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Álgebra A (62) · Unidad 7 — Determinantes

Cómo se calcula un determinante

El determinante es un número que se le asigna a una matriz cuadrada. El de 2×2 es una cuenta directa; los más grandes se reducen a determinantes más chicos.

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La explicación

De 2×2

A = [[a, b], [c, d]]      det(A) = a d − b c

Producto de la diagonal principal menos producto de la otra. Es la cuenta que ya apareció en la fórmula de la inversa, y no es casualidad.

De 3×3: desarrollo por cofactores

Se elige una fila (o columna), y por cada elemento se calcula el determinante de la matriz 2×2 que queda al tachar su fila y su columna. Eso se llama el menor.

det(A) = a₁₁·M₁₁ − a₁₂·M₁₂ + a₁₃·M₁₃
Los signos alternan como un tablero de ajedrez, empezando con + arriba a la izquierda:
+ − +
− + −
+ − +
El signo del lugar (i, j) es (−1)i+j. Olvidar el menos del medio es el error más frecuente de todo el tema.

El truco que ahorra la mitad del trabajo

Se puede desarrollar por cualquier fila o columna: el resultado es el mismo. Entonces conviene elegir la que tenga más ceros, porque cada cero anula un menor entero.

⎡ 1  5  3 ⎤
⎢ 0  2  0 ⎥   ←  desarrollar por acá: sólo sobrevive un término
⎣ 4  7  6 ⎦
det = −0·M₂₁ + 2·M₂₂ − 0·M₂₃ = 2·(1·6 − 3·4) = 2·(−6) = −12

Regla de Sarrus (sólo 3×3)

Como alternativa: se repiten las dos primeras columnas a la derecha, se suman los tres productos de las diagonales que bajan hacia la derecha y se restan los tres que bajan hacia la izquierda.

det = a₁₁a₂₂a₃₃ + a₁₂a₂₃a₃₁ + a₁₃a₂₁a₃₂
       − a₁₃a₂₂a₃₁ − a₁₁a₂₃a₃₂ − a₁₂a₂₁a₃₃

Sarrus sirve únicamente para 3×3. Aplicarla a una 4×4 da cualquier cosa. El desarrollo por cofactores, en cambio, funciona para cualquier tamaño — de 4×4 se pasa a cuatro determinantes de 3×3.

Casos que salen de memoria

det(I) = 1
matriz triangular → el determinante es el producto de la diagonal
una fila (o columna) de ceros → det = 0
dos filas iguales → det = 0

El de las triangulares es el más útil: si ya triangulaste la matriz en un ejercicio anterior, el determinante te sale multiplicando la diagonal.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Calcular el determinante de A = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 10]] por cofactores y verificarlo con Sarrus.

Por cofactores, primera fila (no hay ceros, así que da igual cuál).

M₁₁ = det[[5, 6], [8, 10]] = 50 − 48 = 2
M₁₂ = det[[4, 6], [7, 10]] = 40 − 42 = −2
M₁₃ = det[[4, 5], [7, 8]] = 32 − 35 = −3
det(A) = 1·(2) − 2·(−2) + 3·(−3)
= 2 + 4 − 9
= −3
Fijate en el segundo término: el menor dio −2, y el signo del desarrollo es −, así que el término es −2·(−2) = +4. Dos signos negativos que se combinan es exactamente donde se equivoca casi todo el mundo. Conviene escribir los menores primero, con su signo, y recién después armar la suma.

Verificación con Sarrus. Sumas de las diagonales que bajan a la derecha:

1·5·10 + 2·6·7 + 3·4·8 = 50 + 84 + 96 = 230

Restas, las que bajan a la izquierda:

3·5·7 + 1·6·8 + 2·4·10 = 105 + 48 + 80 = 233
det(A) = 230 − 233 = −3  ✔

Los dos métodos coinciden.

Qué significa que dio distinto de cero. Que A es inversible, que sus filas son linealmente independientes, y que el sistema A·X = B tiene solución única para cualquier B. Ese es el tema 7.3, pero conviene ir conectándolo: el determinante no es una cuenta suelta, es un detector.

De dónde sale ese −3. Si cambiás el 10 por un 9, las tres filas pasan a ser dependientes —queda F₃ = 2F₂ − F₁, probalo: 2(4,5,6) − (1,2,3) = (7,8,9)— y el determinante da 0. O sea que esta matriz está a un número de ser singular, y por eso el resultado es chico comparado con los 230 de las cuentas intermedias.

Lo que ese −3 no dice. Que un determinante sea chico no significa, por sí solo, que la matriz esté cerca de ser singular: depende de la escala. La matriz 0,1·I de 3×3 tiene determinante 0,001 y es perfectamente inversible. El único umbral que importa es el cero.

Y uno del nivel del parcial

Calcular el determinante de la matriz A = [[2,1,0,0], [1,2,1,0], [0,1,2,1], [0,0,1,2]] desarrollando por la primera columna, y encontrar el patrón que siguen los determinantes de sus menores principales.

Antes de calcular, mirar la matriz. Es tridiagonal: solo hay números en la diagonal y en las dos vecinas; todo lo demás es 0. Eso hace que el desarrollo por cofactores tenga muy pocos términos.

Se desarrolla por la primera columna, que tiene dos ceros de los cuatro elementos:

det(A) = 2·M₁₁ − 1·M₂₁ + 0 − 0

donde M₁₁ y M₂₁ son los menores, o sea los determinantes 3×3 que quedan al tapar la fila y columna correspondientes.

El primer menor (tapando fila 1 y columna 1):

M₁₁ = det [ 2   1   0 ; 1   2   1 ; 0   1   2 ]
= 2·(4 − 1) − 1·(2 − 0) + 0 = 6 − 2 = 4

El segundo menor (tapando fila 2 y columna 1):

M₂₁ = det [ 1   0   0 ; 1   2   1 ; 0   1   2 ]
= 1·(4 − 1) − 0 + 0 = 3

Se junta, sin olvidar el signo del cofactor (el de la posición 2,1 es negativo):

det(A) = 2·4 − 1·3 = 8 − 3 = 5

Ahora el patrón, que es la segunda parte. Se calculan los determinantes de las submatrices de arriba a la izquierda, de tamaño creciente:

D₁ = det[2] = 2
D₂ = det[[2,1],[1,2]] = 4 − 1 = 3
D₃ = 4 (es el M₁₁ de recién)
D₄ = 5 (es det(A))
2, 3, 4, 5 → Dn = n + 1

Por qué sale eso. Al desarrollar por la primera columna de una tridiagonal como esta, siempre queda la misma relación:

Dn = 2·Dn−1 − Dn−2

Se verifica con los que ya tenemos:

D₃ = 2·3 − 2 = 4 ✓
D₄ = 2·4 − 3 = 5 ✓

Y la fórmula n + 1 cumple la recurrencia: 2(n) − (n−1) = n + 1 ✓. Con eso se puede predecir el determinante de la matriz 10×10 sin calcularlo: D₁₀ = 11.

Para qué sirve el patrón. Un parcial puede pedir el determinante de la tridiagonal 6×6. Calcularlo a mano por cofactores son varias páginas; con la recurrencia son dos renglones: D₅ = 2·5 − 4 = 6 y D₆ = 2·6 − 5 = 7.

Un control adicional: como det(A) = 5 ≠ 0, la matriz es inversible y sus cuatro filas son linealmente independientes. Y como todos los Dn dan positivos, la matriz es además definida positiva — un dato que en otras materias vale mucho.

Dónde se pierde el punto: los signos de los cofactores. Se alternan como un tablero de ajedrez empezando por + arriba a la izquierda, así que en la primera columna van +, −, +, −. Desarrollar por una fila o columna con muchos ceros no solo ahorra cuentas: ahorra oportunidades de equivocar un signo.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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