Cómo calcular el determinante de una $4 \times 4$ matriz con múltiples variables?

Question

¿Cuál es el factor determinante: $$ \begin{vmatrix}1& a & a^2 & a^4 \\ 1 & b & b^2 & b^4 \\ 1 & c & c^2 & c^4 \\1 & d & d^2 &d^4 \end{vmatrix} $$

Alguien me dio el siguiente consejo

Reemplace $d$ a través de una variable $x$; hacer uso del hecho de que la suma de las raíces de un cuarto de grado del polinomio es igual al coeficiente de $x^3$

pero yo no entiendo eso.

Answer 1

Considere en su lugar el polinomio en el $x$

$P(x)=\det\begin{pmatrix}1&x&x^2&x^3&x^4\\1&a&a^2&a^3&a^4\\1&b&b^2&b^3&b^4\\1&c&c^2&c^3&c^4\\1&d&d^2&d^3&d^4\end{pmatrix}$.

Si el uso de Laplace de la expansión en la primera fila, te darás cuenta de que $P(x)$ tiene el grado $4$.

También, $P(a)=P(b)=P(c)=P(d)=0$ debido a conectar $x=a,b,c,d$ crea dos hileras iguales y el determinante se desvanece.

Ahora, por Vieta relaciones, y recordando que, en los términos en los de Laplace de expansión de la alternativa de signos, el término en $x^3$ es la suma de las raíces, así

$a+b+c+d=\frac{\det\begin{pmatrix}1& a& a^2& a^4\\1& b& b^2& b^4\\1& c& c^2& c^4\\1& d& d^2& d^4\end{pmatrix}}{\det\begin{pmatrix}1& a& a^2& a^3\\1& b& b^2& b^3\\1& c& c^2& c^3\\1& d& d^2& d^3\end{pmatrix}}$

Ahora podemos utilizar Vandermonde es determinante, y acabado el problema:

$\det\begin{pmatrix}1& a& a^2& a^4\\1& b& b^2& b^4\\1& c& c^2& c^4\\1& d& d^2& d^4\end{pmatrix}=(a+b+c+d)(d-a)(d-c)(d-b)(c-a)(c-b)(b-a)$.

Answer 2

Como ya señaló el determinante es un polinomio de 4º grado en $d$.

Este polinomio es cero si reemplazar $d$ por $a$, $b$, o $c$ (tenemos dos filas iguales).

Por otra parte el coeficiente de $d^3$ es cero, lo que implica que la suma de las raíces es igual a cero. Por lo tanto la raíz cuarta de la es $-(a+b+c)$.

Finalmente, por Vandermonde es determinante, el coeficiente de $d^4$ es $$\det\begin{pmatrix}1& a& a^2\\1& b& b^2\\1& c& c^2 \end{pmatrix}=(a-b)(b-c)(c-a).$$ Por lo tanto, el determinante es necesario $$(a-b)(b-c)(c-a)\cdot (d-a)(d-b)(d-c)(d+a+b+c).$$

Answer 3

$$\text{Det}(A)=\begin{vmatrix}1& a & a^2 & a^4 \\ 1 & b & b^2 & b^4 \\ 1 & c & c^2 & c^4 \\1 & d & d^2 &d^4 \end{vmatrix}=\begin{vmatrix}1& a & a^2 & a^4 \\ 0 & b-a & b^2-a^2 & b^4-a^4 \\ 0 & c-a & c^2-a^2 & c^4-a^4 \\0 & d-a & d^2-a^2 &d^4-a^4 \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} b-a & b^2-a^2 & b^4-a^4 \\ c-a & c^2-a^2 & c^4-a^4 \\ d-a & d^2-a^2 &d^4-a^4 \end{vmatrix}$$ así $$\text{Det}(A)=(b-a)(c-a)(d-a)\begin{vmatrix} 1 & b+a &(b+a)(b^2+a^2) \\ 1 & c+a & (c+a)(c^2+a^2) \\ 1 & d+a &(d+a)(d^2+a^2) \end{vmatrix}$$ Como resultado $$\text{Det}(A)=(b-a)(c-a)(d-a)\begin{vmatrix} 1 & b &(b+a)(b^2+a^2) \\ 0 & c-b & (c+a)(c^2+a^2)-(b+a)(b^2+a^2) \\ 0 & d-b &(d+a)(d^2+a^2)-(b+a)(b^2+a^2) \end{vmatrix}$$ por lo tanto $$\text{Det}(A)=(b-a)(c-a)(d-a)\begin{vmatrix} c-b & (c+a)(c^2+a^2)-(b+a)(b^2+a^2) \\ d-b &(d+a)(d^2+a^2)-(b+a)(b^2+a^2) \end{vmatrix}$$ En otras palabras $$\text{Det}(A)=(b-a)(c-a)(d-a)\begin{vmatrix} c-b & (c^3-b^3)+a(c^2-b^2)+a^2(c-b) \\ d-b &(d^3-b^3)+a(d^2-b^2)+a^2(d-b) \end{vmatrix}$$ o $$\text{Det}(A)=(b-a)(c-a)(d-a)(c-b)(d-b)\begin{vmatrix} 1 & (c^2+bc+b^2)+a(c+b)+a^2 \\ 1 &(d^2+bd+b^2)+a(d+b)+a^2 \end{vmatrix}$$ Finalmente tenemos $$\text{Det}(A)=(b-a)(c-a)(d-a)(c-b)(d-b)\begin{vmatrix} 1 & (c^2+bc+b^2)+a(c+b)+a^2 \\ 0 &(d^2-c^2)+b(d-c)+a(d-c) \end{vmatrix}\\ \quad=(b-a)(c-a)(d-a)(c-b)(d-b)[(d^2-c^2)+b(d-c)+(d-c)]\\ $$ o $$\text{Det}(A)=(b-a)(c-a)(d-a)(c-b)(d-b)(d-c)(a+b+c+d)$$