Determinánsok
A lineáris algebrában a determináns olyan leképezés, amely minden A négyzetes mátrixhoz hozzárendel egy skalárt; ennek jele |A|. Számokból álló mátrixok esetén a determináns egy valós számmal egyenlő.
Az n-es permutációja
A determináns definiálásához tudnunk kell kiszámítani egy n-es permutációját, illetve a permutáció előjelét. Ezt a legkönnyebb egy példával megmagyarázni. Legyen adott az (1; 2; 3) rendezett hármas, amelyet a (2; 3; 1) hármasra képezünk le. A permutációkat általában így írjuk fel:
Most meg kell állapítanunk, hány különböző cserét kellett végrehajtanunk ahhoz, hogy az első halmazból megkapjuk a másodikat. Közben csak egymás melletti számokat cserélhetünk meg. Tehát kiindulunk az (1; 2; 3) hármasból. Először felcseréljük az egyest és a kettest: (2; 1; 3). Ezután felcseréljük az egyest és a hármast: (2; 3; 1), és ezzel megkaptuk a keresett permutációt. A kép előállításához két cserére volt szükségünk. A permutáció előjelét egyszerűen megállapíthatjuk – ha a cserék száma páros, az előjel pozitív. Ha a cserék száma páratlan, az előjel negatív. Esetünkben tehát a permutáció előjele pozitív. Próbáljuk meg meghatározni a permutáció előjelét ennél a példánál is:
Így fogunk eljárni:
Az átalakítás kész. Összesen öt cserére volt szükségünk, így ezúttal páratlan előjelű permutációt kaptunk.
A permutáció előjelét a Levi-Civita-szimbólummal jelöljük:
A determináns definíciója
A determináns egy szám; csak négyzetes mátrixokra van értelmezve, és det A vagy |A| alakban írjuk. Ezt a számot így definiáljuk:
Számítsuk ki a 2 × 2-es négyzetes mátrix determinánsát:
Ha a definícióba behelyettesítjük az n = 2 értéket, ezt a képletet kapjuk:
Az i1 és i2 helyére sorban behelyettesítjük az 1 és a 2 értéket. Így összesen négy lehetőséget kapunk: a) i1 = 1, i2 = 1, b) i1 = 1, i2 = 2, c) i1 = 2, i2 = 1, d) i1 = 2, i2 = 2.
Az a) és d) esetben nulla jön ki, mert ϵ1,1 = 0 és ϵ2,2 = 0. Az összegben ennél a lépésnél tehát nullát kapunk, mert 0 · a1i1 · a2i2 = 0.
Marad a b) és a c) eset. A b) i1 = 1, i2 = 2 esetben ϵ1,2 = 1, mert az (1; 2) páros permutációja az (1; 2) sorozatnak. Így megkapjuk az első összeadandót:
A másik esetben i1 = 2, i2 = 1. Az ϵ2,1 értéke −1. Így megkapjuk a második összeadandót:
Most összeadjuk mind a négy esetet, a) + b) + c) + d), és azt kapjuk, hogy
Az A mátrix determinánsa tízzel egyenlő.
Észrevehetjük, hogy a mátrix determinánsát végül a következő különbségként számítottuk ki:
Ez a képlet általában igaz bármelyik 2 × 2-es mátrixra.
Sarrus-szabály
A Sarrus-szabállyal harmadrendű mátrix determinánsát számítjuk ki. Ez a determináns már egy kicsit bonyolultabb. Számoljuk ki például ennek a mátrixnak a determinánsát:
Most hasonlóan járunk el, mint a másodrendű mátrixnál, de az áttekinthetőség kedvéért a mátrixot kibővítjük még két sorral – a mátrix alá leírjuk a mátrix első két sorát:
A mátrix első és negyedik sora így megegyezik, éppúgy a második és az ötödik is. Most úgy járunk el, hogy összeadjuk a főátlók menti elemek szorzatait, és kivonjuk belőlük a mellékátlók menti elemek szorzatainak összegét. Behelyettesítés után azt kapjuk, hogy:
A determináns tulajdonságai
-
Ha az A mátrix egy sorát vagy oszlopát megszorozzuk a c ≠ 0 számmal, megkapjuk az A' mátrixot, és a determinánsaikra igaz, hogy c|A| = |A'|. Tehát ha egy mátrix egyik sorát megszorzod hárommal, és kiszámítod a determinánst, akkor az eredeti mátrix determinánsát úgy kapod meg, hogy a mostani eredményt elosztod hárommal.
-
Ha az i-edik sor többszörösét hozzáadjuk a j-edik sorhoz, a mátrix determinánsa nem változik. Ugyanez igaz az oszlopokra is.
-
Ha a mátrix legalább egy sora csupa nulla, a mátrix determinánsa nulla.
-
A reguláris mátrix determinánsa mindig különbözik nullától, a szinguláris mátrix determinánsa pedig mindig nulla.
-
A lépcsős alakú mátrix determinánsa a főátlóban álló elemek szorzatával egyenlő.
-
Ha a mátrix két sorát felcseréljük, a determináns előjele megváltozik.
-
|A| = |AT|
-
|A · B| = |A| · |B|
-
|A−1| = 1/|A|
Az előző tulajdonságokból elég egyszerű eljárás adódik a determináns kiszámítására. Elég a mátrixot lépcsős alakra hozni, majd összeszorozni a főátlóban álló elemeket. Lássuk:
A szokásos mátrixátalakításokkal most lépcsős alakra hozzuk a mátrixot:
Most összeszorozzuk a főátlóban álló elemeket: 1 · (−1) · (−107) = 107.
Számítsd ki ennek a mátrixnak a determinánsát:
Először célszerű felcserélni az első és a második sort, hogy a legkisebb szám kerüljön felülre. Nem szabad elfelejtenünk megváltoztatni az előjelet:
Ezután nagyon hasznos lesz a második sort megszorozni kettővel, hogy szépen tudjunk összeadni. A teljes determinánst ekkor nem szabad elfelejtenünk megszorozni egy féllel:
És most már a megszokott módon haladunk tovább:
Laplace-kifejtés
Laplace egy rendes úriember volt, aki kitalált egy újabb algoritmust a mátrix determinánsának kiszámítására. Ennek a receptnek a megértéséhez ki kell tudnunk számítani az eredeti mátrix egy különleges részmátrixát. Adott az A mátrix, és létre kell hoznunk azt a részmátrixot, amely úgy keletkezik, hogy az A mátrixból elhagyunk egy sort és egy oszlopot. Ennek az új mátrixnak a jele
Az
Ezután definiáljuk a minor fogalmát, ami nem más, mint az általunk definiált
Ezekkel a minorokkal ki tudjuk számítani az eredeti mátrix determinánsát. Első lépésben kiválasztjuk a mátrix egy sorát (vagy oszlopát). Ezután a sor minden elemére kiszámítjuk a minorját. Így annyi minort kapunk, ahány eleme van a sornak. Most az n × n-es A mátrix determinánsát ki tudjuk fejezni e minorok súlyozott összegeként:
ahol i az általunk választott sor. Ha az i változón végigmegyünk, akkor a j változót – az oszlop indexét – rögzítjük.
A gyakorlatban ez úgy néz ki, hogy van egy mátrixod, és szeretnéd tudni a determinánsát. Kiválasztod tehát a mátrix egy oszlopát (vagy sorát), ennek az oszlopnak minden eleméhez meghatározod a minort, hozzárendeled a (−1)i + j előjelet, és mindent összeadsz, miközben minden determinánst megszorzol azzal az elemmel, amelynek a minorja a mátrix. Mivel az
A mátrixban egyetlen nulla van, így ideális esetben a kifejtést vagy a második sor, vagy a harmadik oszlop szerint végezzük. Válasszuk például a sort. Első lépésben felírjuk a részmátrixokat:
Most kiszámítjuk a determinánsokat, és így megkapjuk a minorokat. Másodrendű mátrixra ez triviális.
Most már behelyettesíthetjük a képletbe, i = 2:
Figyeld meg, hogy mivel a második sor végén álló elem nulla, a harmadik összeadandó is nullával lett egyenlő. Még egy példa:
Számítsd ki ennek a mátrixnak a determinánsát a Laplace-módszerrel:
A harmadik oszlopban csupa három többszöröse áll, ezt kihasználhatjuk, és kinullázhatjuk ezt az oszlopot, hogy előkészítsük a terepet a Laplace-módszer későbbi alkalmazásához. A második sorhoz tehát hozzáadjuk az első sor −2-szeresét, a harmadik sorhoz az első sor −3-szorosát, a negyedikhez pedig a −1-szeresét.
Ezzel nem változtattuk meg a determináns értékét, de könnyebb lesz számolni. A kifejtést a harmadik oszlop szerint végezzük, ahol csak egy nem nulla elem van, így a kifejtésből csak az első sor harmadik elemének minorja marad:
Az új mátrix harmadik oszlopának legvégén egy egyest látunk, ezt könnyen kihasználhatjuk, és kinullázzuk ezt az oszlopot:
Most újra a harmadik oszlop szerint fejtünk ki. Ismét csak egy nem nulla elem van benne:
Ezt pedig már a megszokott módon kiszámíthatjuk: 3 · (32 − 65) = −99.