Lezione 19


1 La formula di Laplace per il calcolo del determinante

Data una matrice quadrata A=(ai,j)𝐴subscript𝑎𝑖𝑗 di ordine n𝑛 a elementi nel campo K𝐾, per ogni i,j∈{1,…,n}𝑖𝑗1…𝑛 indicheremo con Ai,jsubscript𝐴𝑖𝑗 la matrice di ordine n−1𝑛1 ottenuta da A𝐴 cancellando la sua i𝑖-esima riga e la sua j𝑗-esima colonna. Il determinante della matrice Ai,jsubscript𝐴𝑖𝑗 è detto il minore di indici i𝑖 e j𝑗 della matrice A𝐴. La quantità

ai,j∗=(−1)i+j⁢det(Ai,j)subscriptsuperscript𝑎𝑖𝑗superscript1𝑖𝑗subscript𝐴𝑖𝑗

è detta il complemento algebrico o cofattore dell’elemento ai,jsubscript𝑎𝑖𝑗 di A𝐴. La trasposta della matrice costituita dai complementi algebrici degli elementi di A𝐴 è detta la matrice aggiunta (o matrice dei cofattori) di A𝐴, e sarà indicata con A∗superscript𝐴:

A∗=(ai,j∗)T.superscript𝐴superscriptsubscriptsuperscript𝑎𝑖𝑗𝑇

Possiamo ora dimostrare il seguente risultato, che fornisce un metodo molto utile per il calcolo del determinante di una matrice.

Teorema (formula di Laplace). Sia A𝐴 una matrice quadrata di ordine n𝑛. Per ogni indice di riga i𝑖 si ha:

detA=∑h=1n(−1)i+h⁢ai,h⁢det(Ai,h).𝐴superscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1𝑖ℎsubscript𝑎𝑖ℎsubscript𝐴𝑖ℎ

Analogamente, per ogni indice di colonna i𝑖 si ha:

detA=∑h=1n(−1)h+i⁢ah,i⁢det(Ah,i).𝐴superscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1ℎ𝑖subscript𝑎ℎ𝑖subscript𝐴ℎ𝑖

La prima formula è detta sviluppo del determinante di A𝐴 secondo la i𝑖-esima riga, mentre la seconda è lo sviluppo del determinante di A𝐴 secondo la i𝑖-esima colonna.

Dimostrazione. Poiché il determinante di una matrice coincide con quello della sua trasposta, scambiando i ruoli delle righe e delle colonne della matrice A𝐴, la formula per lo sviluppo del determinante di A𝐴 secondo una riga si riduce alla formula per lo sviluppo del determinante di A𝐴 secondo una colonna. Pertanto è sufficiente dimostrarne una delle due, ad esempio quella per lo sviluppo del determinante di A𝐴 secondo una colonna.

Per iniziare vogliamo dimostrare che è sufficiente dimostrare la formula per la prima colonna. Supponiamo dunque che la formula di Laplace valga per lo sviluppo del determinante di A𝐴 secondo la prima colonna. Fissiamo un indice di colonna i>1𝑖1 e scriviamo la matrice A𝐴 nella forma

A=(A(1)⋯A(i−1)A(i)A(i+1)⋯A(n))𝐴matrixsubscript𝐴1⋯subscript𝐴𝑖1subscript𝐴𝑖subscript𝐴𝑖1⋯subscript𝐴𝑛

ove A(1),…,A(n)subscript𝐴1…subscript𝐴𝑛 sono le colonne di A𝐴.

Mediante i−1𝑖1 scambi di colonne contigue è possibile portare la i𝑖-esima colonna di A𝐴 al posto della prima colonna, ottenendo così la matrice

A′=(A(i)A(1)⋯A(i−1)A(i+1)⋯A(n).)superscript𝐴′matrixsubscript𝐴𝑖subscript𝐴1⋯subscript𝐴𝑖1subscript𝐴𝑖1⋯subscript𝐴𝑛

Poiché ad ogni scambio di due colonne il determinante cambia di segno, si ha

detA=(−1)i−1⁢detA′.𝐴superscript1𝑖1superscript𝐴′

Possiamo ora sviluppare il determinante di A′=(ai,j′)superscript𝐴′subscriptsuperscript𝑎′𝑖𝑗 secondo la prima colonna, ottenendo

detA′=∑h=1n(−1)h+1⁢ah,1′⁢det(Ah,1′).superscript𝐴′superscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1ℎ1subscriptsuperscript𝑎′ℎ1subscriptsuperscript𝐴′ℎ1

Ma, dalla definizione di A′superscript𝐴′, si vede che ah,1′=ah,isubscriptsuperscript𝑎′ℎ1subscript𝑎ℎ𝑖 e Ah,1′=Ah,isubscriptsuperscript𝐴′ℎ1subscript𝐴ℎ𝑖, quindi si ha

detA′=∑h=1n(−1)h+1⁢ah,i⁢det(Ah,i).superscript𝐴′superscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1ℎ1subscript𝑎ℎ𝑖subscript𝐴ℎ𝑖

Si conclude pertanto che

detA=(−1)i−1⁢detA′=∑h=1n(−1)h+i⁢ah,i⁢det(Ah,i),𝐴superscript1𝑖1superscript𝐴′superscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1ℎ𝑖subscript𝑎ℎ𝑖subscript𝐴ℎ𝑖

che è precisamente lo sviluppo del determinante di A𝐴 secondo la i𝑖-esima colonna.

Non rimane altro che dimostrare la formula di Laplace per la prima colonna, cioè per i=1𝑖1. Dobbiamo quindi dimostrare che

detA=∑h=1n(−1)h+1⁢ah,1⁢det(Ah,1).𝐴superscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1ℎ1subscript𝑎ℎ1subscript𝐴ℎ1

Notiamo che Ah,1subscript𝐴ℎ1 è la seguente matrice quadrata di ordine n−1𝑛1

Ah,1=(a1,2a1,3…a1,n⋮⋮⋮ah−1,2ah−1,3…ah−1,nah+1,2ah+1,3…ah+1,n⋮⋮⋮an,2an,3…an,n)subscript𝐴ℎ1matrixsubscript𝑎12subscript𝑎13…subscript𝑎1𝑛⋮⋮missing-subexpression⋮subscript𝑎ℎ12subscript𝑎ℎ13…subscript𝑎ℎ1𝑛subscript𝑎ℎ12subscript𝑎ℎ13…subscript𝑎ℎ1𝑛⋮⋮missing-subexpression⋮subscript𝑎𝑛2subscript𝑎𝑛3…subscript𝑎𝑛𝑛

Dalla definizione di determinante, si ha

det(Ah,1)=∑τsgn⁢(τ)⁢aτ⁢(1),2⁢⋯⁢aτ⁢(h−1),h⁢aτ⁢(h+1),h+1⁢⋯⁢aτ⁢(n),n,subscript𝐴ℎ1subscript𝜏sgn𝜏subscript𝑎𝜏12⋯subscript𝑎𝜏ℎ1ℎsubscript𝑎𝜏ℎ1ℎ1⋯subscript𝑎𝜏𝑛𝑛

ove la sommatoria è estesa a tutte le permutazioni τ𝜏 dell’insieme di n−1𝑛1 elementi

{1,2,…,h−1,h+1,…,n}.12…ℎ1ℎ1…𝑛

Si ottiene così la seguente espressione:

detA𝐴 =∑h=1n(−1)h+1⁢ah,1⁢∑τsgn⁢(τ)⁢aτ⁢(1),2⁢⋯⁢aτ⁢(h−1),h⁢aτ⁢(h+1),h+1⁢⋯⁢aτ⁢(n),nabsentsuperscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1ℎ1subscript𝑎ℎ1subscript𝜏sgn𝜏subscript𝑎𝜏12⋯subscript𝑎𝜏ℎ1ℎsubscript𝑎𝜏ℎ1ℎ1⋯subscript𝑎𝜏𝑛𝑛
=∑h=1n∑τ(−1)h+1⁢sgn⁢(τ)⁢ah,1⁢aτ⁢(1),2⁢⋯⁢aτ⁢(h−1),h⁢aτ⁢(h+1),h+1⁢⋯⁢aτ⁢(n),n.absentsuperscriptsubscriptℎ1𝑛subscript𝜏superscript1ℎ1sgn𝜏subscript𝑎ℎ1subscript𝑎𝜏12⋯subscript𝑎𝜏ℎ1ℎsubscript𝑎𝜏ℎ1ℎ1⋯subscript𝑎𝜏𝑛𝑛

Ora alla permutazione

τ=(12…h−1h+1…nτ⁢(1)τ⁢(2)…τ⁢(h−1)τ⁢(h+1)…τ⁢(n))𝜏matrix12…ℎ1ℎ1…𝑛𝜏1𝜏2…𝜏ℎ1𝜏ℎ1…𝜏𝑛

associamo la permutazione σ𝜎 definita da

σ=(12…h−1hh+1…nhτ⁢(1)…τ⁢(h−2)τ⁢(h−1)τ⁢(h+1)…τ⁢(n))𝜎matrix12…ℎ1ℎℎ1…𝑛ℎ𝜏1…𝜏ℎ2𝜏ℎ1𝜏ℎ1…𝜏𝑛

Precisamente, σ𝜎 è definita ponendo:

σ⁢(1)=heσ⁢(k)={τ⁢(k−1)se 2≤k≤h,τ⁢(k)se k>h.formulae-sequence𝜎1ℎe𝜎𝑘cases𝜏𝑘1se 2≤k≤h,𝜏𝑘se k>h.

Osserviamo che, al variare dell’indice hℎ da 11 a n𝑛 e di τ𝜏 nell’insieme delle permutazioni di n−1𝑛1 elementi, le corrispondenti permutazioni σ𝜎 descrivono tutto l’insieme delle permutazioni degli n𝑛 elementi {1,2,…,n}12…𝑛.

L’ultima cosa che rimane da capire a questo punto è quale sia la relazione tra il segno di τ𝜏 e quello della corrispondente permutazione σ𝜎.

Possiamo notare che σ𝜎 è ottenuta componendo la permutazione

ξ=(123…hh+1…nh12…h−1h+1…n)𝜉matrix123…ℎℎ1…𝑛ℎ12…ℎ1ℎ1…𝑛

con la permutazione τ′superscript𝜏′ definita da

τ′=(12…h−1hh+1…nτ⁢(1)τ⁢(2)…τ⁢(h−1)hτ⁢(h+1)…τ⁢(n))superscript𝜏′matrix12…ℎ1ℎℎ1…𝑛𝜏1𝜏2…𝜏ℎ1ℎ𝜏ℎ1…𝜏𝑛

Si ha infatti σ=τ′∘ξ𝜎superscript𝜏′𝜉, come si può facilmente verificare. Da ciò segue che sgn⁢(σ)=sgn⁢(τ′)⁢sgn⁢(ξ)sgn𝜎sgnsuperscript𝜏′sgn𝜉. Ora osserviamo che le due permutazioni τ𝜏 e τ′superscript𝜏′ hanno la stessa rappresentazione come prodotto di cicli disgiunti (nella rappresentazione di τ′superscript𝜏′ comparirebbe il ciclo di lunghezza uno (h)ℎ la cui presenza è irrilevante, dato che esso rappresenta la permutazione identica), quindi sgn⁢(τ)=sgn⁢(τ′)sgn𝜏sgnsuperscript𝜏′. Si ha poi sgn⁢(ξ)=(−1)h−1=(−1)h+1sgn𝜉superscript1ℎ1superscript1ℎ1. Si ottiene così sgn⁢(σ)=(−1)h+1⁢sgn⁢(τ)sgn𝜎superscript1ℎ1sgn𝜏 e lo sviluppo di Laplace può dunque essere riscritto come segue:

detA𝐴 =∑h=1n∑τ(−1)h+1⁢sgn⁢(τ)⁢ah,1⁢aτ⁢(1),2⁢⋯⁢aτ⁢(h−1),h⁢aτ⁢(h+1),h+1⁢⋯⁢aτ⁢(n),nabsentsuperscriptsubscriptℎ1𝑛subscript𝜏superscript1ℎ1sgn𝜏subscript𝑎ℎ1subscript𝑎𝜏12⋯subscript𝑎𝜏ℎ1ℎsubscript𝑎𝜏ℎ1ℎ1⋯subscript𝑎𝜏𝑛𝑛
=∑σsgn⁢(σ)⁢aσ⁢(1),1⁢aσ⁢(2),2⁢⋯⁢aσ⁢(h),h⁢aσ⁢(h+1),h+1⁢⋯⁢aσ⁢(n),n.absentsubscript𝜎sgn𝜎subscript𝑎𝜎11subscript𝑎𝜎22⋯subscript𝑎𝜎ℎℎsubscript𝑎𝜎ℎ1ℎ1⋯subscript𝑎𝜎𝑛𝑛

Ma quest’ultima è proprio la definizione del determinante di A𝐴.

Come conseguenza diretta della formula di Laplace si ottiene che il prodotto di una matrice quadrata A𝐴 per la sua matrice dei cofattori A∗superscript𝐴 è una matrice diagonale dove tutti gli elementi sulla diagonale principale sono uguali al determinante di A𝐴, cioè

A⋅A∗=(detA)⁢I.⋅𝐴superscript𝐴𝐴𝐼

Da ciò segue che, se il determinante di A𝐴 è diverso da 00,

A⋅1detA⁢A∗=I⋅𝐴1𝐴superscript𝐴𝐼

e pertanto la matrice inversa di A𝐴 è

A−1=1detA⁢A∗.superscript𝐴11𝐴superscript𝐴

Descriviamo ora un’applicazione di questi risultati alla teoria dei sistemi lineari; si tratta di una formula, nota come regola di Cramer, che permette di esprimere la soluzione di un sistema di n𝑛 equazioni lineari in n𝑛 incognite.

Teorema (di Cramer). Sia A⁢X=B𝐴𝑋𝐵 un sistema di n𝑛 equazioni lineari in n𝑛 incognite, ove

A=(a1,1a1,2…a1,na2,1a2,2…a2,n⋮⋮⋱⋮an,1an,2…an,n)X=(x1x2⋮xn)B=(b1b2⋮bn)formulae-sequence𝐴matrixsubscript𝑎11subscript𝑎12…subscript𝑎1𝑛subscript𝑎21subscript𝑎22…subscript𝑎2𝑛⋮⋮⋱⋮subscript𝑎𝑛1subscript𝑎𝑛2…subscript𝑎𝑛𝑛formulae-sequence𝑋matrixsubscript𝑥1subscript𝑥2⋮subscript𝑥𝑛𝐵matrixsubscript𝑏1subscript𝑏2⋮subscript𝑏𝑛

Se detA𝐴 è invertibile, il sistema ammette un’unica soluzione data, per ogni i=1,…,n𝑖1…𝑛, da

xi=Δ−1⁢Δi,subscript𝑥𝑖superscriptΔ1subscriptΔ𝑖

ove Δ=detAΔ𝐴 e ΔisubscriptΔ𝑖 è il determinante della matrice ottenuta da A𝐴 sostituendo la sua i𝑖-esima colonna con la colonna B𝐵 dei termini noti.

Dimostrazione. Se detA𝐴 è invertibile, la matrice A𝐴 è invertibile, pertanto il sistema A⁢X=B𝐴𝑋𝐵 ha un’unica soluzione data da X=A−1⁢B𝑋superscript𝐴1𝐵. Ricordando che l’inversa di A𝐴 è data dalla formula A−1=(detA)−1⁢A∗superscript𝐴1superscript𝐴1superscript𝐴, sviluppando il prodotto righe per colonne di A−1superscript𝐴1 per B𝐵 si ottiene

xi=Δ−1⁢∑h=1n(−1)i+h⁢det(Ah,i)⁢bh.subscript𝑥𝑖superscriptΔ1superscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1𝑖ℎsubscript𝐴ℎ𝑖subscript𝑏ℎ

Consideriamo ora il determinante ΔisubscriptΔ𝑖 della matrice ottenuta da A𝐴 sostituendo la sua i𝑖-esima colonna con la colonna B𝐵 dei termini noti. Sviluppando ΔisubscriptΔ𝑖 secondo la i𝑖-esima colonna, si trova

Δi=∑h=1n(−1)i+h⁢bh⁢det(Ah,i),subscriptΔ𝑖superscriptsubscriptℎ1𝑛superscript1𝑖ℎsubscript𝑏ℎsubscript𝐴ℎ𝑖

da cui si deduce che xi=Δ−1⁢Δisubscript𝑥𝑖superscriptΔ1subscriptΔ𝑖, come volevasi dimostrare.

2 Minori e rango di una matrice

Sappiamo che una matrice quadrata di ordine n𝑛 a coefficienti in un campo K𝐾 è invertibile se e solo se ha rango n𝑛 o, equivalentemente, se e solo se il suo determinante è diverso da zero.

Ora vedremo che anche per matrici non quadrate esiste una relazione tra il rango e il determinante. Ovviamente se una matrice A𝐴 non è quadrata non possiamo considerare il determinante di A𝐴, tuttavia possiamo considerare i determinanti delle sottomatrici quadrate che si possono estrarre da A𝐴.

Sia A𝐴 una matrice con m𝑚 righe e n𝑛 colonne a coefficienti in un campo K𝐾. Fissiamo degli indici di riga 1≤i1<i2<⋯<ip≤m1subscript𝑖1subscript𝑖2⋯subscript𝑖𝑝𝑚 e degli indici di colonna 1≤j1<j2<⋯<jq≤n1subscript𝑗1subscript𝑗2⋯subscript𝑗𝑞𝑛 e poniamo I={i1,i2,…,ip}𝐼subscript𝑖1subscript𝑖2…subscript𝑖𝑝 e J={j1,j2,…,jq}𝐽subscript𝑗1subscript𝑗2…subscript𝑗𝑞. Indicheremo con AI,Jsubscript𝐴𝐼𝐽 la sottomatrice p×q𝑝𝑞 di A𝐴 costituita dagli elementi comuni alle p𝑝 righe e alle q𝑞 colonne determinate dagli indici presenti in I𝐼 e J𝐽 rispettivamente.

Teorema. Se B𝐵 è una sottomatrice della matrice A𝐴, allora il rango di B𝐵 è minore o uguale al rango di A𝐴.

Dimostrazione. Siano A𝐴 una matrice m×n𝑚𝑛, I={i1,i2,…,ip}𝐼subscript𝑖1subscript𝑖2…subscript𝑖𝑝 e J={j1,j2,…,jq}𝐽subscript𝑗1subscript𝑗2…subscript𝑗𝑞 due insiemi ordinati di indici e poniamo B=AI,J𝐵subscript𝐴𝐼𝐽. Consideriamo la sottomatrice C=AI,N𝐶subscript𝐴𝐼𝑁, ove N={1,2,…,n}𝑁12…𝑛. Se interpretiamo il rango come rango per righe (cioè come massimo numero di righe linearmente indipendenti), allora la relazione

rango⁢(C)≤rango⁢(A)rango𝐶rango𝐴

è ovvia. D’altra parte, B𝐵 è anche una sottomatrice di C𝐶 e se, questa volta, interpretiamo il rango come rango per colonne, allora la relazione

rango⁢(B)≤rango⁢(C)rango𝐵rango𝐶

è ovvia. Da queste due disuguaglianze segue che rango⁢(B)≤rango⁢(A)rango𝐵rango𝐴.

Diamo ora la definizione di minore di una matrice:

Definizione. Sia A𝐴 una matrice m×n𝑚𝑛. Un minore di ordine k𝑘 di A𝐴 (con k≤min⁡(m,n)𝑘𝑚𝑛) è il determinante di una sottomatrice quadrata di ordine k𝑘 che si può estrarre da A𝐴.

Il seguente teorema stabilisce una relazione tra la nozione di rango e quella di determinante.

Teorema. Il rango di una matrice A𝐴 a coefficienti in un campo è uguale al massimo degli ordini delle sue sottomatrici quadrate invertibili, cioè al massimo degli ordini dei minori non nulli di A𝐴.

Dimostrazione. Sia ρ𝜌 il massimo degli ordini delle sottomatrici quadrate invertibili di A𝐴: si ha ρ≤rango⁢(A)𝜌rango𝐴. D’altra parte, posto r=rango⁢(A)𝑟rango𝐴, siano A(i1)superscript𝐴subscript𝑖1, A(i2)superscript𝐴subscript𝑖2, …, A(ir)superscript𝐴subscript𝑖𝑟 r𝑟 righe linearmente indipendenti di A𝐴. Allora la sottomatrice AI,Nsubscript𝐴𝐼𝑁 di A𝐴 (ove I={i1,i2,…,ir}𝐼subscript𝑖1subscript𝑖2…subscript𝑖𝑟 e N={1,2,…,n}𝑁12…𝑛) ha rango r𝑟, quindi possiede r𝑟 colonne, di indici, j1subscript𝑗1, j2subscript𝑗2, …, jrsubscript𝑗𝑟, che sono linearmente indipendenti. Posto J={j1,j2,…,jr}𝐽subscript𝑗1subscript𝑗2…subscript𝑗𝑟, ciò significa che la sottomatrice quadrata di ordine r𝑟 AI,Jsubscript𝐴𝐼𝐽 ha rango r𝑟, pertanto è invertibile. Da ciò segue che ρ≥r=rango⁢(A)𝜌𝑟rango𝐴. Si conclude dunque che deve essere ρ=rango⁢(A)𝜌rango𝐴.

Osservazione. In base a questo risultato, il rango di una matrice A𝐴 può anche essere definito come il massimo ordine dei minori non nulli di A𝐴. Utilizzando quest’ultima come definizione del rango di una matrice, e ricordando che il determinante di una matrice coincide con quello della sua trasposta, il fatto che il rango di una matrice coincida con il rango della sua trasposta risulta del tutto ovvio.

2.1 Il principio dei minori orlati.

Sia data una matrice A𝐴 con m𝑚 righe e n𝑛 colonne e supponiamo di volerne calcolare il rango cercando di determinare il massimo ordine dei minori non nulli di A𝐴.

Supponiamo che A𝐴 non sia la matrice nulla e quindi che il suo rango sia ≥1absent1. Dovremo quindi calcolare i minori di ordine via via crescente, a partire da quelli di ordine 22. Quando per un certo r𝑟 si sarà trovato un minore di ordine r𝑟 non nullo, mentre tutti i minori di ordine r+1𝑟1 sono nulli (oppure non esistono, nel caso in cui r=min⁡(m,n)𝑟𝑚𝑛), si concluderà che rango⁢(A)=rrango𝐴𝑟. Infatti dall’annullarsi di tutti i minori di ordine r+1𝑟1 segue l’annullarsi di ogni minore di ordine superiore: ciò si dimostra facilmente per induzione su s𝑠, sviluppando un minore di ordine s>r+1𝑠𝑟1 secondo una sua riga o una sua colonna.

In realtà, nella situazione appena descritta non è necessario verificare che tutti i minori di ordine r+1𝑟1 siano nulli; basta limitarsi a quei minori di ordine r+1𝑟1 che contengono la sottomatrice quadrata di ordine r𝑟 con determinante diverso da zero che abbiamo considerato. Vale infatti il seguente risultato:

Teorema dei minori orlati. Sia A𝐴 una matrice m×n𝑚𝑛 e sia B=AI,J𝐵subscript𝐴𝐼𝐽 una sottomatrice quadrata di ordine r𝑟 di A𝐴 tale che detB≠0𝐵0. Supponiamo che ogni sottomatrice quadrata di ordine r+1𝑟1 di A𝐴 ottenuta aggiungendo a B𝐵 una riga e una colonna di A𝐴 (i cosiddetti minori orlati di B𝐵) abbia determinante nullo. Allora A𝐴 ha rango r𝑟.

Dimostrazione. Sia B=AI,J𝐵subscript𝐴𝐼𝐽 con I={i1,i2,…,ir}𝐼subscript𝑖1subscript𝑖2…subscript𝑖𝑟 e J={j1,j2,…,jr}𝐽subscript𝑗1subscript𝑗2…subscript𝑗𝑟. Dall’ipotesi detB≠0𝐵0 discende che le colonne di indici j1subscript𝑗1, …, jrsubscript𝑗𝑟 di A𝐴 sono linearmente indipendenti. La condizione sull’annullamento dei determinanti di tutti i minori orlati di B𝐵 implica che ogni altra colonna di A𝐴 è combinazione lineare delle colonne di indici j1subscript𝑗1, …, jrsubscript𝑗𝑟. Quindi A𝐴 ha rango r𝑟.