5. DETERMINANTES 5.1. Definição e Propriedades Definição 1 O determinante de uma matriz quadrada A de ordem 2 é por definição a aplicação det : M 2×2 ( IR ) → IR a ⎤ a a ⎡a A = ⎢ 11 12 ⎥ → det ( A ) = 11 12 = a11a22 − a21a12 a21 a22 ⎣ a21 a22 ⎦ 5⎤ 3 5 ⎡3 Exemplo 1: A = ⎢ ( ) ⇒ det A = = 3 × (− 1) − (− 2 ) × 5 = 7 ⎥ − 2 − 1 − 2 − 1 ⎣ ⎦ Definição 2 O determinante de uma matriz quadrada A de ordem 3 é por definição a aplicação det : M 3×3 ( IR ) → IR ⎡a a ⎢ 11 12 A = ⎢ a21 a22 ⎢ ⎢⎣ a31 a32 a13 ⎤ ⎥ a23 ⎥ → det ( A ) = ⎥ a33 ⎥⎦ a11 a12 a21 a22 a31 a32 = + a11 a22 a32 a13 a23 = a33 a23 a21 a23 a21 a22 − a12 + a13 = a31 a32 a33 a31 a33 ( ) ( ) ( ) = + a11 det A11 − a12 det A12 + a13 det A13 onde Aij é a matriz obtida de A por eliminação da linha i e coluna j. 1 2 1 0 1 4 1 4 1 1 Exemplo 2: 1 1 4 = 2 −1 +0 = 2 5 −3 5 −3 2 −3 2 5 = 2(5 − 8 ) − (5 + 12 ) = −23 Definição 3 O determinante de uma matriz quadrada A de ordem n é por definição a aplicação det : M n×n ( IR ) → IR A → det ( A ) = a11 det ( A11 ) − a12 det ( A12 ) + L + ( −1) n +1 a1n det ( A1n ) onde Aij é a matriz obtida de A por eliminação da linha i e coluna j. Exemplo 3: 0 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 3 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 = −1 0 1 0 − 1 0 1 1 = −1× 1 − 1× 1 − 1× 0 3 4 2 3 1 2 1 3 4 1 2 3 4 = −(4 − 0 ) − (3 − 2 ) − (0 − 1) = −4 − 1 + 1 = −4 2 0 Exercício 2: Calcule −1 0 2 1 −1 0 . 0 3 0 1 0 3 −2 0 2 Propriedades dos Determinantes: • Se A é uma matriz quadrada com pelo menos uma coluna ou uma linha nulas, então det ( A) = 0 . ( ) • Para qualquer matriz quadrada A, temos que det ( A) = det AT . • O determinante de uma matriz triangular (inferior ou superior) é igual ao produto dos elementos da diagonal principal. • O determinante da matriz identidade é igual a um. • Se B é uma matriz quadrada obtida de A por meio de troca de duas linhas (ou duas colunas) entre si, então det (B ) = − det ( A) . • Se B é a matriz quadrada que se obtém de A multiplicando-se uma sua linha (ou coluna) por α ∈ IR , então det (B ) = α det ( A) . • Se B é a matriz quadrada que se obtém de A substituindo-se uma sua linha (ou coluna) pela que dela se obtém adicionando-lhe um múltiplo escalar de outra, então det (B ) = det ( A). • Se B é a matriz quadrada que se obtém da soma da linha i (coluna j) da matriz A' com a linha i (coluna j) da matriz A' ' , sendo as restantes linhas (colunas) das matrizes A' , A' ' e B iguais, então det (B ) = det ( A') + det ( A' ') . Nota: Em geral, para A, B ∈ M n×n (IR ) , temos: • det ( A + B ) ≠ det ( A) + det (B ) . • det (αA) ≠ α det ( A) ; de facto, det (αA) = α n det ( A) . 3 Exercício 3: Calcule os seguintes determinantes, utilizando apenas as propriedades: a b c d a −b −c −d 3.2: a b −c −d a b c 3.1: c a b b c a a b c −d Exercício 4: Sem calcular o valor dos determinantes, demonstre a 1 2 igualdade: 3 1 4 9 4 16 1 4 1 8 15 2 = 27 40 3 64 85 1 4 9 4 16 1 1 8 1 . 27 1 64 1 5.2. Técnicas Para o Cálculo de Determinantes 5.2.1. Regra de Sarrus O determinante de uma matriz de terceira ordem pode ser calculado utilizando uma regra conhecida por Regra de Sarrus. Os "termos positivos" de uma matriz A de terceira ordem obtêm-se multiplicando os elementos da diagonal principal e multiplicando os vértices dos triângulos que se podem construir de base paralela à diagonal principal: 4 a11 a12 a13 a 21 a 22 a 23 a31 a32 a33 Assim, segundo o esquema de cima, os "termos positivos" são: a11a22 a33 , a12 a23 a31 , a21a13 a32 . Os "termos negativos" da matriz A obtêm-se multiplicando os elementos da diagonal secundária e multiplicando os vértices dos triângulos que se podem construir de base paralela à diagonal secundária: a11 a12 a13 a 21 a 22 a 23 a31 a32 a33 Assim, segundo o esquema de cima, os "termos negativos" são: a13 a22 a31 , a21a12 a33 , a11a23 a32 . Subtraindo a soma dos “termos negativos” à soma dos “termos positivos”, obtemos o valor do determinante de A. Ou seja, det ( A) = a11 a 22 a33 + a12 a23 a31 + a 21 a13 a32 − a13 a 22 a31 − a21 a12 a33 − a11 a23 a32 5 2 1 2 Exemplo 4: − 1 0 1 = (0 + 1 + 2) − (0 − 2 − 1) = 6 1 −1 1 Exercício 5: Calcule os seguintes determinantes, usando a regra de Sarrus: 1 −1 3 2 5.1: − 2 4 1 2 −3 −2 1 3 5.2: 1 1 − 2 0 0 −4 5.2.2. Eliminação de Gauss Consiste em transformar uma matriz quadrada de ordem n numa matriz triangular aplicando algumas das propriedades enunciadas anteriormente. Exemplo 5: 0 2 3 1 3 1 2 = − 0 3 3 1L↔ L 1 2 4 4 5 6 2 1 2 3 3 1 1 2 3 =− 0 2 3 = 3 L −4 L 5 6 4 5 6 3 1 1 2 3 1 2 3 1 1 1 ⎛ 3⎞ 3 = − ×1× 2 × ⎜ − ⎟ = 1 =− 0 2 3 = − 0 2 3 3 3 3 ⎝ 2⎠ 0 −3 −6 L3+ 2 L2 3 0 0 − 2 6 0 2 0 0 2 1 Exercício 6: Calcule 0 0 2 0 3 0 0 1 0 4 0 0 3 0 2 1 0 usando a eliminação de Gauss. 0 0 5.2.3. Fórmula de Laplace Por definição o determinante é calculado usando o desenvolvimento segundo a primeira linha. Este, no entanto, pode ser calculado usando o desenvolvimento segundo qualquer linha i ou qualquer coluna j do seguinte modo: Fórmula de Laplace segundo a linha i: det ( A) = (− 1)i +1 ai1 det ( Ai1 ) + (− 1)i + 2 ai 2 det ( Ai 2 ) + L + (− 1)i + n ain det ( Ain ) Fórmula de Laplace segundo a coluna j: det ( A) = (− 1)1+ j a1 j det (A1 j ) + (− 1)2+ j a2 j det (A2 j ) + L + (− 1)n+ j anj det (Anj ) onde Aij é a matriz de ordem n − 1 obtida de A por eliminação da linha i e da coluna j e os sinais (− 1)i + j podem ser obtidos da seguinte matriz de sinais: ⎡+ − + L⎤ ⎢ − + − L⎥ ⎢ ⎥. ⎢+ − + L⎥ ⎢ ⎥ ⎦ ⎣M M M 7 0 1 0 0 Exercício 7: Calcule o valor do 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 7.1: segundo a 4ª linha; 7.2: segundo a 2ª coluna. 5.3. Menores, Menores Complementares e Complementos Algébricos Definição 4 Dada uma matriz A, quadrada de ordem n, chama-se submatriz quadrada de A de ordem m à matriz formada pelos elementos comuns a m linhas e m colunas (m ≤ n ) . Chama-se menor de ordem m ao determinante de uma submatriz de ordem m. Dois menores dizem-se complementares sempre que em cada um deles estão representadas as linhas e as colunas que não figuram no outro. Chama-se complemento algébrico de um menor ao produto do seu menor complementar por (− 1)s onde s é a soma das ordens das linhas e das colunas envolvidas no menor complementar. Um menor de A diz-se principal se a sua diagonal é totalmente constituída por elementos da diagonal principal de A. Nota: Para a formação do expoente s podemos usar as colunas e as linhas envolvidas no menor em vez do menor complementar. 8 ⎡ a11 ⎢a Exemplo 6: Para A = ⎢ 21 ⎢ a31 ⎢ ⎣ a41 • Menor: a11 a13 a41 a43 a12 a13 a22 a23 a32 a33 a42 a43 ; Menor complementar: a22 a24 a32 a34 ; Complemento algébrico: (− 1)2+3+ 2+4 • Menor: a11 a12 a21 a22 a14 ⎤ a24 ⎥ ⎥ temos a34 ⎥ ⎥ a44 ⎦ a 22 a 24 a32 a34 a33 a34 a43 a44 . ; Menor complementar: a33 a34 a43 a44 ; Complemento algébrico: (− 1)3+4 +3+4 . • Menor: a32 ; a11 a13 a14 Menor complementar: a21 a41 a23 a24 ; a43 a44 a11 Complemento algébrico: (− 1)15 a21 a41 a13 a14 a23 a24 . a43 a44 9 5.4. Inversa de uma Matriz 5.4.1: Definição e propriedades Definição 5 Uma matriz quadrada A de ordem n, diz-se invertível, se existir uma matriz B de ordem n tal que AB = BA = I . A matriz B chama-se inversa de A e representa-se por A−1 , isto é, B = A− 1 . ⎡1 2⎤ Exemplo 7: Calcule a inversa de A = ⎢ ⎥ usando a definição 3 4 ⎦ ⎣ Resolução: 2 ⎤ ⎡ x11 x12 ⎤ ⎡1 0 ⎤ ⎥=⎢ ⎥⎢ ⎥⇔ ⎢⎣3 4 ⎥⎦ ⎢⎣ x21 x22 ⎥⎦ ⎢⎣ 0 1 ⎥⎦ ⎡1 AX = I ⇔ ⎢ ⎧ x + 2x = 1 ⎡1 21 ⎪ 11 ⎢ ⎪⎪ x12 + 2 x22 = 0 ⎢0 ⇔⎨ ⇔⎢ ⎪3x11 + 4 x21 = 0 ⎢3 ⎪ ⎢0 ⎣ ⎪⎩3x12 + 4 x22 = 1 ⎡x ⎤ 0 2 0 ⎤ ⎢ 11 ⎥ ⎡1 ⎤ ⎥ ⎢ ⎥ 1 0 2 ⎥ ⎢⎢ x12 ⎥⎥ ⎢ 0 ⎥ =⎢ ⎥ ⎥ 0 4 0 ⎥ ⎢ x21 ⎥ ⎢ 0 ⎥ ⎢ ⎥ 3 0 4 ⎥⎦ ⎢ x ⎥ ⎢⎣1 ⎥⎦ ⎣ 22 ⎦ Então, usando o algoritmo de Gauss, vem: ⎡1 ⎢0 ⎢3 ⎢⎣0 0 2 0 1⎤ 1 0 2 0⎥ ⎡1 ⎢0 → 0 0⎥ 0 L − 3L ⎢ 3 1 ⎢⎣0 4 1⎥ ⎦ 0 1 0 4 3 0 0 −2 3 0 2 0 ⎤ ⎥ 0 − 3⎥ L 4 1 ⎥ ⎦ 4 0 1 2 0 ⎡1 ⎢0 → 0 − 3L ⎢ 2 ⎢0 ⎣ 0 1 2 0 0 −2 0 0 −2 ⎤ ⎡ x11 ⎤ ⎡⎢ 1 ⎤⎥ ⎥ ⇒ ⎢ x12 ⎥ = ⎢ 3 ⎥ ⎢ x21 ⎥ 0 − 3⎥ 2 ⎢ ⎥ −2 1 ⎥ ⎦ ⎢⎣ x22 ⎥⎦ ⎣⎢− 1 ⎥⎦ 2 0 2 1 0 1 ⎤ ⎡− 2 Logo A−1 = ⎢ 3 1 ⎥ ⎣ 2 − 2⎦ 10 ⎡ 1 1⎤ Exemplo 8: A = ⎢ ⎥ não é invertível, pois não é possível resolver o 0 0 ⎣ ⎦ sistema AX = I . Teorema 1 Seja A uma matriz quadrada de ordem n, então A é invertível sse car ( A) = n (sse A é não singular), isto é, após a eliminação de Gauss, a matriz em escada de linhas não tem nenhum zero na diagonal principal. Propriedades: Sejam A e B matrizes não singulares de ordem n. Então • A−1 é única. • (A ) = A . (A ) = (A ) . • ( AB )−1 = B −1 A−1 . • −1 −1 T −1 −1 T • Se A e B são matrizes quadradas tais que AB = I , então também BA = I e, consequentemente, B = A−1 . • Se A e B são duas matrizes quadradas, então det ( AB ) = det ( A) ⋅ det (B ) e consequentemente, se A é invertível, ( ) det A −1 = (det ( A))−1 = 1 . det ( A) • Uma matriz quadrada A de ordem n é invertível sse A é não singular sse car ( A) = n sse det ( A) ≠ 0 . 11 Exercício 8: Suponha que B = P −1 AP sendo A, B e P matrizes quadradas de ordem n. Prove que B m = P −1 A m P, ∀m ∈ Z . Exercício 9: Sejam A e B matrizes de ordem n invertíveis. Mostre que A− 1 + B − 1 = A− 1 ( A + B ) B − 1 . 5.4.2: Método da Adjunta para o cálculo da matriz inversa Definição 6 Chama-se adjunta de A, à matriz que se obtém de AT por substituição de cada elemento, pelo respectivo complemento algébrico. A adjunta de A denota-se por Adj ( A) . Exercício 10: Calcule a matriz adjunta das matrizes seguintes ⎡ 1 3⎤ 10.1: A = ⎢ ⎥ ⎣− 2 4 ⎦ ⎡ 4 −1 0 ⎤ 10.2: A = ⎢− 1 4 − 1⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ 0 − 1 4 ⎥⎦ Esta definição permite o cálculo da inversa de uma matriz do seguinte modo: A⎯ ⎯→ AT ⎯ ⎯→ Adj ( A) ⎯ ⎯→ A −1 = Adj ( A) det ( A) Nota: Só podemos calcular a inversa de A se det ( A) ≠ 0 . 12 Exercício 11: Calcule inversa de cada uma das matrizes usando a matriz adjunta. ⎡2 1 0⎤ 11.2: A = ⎢ 3 4 − 1⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣− 2 5 4 ⎥⎦ ⎡3 4 ⎤ 11.1: A = ⎢ ⎥ ⎣5 7 ⎦ 5.5. Resolução de Sistemas de Equações Lineares: Regra de Cramer Consideremos o sistema de equações lineares: ⎧ a11 x1 + a12 x2 + a13 x3 = b1 ⎡ a11 ⎪ ⎢ ⎨a21 x1 + a22 x2 + a23 x3 = b2 ⇔ ⎢a21 ⎪a x + a x + a x = b ⎢⎣a31 ⎩ 31 1 32 2 33 3 3 a12 a22 a32 a13 ⎤ ⎡ x1 ⎤ ⎡ b1 ⎤ a23 ⎥ ⎢ x2 ⎥ = ⎢b2 ⎥ ⇔ Ax = b ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ a33 ⎥⎦ ⎢⎣ x3 ⎥⎦ ⎢⎣b3 ⎥⎦ Suponhamos que det ( A) ≠ 0 , então existe a inversa A− 1 de A, logo Ax = b ⇔ A−1Ax = A−1b ⇔ Ix = A−1b ⇔ x = A−1b ⇔ x = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( )⎥ ⎥⎢ ⎥ + det ( A33 ) ⎥ ⎣⎢ b3 ⎦⎥ ⎦ ( ) + det ( A22 ) − det ( A23 ) ⎡ + det A ⎡x ⎤ 11 ⎢ ⎢ 1⎥ 1 ⎢ ⇔ ⎢⎢ x2 ⎥⎥ = ⎢ − det A 12 det ( A) ⎢ ⎢ ⎥ ⎢ x ⎣⎢ 3 ⎦⎥ ⎢⎣ + det A13 1 Adj ( A) b det ( A) + det A31 ⎤ ⎡ b ⎤ ⎥ 1 ⎥⎢ ⎥ − det A32 ⎥ ⎢⎢b2 ⎥⎥ ⇔ − det A21 ( ) ) ⎧ det A11 b1 − det A21 b2 + det A31 b3 ⎪x = ⎪ 1 det ( A) ⎪ ⎪ − det A12 b1 + det A22 b2 − det A32 b3 ⇔ ⎪⎨ x2 = det ( A) ⎪ ⎪ det A13 b1 − det A23 b2 + det A33 b3 ⎪ x = ⎪ 3 det ( A) ⎪ ⎩ ( ( ) ) ( ( ( ) ) ( ) ) 13 onde Aij é a matriz obtida de A por eliminação da linha i e coluna j. Daqui resulta: x1 = b1 b2 b3 a12 a13 a22 a23 a32 a33 det ( A) ; a11 b1 a13 a21 b2 a23 a b a33 x2 = 31 3 det ( A) ; x3 = a11 a21 a31 a12 b1 a22 b2 a32 b3 . det ( A) Esta propriedade pode ser generalizada através da seguinte regra: Regra de Cramer : Seja A uma matriz quadrada de ordem n não singular, então o sistema Ax = b tem uma única solução dada por x j = det (C j ) det ( A) onde C j é a matriz que se obtém de A substituindo a coluna j pela matriz coluna b. Exercício 12: Use a regra de Cramer para resolver os sistemas: ⎧ 2x + y = 8 12.1: ⎨ ⎩− x + 2 y = 7 ⎧ 2x + y − z = 1 ⎪ 12.2: ⎨− x + 5 y − 4 z = 0 ⎪ 3x − y + 2z = 2 ⎩ 14 5.6 Exercı́cios 1. Calcule os seguintes determinantes: 1 3 ; (a) −2 4 0 2 ; (b) −1 4 1 −1 . (c) −2 2 2. Calcule os seguintes determinantes, usando a regra de Sarrus: 1 −1 3 (a) −2 4 2 1 2 −3 ; 2 1 3 (b) 1 0 2 1 4 2 ; √ 0 − 2 5 √ √ (c) 2 2 2 √ 1 2 − 2 3. Calcule o seguinte determinante, usando a eliminação de Gauss 4. Calcule os seguinte determinantes, (i) usando a eliminação de Gauss; (ii) usando a fórmula de Laplace. 2 1 3 (a) 1 0 2 1 4 2 (d) ; 0 2 0 0 1 0 1 0 0 3 0 3 0 0 4 0 2 0 0 2 (b) 2 1 0 ; 0 0 a 0 0 0 0 0 0 b ; 0 c 0 0 0 0 d 0 (c) 0 1 0 0 1 0 1 0 ; 0 1 0 1 0 0 1 0 1 2 −2 0 2 3 −4 1 (e) . −1 −2 0 2 0 2 5 3 1 . 1 1 1 1 1 1 1 2 . 1 1 3 1 1 4 1 1 5. Calcule, da forma que achar mais conveniente (pode evidentemente misturar as técnicas aprendidas) os seguinte determinantes: −2 1 3 (a) 1 1 −2 0 0 −4 (c) ; 1 2 2 3 1 0 −2 0 3 −1 1 −2 4 −3 0 2 1 0 −1 0 1 2 2 1 0 −2 0 1 0 0 1 2 −1 2 (b) ; 3 −1 2 3 1 2 3 0 3 0 3 0 1 1 1 1 1 1 2 1 3 2 3 0 1 −2 . ; (d) 1 −1 4 3 2 2 −1 −1 6. Sendo A n × n, qual é a relação com detA de : (a) det(2A) ? (b) det(−A) ? (c) det(A2 ) ? 7. Se A é uma matriz invertı́vel de ordem n, mostre que det(A−1 ) = 1 . det(A) 8. Relativamente a cada uma das matrizes seguintes, use determinantes para encontrar os valores dos parâmetros para os quais a matriz é invertı́vel. 1 0 −1 0 1 0 −1 0 α β 0 1 λ 1 α α2 + β 1 1 αβ (a) 1 α β ; (b) ; (c) 0 0 0 1 1 −1 α β β 0 0 1 λ 1 λ 1 α α2 + β α + αβ . 9. Duas matrizes A e B dizem-se semelhantes se existir T invertı́vel tal que A = T BT −1 . Prove que se A e B forem semelhantes então det A = det B. 10. Calcule o determinante 1 1 1 2 2 2 3 3 . 3 4 4 4 5 5 5 6 2 11. Mostre que a matriz A = valor de a. 0 1 0 −1 é não singular, independentemente do 3a − 4 0 a + 1 −3 5 1 1 1 12. considere a função f (x) = det a b x a2 b2 x2 , com a e b números reais distintos. (a) Mostre que f (x) é uma função quadrática, isto é, é dada por um polinómio de grau 2 em x. (b) Explique porque é que f (a) = f (b) = 0. Conclua que f (x) = k(x − a)(x − b) para uma certa constante k. Calcule k. (c) Para que valores de x é que esta matriz é invertı́vel? 13. A matriz B foi obtida a partir da matriz A (4X4), através das seguintes operações elementares: 2L1 , L2 ↔ L3 e L4 = L4 + 2L1 . (a) Sabendo que det(A) = 1, calcule det(B). 3 10 13 π 0 −1 1 −5 10 (b) Se C = √ 0 0 2 −1 0 0 0 −1 , calcule det(BC −1 B T ). 14. Resolva as seguintes equações: x −4 0 x x+1 (a) (b) 1 −x 1 = 2 =0 −4 x + 1 2 x 5 15. Calcule 1 (a) 0 0 a matriz adjunta de: 2 3 1 2 3 (b) 0 1 2 1 2 0 0 0 0 1 x+a b c (c) c x+b a a b x+c 5 0 0 2 1 1 0 2 (c) 0 0 2 1 1 0 0 1 3 =0 −1 −2 −2 −4 −3 −3 16. Considere as matrizes A = 2 1 −2 e B = 1 0 1 . 2 −2 1 4 4 3 (a) Mostre que Adj(A) = 3AT . (b) Verifique que Adj(B) = B. 4 −1 0 2 −3 1 1 1 1 17. Considere as matrizes A = −1 4 −1 , B = 3 1 −1 e C = 1 2 2 0 −1 4 1 −1 −1 1 2 3 . (a) Determine a adjunta de cada uma das matrizes. (b) Calcule o determinante de cada uma das matrizes e a sua inversa. 18. Considere a equação matricial AXB −1 = ( 41 I)−1 , onde A e B representam matrizes invertı́veis e I representa a matriz identidade. (a) Explicite X. 1 −1 0 1 2 3 (b) Sabendo que A = −1 3 2 e B = 0 2 2 , calcule: 2 2 5 3 0 0 i. Adj(A). ii. X. 19. Resolva os seguintes sistemas usando a regra de Cramer: x + 3x = 0 1 2 (a) 2x1 + 4x2 = 6 (b) x + 4x2 − x3 = 1 1 x1 + x2 + x3 = 0 2x1 + 3x3 = 0 4 (c) 2x − 5x2 + 2x3 = 7 1 x1 + 2x2 − 4x3 = 3 3x1 − 4x2 − 6x3 = 5 α 0 1 β 20. Considere as matrizes A = 2 α −1 e b = 1 , com α, β ∈ IR. −1 0 1 0 (a) Discuta o sistema Ax = b em função dos parâmetros α e β. (b) Determine os valores do parâmetro α para os quais a matriz é invertı́vel. (c) Considere α = −2 e β = 2. i. Determine, usando o método da adjunta, a matriz inversa de A. −1 2 T (A ) A ii. Calcule, usando as propriedades dos determinantes, det . 2 iii. Resolva o sistema Ax = b, usando a regra de Cramer. 5