INSTITUTO POLITÉCNICO DE VISEU ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE VISEU Departamento Matemática Disciplina Matemática I Curso Gestão de Empresas Ano 1o Ano Lectivo 2007/2008 Semestre 1o Apontamentos Teóricos: Determinantes Autores: Maria Cristina Peixoto Matos Nuno Conceição Joana Fialho Paula Sarabando 1 4. Determinantes 4.1. Definição e Propriedades Definição 1 O determinate de uma matriz quadrada A de ordem 2 é, por definição, a aplicação det : M2×2(IR) → IR " # a a a11 a12 11 12 A= → det(A) = a21 a22 a21 a22 = a11a22 − a21 a12 Exemplo 1: A= " 3 5 −2 −1 Definição 2 # 3 5 ⇒ det(A) = −2 −1 = 3 × (−1) − (−2) × 5 = 7 O determinante de uma matriz quadrada A de ordem 3 é por definição a aplicação det : M (IR) 3×3 a a a 11 12 13 A= a21 a22 a23 a31 a32 a33 → IR a11 a12 a13 → det(A) = a21 a22 a23 a31 a32 a33 a a 22 23 = +a11 a32 a33 = a a 21 23 − a12 a31 a33 a a 21 22 + a13 a31 a32 = a11 det (A11) − a12 det (A12) + a13 det (A13) onde Aij é a matriz obtida de A por eliminação da linha i e da coluna j. 2 = Exemplo 2: 2 1 0 1 4 1 4 1 1 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 : Mn×n (IR) → IR A → det(A) = a11 det (A11) − a12 det (A12) + ... + (−1)n+1a1n det (A1n) onde Aij é a matriz obtida de A por eliminação da linha i e da coluna j. Exemplo 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 2 3 3: 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 −1 0 1 1 = = −1 0 1 2 3 1 3 4 4 1 0 = −1 × 1 3 4 1 1 −1 × 1 2 3 0 1 −1 × 1 2 = = −(4 − 0) − (3 − 2) − (0 − 1) = 4 − 1 + 1 = −4 3 Exercı́cio 2: Calcule 2 0 −1 0 2 1 −1 0 0 3 0 1 0 3 −2 0 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 1. • Se B é uma matriz quadrada obtida de A por meio de troca de duas linha (ou duas colunas) entre si, então det(B) = −det(A). • Se B é uma 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 uma 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 uma 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 ∈ Mn×n(IR), temos: • det(A + B) 6= det(A) + det(B). • det(αA) 6= αdet(A); de facto, det(αA) = αn det(A). 4 Exercı́cio 3: Calcule os seguintes determinantes, utilizando apenas as propriedades: a b c 3.1. c a b b c a 3.2. Exercı́cio 4: Sem calcular 1 1 2 4 3 9 4 16 d a −b −c −d a b −c −d a b c −d a b c o valor dos determinantes, demonstre a igualdade: 1 1 1 1 1 4 2 4 8 1 8 15 = 27 40 3 9 27 1 4 16 64 1 64 85 4.2. Técnicas para o cálculo de Determinantes 4.2.1. 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 que se podem construir de base paralela à diagonal principal: 5 Assim, segundo o esquema de cima, os “termos positivos” são: a11 a22a33 , 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: Assim, segundo o esquema de cima, os “termos negativos” são: a13 a22a31 , a21 a12 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 a22a33 + a12 a23a31 + a21 a13a32 − a13 a22a31 − a21 a12a33 − a11 a23a32 2 1 2 Exemplo 4: −1 0 1 =(0 + 1 + 2) − (0 − 2 − 1) = 6 1 −1 1 Exercı́cio 5: Calcule os 1 3.1. −2 1 seguintes determinantes, usando a regra de Sarrus: −1 3 −2 1 3 3.2. 1 1 −2 4 2 0 0 −4 2 −3 6 4.2.2. Eliminação de Gauss Consiste em transformar uma matriz quadrada de ordem n numa matriz triangular aplicando algumas das propriedades enunciadas anteriormente. Exemplo 5: 2 3 0 1/3 2/3 1 4 5 6 = L1 ↔L2 1/3 2/3 1 1 2 3 1 − 0 2 3 = − 0 2 3 L3 −4L1 3 4 0 −3 −6 5 6 3 1 2 1 = − 0 2 3 3 3 L3 + L2 0 0 −3/2 2 Exercı́cio 6: Calcule 0 2 0 0 2 1 0 1 0 1 0 3 0 3 0 0 0 4 0 0 2 0 0 2 0 = 1 = − × 1 × 2 × −3 = 1 3 2 , usando a eliminação de Gauss. 4.2.3. Fórmula de Laplace Por definição, o determinante de uma matriz quadrada A de ordem n é calculado usando o desenvolvimento segundo a primeira linha. Este, no entanto, pode ser calculado usando o desenvolvimento de qualquer linha i ou qualquer coluna j do seguinte modo: Fórmula de Laplace segundo a linha i: det(A) = (−1)i+1ai1det(Ai1) + (−1)i+2ai2 det(Ai2) + ... + (−1)i+nain det(Ain) 7 Fórmula de Laplace segundo a coluna j: det(A) = (−1)1+j a1j det(A1j ) + (−1)2+j a2j det(A2j ) + ... + (−1)n+j anj det(Anj ) onde Aij é a matriz de ordem n − 1 obtida por A por eliminação da linha i e da coluna j e os sinais (−1)i+j podem ser obtidos da seguinte matriz de sinais: 2 66 66 64 + − + ... − + − ... + .. . − + ... Exercı́cio 7: Calcule o valor de 7.1. segundo a 4a linha; 3 77 77 75 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 7.2. segundo a 2a coluna. 4.3. Menores, Menores Complementares e Complementos Algébricos Definição 4 Dada uma matriz A, quadrada de ordem n, chama-se sub- matriz 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 constituı́da por elementos da diagonal principal de A. 8 Nota: Para a formação do expoente s podemos usar as colunas e as linhas envolvidas no menor em vez do menor complementar. a11 a21 Exemplo 6: Para A = a 31 a41 a a 11 13 • Menor: ; a41 a43 Menor Complementar: a12 a13 a14 a22 a23 a24 temos a32 a33 a34 a42 a43 a44 a22 a24 a32 a34 ; a a 24 2+3+2+4 22 Complemento algébrico: (−1) a32 a34 a a 11 12 • Menor: a21 a22 ; a a 33 34 Menor Complementar: a43 a44 ; a a 34 3+4+3+4 33 Complemento algébrico: (−1) a43 a44 • Menor: |a32|; a11 a13 Menor Complementar: a21 a23 a41 a43 Complemento algébrico: (−1)15 9 a14 a24 a44 ; a11 a13 a14 a21 a23 a24 a41 a43 a44 . . . 4.4. Inversa de uma Matriz 4.4.1. Definição e Propriedades Definição 5 Uma matriz quadrada A de ordem n diz-se invertı́vel 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. Exemplo 7: Usando a definição, a inversa da matriz A = AX = I ⇔ " 1 2 3 4 #" x11 x12 x21 x22 # = " 1 0 0 1 1 0 x + 2x = 1 11 21 x + 2x = 0 0 1 12 22 ⇔ ⇔ 3 0 3x11 + 4x21 = 0 0 3 3x12 + 4x22 = 1 # " 1 2 3 4 # é tal que: ⇔ 2 0 x11 0 2 x12 4 0 x21 x22 0 4 1 0 = 0 1 Então, usando o algoritmo de Gauss, vem: 1 0 0 1 3 0 0 3 2 0 0 2 4 0 0 4 1 0 −−−−−→ − L3 − 3L1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 3 2 0 0 2 −2 0 0 4 1 0 −−−−−→ − L4 − 3L2 −3 1 1 0 " # 0 0 Ou seja, A−1 = −2 1 3/2 −1/2 10 1 0 ⇒ 0 −2 0 −3 0 0 −2 1 0 1 2 0 0 2 x11 −2 x12 = 1 x21 3/2 x22 −1/2 Exemplo 8: A matriz A = " 1 1 # não é invertı́vel, pois não existe nenhuma 0 0 matriz X que verifique o sistema AX = I. Teorema 1 Seja A uma matriz quadrada de ordem n. Então A é invertı́vel 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−1)−1 = A. • (AT )−1 = (A−1)T . • (AB)−1 = B −1A−1. • 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 matrizes quadradas, então det(A×B) = det(A)×det(B). Consequentemente, se A é invertı́vel então 1 . det(A) • Uma matriz quadrada A de ordem n é invertı́vel sse A é não singular, det(A−1) = [det(A)]−1 = isto é, sse car(A) = n, isto é, sse det(A) 6= 0. Exercı́cio 8: Suponha B = P −1 AP sendo A, B e P matrizes quadradas de ordem n. Prove que B m = P −1 Am P, ∀m ∈ Z. Exercı́cio 9: Sejam A e B matrizes de ordem n invertı́veis. Mostre que A−1 + B −1 = A−1(A + B)B −1. 11 4.4.2. Método da Adjunta para o Cálculo da Matriz Inversa Chama-se adjunta de A à matriz que se obtém de AT por Definição 6 substituição de cada elemento pelo respectivo complemento algébrico. A adjunta de A denota-se por Adj(A). 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) 6= 0 Exercı́cio 10: Calcule a matriz adjunta das matrizes seguintes: 10.1. A = " 1 3 −2 4 # 4 −1 0 10.2. A = −1 4 −1 0 −1 4 Exercı́cio 11: Calcule a inversa de cada uma das matrizes usando a matriz adjunta: 11.1. A = " 3 4 5 7 # 2 1 0 11.2. A = 3 4 −1 −2 5 4 12 4.5. Resolução de Sistemas de Equações Lineares: Regra de Cramer Consideremos o sistema de equações lineares: a11 x11 + a12 x12 + a13 x13 = b1 a21 x21 + a22 x22 + a23 x23 = b2 a x +a x +a x =b 31 31 32 32 33 33 3 a11 a12 a13 x1 b1 ⇔ a21 a22 a23 x2 = b2 ⇔ a31 a32 a33 x3 b3 ⇔ Ax = b Suponhamos que det 6= 0; então existe a inversa A−1 de A. Logo Ax = b ⇔ A−1Ax = A−1b ⇔ Ix = A−1b ⇔ x = A−1b ⇔ ⇔ x= 1 Adj(A)b ⇔ det(A) x1 +det(A11) −det(A12) +det(A13) b1 1 ⇔ x2 = det(A) −det(A21) +det(A22) −det(A23) b2 ⇔ x3 +det(A31) −det(A32) +det(A33) b3 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(A )b − det(A 13 1 23 )b2 + det(A33 )b3 x3 = det(A) onde Aij é a matriz de A por eliminação da linha i e da coluna j. Daqui resulta: 13 x1 = b1 a12 a13 b2 a22 a23 b3 a32 a33 det(A) ; x2 = a11 b1 a13 a21 b2 a23 a31 b3 a33 det(A) ; x3 = a11 a12 b1 a21 a22 b2 a31 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 det(Cj ) Então, o sistema Ax = b tem uma única solução dada por xj = , onde Cj det(A) é a matriz que se obtém de A substituindo a coluna j pela matriz coluna b. Exercı́cio 12: Use a regra de Cramer para resolver os sistemas: 12.1. ( 2x + y = 8 −x + 2y = 7 12.2. 2x + y − z = 1 −x + 5y − 4z = 0 3x − y + 2z = 2 14 INSTITUTO POLITÉCNICO DE VISEU ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE VISEU Departamento Matemática Disciplina Matemática I Curso Gestão de Empresas Ano 1o Ano Lectivo 2007/2008 Semestre 1o Caderno de Exercı́cios: Determinantes Autores: Maria Cristina Peixoto Matos Nuno Conceição Joana Fialho Paula Sarabando 15 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 . 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 3 1 0 1 0 4 0 0 0 3 0 2 2 1 0 0 0 1 2 1 1 4. Calcule os seguinte determinantes, . (i) usando a eliminação de Gauss; (ii) usando a fórmula de Laplace. (a) 2 1 3 1 0 2 ; (b) 1 4 2 a 0 0 0 0 0 c 0 0 0 0 d 0 b 0 0 ; (c) 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 ; (d) 0 1 0 0 2 2 0 3 0 0 1 2 −2 0 2 3 −4 1 . ; (e) −1 −2 0 2 0 2 5 3 5. Calcule, da forma que achar mais conveniente (pode evidentemente misturar as técnicas aprendidas) os seguintes determinantes: −2 1 3 (a) 1 1 −2 0 0 −4 1 2 2 3 2 1 3 2 1 3 0 −2 0 0 1 −2 ; ; (c) ; (b) 3 −1 1 −2 1 −1 4 3 4 −3 2 0 2 2 −1 −1 6. Sendo A uma matriz de ordem n, calcule, em função de det A : (a) det(2A) (b) det(−A) (c) det(A2 ) 16 (d) 1 0 −1 0 1 2 2 1 0 −2 0 1 0 0 1 2 −1 2 . 3 −1 2 3 1 2 3 0 3 0 3 0 1 1 1 1 1 1 7. (Frequência, 2006-2007 ) a1 a2 a3 Sabendo que b1 b2 b3 = 3 e utilizando apenas propriedades dos determinantes, calcule: c1 c2 c3 a1 a3 a2 (a) b1 b3 b2 . c1 c3 c2 a1 − 5c1 a2 − 5c2 a3 − 5c3 (b) 10b1 10b2 10b3 −c1 −c2 −c3 (c) Enuncie as propriedades que utilizou nas alı́neas anteriores. 8. Se A é uma matriz invertı́vel de ordem n, mostre que det(A−1 ) = 1 . det(A) 9. 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 2 1 λ 1 1 1 α α +β αβ . (a) 1 α β ; (b) ; (c) 0 1 0 0 1 −1 α β β 0 0 2 1 λ 1 λ 1 α α + β α + αβ 10. 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. 11. Calcule o determinante 1 2 3 5 1 2 4 5 1 3 4 5 2 3 4 6 . 17 0 1 0 12. Mostre que a matriz A = −3 5 −1 é não singular, independentemente do valor 3a − 4 0 a + 1 de a. 1 1 1 13. considere a função f (x) = det a b x , com a e b números reais distintos. a2 b2 x2 (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? 14. Resolva as seguintes equações: x −4 0 x x+1 = 0 (b) (a) 1 −x 1 = 2 −4 x + 1 2 x 5 x+a b c (c) c x+b a a b x+c =0 15. A matriz B foi obtida a partir da matriz A4×4 , através das seguintes operações elementares: 2L1 , L2 ↔ L3 e L4 = L4 + 2L1 . (a) Sabendo que det(A) = 1, calcule det(B). (b) Se C = 3 10 13 π 1 0 −1 10 −5 √ 0 0 2 −1 0 0 0 −1 , calcule det(B C −1 B T ). 16. Calcule a matriz adjunta de: 1 2 3 (a) 0 1 2 0 0 0 1 2 3 (b) 0 1 2 0 0 1 (c) 18 5 1 0 1 0 1 0 0 0 0 2 0 2 2 1 1 −1 −2 −2 −4 −3 −3 17. 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 18. 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. 19. Resolva os seguintes sistemas usando a regra de Cramer: (a) ( x1 + 4x2 − x3 = 1 (b) x1 + x2 + x3 = 0 2x1 + 3x3 = 0 x1 + 3x2 = 0 2x1 + 4x2 = 6 20. Considere a equação matricial AXB −1 = vertı́veis e I representa a matriz identidade. 1 I 4 −1 2x1 − 5x2 + 2x3 = 7 (c) x1 + 2x2 − 4x3 = 3 3x1 − 4x2 − 6x3 = 5 , onde A e B representam matrizes in- (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. 21. (Exame Época Especial, 2006-2007 ) x −1 0 Considere a matriz A = −1 0 −1 , x 6= 0. 0 −1 x (a) Diga o que entende por matriz simétrica e diga se A é simétrica. (b) Calcule A−1 . 19 α 0 1 β 22. 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. 23. (Frequência, 2006-2007 ) Considere o conjunto M das matrizes da forma " a −b b a # , com a e b ∈ IR. Prove que: (a) A, B ∈ M ⇒ A.B ∈ M. (b) Se A 6= 0 ∈ M ⇒ A é invertı́vel. (c) Se A 6= 0 ∈ M ⇒ A−1 ∈ M. 24. (Exame Época Normal, 2006-2007 ) 2 x 1 0 −3x + 12x − 5, se x < 0; √ Considere a função h(x) = −5, se x = 0; em que g(x) = x 0 3 2 1 x2 g(x), se x > 0. x (a) Determine a expressão algébrica de g(x). (b) Estude a continuidade de h(x). (c) Verifique a existência de assı́mptotas da função h(x). (d) Determine se possı́vel h′ (2), h′ (0) e h′ (−5). 20 . 1 1 1 1 1 1 25. Considere as matrizes reais A = 0 2 2 e B = 0 2 2 . 3 0 1 4 −1 0 (a) Determine, a matriz inversa de A. x + y + 3z + w = 3 (b) Utilize o resultado anterior para resolver o sistema 2y − z + 2w = 4 3x − 2z + w = 4 (c) Mostre, utilizando as propriedades dos determinantes que detB = detA. 26. Uma firma produz dois tipos de produtos A e B. Para a produção de uma unidade de A usam-se 3 unidades de K (capital) e 2 unidades de L (força de trabalho) e para a produção de 1 unidade de B usam-se 2 unidades de K e 3 unidades de L. Sabendo que se encontram armazenadas 6 000 unidades de K e 6 000 unidades de L. Determine as quantidades de A e B que se devem produzir, usando dois processos diferentes da teoria dos determinantes. 27. Considere um conjunto de n indivı́duos, cada um dos quais é proprietário de m diferentes mercadorias. Seja aij o número de unidades da i-ésima mercadoria que possui o j-ésimo indivı́duo, onde i = 1, 2, ..., m, enquanto j = 1, 2, ..., n. (a) O que representa o vector (a1j , a2j , ..., amj )? (b) Explique por palavras o que expressam as seguintes expressões a11 + a12 + ... + a1n e ai1 + ai2 + ... + ain . (c) Denote por pi o preço por unidade de mercadoria i (i = 1, 2, ..., m). Qual é o valor total de mercadorias que possui o j-ésimo indivı́duo? 5 8 6 (d) Considere agora que i = 1, 2, 3 e j = 1, 2, 3 e seja A = 3 5 4 2 3 1 a matriz que representa as quantidades das diferentes mercadorias que cada indivı́duo possui. 7 Sabendo que o vector que representa o valor total das mercadorias é 5 , calcule, 2 usando a teoria dos determinantes, o preço por unidade de cada mercadoria. 21