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El cálculo de determinantes con diferentes números en diagonal y x todas partes

Estoy teniendo problemas para solucionar el siguiente determinante:

$$\left| \begin{array}{cccc} a_1 & x & \ldots & x \\ x & a_2 & \ldots & \vdots \\ \vdots & \ldots & \ddots & x \\ x & \ldots & x & a_n \\ \end{array} \right|$$

He intentado subir con fórmula recurrente, pero siempre hay una persistente de fila y de columna. También traté de buscar los valores de x para los que el determinante es 0, con la esperanza de que podría conseguir un buen polinomio solución, sin suerte.

Restando la primera fila de todos los demás puedo conseguir algo mejor resultado, pero todavía hay que una fila/columna, que no puedo resolver. Si todas las demás columnas se añaden a la primera y luego me reste la primera fila, a continuación, la columna no depende de x, pero no he encontrado 1..n mucho más útil.

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jlleblanc Puntos 2957

Conforme a lo solicitado, aquí está la respuesta que me dio a entender que en mi comentario:

Teorema 1. Deje $n\in\mathbb{N}$. Deje $\mathbb{K}$ ser un anillo conmutativo. Deje $a_{1},a_{2},\ldots,a_{n}$ $n$ elementos de $\mathbb{K}$. Vamos $x\in\mathbb{K}$. Deje $A\in\mathbb{K}^{n\times n}$ $n\times n$- matriz $\left( \begin{array} [c]{ccccc} a_{1} & x & x & \cdots & x\\ x & a_{2} & x & \cdots & x\\ x & x & a_{3} & \cdots & x\\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ x & x & x & \cdots & a_{n} \end{array} \right) $ (this is the $n\times n$-matriz cuya diagonal entradas son $a_{1},a_{2},\ldots,a_{n}$, mientras que todas las demás entradas se $x$). Para cada $i\in\left\{ 1,2,\ldots,n\right\} $ , $b_{i}=\prod\limits_{\substack{k\in \left\{ 1,2,\ldots,n\right\} ;\\k\neq i}}\left( a_{k} x\right) $. A continuación,

$\det A=\prod\limits_{i=1}^{n}\left( a_{i}-x\right) +x\sum\limits_{i=1}^{n}b_{i}$.

Para probar esto, recordamos el hecho siguiente (conocido como el determinante de la matriz lema, aunque no me sorprendería si tiene varios pretendientes para su lugar nombre genérico):

Lema 2. Deje $n\in\mathbb{N}$. Deje $\mathbb{K}$ ser un anillo conmutativo. Vamos $\mathbf{A}\in\mathbb{K}^{n\times n}$ $n\times n$- matriz. Vamos $\mathbf{u}\in\mathbb{K}^{n\times1}$ $\mathbf{v}\in\mathbb{K}^{n\times1}$ dos vectores columna. A continuación,

$\det\left( \mathbf{A}+\mathbf{uv}^{T}\right) =\det\mathbf{A}+\mathbf{v} ^{T}\left( \operatorname*{adj}\mathbf{A}\right) \mathbf{u}$.

(Aquí y en las siguientes, $\operatorname*{adj}\mathbf{A}$ denota la adjunta de $\mathbf{A}$.)

Ver Matriz de determinante lema con matriz adjunta de una prueba del Lema 2.

También se usa la siguiente hecho:

Lema 3. Deje $n\in\mathbb{N}$. Deje $\mathbb{K}$ ser un anillo conmutativo. Vamos $a_{1},a_{2},\ldots,a_{n}$ $n$ elementos de $\mathbb{K}$. Para cada $i\in\left\{ 1,2,\ldots,n\right\} $ , $b_{i}=\prod\limits_{\substack{k\in \left\{ 1,2,\ldots,n\right\} ;\\k\neq i}}a_{k}$. A continuación,

$\operatorname*{adj}\left( \left( a_{i}\delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}\right) =\left( b_{i}\delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}$.

(Aquí, como de costumbre, $\delta_{i,j}$ es la delta de Kronecker de $i$$j$.)

La prueba del Lema 3. Lema 3 dice simplemente que la adjunta de la diagonal matriz diagonal con entradas de $a_{1},a_{2},\ldots,a_{n}$ es la matriz diagonal con las entradas de la diagonal $b_{1},b_{2},\ldots,b_{n}$. Esto es fácil de comprobar (ya que cada una de las $\left( n-1\right) \times\left( n-1\right) $-submatriz de una diagonal la matriz es una matriz diagonal en sí, o tiene un cero de la fila).

Ahora, podemos probar el Teorema 1:

La prueba del Teorema 1. Deje $\mathbf{A}$ $n\times n$- matriz $\left( \left( a_{i}-x\right) \delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n} $. (This $\mathbf{A}$ es la diagonal de la matriz diagonal con entradas $a_{1}-x,a_{2}-x,\ldots,a_{n}-x$). Por lo tanto, $\det\mathbf{A}=\prod\limits_{i=1} ^{n}\left( a_{i}-x\right) $ (ya que el determinante de una matriz diagonal es el producto de las entradas de su diagonal). Pero el Lema 3 (aplicado a $a_{1} -x,a_{2}-x,\ldots,a_{n}-x$ instead of $a_{1},a_{2},\ldots,a_{n}$) los rendimientos que

$\operatorname*{adj}\left( \left( \left( a_{i}-x\right) \delta _{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}\right) =\left( b_{i} \delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}$.

Desde $\left( \left( a_{i}-x\right) \delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}=\mathbf{A}$, esta reescribe como

$\operatorname*{adj}\mathbf{A}=\left( b_{i}\delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}$.

Deje $\mathbf{v}\in\mathbb{K}^{n\times1}$ ser el vector columna de $\left( 1,1,\ldots,1\right) ^{T}$. Then, $\mathbf{vv}^{T}=\left( 1\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}$, so that $x\mathbf{vv}^{T}=x\left( 1\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}=\left( x\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}$. Hence, it is easy to see that $=\mathbf{A}+x\mathbf{vv}^{T}$.

Recordemos que $\mathbf{v}=\left( 1,1,\ldots,1\right) ^{T}$. Por lo tanto, para cada $n\times n$-matriz $B$, tenemos

$\mathbf{v}^{T}B\mathbf{v}=\left( \text{la suma de todas las entradas de }B\right) $.

La aplicación de esta a $B=\left( b_{i}\delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}$, obtenemos

$\mathbf{v}^{T}\left( b_{i}\delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}\mathbf{v}$

$=\left( \text{la suma de todas las entradas de }\left( b_{i}\delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}\right) $

$=\sum\limits_{i=1}^{n}\sum\limits_{j=1}^{n}b_{i}\delta_{i,j}=\sum\limits_{i=1}^{n}b_{i} \underbrace{\sum\limits_{j=1}^{n}\delta_{i,j}}_{=1}=\sum\limits_{i=1}^{n}b_{i}$.

Pero de $A=\mathbf{A}+x\mathbf{vv}^{T}$, obtenemos

$\det A=\det\left( \mathbf{A}+x\mathbf{vv}^{T}\right) $

$=\underbrace{\det\mathbf{A}}_{=\prod\limits_{i=1}^{n}\left( a_{i}-x\right) }+\mathbf{v}^{T}\underbrace{\left( \operatorname*{adj}\mathbf{A}\right) }_{=\left( b_{i}\delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n} }x\mathbf{v}$

(por el Lema 2, aplicado a $\mathbf{u}=x\mathbf{v}$)

$=\prod\limits_{i=1}^{n}\left( a_{i}-x\right) +\mathbf{v}^{T}\left( b_{i} \delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}x\mathbf{v}$

$=\prod\limits_{i=1}^{n}\left( a_{i}-x\right) +x\underbrace{\mathbf{v}^{T}\left( b_{i}\delta_{i,j}\right) _{1\leq i\leq n,\ 1\leq j\leq n}\mathbf{v}} _{=\sum\limits_{i=1}^{n}b_{i}}$

$=\prod\limits_{i=1}^{n}\left( a_{i}-x\right) +x\sum\limits_{i=1}^{n}b_{i}$.

Esto demuestra el Teorema 1.

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