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Álgebra A (62) · Unidad 7 — Determinantes

Determinante, inversa e independencia

El determinante es un detector: si da distinto de cero, la matriz es inversible, las filas son independientes y el sistema tiene solución única. Todo es la misma pregunta.

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La explicación

El teorema que une todo

Para A ∈ ℝn×n, son equivalentes:

• det(A) ≠ 0
• A es inversible
• rg(A) = n
• las filas de A son linealmente independientes
• las columnas de A son linealmente independientes
• A·X = O tiene sólo la solución trivial
• A·X = B tiene solución única para todo B
"Equivalentes" quiere decir que si una se cumple, se cumplen todas. No son siete propiedades para memorizar: son siete caras de la misma. Por eso un ejercicio puede preguntar cualquiera de ellas y contestarse calculando el determinante, que suele ser lo más rápido.

Independencia lineal

v₁, …, vn son linealmente independientes si
    a₁v₁ + … + anvn = O  sólo con  a₁ = … = an = 0

En palabras: la única manera de combinarlos para obtener el vector nulo es con todos los coeficientes en cero. Si hay otra forma, son dependientes y al menos uno se escribe en función de los demás.

Cómo se chequea en la práctica: se ponen los vectores como filas de una matriz.

n vectores de ℝⁿ  →  matriz cuadrada  →  calcular el determinante
otra cantidad           →  triangular y mirar el rango

Bases

n vectores de ℝⁿ forman una base  ⟺  el determinante es ≠ 0

Es el criterio más rápido y el que más se usa. Para 3 vectores de ℝ³, un determinante de 3×3 y listo.

Conviene tener presente el conteo: más de n vectores en ℝⁿ son siempre dependientes (no hace falta calcular nada), y menos de n nunca generan todo ℝⁿ.

Una lectura geométrica

en ℝ²: |det| = área del paralelogramo que forman las filas
en ℝ³: |det| = volumen del paralelepípedo que forman las filas

Y con eso el "det = 0" se vuelve intuitivo: área o volumen cero significa que los vectores están aplastados — alineados en ℝ², o coplanares en ℝ³. Que es exactamente lo que significa ser dependientes.

De hecho, el determinante 3×3 de tres vectores es el producto mixto del tema 5.3: la misma cuenta con otro nombre.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Decidir si v₁ = (1, 2, 3), v₂ = (2, 5, 7) y v₃ = (3, 6, 8) forman una base de ℝ³, y si no, escribir una relación de dependencia.

Son 3 vectores de ℝ³, así que la matriz es cuadrada y el criterio es el determinante.

A = ⎡ 1  2  3 ⎤
        ⎢ 2  5  7 ⎥
        ⎣ 3  6  8 ⎦

Conviene triangular, porque sumarle a una fila un múltiplo de otra no cambia el determinante y de paso muestra la dependencia si la hay:

F₂ → F₂ − 2F₁:  (0, 1, 1)
F₃ → F₃ − 3F₁:  (0, 0, −1)
⎡ 1  2   3 ⎤
⎢ 0  1   1 ⎥     det = 1 · 1 · (−1) = −1
⎣ 0  0  −1 ⎦

Distinto de cero, así que los tres vectores sí forman una base de ℝ³. No hay relación de dependencia que escribir.

Y con eso quedan contestadas de una vez todas estas preguntas: A es inversible, su rango es 3, el sistema A·X = O tiene sólo la solución trivial, A·X = B tiene solución única para cualquier B, y las columnas también son independientes. Un solo determinante.

Qué habría pasado si daba cero. La triangulación habría dejado una fila de ceros, y los coeficientes que usaste para llegar a ella son la relación de dependencia. Por ejemplo, si F₃ − 3F₁ + 0·F₂ hubiera dado (0,0,0), la relación sería v₃ = 3v₁.

Control geométrico: |det| = 1 es el volumen del paralelepípedo que arman los tres vectores. Es chico —los vectores apuntan todos más o menos para el mismo lado— pero no es cero, así que no son coplanares. Que dé chico es normal y no indica ningún error.

Y uno del nivel del parcial

Hallar el rango de A = [[1, 2, −1], [2, 4, k], [1, k, 1]] según los valores de k ∈ ℝ.

El rango de una matriz 3×3 vale 3 exactamente cuando su determinante no es cero, así que el primer paso es calcularlo con el parámetro adentro.

det(A) = det [ 1   2   −1 ; 2   4   k ; 1   k   1 ]

Desarrollando por la primera fila:

= 1·(4·1 − k·k) − 2·(2·1 − k·1) + (−1)·(2·k − 4·1)
= (4 − k²) − 2·(2 − k) − (2k − 4)
= 4 − k² − 4 + 2k − 2k + 4
det(A) = 4 − k²

Se busca cuándo se anula:

4 − k² = 0 → k² = 4 → k = 2 o k = −2

Primer caso: k ≠ 2 y k ≠ −2. El determinante no es cero, las tres filas son independientes:

rango(A) = 3

Control con k = 0: det = 4 ≠ 0 ✓, rango 3.

Segundo caso: k = 2. Hay que escalonar, porque saber que el rango no es 3 no dice si es 2 o 1.

A = [ 1   2   −1 ; 2   4   2 ; 1   2   1 ]
F₂ → F₂ − 2·F₁: [ 0   0   4 ]
F₃ → F₃ − F₁: [ 0   0   2 ]
F₃ → F₃ − F₂/2: [ 0   0   0 ]

Quedan dos filas no nulas:

rango(A) = 2 cuando k = 2

Tercer caso: k = −2. Se escalona de nuevo, porque el resultado no tiene por qué ser el mismo.

A = [ 1   2   −1 ; 2   4   −2 ; 1   −2   1 ]

Acá se ve a ojo que la segunda fila es el doble de la primera:

F₂ → F₂ − 2·F₁: [ 0   0   0 ]
F₃ → F₃ − F₁: [ 0   −4   2 ]

Quedan dos filas no nulas otra vez:

rango(A) = 2 cuando k = −2

La respuesta completa:

rango(A) = 3 si k ≠ 2 y k ≠ −2
rango(A) = 2 si k = 2 o k = −2

Lo interesante es que los dos casos degenerados son distintos por dentro, aunque den el mismo rango: con k = −2 la segunda fila es múltiplo de la primera, y con k = 2 no lo es (la dependencia aparece recién entre las combinaciones). Por eso hay que escalonar los dos por separado, y no suponer que uno vale por el otro.

El rango nunca baja a 1 acá, porque en los dos valores críticos el escalonamiento dejó dos filas no nulas. (Que la primera fila (1, 2, −1) no sea nula sólo garantiza un pivote, o sea rango al menos 1.) El mínimo posible es 1, y se alcanzaría solo si las tres filas fueran múltiplos de una sola.

Para qué sirve el rango. Si esta A fuera la matriz de un sistema homogéneo, el rango dice cuántas soluciones hay: con rango 3, solo la trivial; con rango 2, una recta de soluciones (3 − 2 = 1 parámetro).

Dónde se pierde el punto: concluir «rango 2» para k = ±2 solo porque el determinante se anula. Eso descarta el 3, pero podría ser 1. Sin escalonar no se sabe, y el escalonamiento hay que hacerlo para cada valor crítico.

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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