Definição e Propriedades Básicas do Determinante

O determinante de uma matriz é uma medida numérica especial que possui várias propriedades interessantes. Vamos explorar sua definição formal, algumas propriedades básicas e resolver um exercício para ilustrar seu uso.



Definição do Determinante: Seja uma matriz quadrada de ordem , o determinante de , denotado por ou det(), é definido de forma recursiva para matrizes 2×2 e 3×3, e pode ser generalizado para matrizes de ordem maior utilizando a expansão por cofatores ou a regra de Laplace.

Propriedades Básicas do Determinante:

  1. O determinante de uma matriz é único.
  2. Trocar duas linhas ou duas colunas de uma matriz troca o sinal do determinante.
  3. Multiplicar todos os elementos de uma linha ou coluna por um escalar multiplica o determinante por .
  4. O determinante de uma matriz triangular é o produto dos elementos da diagonal principal.
  5. O determinante de uma matriz e de sua transposta são iguais.
  6. Se uma matriz tem uma linha ou coluna de zeros, então seu determinante é zero.


Fórmulas:

  1. Determinante de uma matriz 2×2: Seja =[], então =.

  2. Determinante de uma matriz 3×3: Seja =[], então =++.

Exercício Resolvido: Considere a matriz =[2134]. Calcule seu determinante.

Solução: Usando a fórmula para o determinante de uma matriz 2×2, temos: =(2×4)(1×(3))=8+3=11.

Portanto, o determinante da matriz é 11.


Cálculo do Determinante

O cálculo do determinante de uma matriz pode ser realizado de várias maneiras, dependendo do tamanho da matriz e da técnica preferida. Neste tópico, exploraremos dois métodos comuns: a regra de Sarrus para matrizes 2×2 e 3×3, e a expansão por cofatores para matrizes de ordem maior. Além disso, resolveremos um exercício para ilustrar o cálculo do determinante.

1. Regra de Sarrus:

Para matrizes 2×2 e 3×3, podemos usar a regra de Sarrus para calcular o determinante.

  • Para uma matriz 2×2: Seja =[], então =.

  • Para uma matriz 3×3: Seja =[], então =++.

2. Expansão por Cofatores:

Para matrizes de ordem maior que 3×3, geralmente usamos a expansão por cofatores.

Seja uma matriz ×. O determinante de pode ser calculado expandindo ao longo de qualquer linha ou coluna: ==1(1)+ ou ==1(1)+

onde é o determinante da matriz (1)×(1) obtida removendo a -ésima linha e a -ésima coluna de .

Exercício Resolvido: Considere a matriz =[312204132]. Calcule seu determinante.

Solução: Usando a expansão por cofatores ao longo da primeira linha, temos: =3×(1)1+10432+1×(1)1+22412+2×(1)1+32013

=3×(0×24×(3))+1×(2×24×1)+2×(2×(3)0×1)

=3×(0+12)+1×(44)+2×(60)

=3×12+1×(8)+2×6

=368+12

=40

Portanto, o determinante da matriz é 40.


Propriedades Avançadas do Determinante

Além das propriedades básicas, o determinante de uma matriz possui várias propriedades avançadas que são úteis em diversas aplicações. Neste tópico, exploraremos algumas dessas propriedades e resolveremos um exercício para ilustrar seu uso.

Propriedades Avançadas do Determinante:

  1. Relação com a Inversa: Se é uma matriz quadrada invertível, então o determinante de é não nulo: 0. Além disso, o determinante da inversa de é o inverso do determinante de : 1=1.

  2. Determinante de uma Matriz Triangular: O determinante de uma matriz triangular (superior ou inferior) é o produto dos elementos da diagonal principal.

  3. Determinante da Transposta: O determinante de uma matriz e de sua transposta são iguais: =.

Exercício Resolvido:

Considere a matriz =[213042215]. Determine se é invertível e calcule seu determinante.

Solução:

Para determinar se é invertível, precisamos calcular seu determinante. Vamos usar a expansão por cofatores ao longo da primeira linha:

=2×(1)1+14215(1)×(1)1+20225+3×(1)1+30421

=2×(4×52×1)(1)×(0×52×(2))+3×(0×14×(2))

=2×(202)+(424)+3×(0+8)

=2×1820+3×8

=3620+24

=40

Portanto, como o determinante de é não nulo (=40), a matriz é invertível.


Aplicações do Determinante

O determinante de uma matriz é uma ferramenta poderosa com uma ampla variedade de aplicações em várias áreas da matemática e além. Neste tópico, exploraremos algumas das principais aplicações do determinante e resolveremos um exercício para demonstrar seu uso.

Aplicações do Determinante:

  1. Resolução de Sistemas de Equações Lineares: O determinante de uma matriz é utilizado para determinar a existência e a unicidade da solução de um sistema de equações lineares. Se o determinante da matriz dos coeficientes é não nulo, o sistema tem uma única solução.

  2. Aplicações Geométricas: O determinante de uma matriz 2×2 pode ser utilizado para calcular a área de um paralelogramo formado pelos vetores linhas da matriz. Para uma matriz 3×3, o determinante pode ser usado para calcular o volume de um paralelepípedo formado pelos vetores linhas.

  3. Teste de Independência Linear: Se o determinante de uma matriz formada pelos vetores é não nulo, então os vetores são linearmente independentes. Isso é útil em várias áreas, como álgebra linear, geometria e física.

Exercício Resolvido:

Considere o seguinte sistema de equações lineares:

2+3=5 2+4=2 3+23=8

Determine se o sistema é consistente e, em caso afirmativo, encontre sua solução.

Solução:

Primeiro, escrevemos o sistema de equações na forma matricial =, onde:

=[231124323] =[] =[528]

Agora, podemos usar o determinante da matriz dos coeficientes para determinar se o sistema é consistente. Calculamos :

=231124323

=2(2×34×2)3(1×34×3)(1)(1×23×3)

=2(48)3(312)(1)(29)

=2(4)3(15)(1)(7)

=8+45+7

=44

Como 0, o sistema é consistente e possui uma única solução. Agora, podemos encontrar a solução calculando =1. No entanto, como isso envolve a inversa de uma matriz, podemos deixar essa etapa para o cálculo de software ou outro método numérico.


Matriz Adjunta e Inversa

Além de determinar a existência e a unicidade da solução de sistemas de equações lineares, o determinante de uma matriz também é fundamental para o cálculo da matriz adjunta e da matriz inversa. Neste tópico, exploraremos as fórmulas para calcular a matriz adjunta e a matriz inversa de uma matriz quadrada, bem como resolveremos um exercício para demonstrar esses conceitos.

Matriz Adjunta: A matriz adjunta de uma matriz , denotada por adj() ou adj, é a matriz transposta dos cofatores de . Cada elemento (,) da matriz adjunta é o cofator da matriz , onde é o determinante da matriz obtida excluindo a -ésima linha e a -ésima coluna de , multiplicado por (1)+.

Matriz Inversa: Se o determinante de uma matriz quadrada é não nulo (0), então a matriz inversa de , denotada por 1, é dada por: 1=1adj()

Exercício Resolvido:

Considere a matriz =[2134]. Calcule sua matriz adjunta e sua matriz inversa, se existirem.

Solução:

Primeiro, calculamos o determinante de : =(2×4)(1×3)=83=5

Como 0, podemos calcular a matriz adjunta de . Os cofatores de são: 11=4,12=1,21=3,22=2

Portanto, a matriz adjunta de é: adj()=[4312]=[4132]

Agora, podemos calcular a matriz inversa de : 1=1adj()=15[4132]=[45153525]

Portanto, a matriz inversa de é: 1=[45153525]

Determinante em Espaços de Vetores

O determinante não está limitado apenas ao contexto de matrizes, mas também é aplicável em espaços de vetores. Em particular, o determinante pode ser usado para determinar se um conjunto de vetores é linearmente independente ou linearmente dependente. Neste tópico, exploraremos como o determinante é aplicado em espaços de vetores e resolveremos um exercício para ilustrar seu uso.

Determinante em Espaços de Vetores:

Dado um conjunto de vetores {1,2,,} em um espaço vetorial , podemos formar uma matriz onde as colunas são os vetores 1,2,,. O determinante de , denotado por ou det(), nos diz se os vetores são linearmente independentes ou dependentes.

Se 0, então os vetores são linearmente independentes e formam uma base para o espaço vetorial . Se =0, então os vetores são linearmente dependentes e não formam uma base.

Exercício Resolvido:

Considere os seguintes vetores no espaço tridimensional: 1=[123],2=[211],3=[301]

Determine se esses vetores são linearmente independentes.

Solução:

Para determinar se os vetores são linearmente independentes, formamos a matriz com os vetores como colunas: =[123210311]

Agora, calculamos o determinante de : =123210311

=1×10112×2031+3×2131

=1×(10)2×(20)+3×(2(3))

=1×(1)2×(2)+3×(2+3)

=1+4+15

=18

Como 0, os vetores 1,2,3 são linearmente independentes.


Lista de exercícios abrangendo cada tópico discutido sobre determinantes, com uma variedade de problemas criativos e desafiadores:

  1. 1 - Definição e Propriedades Básicas do Determinante:

    • Calcule o determinante das seguintes matrizes: [3214], [532104213].
    • Prove que o determinante de uma matriz diagonal é o produto dos elementos da diagonal.
  2. 2 - Cálculo do Determinante:

    • Calcule o determinante da matriz [2134] usando a regra de Sarrus.
    • Encontre o determinante da matriz [123011231] por expansão por cofatores.
  3. 3 - vPropriedades Avançadas do Determinante:

    • Determine se a matriz [123000213] é invertível.
    • Calcule o determinante da matriz transposta da matriz [412230123].
  4. 4 - Aplicações do Determinante:

    • Resolva o sistema de equações lineares: 2+3=10 ++2=3 3+2=7
    • Calcule o volume do paralelepípedo formado pelos vetores 1=[123], 2=[211], 3=[301].
  5. 5 - Matriz Adjunta e Inversa:

    • Encontre a matriz adjunta da matriz [2134].
    • Calcule a inversa da matriz [123011211], se existir.
  6. 6 - Determinante em Espaços de Vetores:

    • Determine se os vetores [123], [211], [301] são linearmente independentes.
    • Seja um vetor no espaço tridimensional. Mostre que , 2 e 3 são linearmente dependentes.

Aqui está o gabarito para os exercícios propostos:

  1. 1 - Definição e Propriedades Básicas do Determinante:

    • 3214=(3×4)(2×(1))=12+2=14
    • 532104213=5(04×1)(3)(14×(2))+2(1×10)=5(4)(3)(13)+2=20+39+2=21
    • O determinante de uma matriz diagonal é o produto dos elementos da diagonal. Por exemplo, para a matriz diagonal [00], o determinante é ×.
  2. 2 - Cálculo do Determinante:

    • 2134=(2×4)(1×3)=83=5
    • 123011231=1×11312×0121+3×0123=1×(1(3))2×(0(2))+3×(0(2))=44+6=6
  3. 3 - Propriedades Avançadas do Determinante:

    • O determinante da matriz é =1×(10)2×(20)+3×(2+3)=1+4+15=18, portanto, a matriz é invertível.
    • 412230123=4×3023(1)×2013+2×2312=4×(9)(1)×(6)+2×(43)=36+6+2=28
  4. 4 - Aplicações do Determinante:

    • A matriz dos coeficientes é invertível (determinante não nulo), portanto, o sistema tem uma única solução. A solução é =1,=2,=3.
    • O volume do paralelepípedo formado pelos vetores é ==18.
  5. 5 - Matriz Adjunta e Inversa:

    • A matriz adjunta de é adj()=[4123].
    • A matriz inversa de é 1=118[4123]=[291181916].
  6. 6 - Determinante em Espaços de Vetores:

    • Os vetores [123], [211], [301] são linearmente independentes.
    • Se =[], então 2=[222] e 3=[333] são linearmente dependentes.

aqui está uma lista de fórmulas relacionadas aos determinantes:

  1. Determinante de uma Matriz 2x2: ==

  2. Determinante de uma Matriz 3x3 por Regra de Sarrus: ==++

  3. Determinante de uma Matriz 3x3 por Expansão por Cofatores: =1111+1212+1313 =1112+13

  4. Determinante de uma Matriz NxN por Expansão por Cofatores: =11+22++

  5. Propriedades do Determinante:

    • =
    • =
    • = para uma matriz ×
    • 1=1 se é invertível
    • Se uma matriz tem uma linha (ou coluna) de zeros, então seu determinante é zero.
  6. Matriz Adjunta: A matriz adjunta de uma matriz , denotada por adj() ou adj, é a matriz transposta dos cofatores de .

  7. Matriz Inversa: Se o determinante de uma matriz quadrada é não nulo (0), então a matriz inversa de , denotada por 1, é dada por: 1=1adj()

Essas são algumas das fórmulas mais comuns relacionadas aos determinantes. Elas são fundamentais para entender a teoria e resolver problemas envolvendo determinantes de matrizes.



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