para todo $i \neq k$ y para todo $j$ , supongamos también que $a_{k j} = a_{k j}^{'} + a_{k j}^{''}$ para todo $j$ . Por definición de determinante:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots a_{k σ (k)} \dots a_{n σ (n)},$

y entonces por hipótesis $a_{k σ (k)} = a_{k σ (k)}^{'} + a_{k σ (k)}^{''} .$

Así:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots (a_{k σ (k)}^{'} + a_{k σ (k)}^{''}) \dots a_{n σ (n)} .$

Aplicando la propiedad distributiva de los reales tenemos que:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots a_{k σ (k)}^{'} \dots a_{n σ (n)} + \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots a_{k σ (k)}^{''} \dots a_{n σ (n)}$

y por hipótesis $a_{i j} = a_{i j}^{'} = a_{i j}^{''}$ para todo $i \neq t$ y para todo $j$ , por lo tanto:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)}^{'} \dots a_{k σ (k)}^{'} \dots a_{n σ (n)}^{'} + \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)}^{''} \dots a_{k σ (k)}^{''} \dots a_{n σ (n)}^{''} .$

Entonces por definición determinante tenemos que:

$d e t A = d e t A^{'} + d e t A^{''} .$

Demostración de la propiedad 2

Supongamos que $a_{i j} = a_{i j}^{'}$ para toda $i \neq k$ y para toda $j$ , y que $a_{k j} = λ a_{k j}^{'}$ para toda $j$ .

Por definición de determinante tenemos que:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots a_{k σ (k)} \dots a_{n σ (n)}$

pero, por hipótesis, $a_{k σ (k)} = λ a_{k σ (k)}^{'}$ , así:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots λ a_{k σ (k)}^{'} \dots a_{n σ (n)} .$

También por hipótesis $a_{i j} = a_{i j}^{'}$ para toda $i \neq t$ , entonces:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)}^{'} \dots λ a_{k σ (k)}^{'} \dots a_{n σ (n)}^{'},$ y factorizando $λ$ :

$det A = λ \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)}^{'} \dots a_{k σ (k)}^{'} \dots a_{n σ (n)}^{'},$

entonces por definición:

$d e t A = λ d e t A^{'} .$

Ve el siguiente video con las demostraciones de las propiedades $3$ y $4$

Demostración de la propiedad 3

Supongamos que $A$ se obtiene de $A^{'}$ intercambiando los renglones $k$ y $s$ .

Por definición tenemos que:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} \dots a_{k σ (k)} \dots a_{s σ (s)} \dots a_{n σ (n)}$

Al intercambiar los renglones $k$ y $s$ tenemos que:

$a_{k σ (k)} = a_{s σ (k)}^{'}$ y $a_{s σ (s)} = a_{k σ (s)}^{'}$ , y además $a_{i σ (i)} = a_{i σ (i)}^{'}$ para toda $i$ distinta de $k$ y de $s$ .

Entonces:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)}^{'} \dots a_{s σ (k)}^{'} \dots a_{k σ (s)}^{'} \dots a_{n σ (n)}^{'}$

Observa que la permutación $γ = (\begin{array}{rrrrrrr} 1 & \dots & k & \dots & s & \dots & n \\ σ (1) & \dots & σ (s) & \dots & σ (k) & \dots & σ (n) \end{array})$ es muy parecida a $σ$ salvo en su evaluación en $k$ y en $s$ . De modo más preciso $τ \circ σ = γ$ , con $τ$ la transposición que intercambia a $σ (k)$ y a $σ (s)$ . Entonces difieren sólo en una transposición y por lo tanto $s g n σ = - s g n γ$ . Vamos a reescribir el determinante en términos de la permutación $γ$ , y entonces:

$det A = \sum_{γ \in S_{n}} - s g n γ a_{1 γ (1)}^{'} \dots a_{s γ (s)}^{'} \dots a_{k γ (k)}^{'} \dots a_{n γ (n)}^{'},$

entonces por definición tenemos que:

$d e t A = - d e t A^{'} .$

Demostración de la propiedad 4

Supongamos que los renglones $k$ y $s$ de $A$ son iguales . Sea $A^{'}$ la matriz que se obtiene de $A$ intercambiado sus renglones $k$ y $s$ , entonces $A^{'} = A$ . Por la propiedad $3$ tenemos que $d e t A^{'} = - d e t A$ . Así:

$d e t A = - d e t A^{'} = - d e t A,$

entonces $d e t A = - d e t A$ . De aquí tenemos que $2 d e t A = 0$ y por lo tanto:

$d e t A = 0$ .

Ve el siguiente video con las demostraciones de las propiedades $5, 6, 7.$

Demostración de la propiedad 5

Supongamos que $A$ se obtiene de $A^{'}$ sumando al renglón $s$ , $λ$ veces el renglón $k .$

Entonces si:

$A^{'} = (\begin{array}{ccccccc} a_{11}^{'} & \dots & a_{1 n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{s 1}^{'} & \dots & a_{s n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1}^{'} & \dots & a_{n n}^{'} \end{array}) .$

Entonces $A$ es:

$A = (\begin{array}{ccccccc} a_{11}^{'} & \dots & a_{1 n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{s 1}^{'} + λ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{s n}^{'} + λ a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1}^{'} & \dots & a_{n n}^{'} \end{array}) .$

Por la propiedad $1$ tenemos que:

$d e t A =$ $d e t (\begin{array}{ccccccc} a_{11}^{'} & \dots & a_{1 n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{s 1}^{'} + λ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{s n}^{'} + λ a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1}^{'} & \dots & a_{n n}^{'} \end{array})$ $= d e t (\begin{array}{ccccccc} a_{11}^{'} & \dots & a_{1 n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{s 1}^{'} & \dots & a_{s n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1}^{'} & \dots & a_{n n}^{'} \end{array})$ $+ d e t (\begin{array}{ccccccc} a_{11}^{'} & \dots & a_{1 n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ λ a_{k 1}^{'} & \dots & λ a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1}^{'} & \dots & a_{n n}^{'} \end{array}),$

y por la propiedad $2$ tenemos que:

$d e t A =$ $d e t (\begin{array}{ccccccc} a_{11}^{'} & \dots & a_{1 n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{s 1}^{'} & \dots & a_{s n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1}^{'} & \dots & a_{n n}^{'} \end{array})$ $+$ $λ d e t (\begin{array}{ccccccc} a_{11}^{'} & \dots & a_{1 n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{k 1}^{'} & \dots & a_{k n}^{'} \\ ⋮ & \dots & ⋮ \\ a_{n 1}^{'} & \dots & a_{n n}^{'} \end{array}),$

y como la matriz que aparece en el segundo sumando tiene dos renglones repetidos, su determinante es cero. Por lo tanto:

Demostración de la propiedad 6

Si el renglón $k$ de $A$ es un renglón de ceros, al multiplicar el renglón $k$ por cero obtenemos $A$ , así por la propiedad $2$ :

$d e t A = 0 d e t A = 0.$

Observación

Sea $σ \in S_{n}, s g n σ = s g n σ^{- 1}$ ya que si $σ = τ_{m} \circ \dots \circ τ_{1}$ es un producto de transposiciones entonces tenemos que $σ^{- 1} = τ_{1} \circ \dots \circ τ_{m} .$

Demostración de la propiedad 7

Sea $A^{t} = (b_{i j})$ , entonces de la definición de determinante

$det A^{t} = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ b_{1 σ (1)} \dots b_{n σ (n)} .$

Por la definición de transpuesta tenemos que $b_{i σ (i)} = a_{σ (i) i}$ para toda $i$ , entonces:

$det A^{t} = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{σ (1) 1} \dots a_{σ (n) n} .$

Por la observación tenemos que:

$det A^{t} = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ^{- 1} a_{σ (1) σ^{- 1} (σ (1))} \dots a_{σ (n) σ^{- 1} (σ (n))} .$

Observemos que cada factor $a_{σ (i) σ^{- 1} (σ (i))}$ , es de la forma $a_{j σ^{- 1} (j)}$ con $j \in {1, 2, \dots, n}$ , entonces reacomodando dichos factores en orden creciente de acuerdo al valor de $j$ tenemos:

$det A^{t} = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ^{- 1} a_{1 σ^{- 1} (1)} \dots a_{n σ^{- 1} (n)} .$

Si denotamos $γ = σ^{- 1}$ , al reescribir en términos de $γ$ tenemos que:

$det A^{t} = \sum_{γ \in S_{n}} s g n γ a_{1 γ (1)} \dots a_{n γ (n)} = det A .$

Gracias a la propiedad 7 tenemos que:

Corolario

Todas las propiedades antes mencionadas de renglones se cumplen también para las columnas.

Tarea Moral

$1.$ Sean $A = (\begin{array}{cc} a & b \\ c & d \end{array})$ , $B = (\begin{array}{cc} e & f \\ c & d \end{array}),$ $C = (\begin{array}{cc} a + e & b + f \\ c & d \end{array}) \in M_{2 \times 2} (R) .$

Si $d e t A = 7$ y $d e t B = π$ , ¿cuánto es el determinante de $C$ ?

$2.$ Sean $B_{1} = (\begin{array}{cc} a_{11} & 0 \\ a_{21} & a_{22} \end{array})$ , $B_{2} = (\begin{array}{cc} 0 & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{array}),$ $A = (\begin{array}{cc} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{array}) \in M_{2 \times 2} (R)$ .

$i)$ Calcula el determinante de $A$ en términos de los determinantes de $B_{1}$ y $B_{2}$ .

$i i)$ ¿Cómo podrías generalizar el resultado del inciso anterior a matrices de $n \times n$ para $n$ un natural positivo?

$3.$ Sean $A \in M_{n \times n} (R)$ y $λ \in R$ . ¿Cómo es el determinante de $λ A$ en términos del determinante de $A$ ?

$4.$ Sean $A = (\begin{array}{rrr} a & b & c \\ d & e & f \\ g & h & i \end{array})$ y $B = (\begin{array}{rrr} g & h & i \\ a & b & c \\ d & e & f \end{array}) \in M_{3 \times 3} (R) .$

¿Cómo es el determinante de $B$ comparado con el determinante de $A$ ?

$5.$ Sean $n$ un natural positivo y $A \in M_{n \times n} (R)$ . Si un renglón de $A$ es múltiplo de otro. ¿Qué ocurre con el determinante de $A$ ?

Más adelante

En la siguiente nota deduciremos una fórmula para el calculo del determinante.

Enlaces relacionados

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Enlace a la nota anterior. Nota 40. Determinantes.

Enlace a la nota siguiente. Nota 42. Formula para obtener el determinante.

Nota 40. Determinantes.

Por Julio César Soria Ramírez

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(Trabajo de titulación asesorado por la Dra. Diana Avella Alaminos)

Introducción

El determinante de una matriz cuadrada es un valor numérico asociado a la matriz, que se puede calcular a partir de sus entradas y que tiene muchas aplicaciones en álgebra lineal y otras áreas de las matemáticas y la física. Una forma de definir el determinante es mediante permutaciones.

Dada una matriz cuadrada de $n$ renglones, para cada permutación de $n$ elementos se consideran los productos de entradas de la matriz, donde hay exactamente un factor en cada renglón de la matriz y exactamente un factor de cada columna; después se les asocia un signo y se suman todos estos productos. El resultado de esta suma es el determinante de la matriz.

Esta definición puede parecer complicada al principio, pero es muy poderosa y se puede utilizar para calcular determinantes de matrices de cualquier tamaño.

En esta entrada estudiaremos las permutaciones de $n$ elementos, daremos la definición de determinante y algunos ejemplos sencillos.

Te invitamos a ver el siguiente video de 3Blue1Brown en el que se da una aproximación geométrica e intuitiva de lo que es el determinante.

Puedes ver también el siguiente video de la clase que te ayudará a comprender lo que aparece en esta entrada.

Antes de llegar a la definición de lo que es un determinante recordemos lo que es una permutación. En la nota 22 estudiamos las permutaciones de un conjunto $A$ . Ahora, para $n$ un natural positivo, vamos a concentrarnos en las permutaciones del conjunto ${1, 2, \dots, n}$ :

Definición

Sea $n$ un natural positivo. Las permutaciones del conjunto ${1, \dots, n}$ o permutaciones de $n$ elementos son la funciones biyectivas de ${1, \dots, n}$ en sí mismo. El conjunto de todas las permutaciones de $n$ elementos se denotará por $S_{n}$ , esto es:

$S_{n} = {σ : {1, \dots, n} \to {1, \dots, n} ∣ σ e s b i y e c t i v a}$

Una permutación $σ \in S_{n}$ se llama una transposición si intercambia dos números y deja fijos a los demás, es decir si existen $i, j \in {1, \dots, n}$ distintos tales que $σ (i) = j$ , $σ (j) = i$ y $σ (k) = k$ para todo $i, j \in {1, \dots, n}$ con $k \neq i$ y $k \neq j$ .

Enunciemos ahora un resultado importante, cuya demostración se omitirá porque va más allá de los objetivos de este curso, pero que puede ser consultada en las notas del curso de Álgebra Moderna I de la Dra. Avella, escritas por la alumna Cecilia Villatoro.

Nota

Toda permutación es una composición de transposiciones. Puede que haya varias composiciones que den la misma permutación, pero todas son la composición de un número par de transposiciones o todas son la composición de un número impar de transposiciones.

Definición

Sean $n$ un natural positivo y $σ \in S_{n}$ . Decimos que $σ$ es par si es la composición de un número par de transposiciones, e impar en caso contrario.

El signo de $σ$ es $+ 1$ en el primer caso y $- 1$ en el segundo caso y se denota por $s g n σ .$

Ejemplo

Considera el conjunto

$S_{3} = {σ : {1, 2, 3} \to {1, 2, 3} ∣ σ e s b i y e c t i v a} .$

Podemos dar todos elementos del conjunto, es decir todas las funciones biyectivas :

$σ_{1} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 1 & 2 & 3 \end{array})$ , $σ_{2} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 1 & 3 \end{array})$ , $σ_{3} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 1 & 3 & 2 \end{array})$ , $σ_{4} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 3 & 2 & 1 \end{array})$ , $σ_{5} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 3 & 1 \end{array})$ , $σ_{6} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 3 & 1 & 2 \end{array}) .$

¿Cuál es el signo de $σ_{2}$ ?

$σ_{2} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 1 & 3 \end{array})$ es un transposición ya que intercambia el $1$ con el $2$ y deja fijo al $3$ , entonces $σ_{2}$ es impar y $s g n σ_{2} = - 1$ .

Observa que $σ_{3} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 1 & 3 & 2 \end{array})$ y $σ_{4} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 3 & 2 & 1 \end{array})$ también son transposiciones y por lo tanto también su signo es $- 1$ .

¿Cuál es el signo de $σ_{1}$ ?

Observa que la composición de $σ_{2} \circ σ_{2}$ es igual a $σ_{1}$ .

Como $σ_{2} \circ σ_{2} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 1 & 2 & 3 \end{array})$ $= σ_{1}$ , siendo $σ_{2}$ una transposición, entonces $σ_{1}$ es par pues la composición de $σ_{2}$ con si misma. Su signo por lo tanto es $1$ , $s g n σ_{1} = + 1$ .

¿Cuál es el signo de $σ_{5}$ ?

Observa que la composición de $σ_{2} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 1 & 3 \end{array})$ con $σ_{4} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 3 & 2 & 1 \end{array})$ nos da $σ_{5} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 3 & 1 \end{array}) .$

Así, $σ_{4} \circ σ_{2} = σ_{5}$ , con $σ_{4}$ y $σ_{2}$ transposiciones.

Concluimos que $σ_{5}$ es par y por tanto $s g n σ_{5} = + 1.$

¿Cuál es el signo de $σ_{6}$ ?

La composición de $σ_{4} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 3 & 2 & 1 \end{array})$ con $σ_{2} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 1 & 3 \end{array})$ nos da $σ_{6} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 3 & 1 & 2 \end{array}) .$

Así, $σ_{2} \circ σ_{4} = σ_{6}$ , con $σ_{2}$ y $σ_{4}$ transposiciones.

Concluimos que $σ_{6}$ es par y por tanto su signo es $+ 1$ .

Observemos que $σ_{6} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 3 & 1 & 2 \end{array})$ es la inversa de $σ_{5} = (\begin{array}{rrr} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 3 & 1 \end{array})$ , por eso es la composición de las mismas transposiciones que $σ_{5}$ pero en orden inverso.

Los que acabamos de ver es que:

$σ_{1}, σ_{5}, σ_{6}$ son pares y $σ_{2}, σ_{3}, σ_{4}$ son impares.

Con estos elementos vamos a dar la definición de lo que es el determinante de una matriz.

Pues revisar el siguiente video para ayudarte a entender mejor la definición:

Definición

Sean $n$ un natural positivo y $A \in M_{n \times n} (R)$ . El determinante de $A$ es:

$det A = \sum_{σ \in S_{n}} s g n σ a_{1 σ (1)} a_{2 σ (2)} \dots a_{n σ (n)}$

Observación Sea $A = (\begin{array}{rr} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{array}) \in M_{n \times n} (R)$ , entonces

$det A = a_{11} a_{22} - a_{12} a_{21} .$

Esto se debe a que las únicas permutaciones de ${1, 2}$ son $σ_{1} = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 1 & 2 \end{array})$ , que es la identidad y tiene signo $+ 1$ , y la transposición $σ_{2} = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 2 & 1 \end{array})$ que tiene signo $- 1.$ Así,

$det A = s g n σ_{1} a_{1 σ_{1} (1)} a_{2 σ_{1} (2)} + s g n σ_{2} a_{1 σ_{2} (1)} a_{2 σ_{2} (2)} = (+ 1) a_{11} a_{22} + (- 1) a_{12} a_{21} = a_{11} a_{22} - a_{12} a_{21} .$

Ejemplos.

En estos ejemplos veremos lo que sucede con el determinante, cuando aplicamos las distintas operaciones elementales a una matriz.

$1.$ Considera las matrices $A = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{array})$ , $A^{'} = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ - 1 & 5 \end{array})$ , $A^{''} = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 2 & 9 \end{array}) .$

Si obtenemos sus determinantes tenemos que:

$d e t A^{'} = 4 - 6 = - 2, d e t A^{''} = 5 - (- 2) = 7, d e t A = 9 - 4 = 5$

En este ejemplo, el segundo renglón de $A^{''}$ se obtiene de la suma de los segundos renglones de $A$ y $A^{''}$ y su primer renglón coincide con los de $A$ y $A^{'}$ ,

Lo que estamos observando es que:

$d e t A^{''} = d e t A + d e t A^{'}$ .

$2.$ Sean $A^{'} = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{array})$ y $A = (\begin{array}{rr} 3 & 6 \\ 3 & 4 \end{array}) .$

El primer renglón de $A$ se obtiene multiplicando por $3$ el primer renglón de $A^{'}$

Los determinantes de estas matrices son:

$d e t A^{'} = 4 - 6 = - 2, d e t A = 12 - 18 = - 6$

y lo que estamos observando es que:

$d e t A = 3 d e t A^{'} .$

$3.$ Veamos qué sucede con el determinante cuando intercambiamos dos renglones en una matriz. Considera las matrices:

$A^{'} = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{array})$ y $A = (\begin{array}{rr} 3 & 4 \\ 1 & 2 \end{array}),$

$d e t A^{'} = 4 - 6 = - 2, d e t A = 6 - 4 = 2.$

En este caso tenemos que:

$d e t A = - d e t A^{'} .$

$4.$ Veamos qué pasa cuando en una matriz hay dos renglones iguales.

Sea $A = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 1 & 2 \end{array}),$ entonces

$d e t A = 2 - 2 = 0$ , es decir el determinante vale cero.

$5.$ Veamos qué pasa cuando le sumamos a un renglón un múltiplo de otro.

Sea $A^{'} = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{array})$ y considera su matriz equivalente $A = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 1 & 0 \end{array})$ , que se obtiene de $A^{'}$ , sumando al renglón dos de $A^{'}$ menos dos veces el primero.

Entonces $d e t A^{'} = 4 - 6 = - 2, d e t A = 0 - 2 = - 2.$ En este caso

$d e t A = d e t A^{'} .$

es decir el determinante coincide.

$6.$ Consideremos una matriz con un renglón de ceros, por ejemplo

$A = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 0 & 0 \end{array}) .$ Notamos que su determinante es $d e t A = 0 - 0 = 0$ .

$7.$ Por último veamos qué pasa con el determinante al transponer una matriz.

Sean $A = (\begin{array}{rr} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{array})$ y considera su transpuesta $A^{t} = (\begin{array}{rr} 1 & 3 \\ 2 & 4 \end{array})$

Si calculamos sus determinantes tenemos que:

$d e t A = 4 - 6 = - 2, d e t A^{t} = 4 - 6 = - 2.$

En este caso:

$d e t A = d e t A^{t} .$

Tarea Moral

$1.$ Encuentra todas las permutaciones de ${1, 2, 3, 4}$ y su signo. ¿Cuántas hay en total?, ¿cuántas son pares?

$2.$ Sea $A = (\begin{array}{rr} - 3 & 1 \\ 7 & 9 \end{array})$ y calcula:

$i)$ Su determinante.

$i i)$ El $d e t B$ , donde $B$ se obtiene de $A$ multiplicando su segundo renglón por $4.$

$i i i)$ El $d e t C$ , donde $C$ se obtiene de $A$ intercambiando sus renglones entre sí.

$i v)$ El $d e t D$ , donde $D$ se obtiene de $A$ sumando al segundo renglón dos veces el primero.

Más adelante

En la siguiente nota veremos que las propiedades observadas en los ejemplos se cumplen en general, para ello usaremos la definición que dimos de determinante.

Enlaces relacionados

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Enlace a la nota anterior. Nota 39. Ejemplos de sistemas de ecuaciones.

Enlace a la nota siguiente. Nota 41. Propiedades de los determinantes.