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Determinante

numero caratteristico per una matrice quadrata
Una trasformazione lineare del piano cartesiano è descritta da una matrice quadrata . Il determinante della matrice fornisce delle informazioni sulla trasformazione: il valore assoluto descrive il cambiamento di area, mentre il segno descrive il cambiamento di orientazione. Nell'esempio qui riportato, la matrice ha determinante -1: quindi la trasformazione preserva le aree (un quadrato di area 1 si trasforma in un parallelogramma di area 1) ma inverte l'orientazione del piano.

In algebra lineare, il determinante di una matrice quadrata è un numero che descrive alcune proprietà algebriche e geometriche della matrice.

Esso viene generalmente indicato con e, a volte, con . Quest'ultima notazione è più compatta, ma anche più ambigua, in quanto utilizzata talvolta per descrivere una norma della matrice.[1]

Il determinante è un potente strumento usato in vari settori della matematica: innanzitutto nello studio dei sistemi di equazioni lineari, quindi nel calcolo infinitesimale a più dimensioni (ad esempio nello Jacobiano), nel calcolo tensoriale, nella geometria differenziale, nella teoria combinatoria, ecc.

Il volume di questo parallelepipedo è il valore assoluto del determinante della matrice formata dai vettori e . Questa relazione fra volume e determinante è valida in qualsiasi dimensione.

Il significato geometrico principale del determinante si ottiene interpretando la matrice quadrata di ordine come trasformazione lineare di uno spazio vettoriale a dimensioni: con questa interpretazione, il valore assoluto di è il fattore con cui vengono modificati i volumi degli oggetti contenuti nello spazio (anche se ciò è improprio senza considerare il significato di misura). Se è diverso da zero, il segno del determinante indica inoltre se la trasformazione preserva o cambia l'orientazione dello spazio rispetto agli assi di riferimento.

Indice

DefinizioneModifica

Il determinante di una matrice 2 × 2 è pari a:

 

Per definire il determinante di una generica matrice quadrata   si possono seguire due approcci: quello assiomatico, che definisce il determinante come l'unica quantità che soddisfa alcuni assiomi, e quello costruttivo tramite una formula esplicita. Esistono poi vari metodi di calcolo che risultano più agevoli a seconda del contesto.

Definizione tramite assiomiModifica

Sia   lo spazio vettoriale delle matrici quadrate   a valori nel campo   (ad esempio, il campo dei numeri reali o complessi).

Il determinante è l'unica funzione   avente le proprietà seguenti:

  •   dove la matrice   è la matrice identità.
  • Si comporta nel modo seguente rispetto all'algoritmo di Gauss-Jordan:
    • se   è ottenuta scambiando due righe o due colonne di  , allora  ,
    • se   è ottenuta moltiplicando una riga o una colonna di   per  , allora  ,
    • se   è ottenuta sommando una riga o una colonna rispettivamente di   a un'altra, allora  

Le proprietà elencate hanno un significato geometrico: sono le proprietà che deve verificare una funzione il cui valore assoluto è il volume del poliedro individuato dai vettori riga della matrice   e il cui segno è positivo se e solo se tali vettori sono equiorientati alla base canonica.

Definizione costruttivaModifica

Il determinante di una matrice   può essere definito in un modo più costruttivo, tramite la formula di Leibniz:

 

Nella formula,   è l'insieme di tutte le permutazioni   dell'insieme numerico   e   denota il segno della permutazione (  se   è una permutazione pari, −1 se è dispari).

Da questa formula si vede che il numero di elementi della sommatoria è uguale a   (la cardinalità di  ).

Per esempio, il determinante di una matrice 3 × 3 (n = 3) è

 

In particolare:

  • Se  , il determinante di   è semplicemente:
 
  • Se  , si ottiene la formula già vista:
 
  • Se  , si ottiene:
 

Quest'ultima formula può essere memorizzata tramite la regola di Sarrus (che non è però estendibile ai casi  ).

La complessità della definizione costruttiva (comprese la generazione delle permutazioni) è elevata:

 

Metodi di calcoloModifica

La definizione costruttiva del determinante è spesso complicata da usare per un calcolo concreto, perché si basa su una somma di ben   addendi. Esistono altri algoritmi che consentono di calcolare il determinante più facilmente. Ciascun metodo ha una efficienza variabile, dipendente dalla grandezza della matrice e dalla presenza di zeri.

Matrici quadrate di ordine 2Modifica

 
L'area del parallelogramma è il determinante della matrice

Il determinante di una matrice 2 × 2 è pari a:

 

Il valore assoluto di questa espressione è pari all'area del parallelogramma con vertici in   e  . Il segno del determinante (se questo è diverso da zero) dipende invece dall'ordine ciclico con cui compaiono i vertici del parallelogramma (il segno è negativo se il parallelogramma è stato "ribaltato", e positivo altrimenti).

Come spiegato più sotto, questa proprietà geometrica si estende anche in dimensioni maggiori di 2: il determinante di una matrice   è ad esempio il volume del poliedro i cui vertici si ricavano dalle colonne della matrice con lo stesso procedimento visto.

Matrici quadrate di ordine 3Modifica

 
Calcolo del determinante di una matrice   tramite un metodo equivalente alla regola di Sarrus. Questo metodo non si estende a matrici più grandi.

Il determinante di una matrice 3 × 3 è pari a:

 

Un metodo mnemonico per ricordare questa formula, espresso dalla regola di Sarrus (questo metodo non si estende a matrici più grandi), prevede di calcolare i prodotti dei termini sulle diagonali "continue". Ripetendo a destra della matrice le sue prime due colonne:

 

i prodotti delle componenti sulle 3 "diagonali" che partono dall'alto a sinistra (diagonali principali) sono  ,   e  , mentre sulle 3 "diagonali" che partono dal basso a sinistra (diagonali secondarie) si trovano  ,  ,  . Il determinante della matrice è esattamente la differenza tra la somma dei primi tre termini   e la somma degli ultimi tre  .

Notare che il valore del determinante equivale in questo caso al prodotto misto tra i vettori:

 

e il suo valore assoluto equivale al volume del parallelepipedo che ha i tre vettori come spigoli.

Sviluppo di LaplaceModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Teorema di Laplace.

Lo sviluppo di Laplace è un metodo di calcolo del determinante, che risulta efficiente solo per matrici molto piccole o contenenti un gran numero di zeri[2]. Si procede scegliendo una riga, la  -esima, tramite la formula:

 

dove   è il complemento algebrico della coppia  , cioè   è data da   per il determinante (minore) di ordine   ottenuto dalla matrice   eliminando la riga  -esima e la colonna  -esima.

Esiste uno sviluppo analogo anche lungo la  -esima colonna.

Algoritmo di GaussModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Metodo di eliminazione di Gauss.

La definizione assiomatica fornisce un altro utile strumento di calcolo del determinante, che si basa su questi due principi:

  • Il determinante di una matrice triangolare è semplicemente il prodotto degli elementi sulla diagonale, cioè:
 

EsempioModifica

Supponiamo di voler calcolare il determinante di:

 

Si può procedere direttamente tramite la definizione costruttiva:

 
 

Alternativamente si può utilizzare lo sviluppo di Laplace secondo una riga o una colonna. Conviene scegliere una riga o una colonna con molti zeri, in modo da ridurre gli addendi dello sviluppo; nel nostro caso sviluppiamo secondo la seconda colonna:

 
 

Lo sviluppo di Laplace può essere combinato con alcune mosse di Gauss. Ad esempio qui risulta particolarmente vantaggioso sommare la seconda colonna alla prima:

 

Questa mossa non cambia il determinante. Sviluppando lungo la prima colonna si ottiene quindi ancora:

 
 

ProprietàModifica

Proprietà elementariModifica

Dalle proprietà elencate nella definizione assiomatica, è facile dedurre che:

  • Se tutti gli elementi di una riga (o colonna) sono nulli, allora  .
  • Se   ha due righe (o colonne) eguali, o proporzionali, allora  .
  • Se una riga (o colonna) è combinazione lineare di due o più altre righe (o colonne) a essa parallele, allora  .
  • Se   viene modificata tramite mosse di Gauss sulle colonne (invece che sulle righe), l'effetto è sempre quello descritto nella definizione assiomatica.
  • In particolare, scambiando tra di loro due righe o due colonne il determinante cambia segno, restando uguale in valore assoluto. Ne consegue che un numero pari di scambi non varia né il segno né il modulo del determinante.
  • Se una riga (o una colonna) è somma di due righe (o colonne),   è la somma dei due determinanti che si ottengono sostituendo a quella riga (o colonna) rispettivamente le due righe (o colonne) di cui è somma.
 
Il determinante misura il volume del parallelepipedo generato dai vettori colonna della matrice. Moltiplicando un vettore per due, il volume viene moltiplicato per due (come richiesto dalla definizione assiomatica)

Moltiplicazione di matriciModifica

Il determinante è una funzione moltiplicativa, nel senso che vale il teorema di Binet:

 

Una matrice quadrata   con valori in un campo   è invertibile se e solo se  . In caso affermativo vale l'uguaglianza:

 

Le proprietà appena elencate mostrano che l'applicazione:

 

dal gruppo generale lineare negli elementi non nulli di   è un omomorfismo di gruppi.

Come conseguenza del teorema di Binet, se   è la matrice identità di tipo   e   uno scalare, è facile verificare che  . Infatti:

 

Trasposte, matrici similiModifica

Una matrice e la sua trasposta hanno lo stesso determinante:

 

Se   e   sono simili (cioè esiste una matrice invertibile   tale che   =  ) allora per il teorema di Binet  

Questo significa che il determinante è un invariante per similitudine. Da questo segue che il determinante di una trasformazione lineare   è ben definito (non dipende dalla scelta di una base per lo spazio vettoriale  ).

D'altra parte, esistono matrici con lo stesso determinante che non sono simili.

Nel campo dei numeri reali, il segno del determinante è anche invariante per congruenza.

AutovaloriModifica

Il determinante di una matrice triangolare è il prodotto degli elementi nella diagonale.

Se   è di tipo   con valori reali o complessi e ha tutti gli autovalori   nel campo (contati con molteplicità), allora:

 

Questa uguaglianza segue dal fatto che   è sempre simile alla sua forma normale di Jordan, che è una matrice triangolare superiore con gli autovalori sulla diagonale principale.

Dal collegamento fra determinante e autovalori si può derivare una relazione fra la funzione traccia, la funzione esponenziale e il determinante:

 

DerivataModifica

Il determinante può considerarsi una funzione polinomiale:

 

quindi essa è differenziabile rispetto a ogni variabile corrispondente al valore che può assumere in una casella e per qualunque suo valore. Il suo differenziale può essere espresso mediante la formula di Jacobi:

 

dove   denota la trasposta della matrice dei cofattori (detta anche dei complementi algebrici) di  , mentre   ne denota la traccia. In particolare, se   è invertibile si ha:

 

o, più colloquialmente, se i valori della matrice   sono sufficientemente piccoli:

 

Il caso particolare di   coincidente con la matrice identità   comporta:

 

ApplicazioniModifica

Sistemi lineariModifica

Il determinante è utile a calcolare il rango di una matrice e quindi a determinare se un sistema di equazioni lineari ha soluzione, tramite il teorema di Rouché-Capelli. Quando il sistema ha una sola soluzione, questa può essere esplicitata usando il determinante, mediante la regola di Cramer.

Matrici e trasformazioni invertibiliModifica

Una matrice è detta singolare se ha determinante nullo. Una matrice singolare non è mai invertibile, e se è definita su un campo vale anche l'inverso: una matrice non singolare è sempre invertibile.

Una trasformazione lineare del piano, dello spazio, o più in generale di uno spazio euclideo o vettoriale (di dimensione finita)   è rappresentata (dopo aver scelto una base) da una matrice quadrata  . Il determinante è una quantità che non dipende dalla base scelta, e quindi solo dalla funzione  : si può quindi parlare di determinante di  , che si indica con  .

Molte affermazioni su   sono equivalenti:

  è una corrispondenza biunivoca     è un isomorfismo     è iniettiva     è suriettiva    

Quindi ciascuna di queste affermazioni equivalenti è vera se e solo se il determinante non è zero.

Autovalori e autovettoriModifica

 Lo stesso argomento in dettaglio: Polinomio caratteristico.

Il determinante consente di trovare gli autovalori di una matrice   mediante il suo polinomio caratteristico:

 

dove   è la matrice identità avente stesso numero di righe di  .

Basi, sistemi di riferimentoModifica

Dati   vettori nello spazio euclideo  , sia   la matrice avente come colonne questi vettori. Le seguenti affermazioni sono equivalenti:

i vettori sono indipendenti   i vettori generano     i vettori formano una base    

Se gli   vettori formano una base, allora il segno di   determina l'orientazione della base: se positivo, la base forma un sistema di riferimento destrorso, mentre se è negativo si parla di sistema di riferimento sinistrorso (in analogia con la regola della mano destra).

VolumiModifica

 
Cubo prima della trasformazione, di volume 1.
 
L'immagine del cubo dopo la trasformazione è un parallelepipedo, il cui volume è pari al determinante della trasformazione.

Il valore assoluto   del determinante è uguale al volume del parallelepipedo sotteso dai vettori dati dalle colonne di   (il parallelepipedo è in realtà un parallelogramma se  , e un solido di dimensione   in generale). Più in generale, data una trasformazione lineare:

 

rappresentata da una matrice  , e un qualsiasi sottoinsieme   di   misurabile secondo Lebesgue, il volume dell'immagine   è dato da:

 

Ancora più in generale, se la trasformazione lineare   è rappresentata da una matrice   di tipo   e   è un sottoinsieme di   misurabile secondo Lebesgue, allora il volume di   è dato da:

 

GeneralizzazioniModifica

PfaffianoModifica

Lo pfaffiano è un analogo del determinante per matrici antisimmetriche di tipo   . Si tratta di un polinomio di grado   il cui quadrato è uguale al determinante della matrice.

Infinite dimensioniModifica

Per gli spazi a infinite dimensioni non si trova alcuna generalizzazione dei determinanti e della nozione di volume. Sono possibili svariati approcci, inclusa la utilizzazione dell'estensione della traccia di una matrice.

Determinante di un endomorfismoModifica

Se   è uno spazio vettoriale di dimensione finita   sul campo   allora è possibile definire il determinante di un endomorfismo   direttamente, senza fare ricorso a una base di  . Sia   lo spazio vettoriale degli  vettori di  . Consideriamo l'endomorfismo   di   definito di modo che:

 

per ogni  , ed esteso per linearità a tutto  . Poiché   ha dimensione uguale a 1 risulta che   altro non è che la moltiplicazione per uno scalare. Quindi possiamo definire il determinante di   attraverso l'equazione:

 

per ogni  . A questo punto seguono tutte le proprietà del determinante, in particolare è immediato che   dove   è l'endomorfismo identità di  . Se   è un altro endomorfismo di   allora:

 
 

da cui  . Se   non è un isomorfismo allora l'immagine di   ha dimensione strettamente minore di   e quindi   sono sicuramente linearmente dipendenti, essendo che   è una forma multilineare alternante segue che   e quindi  . Si verifica che fissata una base su   il determinante della matrice associata a   rispetto a tale base coincide con il determinante di  .

NoteModifica

  1. ^ La notazione   fu introdotta per la prima volta nel 1841 dal matematico inglese Arthur Cayley (MacTutor).
  2. ^ Per una matrice   piena, ossia senza elementi nulli, si dovrebbero eseguire n! moltiplicazioni.

BibliografiaModifica

Voci correlateModifica

Altri progettiModifica

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