mateinfo.roANDREI OCTAVIAN DOBRE20 ani20ANI

Matrice. Determinanți. Sisteme de ecuații liniare – teorie, formule și exemple rezolvate

Bacalaureat – Subiectul II · Algebră, clasa a XI-a. Permutări, operații cu matrice, determinanți, matrice inversabile, rangul unei matrice și rezolvarea sistemelor de ecuații liniare (Cramer, Kronecker–Capelli, Rouché), cu exemple rezolvate.

11.1Permutări

Definiții

O permutare de grad \(n\) este o funcție bijectivă \(\sigma:\{1,2,\dots,n\}\to\{1,2,\dots,n\}\), notată \[\sigma=\begin{pmatrix}1 & 2 & \dots & n\\ \sigma(1) & \sigma(2) & \dots & \sigma(n)\end{pmatrix}.\]

Mulțimea permutărilor de grad \(n\) se notează \(S_n\) și are \(n!\) elemente.

Permutarea identică: \(e=\begin{pmatrix}1 & 2 & \dots & n\\ 1 & 2 & \dots & n\end{pmatrix}\);Compunerea: \((\sigma\circ\tau)(k)=\sigma(\tau(k))\)

Inversa: \(\sigma^{-1}=\begin{pmatrix}\sigma(1) & \sigma(2) & \dots & \sigma(n)\\ 1 & 2 & \dots & n\end{pmatrix}\) (apoi se ordonează prima linie)

Inversiune: perechea \((i,j)\) cu \(i\lt j\) este inversiune dacă \(\sigma(i)\gt\sigma(j)\). Notăm cu \(m(\sigma)\) numărul inversiunilor.

Signatura: \(\varepsilon(\sigma)=(-1)^{m(\sigma)}\);\(\varepsilon(\sigma\circ\tau)=\varepsilon(\sigma)\cdot\varepsilon(\tau)\)

\(\sigma\) este pară dacă \(\varepsilon(\sigma)=1\) și impară dacă \(\varepsilon(\sigma)=-1\).

Exemplul 11.1

Fie \(\sigma=\begin{pmatrix}1 & 2 & 3\\ 3 & 1 & 2\end{pmatrix}\). Determinați \(m(\sigma)\) și \(\varepsilon(\sigma)\).
Rezolvare
Inversiunile: \((1,2)\) deoarece \(3\gt 1\) și \((1,3)\) deoarece \(3\gt 2\); perechea \((2,3)\) nu este inversiune (\(1\lt 2\)). Deci \(m(\sigma)=2\) și \(\varepsilon(\sigma)=(-1)^2=1\) (permutare pară).

↑ Cuprins

11.2Matrice

Definiții

\(\mathcal{M}_{m,n}(\mathbb{R})\) este mulțimea matricelor cu \(m\) linii și \(n\) coloane. O matrice cu \(n\) linii și \(n\) coloane se numește pătratică de ordin \(n\).

\(I_2=\begin{pmatrix}1 & 0\\ 0 & 1\end{pmatrix}\),\(I_3=\begin{pmatrix}1 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0\\ 0 & 0 & 1\end{pmatrix}\) (matricea unitate),\(O_2=\begin{pmatrix}0 & 0\\ 0 & 0\end{pmatrix}\) (matricea nulă)

Urma: \(\operatorname{Tr}(A)=a_{11}+a_{22}+\dots+a_{nn}\) (suma elementelor de pe diagonala principală).
Transpusa \(A^t\) se obține schimbând liniile cu coloanele.

Proprietăți:

\(A\cdot I_n=I_n\cdot A=A\);\((A^t)^t=A\);\((A+B)^t=A^t+B^t\);\((A\cdot B)^t=B^t\cdot A^t\)

Înmulțirea matricelor nu este comutativă: în general \(A\cdot B\ne B\cdot A\).

Relația Hamilton–Cayley (pentru \(A\in\mathcal{M}_2(\mathbb{R})\)): \[A^2-\operatorname{Tr}(A)\cdot A+\det(A)\cdot I_2=O_2\]

Exemplul 11.2

Fie \(A=\begin{pmatrix}1 & 2\\ 3 & 4\end{pmatrix}\) și \(B=\begin{pmatrix}0 & 1\\ 1 & 0\end{pmatrix}\). Calculați \(A\cdot B\).
Rezolvare
\[A\cdot B=\begin{pmatrix}1\cdot0+2\cdot1 & 1\cdot1+2\cdot0\\ 3\cdot0+4\cdot1 & 3\cdot1+4\cdot0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2 & 1\\ 4 & 3\end{pmatrix}.\]

↑ Cuprins

11.3Determinanți

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

Regula lui Sarrus (ordin 3):

\[\begin{vmatrix}a_1 & b_1 & c_1\\ a_2 & b_2 & c_2\\ a_3 & b_3 & c_3\end{vmatrix}=a_1b_2c_3+a_2b_3c_1+a_3b_1c_2-c_1b_2a_3-c_2b_3a_1-c_3b_1a_2\]

Proprietățile determinanților:

  • Un determinant cu o linie (coloană) nulă este \(0\).
  • Un determinant cu două linii (coloane) identice sau proporționale este \(0\).
  • Dacă se schimbă între ele două linii (coloane), determinantul își schimbă semnul.
  • Dacă se înmulțește o linie (coloană) cu \(\alpha\), determinantul se înmulțește cu \(\alpha\): \(\det(\alpha A)=\alpha^n\det A\), \(A\in\mathcal{M}_n\).
  • Dacă la o linie (coloană) se adună altă linie (coloană) înmulțită cu un număr, determinantul nu se modifică.
  • \(\det(A\cdot B)=\det A\cdot\det B\);\(\det(A^t)=\det A\);\(\det(A^n)=(\det A)^n\).

Exemplul 11.3

Calculați \(\begin{vmatrix}2 & 3\\ 1 & 4\end{vmatrix}\) și \(\begin{vmatrix}1 & 2 & 0\\ 0 & 1 & 3\\ 2 & 0 & 1\end{vmatrix}\).
Rezolvare
Primul: \(2\cdot4-3\cdot1=5\). Al doilea (Sarrus): \[1\cdot1\cdot1+0\cdot0\cdot0+2\cdot2\cdot3-0\cdot1\cdot2-3\cdot0\cdot1-1\cdot2\cdot0=1+12=13.\]

↑ Cuprins

11.4Matrice inversabile

Definiție și algoritm

\(A\in\mathcal{M}_n(\mathbb{R})\) este inversabilă \(\Leftrightarrow\) \(\det A\ne0\). Atunci există \(A^{-1}\) cu \(A\cdot A^{-1}=A^{-1}\cdot A=I_n\).

  1. Se calculează \(\det A\) și se verifică \(\det A\ne0\).
  2. Se scrie transpusa \(A^t\).
  3. Se calculează matricea adjunctă \(A^*\), înlocuind fiecare element al lui \(A^t\) cu complementul său algebric \((-1)^{i+j}d_{ij}\).
  4. \(A^{-1}=\dfrac{1}{\det A}\cdot A^*\).

Caz particular (ordin 2) – de reținut:

\[A=\begin{pmatrix}a & b\\ c & d\end{pmatrix}\ \Rightarrow\ A^{-1}=\dfrac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d & -b\\ -c & a\end{pmatrix}\]

Ecuații matriceale: \(A\cdot X=B\ \Rightarrow\ X=A^{-1}B\);\(X\cdot A=B\ \Rightarrow\ X=BA^{-1}\).

Proprietăți: \((A^{-1})^{-1}=A\),\((AB)^{-1}=B^{-1}A^{-1}\),\(\det(A^{-1})=\dfrac{1}{\det A}\).

Exemplul 11.4

Determinați inversa matricei \(A=\begin{pmatrix}2 & 1\\ 3 & 2\end{pmatrix}\).
Rezolvare
\(\det A=4-3=1\ne0\), deci \[A^{-1}=\dfrac{1}{1}\begin{pmatrix}2 & -1\\ -3 & 2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2 & -1\\ -3 & 2\end{pmatrix}.\]

Exemplul 11.5

Determinați \(m\in\mathbb{R}\) pentru care \(A=\begin{pmatrix}m & 2\\ 3 & m\end{pmatrix}\) nu este inversabilă.
Rezolvare
\(\det A=m^2-6=0\ \Rightarrow\ m=\pm\sqrt{6}\).

↑ Cuprins

11.5Rangul unei matrice

Definiție

\(\operatorname{rang}(A)=r\) dacă există un minor de ordin \(r\) nenul, iar toți minorii de ordin \(r+1\) (dacă există) sunt nuli. Pentru \(A\in\mathcal{M}_n\): \(\operatorname{rang}(A)=n\ \Leftrightarrow\ \det A\ne0\).

↑ Cuprins

11.6Sisteme de ecuații liniare

Notații

Pentru sistemul de \(m\) ecuații cu \(n\) necunoscute notăm cu \(A\) matricea sistemului și cu \(\overline{A}\) matricea extinsă (matricea sistemului la care se adaugă coloana termenilor liberi).

Sisteme de tip Cramer (\(m=n\), \(\det A\ne0\)) – sistem compatibil determinat:

\[x_i=\dfrac{\det A_i}{\det A},\qquad i=\overline{1,n},\]

unde \(A_i\) se obține din \(A\) înlocuind coloana \(i\) cu coloana termenilor liberi.

Teorema Kronecker–Capelli: sistemul este compatibil \(\Leftrightarrow\) \(\operatorname{rang}(A)=\operatorname{rang}(\overline{A})\).
Teorema lui Rouché: sistemul este compatibil \(\Leftrightarrow\) toți minorii caracteristici sunt nuli.

  • \(\operatorname{rang}(A)=\operatorname{rang}(\overline{A})=n\) (numărul de necunoscute) \(\Rightarrow\) sistem compatibil determinat;
  • \(\operatorname{rang}(A)=\operatorname{rang}(\overline{A})\lt n\) \(\Rightarrow\) sistem compatibil nedeterminat (o infinitate de soluții);
  • \(\operatorname{rang}(A)\ne\operatorname{rang}(\overline{A})\) \(\Rightarrow\) sistem incompatibil.

Numărul de necunoscute secundare este \(n-\operatorname{rang}(A)\): una \(\Rightarrow\) simplu nedeterminat, două \(\Rightarrow\) dublu nedeterminat.

Sisteme omogene

Un sistem liniar omogen (toți termenii liberi sunt \(0\)) este întotdeauna compatibil, având cel puțin soluția banală \((0,0,\dots,0)\). El admite și soluții nebanale \(\Leftrightarrow\) \(\det A=0\).

Exemplul 11.6

Rezolvați sistemul \(\begin{cases}2x+y=5\\ x-y=1\end{cases}\) prin metoda lui Cramer.
Rezolvare
\(\det A=\begin{vmatrix}2 & 1\\ 1 & -1\end{vmatrix}=-3\ne0\); \(\det A_x=\begin{vmatrix}5 & 1\\ 1 & -1\end{vmatrix}=-6\); \(\det A_y=\begin{vmatrix}2 & 5\\ 1 & 1\end{vmatrix}=-3\). Deci \(x=\dfrac{-6}{-3}=2\), \(y=\dfrac{-3}{-3}=1\).

Exemplul 11.7

Determinați \(m\in\mathbb{R}\) pentru care sistemul \(\begin{cases}mx+y=1\\ 4x+my=2\end{cases}\) este de tip Cramer.
Rezolvare
\(\det A=m^2-4\ne0\ \Leftrightarrow\ m\in\mathbb{R}\setminus\{-2,2\}\).

Exemplul 11.8

Arătați că sistemul omogen \(\begin{cases}x+2y=0\\ 2x+4y=0\end{cases}\) admite și soluții nebanale.
Rezolvare
\(\det A=1\cdot4-2\cdot2=0\), deci sistemul are o infinitate de soluții: \(x=-2y\), \(y\in\mathbb{R}\).

Interpretare geometrică

Un sistem de două ecuații cu două necunoscute reprezintă două drepte: sistem compatibil determinat \(=\) drepte concurente; sistem compatibil nedeterminat \(=\) drepte confundate; sistem incompatibil \(=\) drepte paralele distincte.

↑ Cuprins

Capitol din culegerea Formule esențiale – clasele IX–XII, Bacalaureat, autor prof. Andrei Dobre (Math Academy®).