Определители второго порядка

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛИТЕЛИ

Определителем второго порядка называется число, соответствующее квадратной матрице второго порядка, равное a₁₁a₂₂ – a₂₁a₁₂. Для обозначения определителя обычно используют прямые скобки (или символ det):

A = (1)

Элементы, составляющие матрицу данного определителя, называют элементами этого определителя.

Для запоминания формулы (1) можно использовать геометрическую схему составления членов определителя и выбора их знаков.

1) положительный член определителя соответствует схеме С1:

a11
	a22

2) отрицательный член определителя соответствует схеме С2:

	a12
a21

Из условия равенства нулю определителя следует цепочка выражений:

или , (2)

 

что определяет пропорциональность строк или столбцов определителя (1), а значит, и соответствующих строк и столбцов связанной с определителем матрицы.

Возникновение математической конструкции «определитель» связывают с задачей исследования и отыскания решения системы двух линейных уравнений с двумя неизвестными:

(3)

где коэффициенты a₁₁, a₂₁, a₁₂, a₂₂ при неизвестных x₁, x₂ и свободные члены b₁, b₂ системы уравнений считаются заданными.

Системе уравнений (3) соответствуют: матрица системы (составлена из коэффициентов при неизвестных) и расширенная матрица (составлена из всех ее коэффициентов, включая свободные члены):

, (4)

Уравняем коэффициенты при неизвестной x₂ в 1-м и 2-м уравнениях системы (3), умножив 1-е на a₂₂, и 2-е на a₁₂. Вычитая из полученного таким образом 1-го уравнения преобразованное 2-е, получим:

. (5)

Аналогично, уравнивая коэффициенты при неизвестной x₁ в 1-м и 2-м уравнениях системы (3), получим:

. (6)

Если ввести обозначения:

, , , (7)

то уравнения (5) и (6) можно записать в виде:

, (8)

Если , то решение системы (3) может быть записано при помощи формул Крамера:

, (9)

Формулы (9) определяют единственное решение. Если считать каждое уравнение системы (3) уравнением прямой, то рассматриваемый случай соответствует двум пересекающимся прямым, причем точка пересечения прямых определяется решением (x₁, ,x₂).

Если , то применение формул Крамера невозможно. В этом случае строки матрицы A пропорциональны (см. (2)):

1). Если при этом ни один из определителей d₁ и d₂ не равен нулю, то геометрическим аналогом системы уравнений (3) является пара параллельных прямых. В этом случае ни одно из равенств (9) невозможно, т.е. решения нет (прямые не имеют общих точек), или говорят – система несовместна.

2). Но, если хотя бы один из определителей d₁ , d₂ равен нулю (на самом деле они равны нулю одновременно!), то, учитывая (2), получим пропорциональность строк матрицы :

(10)

Это значит, что 2-е уравнение системы является следствием 1-го, т.е. фактически имеем одно уравнение с двумя неизвестными, и одной из переменных можно присваивать произ-вольные значения: решений бесчисленное множество – система неопределенна. В этом случае геометрическим аналогом системы уравнений (3) является пара совпавших прямых.

Если свободные члены системы b₁ , b₂ равны одновременно нулю, то система (3) принимает вид:

(11)

и имеет специальное название – однородная система (геометрически каждое уравнение отражает прямую, проходящую через начало координат).

Система (11) всегда имеет решение (0, 0). Если (очевидно при этом d₁ и d₂ равны нулю), то это решение единственно (точка (0, 0) является точкой пересечения прямых). Для того, чтобы система (11) имела еще и ненулевые решения (их оказывается бесчисленное множество), необходимо (в этом случае прямые совпадают).

Пример 13. Вычислим определитель: .

Решение: Используя определение определителя 2-го порядка, из каждого элемента определителя вынесем за знак определителя общие множители, и затем применим формулу (1):

.

Ответ: 1.

Пример 14. Вычислим определитель: .

Решение: Используя формулу (1) вычисления определителя 2-го порядка, запишем:

.

Ответ: 1.

Решите примеры:

Пример 15. Вычислите определитель: .

Пример 16. Вычислите определитель: .

Пример 17. Вычислите определитель: .

Пример 18. Вычислите определитель: .

Пример 19. Вычислите определитель: .

Вопросы для самопроверки:

1. Может ли определитель 2-го порядка не быть числом?

2. Изменится ли определитель 2-го порядка, если в нем строки заменить столб-цами и наоборот (проверьте!)?

3. Изменится ли определитель 2-го порядка, если в нем строки (или столбцы) поменять местами (проверьте!)?

4. Изменится ли определитель 2-го порядка, если в нем из одной строки вычесть другую строку (проверьте!)?

5. Изменится ли определитель 2-го порядка, если в нем из одного столбца вычесть другой столбец (проверьте!)?

6. Изменится ли определитель 2-го порядка, если в нем строку умножить на число 2 (проверьте!)?