1.2.4 Cálculo de un determinante desarrollando por una fila o columna

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Menor complementario y adjunto de un elemento

Dada una matriz cuadrada \(A \), el menor complementario del elemento \(a_{ij} \), escrito \(M_{ij} \), es el determinante que queda al eliminar la fila \(i \) y la columna \(j \) de \(A \)

El adjunto del elemento es \(A_{ij} = (-1)^{i+j} \cdot M_{ij} \): coincide con el menor o con su opuesto según el signo \((-1)^{i+j} \)

El signo sigue un tablero de ajedrez: $$\begin{vmatrix} + & - & + \\ - & + & - \\ + & - & + \end{vmatrix} $$

Así, \(A_{11} = M_{11} \) pero \(A_{12} = -M_{12} \)

📝 Ejemplo:

En $$A = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{pmatrix} $$, el menor complementario de \(a_{11} \) es $$M_{11} = \begin{vmatrix} 5 & 6 \\ 8 & 9 \end{vmatrix} = 45 - 48 = -3 $$, y su adjunto es \(A_{11} = (-1)^{1+1} \cdot (-3) = -3 \)

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Teorema de Laplace: desarrollo por una fila o columna

El determinante de una matriz cuadrada es igual a la suma de los productos de los elementos de una fila o columna por sus adjuntos respectivos.

Desarrollando por la fila \(i \):

$$|A| = a_{i1}A_{i1} + a_{i2}A_{i2} + \cdots + a_{in}A_{in} $$

La estrategia ganadora es desarrollar por la fila o columna con más ceros, porque cada cero elimina un sumando.

📝 Ejemplo:

Desarrollando $$\begin{vmatrix} 2 & 0 & 1 \\ 3 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \end{vmatrix} $$ por la primera fila: $$2 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 0 \\ 2 & 1 \end{vmatrix} + 1 \cdot \begin{vmatrix} 3 & 1 \\ 0 & 2 \end{vmatrix} = 2 \cdot 1 + 1 \cdot 6 = 8 $$

📝 Ejemplo 1: Cálculo de un menor complementario y su adjunto

En la matriz $$M = \begin{pmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \end{pmatrix} $$, halla el menor complementario \(M_{23} \) y el adjunto \(A_{23} \)

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por eliminar la fila dos y la columna tres para obtener el menor complementario.

A continuación calcularemos ese determinante de orden dos.

Para terminar aplicaremos el signo correspondiente a la posición dos tres.

👉 PASO 1

Obtención del menor complementario.

Eliminando la fila dos y la columna tres queda $$M_{23} = \begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 7 & 8 \end{vmatrix} $$

👉 PASO 2

Cálculo del determinante de orden dos.

$$M_{23} = 1 \cdot 8 - 2 \cdot 7 = 8 - 14 = -6 $$
👉 PASO 3

Aplicación del signo del adjunto.

Como \(2 + 3 = 5 \) es impar, \((-1)^5 = -1 \), luego \(A_{23} = -M_{23} = -(-6) = 6 \)

✅ Conclusión

El menor complementario es \(M_{23} = -6 \) y el adjunto es \(A_{23} = 6 \)

📝 Ejemplo 2: Desarrollo por una fila con ceros

Calcula $$\begin{vmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 3 & 0 & 0 \\ 4 & 5 & 6 \end{vmatrix} $$ desarrollando por la segunda fila.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por elegir la segunda fila, que tiene dos ceros.

A continuación calcularemos el único adjunto no nulo con su signo.

Para terminar multiplicaremos el elemento por su adjunto.

👉 PASO 1

Identificación del único término no nulo.

En la fila dos solo \(a_{21} = 3 \) es distinto de cero, luego \(|A| = 3 \cdot A_{21} \)

👉 PASO 2

Cálculo del adjunto con su signo.

$$A_{21} = (-1)^{2+1} \cdot \begin{vmatrix} 2 & 0 \\ 5 & 6 \end{vmatrix} = -1 \cdot (2 \cdot 6 - 0 \cdot 5) = -12 $$
👉 PASO 3

Producto final.

$$|A| = 3 \cdot (-12) = -36 $$
✅ Conclusión

El determinante vale menos treinta y seis.

📝 Ejemplo 3: Desarrollo por una columna en un determinante de orden cuatro

Calcula $$\begin{vmatrix} 1 & 2 & 0 & 1 \\ 0 & 3 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 2 & 1 \\ 2 & 1 & 0 & 3 \end{vmatrix} $$ desarrollando por la primera columna.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por elegir la primera columna, que tiene dos ceros.

A continuación calcularemos los dos menores complementarios de orden tres por Sarrus.

Para terminar combinaremos cada elemento con su adjunto según el signo de su posición.

👉 PASO 1

Términos no nulos de la primera columna.

Los elementos no nulos son \(a_{11} = 1 \) y \(a_{41} = 2 \)

Los signos son \((-1)^{1+1} = +1 \) y \((-1)^{4+1} = -1 \), luego \(|A| = 1 \cdot M_{11} - 2 \cdot M_{41} \)

👉 PASO 2

Cálculo del primer menor complementario.

$$M_{11} = \begin{vmatrix} 3 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \\ 1 & 0 & 3 \end{vmatrix} $$

Por Sarrus, descendentes: $$3 \cdot 2 \cdot 3 + 1 \cdot 1 \cdot 1 + 0 = 18 + 1 = 19 $$; ascendentes: los tres productos contienen un cero y valen cero.

Así \(M_{11} = 19 \)

👉 PASO 3

Cálculo del segundo menor complementario.

$$M_{41} = \begin{vmatrix} 2 & 0 & 1 \\ 3 & 1 & 0 \\ 0 & 2 & 1 \end{vmatrix} $$

Por Sarrus, descendentes: $$2 \cdot 1 \cdot 1 + 0 + 1 \cdot 3 \cdot 2 = 2 + 6 = 8 $$; ascendentes: los tres productos contienen un cero y valen cero.

Así \(M_{41} = 8 \)

👉 PASO 4

Combinación final.

$$|A| = 1 \cdot 19 - 2 \cdot 8 = 19 - 16 = 3 $$
✅ Conclusión

El determinante vale tres.

📝 Ejemplo 4: Determinante de una matriz triangular de orden cuatro

Calcula $$\begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 & 4 \\ 0 & 1 & 2 & 3 \\ 0 & 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} $$

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por desarrollar por la primera columna, que solo tiene un elemento no nulo.

A continuación repetiremos el desarrollo en el menor de orden tres resultante.

Para terminar llegaremos a un determinante de orden dos inmediato.

👉 PASO 1

Desarrollo por la primera columna.

Solo \(a_{11} = 1 \) es no nulo, con signo positivo: $$|A| = 1 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} $$

👉 PASO 2

Desarrollo del menor de orden tres.

Desarrollando de nuevo por su primera columna: $$\begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & 1 & 2 \\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} = 1 \cdot \begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 0 & 1 \end{vmatrix} = 1 \cdot (1 \cdot 1 - 2 \cdot 0) = 1 $$

✅ Conclusión

El determinante vale uno.

En general, el determinante de una matriz triangular es el producto de los elementos de su diagonal principal.

📝 Ejemplo 5: Determinante de orden cuatro con un parámetro

Calcula en función de \(\lambda \) el determinante $$\begin{vmatrix} 1 & 0 & 2 & 0 \\ 3 & 1 & 0 & 1 \\ 0 & 2 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & \lambda \end{vmatrix} $$, y halla para qué valor de \(\lambda \) se anula.

💡 Explicación

Para resolver este ejemplo empezaremos por desarrollar por la tercera fila, que tiene dos ceros.

A continuación calcularemos los dos menores de orden tres por Sarrus.

Para terminar igualaremos a cero la expresión obtenida y despejaremos lambda.

👉 PASO 1

Desarrollo por la tercera fila.

Los elementos no nulos son \(a_{32} = 2 \), con signo \((-1)^{3+2} = -1 \), y \(a_{33} = 1 \), con signo \((-1)^{3+3} = +1 \)

Luego \(|A| = -2 \cdot M_{32} + 1 \cdot M_{33} \)

👉 PASO 2

Cálculo de los menores de orden tres.

$$M_{32} = \begin{vmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 3 & 0 & 1 \\ 1 & 0 & \lambda \end{vmatrix} $$: descendentes $$1 \cdot 0 \cdot \lambda + 2 \cdot 1 \cdot 1 + 0 = 2 $$, ascendentes \(0 + 0 + 2 \cdot 3 \cdot \lambda = 6\lambda \), luego \(M_{32} = 2 - 6\lambda \)$$M_{33} = \begin{vmatrix} 1 & 0 & 0 \\ 3 & 1 & 1 \\ 1 & 0 & \lambda \end{vmatrix} $$: descendentes \(1 \cdot 1 \cdot \lambda + 0 + 0 = \lambda \), ascendentes los tres con cero, luego \(M_{33} = \lambda \)
👉 PASO 3

Expresión final y valor que la anula.

$$|A| = -2(2 - 6\lambda) + \lambda = -4 + 12\lambda + \lambda = 13\lambda - 4 $$

Se anula cuando \(13\lambda - 4 = 0 \), es decir, \(\lambda = \frac{4}{13} \)

✅ Conclusión

El determinante vale \(13\lambda - 4 \) y se anula para \(\lambda = \frac{4}{13} \)