Vypočítajte $\det(A)$, $\det(B)$ a $\det(A\cdot B^{-1})$

Moderators: Martin Sleziak, Ludovit_Balko, Martin Niepel, Tibor Macko

Post Reply
Martin Sleziak
Posts: 5517
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Vypočítajte $\det(A)$, $\det(B)$ a $\det(A\cdot B^{-1})$

Post by Martin Sleziak »

$\newcommand{\inv}[1]{{#1}^{-1}}$
Pre zadané matice nad poľom $\mathbb R$ vypočítajte $\det(A)$, $\det(B)$ a $\det(A\cdot\inv B)$. (Uveďte aj výpočty, ktorými ste sa dostali k výsledku -- a aspoň stručné zdôvodnenie, prečo to je naozaj správny výsledok.)

Skupina A

$$
A=
\begin{pmatrix}
1 & 4 & 3 &-3 \\
1 & 1 & 2 &-1 \\
-2 & 1 &-1 & 1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
\end{pmatrix}
\qquad
B=
\begin{pmatrix}
1 &-1 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
2 & 1 & 3 &-1 \\
1 & 2 & 1 &-3 \\
\end{pmatrix}
$$

Skupina B

$$A=
\begin{pmatrix}
4 & 1 &-3 & 1 \\
1 & 3 & 1 & 1 \\
3 & 1 & 1 & 1 \\
1 & 3 & 0 & 1 \\
\end{pmatrix}
\qquad
B=
\begin{pmatrix}
1 & 2 & 0 & 1 \\
2 & 2 &-1 & 1 \\
0 & 1 & 1 & 2 \\
0 & 1 & 1 & 1 \\
\end{pmatrix}
$$
V skupine A sú výsledky $-2$, $-1$ a $\frac{-2}{-1}=2$.
V skupine B sú výsledky $2$, $1$ a $\frac21=2$.

Čo je determinant inverznej matice?

Jedna z vecí, ktoré som dúfal, že si tu uvedomíte, je to, že maticu $\inv B$ netreba počítať.

Na základe toho, čo viete o determinantoch, by ste mali byť schopní vcelku rýchlo prísť na to, že $\det(\inv B)=\frac1{\det(B)}$ a $\det(A\cdot\inv B)=\frac{\det(A)}{\det(B)}$.
Resp. to isté môžeme zapísať ako $\det(\inv B)=\inv{\det(B)}$ a $\det(A\cdot\inv B)=\det(A)\cdot\inv{\det(B)}$.
Spoiler:
Stačí si uvedomiť, že $\det(B)\cdot\det(\inv B)=\det(B\cdot\inv B)=\det(I)=1$.
Teda ak ste vypočítali determinanty matíc $A$ a $B$, na výpočet determinantu matice $A\inv B$ už stačilo tieto dve čísla vydeliť.

Výpočet determinantu

O determinantoch vieme veľa vecí, ktoré môžeme použiť aj pri výpočte determinantu. Napríklad:
  • Viem, ako menia riadkové operácie hodnotu determinantu.
  • Môžem využívať aj stĺpcové operácie.
  • Môžem využívať Laplaceov rozvoj
  • Môžem využívať multilinearitu. (Ak mám dve matice, kde až na jednu výnimku sú všetky riadky rovnaké. To isté pre stĺpce.)
  • Viem, že ak mám nejaké lineárne závislé riadky (stĺpce), tak determinant je nulový
Martin Sleziak
Posts: 5517
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Vypočítajte $\det(A)$, $\det(B)$ a $\det(A\cdot B^{-1})$

Post by Martin Sleziak »

Viacerí ste pre maticu $A$ zo skupiny A použili Laplaceov rozvoj podľa posledného riadku - čo vyzerá vcelku rozumná voľba, máme tam dve nuly.
Ja tiež použijem takýto postup - môžete sa skúsiť zamyslieť, čo sa stalo v kroku označenom $(*)$.
Po tomto kroku sme už dostali iba jeden determinant $3\times3$. (A preň máme veľa možností ako postupovať ďalej.)

$|A|=
\begin{vmatrix}
1 & 4 & 3 &-3 \\
1 & 1 & 2 &-1 \\
-2 & 1 &-1 & 1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
\end{vmatrix}=$ $
\begin{vmatrix}
1 & 3 &-3 \\
1 & 2 &-1 \\
-2 &-1 & 1 \\
\end{vmatrix}-
\begin{vmatrix}
1 & 4 &-3 \\
1 & 1 &-1 \\
-2 & 1 & 1 \\
\end{vmatrix}\overset{(*)}=$ $
\begin{vmatrix}
1 &-1 &-3 \\
1 & 1 &-1 \\
-2 &-2 & 1 \\
\end{vmatrix}=$ $
\begin{vmatrix}
1 &-1 &-3 \\
1 & 1 &-1 \\
0 & 0 &-1 \\
\end{vmatrix}=$ $
(-1)\begin{vmatrix}
1 &-1 \\
1 & 1 \\
\end{vmatrix}=
(-1)\cdot2=-2
$
Spoiler:
V kroku označenom $(*)$ sme použili multilineárnosť determinantu - je tam rozdiel dvoch matíc, ktoré majú okrem stredného stĺpca všetky ostatné prvky rovnaké. Takže sme ich nahradili jednou maticou, pričom za stredný stĺpec sme zobrali rozdiel. (Samozrejme, to isté sa dá použiť aj keby koeficienty lineárnej kombinácie boli iné - v našom prípade boli $1$ a $-1$.)
Pre maticu $B$ môžeme vyskúšať napríklad nejaké riadkové úpravy.

$|B|=
\begin{vmatrix}
1 &-1 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
2 & 1 & 3 &-1 \\
1 & 2 & 1 &-3 \\
\end{vmatrix}=
\begin{vmatrix}
1 &-1 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
1 &-1 & 2 & 2 \\
1 & 2 & 1 &-3 \\
\end{vmatrix}=
\begin{vmatrix}
1 &-1 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 2 & 1 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
1 & 2 & 1 &-3 \\
\end{vmatrix}=
\begin{vmatrix}
1 &-1 & 0 & 0 \\
0 & 1 & 0 &-1 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
1 & 2 & 0 &-4 \\
\end{vmatrix}=
\begin{vmatrix}
1 & 0 & 0 &-1 \\
0 & 1 & 0 &-1 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
1 & 0 & 0 &-2 \\
\end{vmatrix}=
\begin{vmatrix}
1 & 0 & 0 &-1 \\
0 & 1 & 0 &-1 \\
0 & 0 & 1 & 1 \\
0 & 0 & 0 &-1 \\
\end{vmatrix}=-1
$

A aj ak sa vám viac pozdáva Laplaceov rozvoj, tak sa určite oplatí pozrieť aspoň na to, či nejako ľahko nevieme vyrobiť nuly zopár riadkovými či stĺpcovými operáciami.
Ak by som v postupe napísanom vyššie použil Laplaceov rozvoj na tretiu maticu, tak už mi stačí rátať dva determinanty $3\times3$.
Alebo ak by som pomocou prvého riadku vynuloval ostatné veci v prvom stĺpci a potom použil Laplaceov rozvoj, tak už počítam iba jeden determinant $3\times3$.
Martin Sleziak
Posts: 5517
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Vypočítajte $\det(A)$, $\det(B)$ a $\det(A\cdot B^{-1})$

Post by Martin Sleziak »

Môžete sa zamyslieť aj nad tým, že čo by bol efektívny prístup, keby ste chceli naprogramovať niečo, čo vypočíta determinant. (Keď si človek nejaký typ výpočtu vyskúšal na dosť veľa konkrétnych príkladoch, tak si už možno veclku vie predstaviť, ako by mohol vyzerať algoritmus, ktorý to isté urobí s ľubovoľným vstupom.)
Otázka je, koľko rôznych operácií (násobení, sčitovaní) budete potrebovať ak použijete Laplaceov rozvoj a koľko ak použijete riadkové úpravy. Dá sa nejako prísť na to, že pri riadkových úpravách bude tých výpočtov rádovo $n^3$ a pri Laplaceovom rozvoji rádovo $n!$. Teda pre veľké $n$ vyzerajú riadkové úpravy asi o čosi lepšie.

Ale aj keď vás presviedčam, že pri takýchto výpočtoch použiť riadkové a stĺpcové úpravy (prípadne ich kombinovanie s iným vecami) je asi efektívnejšie než používanie Laplaceovho rozvoja - aspoň v prípadoch, keď tam nemám veľa núl - tak to určite neznamená, že Laplaceov rozvoj nie je užitočný.
Často ho vieme využiť v rôznych dôkazoch. (Napríklad ste videli dôkaz Cramerovho pravidla pomocou Laplaceovho rozvoja a vyjadrenia inverznej matice cez adjungovanú maticu. Pripomeniem, že inú možnosť ako zdôvodniť Cramerovo pravidlo ste mali medzi úlohami na stránke - aj je napísaná aj tu na fóre: Cramerovo pravidlo (cez súčin matíc).)
Martin Sleziak
Posts: 5517
Joined: Mon Jan 02, 2012 5:25 pm

Re: Vypočítajte $\det(A)$, $\det(B)$ a $\det(A\cdot B^{-1})$

Post by Martin Sleziak »

Dám sem aj to, ako by vyzeral výpočet determinantu pre niektorú z týchto matíc z definície.
Je to myslené skôr ako odstrašujúci príklad - ale povedal som si, že keď som takéto riešenia dostal, tak nezaškodí nejako to porovnať s inými postupmi.$\newcommand{\vp}{\varphi}
\newcommand{\permf}[4]{\begin{pmatrix}1 & 2 & 3 & 4 \\ #1 & #2 & #3 & #4\end{pmatrix}}$

Môžeme sa znovu pozrieť na:
$|A|=
\begin{vmatrix}
1 & 4 & 3 &-3 \\
1 & 1 & 2 &-1 \\
-2 & 1 &-1 & 1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
\end{vmatrix}$

V nejakom poradí prejdeme všetky permutácie:
$$
\begin{array}{|c|c|c|c|c|}
\hline
\vp & i(\vp) & (-1)^{i(\vp)}a_{1,\vp(1)}a_{2,\vp(2)}a_{3,\vp(3)}a_{4,\vp(4)} & & \\\hline
\permf1234 & 0 & +a_{11}a_{22}a_{33}a_{44} & 0 & \\\hline
\permf1243 & 1 & -a_{11}a_{22}a_{34}a_{43} & -1=-1\cdot1\cdot1\cdot1 & \\\hline
\permf1324 & 1 & -a_{11}a_{23}a_{32}a_{44} & 0 & \\\hline
\permf1342 & 2 & +a_{11}a_{23}a_{34}a_{42} & 2=1\cdot2\cdot1\cdot1 & \\\hline
\permf1423 & 2 & +a_{11}a_{24}a_{32}a_{43} & -1=1\cdot(-1)\cdot1\cdot1 & \\\hline
\permf1432 & 3 & -a_{11}a_{24}a_{33}a_{42} & -1=-1\cdot(-1)\cdot(-1)\cdot1 & -1=-1+2-1-1\\\hline
\hline
\permf2134 & 1 & -a_{12}a_{21}a_{33}a_{44} & 0 & \\\hline
\permf2143 & 2 & +a_{12}a_{21}a_{34}a_{43} & 4=4\cdot1\cdot1\cdot1 & \\\hline
\permf2314 & 2 & +a_{12}a_{23}a_{31}a_{44} & 0 & \\\hline
\permf2341 & 3 & -a_{12}a_{23}a_{34}a_{41} & 0 & \\\hline
\permf2413 & 3 & -a_{12}a_{24}a_{31}a_{43} & -8=-4\cdot(-1)\cdot(-2)\cdot1 & \\\hline
\permf2431 & 4 & +a_{12}a_{24}a_{33}a_{41} & 0 & -4=4-8\\\hline
\hline
\permf3124 & 2 & +a_{13}a_{21}a_{32}a_{44} & 0 & \\\hline
\permf3142 & 3 & -a_{13}a_{21}a_{34}a_{42} & -3=-3\cdot1\cdot1\cdot1 & \\\hline
\permf3214 & 3 & -a_{13}a_{22}a_{31}a_{44} & 0 & \\\hline
\permf3241 & 4 & +a_{13}a_{22}a_{34}a_{41} & 0 & \\\hline
\permf3412 & 4 & +a_{13}a_{24}a_{31}a_{42} & 6=3\cdot(-1)\cdot(-2)\cdot1 & \\\hline
\permf3421 & 5 & -a_{13}a_{24}a_{32}a_{41} & 0 & 3=-3+6\\\hline
\hline
\permf4123 & 3 & -a_{14}a_{21}a_{32}a_{43} & 3=-(-3)\cdot1\cdot1\cdot1 & \\\hline
\permf4132 & 4 & +a_{14}a_{21}a_{33}a_{42} & 3=(-3)\cdot1\cdot(-1)\cdot1 & \\\hline
\permf4213 & 4 & +a_{14}a_{22}a_{31}a_{43} & 6=(-3)\cdot1\cdot(-2)\cdot1 & \\\hline
\permf4231 & 5 & -a_{14}a_{22}a_{33}a_{41} & 0 & \\\hline
\permf4312 & 5 & -a_{14}a_{23}a_{31}a_{42} & -12=-(-3)\cdot2\cdot(-2)\cdot1 & \\\hline
\permf4321 & 6 & +a_{14}a_{23}a_{32}a_{41} & 0 & 0=3+3+6-12\\\hline
\end{array}
$$

Ak sčítame tieto hodnoty, dostaneme $$|A|=-2.$$

V tomto postupe sme prešli $4!=24$ permutácií, pre každú sa pozreli na znamienko a vypočítali príslušný súčin.
Ak by sme to isté skúšali pre maticu $5\times5$, tak budeme mať $5!=120$ sčítancov - všeobecne máme $n!$ sčítancov.

Keby sme dali dokopy členy obsahujúce $a_{11}$, potom tie, ktoré obsahujú $a_{12}$, atď:, tak sa dá skontrolovať, že sme vlastne dostali:
\begin{align*}
|A|&=a_{11}(+a_{22}a_{33}a_{44}-a_{22}a_{34}a_{43}-a_{23}a_{32}a_{44}+a_{23}a_{34}a_{42}+a_{24}a_{32}a_{43}-a_{24}a_{33}a_{42})\\
&+a_{12}(-a_{21}a_{33}a_{44}+a_{21}a_{34}a_{43}+a_{23}a_{31}a_{44}-a_{23}a_{34}a_{41}-a_{24}a_{31}a_{43}+a_{24}a_{33}a_{41})\\
&+a_{13}(+a_{21}a_{32}a_{44}-a_{21}a_{34}a_{42}-a_{22}a_{31}a_{44}+a_{22}a_{34}a_{41}+a_{24}a_{31}a_{42}-a_{24}a_{32}a_{41})\\
&+a_{14}(-a_{21}a_{32}a_{43}+a_{21}a_{33}a_{42}+a_{22}a_{31}a_{43}-a_{22}a_{33}a_{41}-a_{23}a_{31}a_{42}+a_{23}a_{32}a_{41})\\
&=
a_{11}
\begin{vmatrix}
a_{22} & a_{23} & a_{24} \\
a_{32} & a_{33} & a_{34} \\
a_{42} & a_{43} & a_{44} \\
\end{vmatrix}
-a_{12}
\begin{vmatrix}
a_{21} & a_{23} & a_{24} \\
a_{31} & a_{33} & a_{34} \\
a_{41} & a_{43} & a_{44} \\
\end{vmatrix}
+a_{13}
\begin{vmatrix}
a_{21} & a_{22} & a_{24} \\
a_{31} & a_{32} & a_{34} \\
a_{41} & a_{42} & a_{44} \\
\end{vmatrix}
-a_{14}
\begin{vmatrix}
a_{21} & a_{22} & a_{23} \\
a_{31} & a_{32} & a_{33} \\
a_{41} & a_{42} & a_{43} \\
\end{vmatrix}
\end{align*}

Teda výpočet uvedený v tabuľke je po tomto prepise vlastne v podstate skoro to isté ako Laplaceov rozvoj podľa prvého riadku - akurát pri Laplaceovom rozvoji máme o čosi menej počítania, keďže sme z viacerých členov vždy vyňali $a_{1j}$.
A ďalšia výhoda pri výpočte pri Laplaceovom rozvoji je, že aj na determinanty $3\times3$ môžeme použiť rôzne veci, čo vieme o determinantoch - a to nám niekedy zjednoduší výpočty. (Ale aj ak by sme ich počítali podľa Sarrusovho pravidla, tak je to síce presne tých istých $24$ súčinov, ktoré máme vyššie - akurát tu sme ich dali dokopy po šiestich a trošičku zjednodušili, takže to je o čosi menej počítania.)

To čo sme spravili tu je vlastne zopakovanie odvodenia Laplaceovho rozvoja pre jeden veľmi špeciálny prípad. Ale v princípe možno niečo takéto neuškodí - keď občas vidíme nejaký dôkaz, ktorý sme urobili pre $n\times n$ a ľubovoľný riadok rozpísaný pre $4\times 4$ a prvý riadok.
Keď sa človek pozerá na špeciálny prípad niečoho, čo videl všeobecne, tak môže lepšie porozumieť ako funguje ten všeobecný dôkaz. A možno aj zbadá nejaké ďalšie zákonitosti - napríklad sa môžete popozerať na veci, ktoré nám vyšli, že či tam nezbadáte ešte nejaké ďalšie členy, z ktorých sa dá vyňať to isté - a prípadne porovnať so zovšeobecneným Laplaceovým rozvojom: viewtopic.php?p=4281

Tu je to isté s použitím Laplaceovho rozvoja podľa prvého riadku:

$|A|=
\begin{vmatrix}
1 & 4 & 3 &-3 \\
1 & 1 & 2 &-1 \\
-2 & 1 &-1 & 1 \\
0 & 1 & 1 & 0 \\
\end{vmatrix}=
\begin{vmatrix}
1 & 2 &-1 \\
1 &-1 & 1 \\
1 & 1 & 0 \\
\end{vmatrix}
-4\begin{vmatrix}
1 & 2 &-1 \\
-2 &-1 & 1 \\
0 & 1 & 0 \\
\end{vmatrix}
+3\begin{vmatrix}
1 & 1 &-1 \\
-2 & 1 & 1 \\
0 & 1 & 0 \\
\end{vmatrix}
+3\begin{vmatrix}
1 & 1 & 2 \\
-2 & 1 &-1 \\
0 & 1 & 1 \\
\end{vmatrix}=
-1-4\cdot1+3\cdot1+3\cdot0=-1-4+3=-2
$

Vidíme, že nám naozaj vyšli rovnaké čísla ako v tabuľke uvedenej vyššie. (Súčet čísel v prvých šiestich riadkoch tabuľky je $-1$. Ďalších šesť riadkov tabuľky nám dá v súčte $-4=-4\cdot1$; t.j. to isté čo sme dostali ako druhý sčítanec, keď sme robili Laplaceov rozvoj. Podobne pre ďalšie dve šestice dostaneme súčty $3$ a $0$. (Tabuľku uvedenú vyššie som naschvál rozdelil na časti so šiestimi riadkami - aby toto bolo o čosi lepšie vidieť.)
Post Reply