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Determinante (matemática)

En Matemáticas se define el determinante como una forma multilineal alternada sobre un espacio vectorial. Esta definición indica una serie de propiedades matemáticas y generaliza el concepto de determinante de una matriz haciéndolo aplicable en numerosos campos. El concepto de determinante o volumen orientado fue introducido para estudiar el número de soluciones de los sistemas de ecuaciones lineales.

Historia de los determinantes

Los determinantes fueron introducidos en Occidente a partir del siglo XVI, esto es, antes que las matrices, que no aparecieron hasta el siglo XIX. Conviene recordar que los chinos (Jiuzhang Suanshu) fueron los primeros en utilizar la tabla de ceros y en aplicar un algoritmo que, desde el siglo XIX, se conoce con el nombre de Eliminación de Gauss-Jordan.

La historia de los determinantes

Los determinantes hicieron su aparición en las matemáticas más de un siglo antes que las matrices. El término matriz fue creado por James Joseph Sylvester , tratando de dar a entender que era “la madre de los determinantes”.

Algunos de los más grandes matemáticos de los siglos XVIII y XIX contribuyeron al desarrollo de las propiedades de los determinantes. La mayoría de los historiadores coinciden en afirmar que la teoría de los determinantes se originó con el matemático alemán Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716). Leibniz empleó los determinantes en 1693 con relación a los sistemas de ecuaciones lineales simultáneas. No obstante hay quienes creen que el matemático japonés Seki Kowa hizo lo mismo unos años antes.

Las contribuciones más prolíficas a la teoría de los determinantes fueron las del matemático francés Agustin-Louis Cauchy (1789-1857). Cauchy escribió, en 1812 una memoria de 84 páginas que contenía la primera demostración de la fórmula  .

Hay algunos otros matemáticos que merecen ser mencionados aquí. El desarrollo de un determinante por cofactores fue empleado por primera vez por el matemático francés Pierre de Laplace (1749-1827).

Un contribuyente principal en la teoría de los determinantes (estando solo Cauchy antes que él) fue el matemático alemán Carl Gustav Jacobi (1804-1851). Fue él con quien la palabra “determinante” ganó la aceptación definitiva. Sylvester llamó más tarde jacobiano a este determinante.

Primeros cálculos de determinantes

En su sentido original, el determinante determina la unicidad de la solución de un sistema de ecuaciones lineales. Fue introducido para el caso de orden 2 por Cardano en 1545 en su obra Ars Magna como una regla para la resolución de sistemas de dos ecuaciones con dos incógnitas. Esta primera fórmula lleva el nombre de regula de modo.

 
El japonés Kowa Seki introdujo los determinantes de orden 3 y 4 en la misma época que el alemán Leibniz.

La aparición de determinantes de órdenes superiores tardó aún más de cien años en llegar. Curiosamente el japonés Kowa Seki y el alemán Leibniz dieron los primeros ejemplos casi simultáneamente.

Leibniz estudió los distintos tipos de sistemas de ecuaciones lineales. Al no disponer de la notación matricial, representaba los coeficientes de las incógnitas con una pareja de índices: así pues escribía ij para representar  . En 1678 se interesó por un sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas y obtuvo, para dicho ejemplo, la fórmula de desarrollo a lo largo de una columna. El mismo año, escribió un determinante de orden 4, correcto en todo salvo en el signo.[1]​ Leibniz no publicó este trabajo, que pareció quedar olvidado hasta que los resultados fueron redescubiertos de forma independiente cincuenta años más tarde.

En el mismo periodo, Kowa Seki publicó un manuscrito sobre los determinantes, donde se hallan fórmulas generales difíciles de interpretar. Parece que se dan fórmulas correctas para determinantes de orden 3 y 4, y de nuevo los signos están mal para los determinantes de tamaño superior.[2]​ El descubrimiento se quedó sin futuro a causa del cierre de Japón al mundo exterior por órdenes del shōgun, lo que se ve reflejado en la expulsión de los Jesuitas en 1638.

Determinantes de cualquier dimensión

En 1748, en un tratado póstumo de álgebra de MacLaurin aparece la regla para obtener la solución de un sistema de n ecuaciones lineales con n incógnitas cuando n es 2, 3 o 4, mediante el uso de determinantes.[3]​ En 1750, Cramer da la regla para el caso general, aunque no ofrece demostración alguna. Los métodos de cálculo de los determinantes son hasta entonces delicados debido a que se basan en la noción de signatura de una permutación.[4]

Los matemáticos se familiarizan con este nuevo objeto a través de los artículos de Bézout en 1764, de Vandermonde en 1771 (que proporciona concretamente el cálculo del determinante de la actual Matriz de Vandermonde). En 1772, Laplace establece las reglas de recurrencia que llevan su nombre. En el año siguiente, Lagrange descubre la relación entre el cálculo de los determinantes y el de los volúmenes. [5]

Gauss utiliza por primera vez el término «determinante», en las Disquisitiones arithmeticae en 1801. Lo empleaba para lo que hoy día denominamos discriminante de una cuádrica y que es un caso particular de determinante moderno. Igualmente estuvo cerca de obtener el teorema del determinante de un producto.

Aparición de la noción moderna de determinante

Cauchy fue el primero en emplear el término determinante con su significado moderno. Se encargó de realizar una síntesis de los conocimientos anteriores y publicó en 1812 la fórmula y demostración del determinante de un producto junto con el enunciado y demostración de la regla de Laplace.[6]​ Ese mismo año Binet ofreció otra demostración (incorrecta) para la fórmula del determinante de un producto.[6]​ Paralelamente Cauchy establece las bases del estudio de la reducción de endomorfismos.

En 1825 Heinrich F. Scherk publicó nuevas propiedades de los determinantes.[6]​ Entre las propiedades halladas estaba la propiedad de que en una matriz en la que una fila es combinación lineal de varias de otras filas de la matriz el determinante es cero.

Con la publicación de sus tres tratados sobre determinantes en 1841 en la revista de Crelle, Jacobi aporta a la noción una gran notoriedad. Por primera vez presenta métodos sistemáticos de cálculo bajo una forma algorítmica. Del mismo modo, hace posible la evaluación del determinante de funciones con la definición del jacobiano, lo que supone un gran avance en la abstracción del concepto del determinante.

El cuadro matricial es introducido por los trabajos de Cayley y James Joseph Sylvester[cita requerida]. Cayley es también el inventor de la notación de los determinantes mediante barras verticales (1841[6]​) y establece la fórmula para el cálculo de la inversa de una matriz mediante determinantes(1858) [5]​.

La teoría se ve reforzada por el estudio de determinantes que tienen propiedades de simetría particulares y por la introducción del determinante en nuevos campos de las matemáticas, como el wronskiano en el caso de las ecuaciones diferenciales lineales.

Métodos de cálculo

Para el cálculo de determinantes de matrices de cualquier orden, existe una regla recursiva (teorema de Laplace) que reduce el cálculo a sumas y restas de varios determinantes de un orden inferior. Este proceso se puede repetir tantas veces como sea necesario hasta reducir el problema al cálculo de múltiples determinantes de orden tan pequeño como se quiera. Sabiendo que el determinante de un escalar es el propio escalar, es posible calcular el determinante de cualquier matriz aplicando dicho teorema.

Además de esta regla, para calcular determinantes de matrices de cualquier orden podemos usar otra definición de determinante conocida como Fórmula de Leibniz.

La fórmula de Leibniz para el determinante de una matriz cuadrada A de orden n es:

 ,

donde la suma se calcula sobre todas las permutaciónes σ del conjunto {1,2,...,n}. La posición del elemento i después de la permutación σ se denota como σi. El conjunto de todas las permutaciones es  . Para cada σ, sgn(σ) es la signatura de σ, esto es +1 si la permutación es par y −1 si es impar (ver Paridad de permutaciones).

En cualquiera de los   sumandos, el término

 

denota el producto de las entradas en la posición (i, σi), donde i va desde 1 hasta n:

 

La fórmula de Leibniz es útil como definición de determinante; pero, excepto para órdenes muy pequeños, no es una forma práctica de calcularlo: hay que llevar a cabo n! productos de n factores y sumar n! elementos. No se suele usar para calcular el determinante si la matriz tiene más de tres filas.

Matrices de orden inferior

El caso de matrices de orden inferior (orden 1, 2 o 3) es muy simple y su determinante se calcula con sencillas reglas conocidas. Dichas reglas son también deducibles del teorema de Laplace.

Una matriz de orden uno, es un caso trivial, pero lo trataremos para completar todos los casos. Una matriz de orden uno puede ser tratada como un escalar, pero aquí la consideraremos una matriz cuadrada de orden uno:

 

El valor del determinante es igual al único término de la matriz:

 .

El determinante de una matriz de orden 2:

 

se calculan con la siguiente fórmula:

 .

Dada una matriz de orden 3:

 

El determinante de una matriz de orden 3 se calcula mediante la regla de Sarrus:

 

Determinantes de orden superior

El determinante de orden n, puede calcularse mediante el teorema de Laplace a partir de una fila o columna, reduciendo el problema al cálculo de n determinantes de orden n-1. Para ello se toma una fila o columna cualquiera, multiplicando cada elemento por su cofactor. El cofactor de un elemento   de la matriz es el determinante de la matriz que se obtiene al eliminar la fila y columna correspondiente a dicho elemento, y multiplicándolo por (-1)i+j, donde i es el número de fila y j el número de columna. La suma de todos los productos de los elementos de una fila (o columna) cualquiera multiplicados por sus cofactores es igual al determinante.

En caso de un determinante de orden 4, se obtienen directamente determinantes de orden 3 que podrán ser calculados por la regla de Sarrus. En cambio, en los determinantes de orden superior, como por ejemplo n = 5, al desarrollar los elementos de una línea, obtendremos determinantes de orden 4, que a su vez se deberán desarrollar en por el mismo método, para obtener determinantes de orden 3. Por ejemplo, para obtener con el método especificado un determinante de orden 4, se deben calcular 4 determinantes de orden 3. Esto puede aligerarse si previamente se logran tres ceros en una fila o columna, bastando entonces con calcular un determinante de orden 3 (ya que los demás determinantes estarán multiplicados por 0, lo que los anula).

La cantidad de operaciones aumenta muy rápidamente. Por ejemplo, mediante este método, para un determinante de orden 10 se deberán calcular 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 = 604.800 determinantes de orden 3.

También puede utilizarse el Método de eliminación Gaussiana, para convertir la matriz en una matriz triangular.

Métodos numéricos

Para reducir el coste computacional de los determinantes a la vez que mejorar su estabilidad frente a errores de redondeo, se aplica la regla de Chio, que permite utilizar métodos de triangularización de la matriz reduciendo con ello el cálculo del determinante al producto de los elementos de la diagonal de la matriz resultante. Para la triangularización se puede utilizar cualquier método conocido que sea numéricamente estable. Estos suelen basarse en el uso de matrices ortonormales, como ocurre con el método de Gauss o con el uso de reflexiones de Householder o rotaciones de Givens.

Determinantes en dimensión infinita

Bajo ciertas condiciones puede definirse el determinante de aplicaciones lineales de un espacio vectorial de Banach de dimensión infinita. En concreto en el determinante está definido para los operadores de la clase de determinante que puede a partir de los operadores de la clase de traza. Un ejemplo notable fue el determinante de Fredholm que este definió en conexión con su estudio de la ecuación integral que lleva su nombre:

(*) 

Donde:

  es una función conocida
  es una la función incógnita
  es una función conocida llamada núcleo, que da lugar al siguiente operador lineal compacto y de traza finita en el espacio de Hilbert de funciones de cuadrado integrable en el intervalo [0,1]:
 

La ecuación (*) tiene solución si el determinante de Fredholm   no se anula. El determinante de Fredholm en este caso generaliza el determinante en dimensión finita y puede calcularse explícitamente mediante:

 

La propia solución de la ecuación (*) puede escribirse de manera simple en términos del determinante cuando este no se anula.

Primeros ejemplos: áreas y volúmenes

El cálculo de áreas y volúmenes bajo forma de determinantes en espacios euclídeos aparecen como casos particulares de una noción más general de determinante. La letra mayúscula D (Det) se reserva a veces para distinguirlos.

Determinante de dos vectores en el plano euclídeo

 
Fig. 1. El determinante es el área azul orientada.

Sea P el plano euclídeo. El determinante de los vectores X y X' se obtiene con la expresión analítica

 

o, de manera equivalente, por la expresión geométrica

 

en la cual   es el ángulo orientado formado por los vectores X y X'.

Propiedades

  • El valor absoluto del determinante es igual a la superficie del paralelogramo definido por X y X' (  es en efecto la altura del paralelogramo, por lo que A = Base × Altura).
  • El determinante es nulo si y solo si los dos vectores son colineales (el paralelogramo se convierte en una línea).
  • Su signo es estrictamente positivo si y solo si la medida del ángulo (X, X ') se encuentra en ]0, [.
  • La aplicación del determinante es bilineal: la linearidad respecto al primer vector se escribe
 

y respecto al segundo

 
 
Fig. 2.Suma de las áreas de dos paralelogramos adyacentes.

La figura 2, en el plano, ilustra un caso particular de esta fórmula. Representa dos paralelogramos adyacentes, uno definido por los vectores u y v (en verde), y otro por los vectores u' y v (en azul). Es fácil ver sobre este ejemplo el área del paralelogramo definido por los vectores u+u' y v (en gris): es igual a la suma de los dos paralelogramos precedentes a la cual se sustrae el área de un triángulo y se añade el área de otro triángulo. Ambos triángulos se corresponden por translación y la fórmula siguiente se verifica Det (u+u', v)=Det (u, v)+Det (u', v).

El dibujo corresponde a un caso particular de la fórmula de bilinealidad ya que las orientaciones han sido elegidas de manera que las áreas tengan el mismo signo, aunque ayuda a comprender el contenido geométrico.

Generalización

Es posible definir la noción de determinante en un plano euclídeo orientado con una base ortonormal directa B utilizando las coordenadas de los vectores en esta base. El cálculo del determinante da el mismo resultado sea cual sea la base ortonormal directa elegida para el cálculo.

Determinante de tres vectores en el espacio euclídeo

Sea E el espacio euclídeo orientado de dimensión 3. El determinante de tres vectores de E se da por

 
 
Fig. 3. Ilustración gráfica de la trilinealidad.

Este determinante lleva el nombre de producto mixto.

Propiedades

  • El valor absoluto del determinante es igual al volumen de paralelepípedo definido por los tres vectores.
  • El determinante es nulo si y solo si los tres vectores se encuentran en un mismo plano (paralelepípedo "plano").
  • La aplicación determinante es trilineal: sobre todo
 

Una ilustración geométrica de esta propiedad se da en la figura 3 con dos paralelepípedos adyacentes, es decir con una cara común. La igualdad siguiente es entonces intuitiva:

 .

Propiedades

  • El determinante de una matriz es un invariante algebraico, lo cual implica que dada una aplicación lineal todas las matrices que la represente tendrán el mismo determinante. Eso permite definir el valor del determinante no solo para matrices sino también para aplicaciones lineales.
  • El determinante de una matriz y el de su traspuesta coinciden:  

Determinante del producto

  • Una propiedad fundamental del determinante es su comportamiento multiplicativo frente al producto de matrices:

 

Esta propiedad es más trascendente de lo que parece y es muy útil en el cálculo de determinantes. En efecto, supongamos que queremos calcular el determinante de la matriz   y que   es cualquier matriz con determinante uno (el elemento neutro respecto al producto del cuerpo). En este caso, se verifica que:

 

y análogamente  ,

Una aplicación lineal entre dos espacios vectoriales de dimensión finita se puede representar mediante una matriz. La matriz asociada a la composición de aplicaciones lineales entre espacios de dimensión finita se puede calcular mediante el producto de matrices. Dadas dos aplicaciones lineales   y  , se cumple lo siguiente:

 

Matrices en bloques

Sean   matrices de tamaños   respectivamente. Entonces

 .

Esto se puede ver de la fórmula de Leibniz. Empleando la siguiente identidad

 

vemos que para una matriz inversible A, es

 .

Análogamente, se puede obtener una identidad similar con   factorizado.[7]

Si   son matrices diagonales,

 [8]

Derivada de la función determinante

La función determinante puede definirse sobre el espacio vectorial formado por las matrices cuadradas de orden n. Dicho espacio vectorial puede convertirse fácilmente en un espacio vectorial normado mediante la norma matricial, gracias a lo cual dicho espacio se convierte en un espacio métrico y topológico, donde se pueden definir límites. El determinante puede definirse como un morfismo del álgebra de las matrices al conjunto de los elementos del cuerpo sobre el que se definen las matrices:

 

La diferencial de la función determinante viene dada en términos de la matriz de adjuntos:

 

Donde:

  es la matriz de adjuntos.
 , es la traza de la matriz.

Menores de una matriz

Además del determinante de una matriz cuadrada, dada una matriz se pueden definir otras magnitudes mediante el empleo de determinantes relacionadas con las propiedades algebraicas de dicha matriz. En concreto dada una matriz cuadrada o rectangular se pueden definir los llamados determinantes menores de orden r a partir del determinante de submatrices cuadradas de rxr de la matriz original. Dada la matriz  :

 

Se define cualquier menor de rango r como:

 

Debe notarse que en general existirá un número elevado de menores de orden r, de hecho el número de menores de orden r de una matriz mxn viene dado por:

 

Una propiedad interesante es que el rango coincide con el orden del menor no nulo más grande posible, siendo el cálculo de menores una de los medios más empleados para calcular el rango de una matriz o de una aplicación lineal.

Véase también

Referencias

  1. E. Knobloch, Der Beginn der Determinantentheorie, Leibnizens nachgelassene Studien zum Determinantenkalkül (Hildesheim, 1980)
  2. Y. Mikami, The development of Mathematics in China and Japan (1913, 2e éd. Chelsea Pub. Company 1974)
  3. C. B. Boyer, A History of Mathematics (John Wiley, 1968)
  4. M. Cantor, Geschichte der Mathematik (Teubner, 1913)
  5. O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., «Matrices and determinants» (en inglés), MacTutor History of Mathematics archive, Universidad de Saint Andrews, http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/HistTopics/Matrices_and_determinants.html, consultado el 11 de abril de 2020 .
  6. Kline, 1990, p. 796
  7. Estas identidades fueron tomadas de . Archivado desde el original el 13 de enero de 2008. Consultado el 2 de febrero de 2010. 
  8. Este es un caso especial de un teorema publicado en . Archivado desde el original el 9 de junio de 2007. Consultado el 27 de junio de 2008. 

Bibliografía

Enlaces externos

  •   Datos: Q178546
  •   Multimedia: Determinant

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En Matematicas se define el determinante como una forma multilineal alternada sobre un espacio vectorial Esta definicion indica una serie de propiedades matematicas y generaliza el concepto de determinante de una matriz haciendolo aplicable en numerosos campos El concepto de determinante o volumen orientado fue introducido para estudiar el numero de soluciones de los sistemas de ecuaciones lineales Indice 1 Historia de los determinantes 1 1 Primeros calculos de determinantes 1 2 Determinantes de cualquier dimension 1 3 Aparicion de la nocion moderna de determinante 2 Metodos de calculo 2 1 Matrices de orden inferior 2 2 Determinantes de orden superior 2 3 Metodos numericos 2 4 Determinantes en dimension infinita 3 Primeros ejemplos areas y volumenes 3 1 Determinante de dos vectores en el plano euclideo 3 1 1 Propiedades 3 1 2 Generalizacion 3 2 Determinante de tres vectores en el espacio euclideo 3 2 1 Propiedades 4 Propiedades 4 1 Determinante del producto 4 2 Matrices en bloques 4 3 Derivada de la funcion determinante 5 Menores de una matriz 6 Vease tambien 7 Referencias 7 1 Bibliografia 7 2 Enlaces externosHistoria de los determinantes EditarLos determinantes fueron introducidos en Occidente a partir del siglo XVI esto es antes que las matrices que no aparecieron hasta el siglo XIX Conviene recordar que los chinos Jiuzhang Suanshu fueron los primeros en utilizar la tabla de ceros y en aplicar un algoritmo que desde el siglo XIX se conoce con el nombre de Eliminacion de Gauss Jordan La historia de los determinantesLos determinantes hicieron su aparicion en las matematicas mas de un siglo antes que las matrices El termino matriz fue creado por James Joseph Sylvester tratando de dar a entender que era la madre de los determinantes Algunos de los mas grandes matematicos de los siglos XVIII y XIX contribuyeron al desarrollo de las propiedades de los determinantes La mayoria de los historiadores coinciden en afirmar que la teoria de los determinantes se origino con el matematico aleman Gottfried Wilhelm Leibniz 1646 1716 Leibniz empleo los determinantes en 1693 con relacion a los sistemas de ecuaciones lineales simultaneas No obstante hay quienes creen que el matematico japones Seki Kowa hizo lo mismo unos anos antes Las contribuciones mas prolificas a la teoria de los determinantes fueron las del matematico frances Agustin Louis Cauchy 1789 1857 Cauchy escribio en 1812 una memoria de 84 paginas que contenia la primera demostracion de la formula det A B det A det B displaystyle det AB det A det B Hay algunos otros matematicos que merecen ser mencionados aqui El desarrollo de un determinante por cofactores fue empleado por primera vez por el matematico frances Pierre de Laplace 1749 1827 Un contribuyente principal en la teoria de los determinantes estando solo Cauchy antes que el fue el matematico aleman Carl Gustav Jacobi 1804 1851 Fue el con quien la palabra determinante gano la aceptacion definitiva Sylvester llamo mas tarde jacobiano a este determinante Primeros calculos de determinantes Editar En su sentido original el determinante determina la unicidad de la solucion de un sistema de ecuaciones lineales Fue introducido para el caso de orden 2 por Cardano en 1545 en su obra Ars Magna como una regla para la resolucion de sistemas de dos ecuaciones con dos incognitas Esta primera formula lleva el nombre de regula de modo El japones Kowa Seki introdujo los determinantes de orden 3 y 4 en la misma epoca que el aleman Leibniz La aparicion de determinantes de ordenes superiores tardo aun mas de cien anos en llegar Curiosamente el japones Kowa Seki y el aleman Leibniz dieron los primeros ejemplos casi simultaneamente Leibniz estudio los distintos tipos de sistemas de ecuaciones lineales Al no disponer de la notacion matricial representaba los coeficientes de las incognitas con una pareja de indices asi pues escribia ij para representar a i j displaystyle a ij En 1678 se intereso por un sistema de tres ecuaciones con tres incognitas y obtuvo para dicho ejemplo la formula de desarrollo a lo largo de una columna El mismo ano escribio un determinante de orden 4 correcto en todo salvo en el signo 1 Leibniz no publico este trabajo que parecio quedar olvidado hasta que los resultados fueron redescubiertos de forma independiente cincuenta anos mas tarde En el mismo periodo Kowa Seki publico un manuscrito sobre los determinantes donde se hallan formulas generales dificiles de interpretar Parece que se dan formulas correctas para determinantes de orden 3 y 4 y de nuevo los signos estan mal para los determinantes de tamano superior 2 El descubrimiento se quedo sin futuro a causa del cierre de Japon al mundo exterior por ordenes del shōgun lo que se ve reflejado en la expulsion de los Jesuitas en 1638 Determinantes de cualquier dimension Editar En 1748 en un tratado postumo de algebra de MacLaurin aparece la regla para obtener la solucion de un sistema de n ecuaciones lineales con n incognitas cuando n es 2 3 o 4 mediante el uso de determinantes 3 En 1750 Cramer da la regla para el caso general aunque no ofrece demostracion alguna Los metodos de calculo de los determinantes son hasta entonces delicados debido a que se basan en la nocion de signatura de una permutacion 4 Los matematicos se familiarizan con este nuevo objeto a traves de los articulos de Bezout en 1764 de Vandermonde en 1771 que proporciona concretamente el calculo del determinante de la actual Matriz de Vandermonde En 1772 Laplace establece las reglas de recurrencia que llevan su nombre En el ano siguiente Lagrange descubre la relacion entre el calculo de los determinantes y el de los volumenes 5 Gauss utiliza por primera vez el termino determinante en las Disquisitiones arithmeticae en 1801 Lo empleaba para lo que hoy dia denominamos discriminante de una cuadrica y que es un caso particular de determinante moderno Igualmente estuvo cerca de obtener el teorema del determinante de un producto Aparicion de la nocion moderna de determinante Editar Cauchy fue el primero en emplear el termino determinante con su significado moderno Se encargo de realizar una sintesis de los conocimientos anteriores y publico en 1812 la formula y demostracion del determinante de un producto junto con el enunciado y demostracion de la regla de Laplace 6 Ese mismo ano Binet ofrecio otra demostracion incorrecta para la formula del determinante de un producto 6 Paralelamente Cauchy establece las bases del estudio de la reduccion de endomorfismos En 1825 Heinrich F Scherk publico nuevas propiedades de los determinantes 6 Entre las propiedades halladas estaba la propiedad de que en una matriz en la que una fila es combinacion lineal de varias de otras filas de la matriz el determinante es cero Con la publicacion de sus tres tratados sobre determinantes en 1841 en la revista de Crelle Jacobi aporta a la nocion una gran notoriedad Por primera vez presenta metodos sistematicos de calculo bajo una forma algoritmica Del mismo modo hace posible la evaluacion del determinante de funciones con la definicion del jacobiano lo que supone un gran avance en la abstraccion del concepto del determinante El cuadro matricial es introducido por los trabajos de Cayley y James Joseph Sylvester cita requerida Cayley es tambien el inventor de la notacion de los determinantes mediante barras verticales 1841 6 y establece la formula para el calculo de la inversa de una matriz mediante determinantes 1858 5 La teoria se ve reforzada por el estudio de determinantes que tienen propiedades de simetria particulares y por la introduccion del determinante en nuevos campos de las matematicas como el wronskiano en el caso de las ecuaciones diferenciales lineales Metodos de calculo EditarArticulos principales Teorema de Laplacey Regla de Sarrus Para el calculo de determinantes de matrices de cualquier orden existe una regla recursiva teorema de Laplace que reduce el calculo a sumas y restas de varios determinantes de un orden inferior Este proceso se puede repetir tantas veces como sea necesario hasta reducir el problema al calculo de multiples determinantes de orden tan pequeno como se quiera Sabiendo que el determinante de un escalar es el propio escalar es posible calcular el determinante de cualquier matriz aplicando dicho teorema Ademas de esta regla para calcular determinantes de matrices de cualquier orden podemos usar otra definicion de determinante conocida como Formula de Leibniz La formula de Leibniz para el determinante de una matriz cuadrada A de orden n es det A s P n sgn s i 1 n a i s i displaystyle det A sum sigma in P n operatorname sgn sigma prod i 1 n a i sigma i donde la suma se calcula sobre todas las permutaciones s del conjunto 1 2 n La posicion del elemento i despues de la permutacion s se denota como si El conjunto de todas las permutaciones es P n displaystyle P n Para cada s sgn s es la signatura de s esto es 1 si la permutacion es par y 1 si es impar ver Paridad de permutaciones En cualquiera de los n displaystyle n sumandos el termino i 1 n a i s i displaystyle prod i 1 n a i sigma i denota el producto de las entradas en la posicion i si donde i va desde 1 hasta n a 1 s 1 a 2 s 2 a n s n displaystyle a 1 sigma 1 cdot a 2 sigma 2 cdots a n sigma n La formula de Leibniz es util como definicion de determinante pero excepto para ordenes muy pequenos no es una forma practica de calcularlo hay que llevar a cabo n productos de n factores y sumar n elementos No se suele usar para calcular el determinante si la matriz tiene mas de tres filas Matrices de orden inferior Editar El caso de matrices de orden inferior orden 1 2 o 3 es muy simple y su determinante se calcula con sencillas reglas conocidas Dichas reglas son tambien deducibles del teorema de Laplace Una matriz de orden uno es un caso trivial pero lo trataremos para completar todos los casos Una matriz de orden uno puede ser tratada como un escalar pero aqui la consideraremos una matriz cuadrada de orden uno A a 11 displaystyle A left begin array c a 11 end array right El valor del determinante es igual al unico termino de la matriz det A det a 11 a 11 displaystyle det A det left begin array c a 11 end array right a 11 El determinante de una matriz de orden 2 A a 11 a 12 a 21 a 22 displaystyle A left begin array cc a 11 amp a 12 a 21 amp a 22 end array right se calculan con la siguiente formula A a 11 a 12 a 21 a 22 a 11 a 22 a 12 a 21 displaystyle A begin vmatrix a 11 amp a 12 a 21 amp a 22 end vmatrix a 11 a 22 a 12 a 21 Dada una matriz de orden 3 A a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 displaystyle A left begin array ccc a 11 amp a 12 amp a 13 a 21 amp a 22 amp a 23 a 31 amp a 32 amp a 33 end array right El determinante de una matriz de orden 3 se calcula mediante la regla de Sarrus A a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 a 11 a 22 a 33 a 12 a 23 a 31 a 13 a 21 a 32 a 31 a 22 a 13 a 32 a 23 a 11 a 33 a 21 a 12 displaystyle A left begin array ccc a 11 amp a 12 amp a 13 a 21 amp a 22 amp a 23 a 31 amp a 32 amp a 33 end array right a 11 a 22 a 33 a 12 a 23 a 31 a 13 a 21 a 32 a 31 a 22 a 13 a 32 a 23 a 11 a 33 a 21 a 12 Determinantes de orden superior Editar El determinante de orden n puede calcularse mediante el teorema de Laplace a partir de una fila o columna reduciendo el problema al calculo de n determinantes de orden n 1 Para ello se toma una fila o columna cualquiera multiplicando cada elemento por su cofactor El cofactor de un elemento a i j displaystyle a ij de la matriz es el determinante de la matriz que se obtiene al eliminar la fila y columna correspondiente a dicho elemento y multiplicandolo por 1 i j donde i es el numero de fila y j el numero de columna La suma de todos los productos de los elementos de una fila o columna cualquiera multiplicados por sus cofactores es igual al determinante En caso de un determinante de orden 4 se obtienen directamente determinantes de orden 3 que podran ser calculados por la regla de Sarrus En cambio en los determinantes de orden superior como por ejemplo n 5 al desarrollar los elementos de una linea obtendremos determinantes de orden 4 que a su vez se deberan desarrollar en por el mismo metodo para obtener determinantes de orden 3 Por ejemplo para obtener con el metodo especificado un determinante de orden 4 se deben calcular 4 determinantes de orden 3 Esto puede aligerarse si previamente se logran tres ceros en una fila o columna bastando entonces con calcular un determinante de orden 3 ya que los demas determinantes estaran multiplicados por 0 lo que los anula La cantidad de operaciones aumenta muy rapidamente Por ejemplo mediante este metodo para un determinante de orden 10 se deberan calcular 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 604 800 determinantes de orden 3 Tambien puede utilizarse el Metodo de eliminacion Gaussiana para convertir la matriz en una matriz triangular Metodos numericos Editar Para reducir el coste computacional de los determinantes a la vez que mejorar su estabilidad frente a errores de redondeo se aplica la regla de Chio que permite utilizar metodos de triangularizacion de la matriz reduciendo con ello el calculo del determinante al producto de los elementos de la diagonal de la matriz resultante Para la triangularizacion se puede utilizar cualquier metodo conocido que sea numericamente estable Estos suelen basarse en el uso de matrices ortonormales como ocurre con el metodo de Gauss o con el uso de reflexiones de Householder o rotaciones de Givens Determinantes en dimension infinita Editar Bajo ciertas condiciones puede definirse el determinante de aplicaciones lineales de un espacio vectorial de Banach de dimension infinita En concreto en el determinante esta definido para los operadores de la clase de determinante que puede a partir de los operadores de la clase de traza Un ejemplo notable fue el determinante de Fredholm que este definio en conexion con su estudio de la ecuacion integral que lleva su nombre f x ϕ x 0 1 K x y ϕ y d y displaystyle f x phi x int 0 1 K x y phi y dy Donde f x displaystyle f x es una funcion conocida ϕ x displaystyle phi x es una la funcion incognita K x y displaystyle K x y es una funcion conocida llamada nucleo que da lugar al siguiente operador lineal compacto y de traza finita en el espacio de Hilbert de funciones de cuadrado integrable en el intervalo 0 1 K L 2 0 1 L 2 0 1 K ϕ x 0 1 K x y ϕ y d y displaystyle hat K L 2 0 1 to L 2 0 1 quad hat K phi x int 0 1 K x y phi y dy La ecuacion tiene solucion si el determinante de Fredholm det I K displaystyle det I hat K no se anula El determinante de Fredholm en este caso generaliza el determinante en dimension finita y puede calcularse explicitamente mediante det I K k 0 1 k 0 1 0 1 det K x i x j 1 i j k d x 1 d x k displaystyle det I hat K sum k 0 infty frac 1 k int 0 1 dots int 0 1 det K x i x j 1 leq i j leq k dx 1 dots dx k La propia solucion de la ecuacion puede escribirse de manera simple en terminos del determinante cuando este no se anula Primeros ejemplos areas y volumenes EditarEl calculo de areas y volumenes bajo forma de determinantes en espacios euclideos aparecen como casos particulares de una nocion mas general de determinante La letra mayuscula D Det se reserva a veces para distinguirlos Determinante de dos vectores en el plano euclideo Editar Fig 1 El determinante es el area azul orientada Sea P el plano euclideo El determinante de los vectores X y X se obtiene con la expresion analitica det X X x x y y x y y x displaystyle det X X begin vmatrix x amp x y amp y end vmatrix xy yx o de manera equivalente por la expresion geometrica det X X X X sin 8 displaystyle det X X X cdot X cdot sin theta en la cual 8 displaystyle theta es el angulo orientado formado por los vectores X y X Propiedades Editar El valor absoluto del determinante es igual a la superficie del paralelogramo definido por X y X X sin 8 displaystyle X sin theta es en efecto la altura del paralelogramo por lo que A Base Altura El determinante es nulo si y solo si los dos vectores son colineales el paralelogramo se convierte en una linea Su signo es estrictamente positivo si y solo si la medida del angulo X X se encuentra en 0 p displaystyle pi La aplicacion del determinante es bilineal la linearidad respecto al primer vector se escribedet a X b Y X a det X X b det Y X displaystyle det aX bY X a det X X b det Y X y respecto al segundo det X a X b Y a det X X b det X Y displaystyle det X aX bY a det X X b det X Y Fig 2 Suma de las areas de dos paralelogramos adyacentes La figura 2 en el plano ilustra un caso particular de esta formula Representa dos paralelogramos adyacentes uno definido por los vectores u y v en verde y otro por los vectores u y v en azul Es facil ver sobre este ejemplo el area del paralelogramo definido por los vectores u u y v en gris es igual a la suma de los dos paralelogramos precedentes a la cual se sustrae el area de un triangulo y se anade el area de otro triangulo Ambos triangulos se corresponden por translacion y la formula siguiente se verifica Det u u v Det u v Det u v El dibujo corresponde a un caso particular de la formula de bilinealidad ya que las orientaciones han sido elegidas de manera que las areas tengan el mismo signo aunque ayuda a comprender el contenido geometrico Generalizacion Editar Es posible definir la nocion de determinante en un plano euclideo orientado con una base ortonormal directa B utilizando las coordenadas de los vectores en esta base El calculo del determinante da el mismo resultado sea cual sea la base ortonormal directa elegida para el calculo Determinante de tres vectores en el espacio euclideo Editar Sea E el espacio euclideo orientado de dimension 3 El determinante de tres vectores de E se da por det X X X x x x y y y z z z x y y z z x y y z z x y y z z x y z x y z x y z x y z x y z x y z displaystyle det X X X begin vmatrix x amp x amp x y amp y amp y z amp z amp z end vmatrix x begin vmatrix y amp y z amp z end vmatrix x begin vmatrix y amp y z amp z end vmatrix x begin vmatrix y amp y z amp z end vmatrix xy z x y z x yz xy z x yz x y z Fig 3 Ilustracion grafica de la trilinealidad Este determinante lleva el nombre de producto mixto Propiedades Editar El valor absoluto del determinante es igual al volumen de paralelepipedo definido por los tres vectores El determinante es nulo si y solo si los tres vectores se encuentran en un mismo plano paralelepipedo plano La aplicacion determinante es trilineal sobre tododet a X b Y X X a det X X X b det Y X X displaystyle det aX bY X X a det X X X b det Y X X Una ilustracion geometrica de esta propiedad se da en la figura 3 con dos paralelepipedos adyacentes es decir con una cara comun La igualdad siguiente es entonces intuitiva det u u v w det u v w det u v w displaystyle det u u v w det u v w det u v w Propiedades EditarEl determinante de una matriz es un invariante algebraico lo cual implica que dada una aplicacion lineal todas las matrices que la represente tendran el mismo determinante Eso permite definir el valor del determinante no solo para matrices sino tambien para aplicaciones lineales El determinante de una matriz y el de su traspuesta coinciden det A t det A displaystyle det A t det A Una aplicacion lineal entre espacios vectoriales es invertible si y solo si su determinante no es nulo Por lo tanto una matriz con coeficientes en un cuerpo es invertible si y solo si su determinante es no nulo Determinante del producto Editar Una propiedad fundamental del determinante es su comportamiento multiplicativo frente al producto de matrices det A B det A det B displaystyle det mathbf AB det mathbf A cdot det mathbf B Esta propiedad es mas trascendente de lo que parece y es muy util en el calculo de determinantes En efecto supongamos que queremos calcular el determinante de la matriz A displaystyle mathbf A y que U displaystyle mathbf U es cualquier matriz con determinante uno el elemento neutro respecto al producto del cuerpo En este caso se verifica que det A det A det U det A U displaystyle det mathbf A det mathbf A cdot det mathbf U det mathbf AU y analogamente det A det U A displaystyle det mathbf A det mathbf UA Una aplicacion lineal entre dos espacios vectoriales de dimension finita se puede representar mediante una matriz La matriz asociada a la composicion de aplicaciones lineales entre espacios de dimension finita se puede calcular mediante el producto de matrices Dadas dos aplicaciones lineales u displaystyle u y v displaystyle v se cumple lo siguiente det u v det u det v displaystyle det u circ v det u cdot det v Matrices en bloques Editar Sean A B C D displaystyle A B C D matrices de tamanos n n n m m n m m displaystyle n times n n times m m times n m times m respectivamente Entoncesdet A 0 C D det A B 0 D det A det D displaystyle det left begin array cc A amp 0 C amp D end array right det left begin array cc A amp B 0 amp D end array right det A cdot det D Esto se puede ver de la formula de Leibniz Empleando la siguiente identidad A B C D A 0 C I I A 1 B 0 D C A 1 B displaystyle left begin array cc A amp B C amp D end array right left begin array cc A amp 0 C amp I end array right times left begin array cc I amp A 1 B 0 amp D CA 1 B end array right vemos que para una matriz inversible A es det A B C D det A det D C A 1 B displaystyle det left begin array cc A amp B C amp D end array right det A cdot det D CA 1 B Analogamente se puede obtener una identidad similar con det D displaystyle det D factorizado 7 Si d i j displaystyle d ij son matrices diagonales det d 11 d 1 c d r 1 d r c det det d 11 det d 1 c det d r 1 det d r c displaystyle det left begin array ccc d 11 amp ldots amp d 1c vdots amp amp vdots d r1 amp ldots amp d rc end array right det left begin array ccc det d 11 amp ldots amp det d 1c vdots amp amp vdots det d r1 amp ldots amp det d rc end array right 8 Derivada de la funcion determinante Editar La funcion determinante puede definirse sobre el espacio vectorial formado por las matrices cuadradas de orden n Dicho espacio vectorial puede convertirse facilmente en un espacio vectorial normado mediante la norma matricial gracias a lo cual dicho espacio se convierte en un espacio metrico y topologico donde se pueden definir limites El determinante puede definirse como un morfismo del algebra de las matrices al conjunto de los elementos del cuerpo sobre el que se definen las matrices det M n n K K displaystyle det M n times n mathbb K to mathbb K La diferencial de la funcion determinante viene dada en terminos de la matriz de adjuntos det A H D det A H lim ϵ 0 det A ϵ H det A ϵ tr adj A H displaystyle frac partial det mathbf A partial mathbf H D det mathbf A mathbf H lim epsilon to 0 frac det mathbf A epsilon H det mathbf A epsilon mbox tr left mbox adj mathbf A mathbf H right Donde adj A displaystyle mbox adj mathbf A es la matriz de adjuntos tr displaystyle mbox tr cdot es la traza de la matriz Menores de una matriz EditarArticulo principal Menor algebra lineal Ademas del determinante de una matriz cuadrada dada una matriz se pueden definir otras magnitudes mediante el empleo de determinantes relacionadas con las propiedades algebraicas de dicha matriz En concreto dada una matriz cuadrada o rectangular se pueden definir los llamados determinantes menores de orden r a partir del determinante de submatrices cuadradas de rxr de la matriz original Dada la matriz A a i j displaystyle mathbf A a ij A a 11 a 1 n a m 1 a m n displaystyle mathbf A begin bmatrix a 11 amp dots amp a 1n dots amp dots amp dots a m1 amp dots amp a mn end bmatrix Se define cualquier menor de rango r como a i 1 j 1 a i 1 j r a i r j 1 a i r j r 1 i 1 lt i 2 lt lt i r n 1 j 1 lt j 2 lt lt j r m displaystyle begin vmatrix a i 1 j 1 amp dots amp a i 1 j r dots amp dots amp dots a i r j 1 amp dots amp a i r j r end vmatrix qquad begin cases 1 leq i 1 lt i 2 lt dots lt i r leq n 1 leq j 1 lt j 2 lt dots lt j r leq m end cases Debe notarse que en general existira un numero elevado de menores de orden r de hecho el numero de menores de orden r de una matriz mxn viene dado por Min r m n m r n r displaystyle mbox Min r m times n m choose r n choose r Una propiedad interesante es que el rango coincide con el orden del menor no nulo mas grande posible siendo el calculo de menores una de los medios mas empleados para calcular el rango de una matriz o de una aplicacion lineal Vease tambien EditarMatriz matematica Teorema de Laplace Regla de Sarrus Regla de CramerReferencias Editar E Knobloch Der Beginn der Determinantentheorie Leibnizens nachgelassene Studien zum Determinantenkalkul Hildesheim 1980 Y Mikami The development of Mathematics in China and Japan 1913 2e ed Chelsea Pub Company 1974 C B Boyer A History of Mathematics John Wiley 1968 M Cantor Geschichte der Mathematik Teubner 1913 a b O Connor John J Robertson Edmund F Matrices and determinants en ingles MacTutor History of Mathematics archive Universidad de Saint Andrews http www history mcs st andrews ac uk HistTopics Matrices and determinants html consultado el 11 de abril de 2020 a b c d Kline 1990 p 796 Estas identidades fueron tomadas de Copia archivada Archivado desde el original el 13 de enero de 2008 Consultado el 2 de febrero de 2010 Este es un caso especial de un teorema publicado en Copia archivada Archivado desde el original el 9 de junio de 2007 Consultado el 27 de junio de 2008 Bibliografia Editar Kline Morris 1990 Mathematical Thought from Ancient to Modern Times 2 Nueva York Oxford University Press ISBN 0 19 506136 5 Enlaces externos Editar Ejercicios resueltos de determinantes Weisstein Eric W Determinant En Weisstein Eric W ed MathWorld en ingles Wolfram Research Determinant en PlanetMath Datos Q178546 Multimedia DeterminantObtenido de https es wikipedia org w index php title Determinante matematica amp oldid 137709014, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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