Определитель квадратной матрицы: определение, свойства, миноры, алгебраические дополнения и разложение

Определитель \(\det A\) — число, сопоставляемое квадратной матрице. В общем случае он задаётся знакопеременной суммой произведений элементов, в каждом из которых берётся ровно по одному элементу из каждой строки и каждого столбца. Для матрицы второго порядка \(\det\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}=ad-bc\).1

Ключевые свойства позволяют вычислять определитель без полного перебора: перестановка двух строк меняет знак; умножение строки на \(\lambda\) умножает определитель на \(\lambda\); прибавление к строке кратной другой строки определитель не меняет; \(\det(AB)=\det A\,\det B\). Минор \(M_{ij}\) получают удалением \(i\)-й строки и \(j\)-го столбца, а алгебраическое дополнение \(C_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij}\). Разложение Лапласа выражает определитель через элементы любой строки или столбца и их дополнения.1

Что важно запомнить
  • Определитель существует только у квадратной матрицы.
  • Для \(2\times2\): \(ad-bc\).
  • Перестановка двух строк или столбцов меняет знак определителя.
  • Прибавление к строке кратной другой строки определитель не меняет.
  • \(\det A=0\) тогда и только тогда, когда строки, а равно и столбцы, линейно зависимы.
  • \(C_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij}\).
  • По любой строке: \(\det A=\sum_j a_{ij}C_{ij}\).

Определение

Для квадратной матрицы \(A=(a_{ij})\) порядка \(n\) определитель можно определить формулой

\[\det A=\sum_{\sigma\in S_n}\operatorname{sgn}(\sigma)\,a_{1,\sigma(1)}a_{2,\sigma(2)}\cdots a_{n,\sigma(n)},\]

где сумма берётся по всем перестановкам \(\sigma\) чисел \(1,\ldots,n\), а \(\operatorname{sgn}(\sigma)\) — знак перестановки. В каждом произведении используется ровно один элемент из каждой строки и каждого столбца.1

Для порядка 2 формула упрощается:

\[\det\begin{pmatrix}a&b\\c&d\end{pmatrix}=ad-bc.\]

Основные свойства

Определитель линеен по каждой строке при фиксированных остальных строках и меняет знак при перестановке двух строк. Отсюда следуют стандартные правила вычисления: если две строки равны или пропорциональны, определитель равен нулю; вынесение множителя \(\lambda\) из строки выносит его из определителя; прибавление к строке другой строки, умноженной на число, определитель не меняет. Те же утверждения справедливы для столбцов.1

Кроме того,

\[\det A^T=\det A,\qquad \det(AB)=\det A\cdot\det B.\]

Ненулевой определитель означает линейную независимость строк и столбцов квадратной матрицы; это эквивалентно её обратимости.1

Миноры и алгебраические дополнения

Минор элемента \(a_{ij}\) — определитель \(M_{ij}\) матрицы порядка \(n-1\), полученной удалением \(i\)-й строки и \(j\)-го столбца. Алгебраическое дополнение

\[C_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij}\]

учитывает знак, зависящий от позиции элемента.1

Разложение по строке или столбцу

Для любой фиксированной строки \(i\)

\[\det A=\sum_{j=1}^{n}a_{ij}C_{ij},\]

а для любого столбца \(j\)

\[\det A=\sum_{i=1}^{n}a_{ij}C_{ij}.\]

Это разложение Лапласа. Оно особенно удобно, если в выбранной строке или столбце много нулей. «Фальшивое» разложение — сумма элементов одной строки, умноженных на алгебраические дополнения соответствующих элементов другой строки, — равно нулю.1

Другие вопросы

Источники

  1. 1 Овчинников А. В. Алгебра и геометрия для студентов-физиков. Лекционный курс. Семестр 1 М.: Физический факультет МГУ, 2016 г. С. 117–145.