خانه
گاما

درسنامه آموزشی فصل اول هندسه (3) کلاس دوازدهم ریاضی

درس 2: وارون ماتریس و دترمینان

بازدید10/1 K
تاریخ بروزرسانی1401/08/4

وارون ماتریس‌ها

همان‌طور که در اعداد حقیقی وارون هر عدد حقیقی مانند $(a \ne 0)a$ را با $\frac{1}{a}$ نشان می‌دهیم و همواره $a \times \frac{1}{a} = 1$ (عدد یک عضو خنثی برای عمل ضرب است)

از وارون ماتریس‌ها در حل دستگاه‌های معادلات استفاده خواهد شد.

برای محاسبهٔ وارون یک ماتریس $2 \times 2$ مانند $A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,b \hfill \\
  c\,\,\,\,d \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ (در صورت وجود) باید ماتریسی چون $B = \left[ \begin{gathered}
  x\,\,\,y \hfill \\
  z\,\,\,\,t \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ بیابیم طوری که $A \times B = B \times A = I$ یا $\left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,b \hfill \\
  c\,\,\,\,d \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \times \left[ \begin{gathered}
  x\,\,\,\,y \hfill \\
  z\,\,\,\,\,t \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ که این تساوی $x$، $y$، $z$ و $t$ را برحسب $a$، $b$، $c$ و $d$ نتیجه می‌دهد و ماتریس $B$ یا ${A^{ - 1}}$ به‌صورت 

${A^{ - 1}} = \left[ \begin{gathered}
  \frac{d}{{ad - bc}}\,\,\,\,\,\,\,\frac{{ - b}}{{ad - bc}} \hfill \\
  \frac{{ - c}}{{ad - bc}}\,\,\,\,\,\,\,\frac{a}{{ad - bc}} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

به‌دست می‌آید که با توجه به تعریف ضرب عدد در ماتریس می‌توان نوشت:

${A^{ - 1}} = \frac{1}{{ad - bc}} \times \left[ \begin{gathered}
  d\,\,\,\,\,\,\, - b \hfill \\
   - c\,\,\,\,\,\,\,\,a \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

آیا دو ماتریس $A = \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\, - 1 \hfill \\
  2\,\,\,\,\,\,\,1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ و $B = \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\,\,\,\,1 \hfill \\
  0\,\,\, - 1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ وارون یکدیگرند؟ چرا؟

خیر، زیرا

$A \times B = \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\
  2\,\,\,\,\,\,\,1\, \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \times \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\,\,\,\,\,1 \hfill \\
  0\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\,\,2 \hfill \\
  2\,\,\,\,\,1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \ne I$

عدد $(ad - bc)$ را دترمینان ماتریس $A$ می‌نامیم و با نماد $\left| A \right|$ (می‌خوانیم، دترمینانِ $A$) نشان می‌دهیم بنابراین می‌توان گفت:

اگر $A = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,3 \hfill \\
  1\,\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ مفروض باشد ماتریس ${({A^{ - 1}})^{ - 1}}$ را بیابید. چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

$\det (A) = 2 \times 4 - 1 \times 3 = 5 \Rightarrow {A^{ - 1}} = \left[ \begin{gathered}
  \frac{4}{5}\,\,\,\,\,\, - \frac{3}{5} \hfill \\
   - \frac{1}{5}\,\,\,\,\,\,\frac{2}{5} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$\det ({A^{ - 1}}) = \frac{4}{5} \times \frac{2}{5} - \left( { - \frac{1}{5}} \right)\left( { - \frac{3}{5}} \right) = \frac{1}{5}$

${({A^{ - 1}})^{ - 1}} = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,3 \hfill \\
  1\,\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = A \Rightarrow {\left( {{A^{ - 1}}} \right)^{ - 1}} = A$

پاسخ به‌دست آمده را امتحان کنید.

حل دستگاه معادلات (دومعادله و دومجهولی) با استفاده از ماتریس وارون

یکی از کاربردهای ماتریس و ماتریس وارون در حل دستگاه‌های معادلات خطی است که ما در این درس و با استفاده از ماتریس وارون فقط به حل دستگاه‌های دو معادله و دو مجهول می‌پردازیم.

فعالیت (صفحه 24 کتاب درسی)

 

دستگاه $\left\{ \begin{gathered}
  2x + y = 4\,\,\,\,\, \hfill \\
  7x + 4y = 15 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$ را در نظر بگیرید. می‌توان از ماتریس‌ها کمک گرفت و دستگاه را به‌صورت یک تساوی ماتریسی نوشت:

(1)

$\left[ \begin{gathered}
  2x + y \hfill \\
  7x + 4y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \,4 \hfill \\
  15 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

از طرفی با توجه به تعریف ضرب ماتریس‌ها داریم:

(2)

$\left[ \begin{gathered}
  \,2x + y \hfill \\
  7x + 4y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,1 \hfill \\
  7\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$(1)\,,\,(2)\, \Rightarrow \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,1 \hfill \\
  7\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  4 \hfill \\
  15 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

معادلهٔ ماتریسی اخیر معادل با دستگاه دو معادله و دو مجهولِ مفروض است.

1- حال اگر فرض کنیم $A = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,1 \hfill \\
  7\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ ($A$ را ماتریس ضرایب می‌نامیم) در این صورت ابتدا نشان دهید ماتریس $A$ وارون دارد (وارون‌پذیر است) و سپس ${A^{ - 1}}$ را بیابید.

$A$ وارون‌پذیر است       $ = 1 \ne 0 \Rightarrow $$7$$ - $$8$$\left| A \right| = $

$ \Rightarrow {A^{ - 1}} = \frac{1}{{\left| A \right|}} \times \left[ \begin{gathered}
  4\,\,\,\, - 1 \hfill \\
   - 7\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  4\,\,\,\, - 1 \hfill \\
   - 7\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

2- معادلهٔ ماتریسی معادل با دستگاه را از سمت چپ در ${A^{ - 1}}$ ضرب کنید و با توجه به تعریف تساوی بین دو ماتریس، جواب دستگاه یعنی $x$ و $y$ را بیابید.

$\left[ \begin{gathered}
  4\,\,\,\, - 1 \hfill \\
   - 7\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left( {\left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,1 \hfill \\
  7\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]} \right) = \left[ \begin{gathered}
  4\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\
   - 7\,\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
  \,4 \hfill \\
  15 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ \Rightarrow \left( {\left[ \begin{gathered}
  4\,\,\,\, - 1 \hfill \\
   - 7\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,\,1 \hfill \\
  7\,\,\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]} \right) = \left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  1 \hfill \\
  2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ شرکت‌پذیری

$ \Rightarrow \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  1 \hfill \\
  2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  1 \hfill \\
  2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ \Rightarrow \left\{ \begin{gathered}
  x = 1 \hfill \\
  y = 2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$

دستگاه معادلات $\left\{ \begin{gathered}
  2x - y = 4\,\,\,\,\,\, \hfill \\
   - 4x + 2y = 2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$ را در نظر بگیرید. آیا می‌توانید از ماتریس وارون برای حل این دستگاه استفاده کنید؟
این دو خط نسبت به هم چگونه‌اند؟
 

الف) اگر $\frac{a}{{a'}} \ne \frac{b}{{b'}}$ در این صورت دو خط متقاطع‌اند و دستگاه یک جواب یکتا دارد که مانند مثال قبل به‌دست می‌آید.

ب) اگر $\frac{a}{{a'}} = \frac{b}{{b'}}$ در این صورت دو خط موازی‌اند و یکی از دو حالت زیر می‌تواند رخ دهد:

1- $\frac{a}{{a'}} = \frac{b}{{b'}} \ne \frac{c}{{c'}}$ در این حالت دو خط موازی‌اند و هیج نقطهٔ مشترکی ندارند لذا دستگاه هیچ جوابی ندارد.

2- $\frac{a}{{a'}} = \frac{b}{{b'}} = \frac{c}{{c'}}$ در این حالت دو خط موازی‌اند و روی یکدیگر واقع‌اند یا به عبارتی هر دو معادله یک خط را نشان می‌دهند؛ لذا دستگاه تعداد بی‌شمار جواب دارد و هر نقطه‌ای که در یکی از معادلات صدق کند، در دیگری هم صدق می‌کند.

کار در کلاس (صفحه 26 کتاب درسی)

 

دستگاه معادلات $\left\{ \begin{gathered}
  2x - 3y = 3 \hfill \\
   - 4x + 6y = 1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$ را در نظر بگیرید.

1- هریک از معادلات دستگاه معادلهٔ یک خط در صفحه است. شیب هریک از این دو خط را معلوم کنید. چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟ آیا این دو خط بر هم منطبق هستند؟

$L:2x - 3y = 3 \Leftrightarrow y = \frac{2}{3}x - 1 \Leftrightarrow m = \frac{2}{3},h =  - 1$

$L': - 4x + 6y = 1 \Leftrightarrow y = \frac{2}{3}x + \frac{1}{6} \Leftrightarrow m' = \frac{2}{3},h' = \frac{1}{6}$

$ \Rightarrow m = m',h \ne h' \Leftrightarrow L||L'$

پس دو خط موازی‌اند و برهم منطبق نیستند زیرا عرض از مبدا‌های آنها مساوی نیست.

2- ماتریس ضرایب دستگاه را تشکیل دهید، آیا این ماتریس وارون‌پذیر است؟ چرا؟

$\left\{ \begin{gathered}
  2x - 3y = 3\,\,\, \hfill \\
   - 4x + 6y = 1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right. \Leftrightarrow \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\, - 3 \hfill \\
   - 4\,\,\,\,\,6 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  3 \hfill \\
  1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$\det (A) = (2)(6) - ( - 3)( - 4) = 0$

پس $A$ وارون‌پذریر نیست لذا این دستگاه جواب ندارد.

3- سؤال‌های 1 و 2 را در مورد دستگاه $\left\{ \begin{gathered}
  x - 3y = 2\,\,\,\,\,\,\,\,\, \hfill \\
   - 3x + 9y =  - 6 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$ پاسخ داده و اگر $A$ ماتریس ضرایب یک دستگاه باشد و $\left| A \right| = 0$ برای تعداد جواب‌های آن دستگاه دو حالت نتیجه بگیرید.

$L:x - 3y = 2 \Leftrightarrow y = \frac{1}{3}x + \frac{2}{3} \Leftrightarrow m = \frac{1}{3},h = \frac{2}{3}$

$L': - 3x + 9y =  - 6 \Leftrightarrow y = \frac{3}{9}x + \frac{6}{9} \Leftrightarrow m' = \frac{1}{3},h' = \frac{2}{3}$

$ \Rightarrow m = m',h = h' \Rightarrow L||L'$

پس دو خط موازی‌اند و برهم منطبق‌اند زیرا عرض از مبداء‌های آنها مساوی است.

$\left\{ \begin{gathered}
  x - 3y = 2\,\,\,\,\,\,\,\,\, \hfill \\
   - 3x + 9y =  - 6 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right. \Leftrightarrow \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\,\, - 3 \hfill \\
   - 3\,\,\,\,\,9 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \,\,2 \hfill \\
   - 6 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$\det (A) = (1)(9) - ( - 3)( - 3) = 0$

پس $A$ وارون‌پذیر نیست لذا این دستگاه بی‌شمار جواب دارد.

نتیجه: اگر $\det (A) = 0$ و عرض از مبداهای دو معادله مساوی باشند، دستگاه دو معادله دو مجهولی بی‌شمار جواب دارد و اگر $\det (A) \ne 0$ و عرض از مبداهای دو معادله مساوی نباشند، دستگاه دو معادله دو مجهولی هیچ جوابی ندارد.

دترمینان و کاربردهای آن

به هر ماتریس مربعی می‌توان یک عدد حقیقی نسبت داد که دترمینان آن ماتریس نامیده می‌شود. دترمینان یک ماتریس اطلاعات مفیدی راجع به خود ماتریس و خواص آن به ما خواهد داد، از جمله اینکه: وارون‌پذیری یک ماتریس از مقدار دترمینان آن ماتریس مشخص می‌شود. همان‌طور که ملاحظه شد، در حل دستگاه‌ها و بحث در وجود یا عدم وجود جواب برای دستگاه از دترمینان استفاده می‌شود. دترمینان در هندسه برای محاسبهٔ مساحت مثلث و متوازی‌الاضلاع پدید آمده توسط دو بردار به کار می‌رود. به کمک دترمینان ماتریس‌های $3 \times 3$ می‌توان حجم متوازی‌السطوح حاصل از سه بردار را به‌دست آورد و نیز در محاسبه ضرب خارجی دو بردار استفاده کرد که در این درس به بعضی از این کاربردها خواهیم پرداخت.

دترمینان ماتریس زیر را بیابید.

$A = \left[ \begin{gathered}
  \,\,\,\,\left| \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,3 \hfill \\
  1\,\,\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right|\,\,\,\,\,\,\left| \begin{gathered}
  4\,\,\,\,\,\,2 \hfill \\
   - 1\,\,\,\,1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right| \hfill \\
   - \left| \begin{gathered}
  1\,\,\,\,\,\,5 \hfill \\
  2\,\,\,\,11 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right|\,\,\,\,\,\left| \begin{gathered}
  2\,\,\, - 3 \hfill \\
  1\,\,\,\,\,\,\,5 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right| \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ \Leftrightarrow A = \left[ \begin{gathered}
  \,\,\,(2)(2) - (1)(3)\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(4)(1) - ( - 1)(2) \hfill \\
   - ((1)(11) - (5)(2))\,\,\,\,\,\,(2)(5) - (1)( - 3) \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ \Leftrightarrow \left[ \begin{gathered}
  1\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,6 \hfill \\
   - 1\,\,\,\,\,13 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ \Rightarrow \det (A) = (1)(13) - ( - 1)(6) = 19$

دستور ساروس برای محاسبۀ دترمینان ماتریس‌های $3 \times 3$

در این روش (فقط برای ماتریس‌های $3 \times 3$ قابل استفاده است). دو ستون اول و دوم ماتریس را در کنارش می‌نویسیم و $\left| A \right|$ برابر است با مجموع حاصل ضرب‌های درایه‌های واقع بر قطر اصلی و دو قطر موازی آن (مطابق شکل)، منهای مجموع حاصل ضرب‌های درایه‌های واقع بر قطر فرعی $A$ و دو قطر موازی با آن به‌صورت زیر:

$\left| A \right| = (aei + bfg + cdh) - (ceg + afh + bdi)$

اگر $A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,b \hfill \\
  c\,\,\,\,\,d \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ در این صورت اعداد حقیقی $a$، $b$، $c$ و $d$ را چنان بیابید که تساوی ${\left| A \right|^2} - 5\left| A \right| + 6 = 0$ برقرار باشد.

کار در کلاس (صفحه 29 تا 30 کتاب درسی)

 

1- ماتریس‌های $A = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\
  3\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ و $B = \left[ \begin{gathered}
  3\,\,\,\,\,\,\,1 \hfill \\
  4\,\,\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ مفروض‌اند. ماتریس $A \times B$ را به‌دست آورده و برقراری تساوی $\left| {AB} \right| = \left| A \right|\left| B \right|$ را بررسی کنید.

$A \times B = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\
  3\,\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \times \left[ \begin{gathered}
  3\,\,\,\,\,\,1 \hfill \\
  4\,\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \,2\,\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  25\,\,\,\,\,11 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ \Rightarrow \left| {AB} \right| = (2)(11) - (0)(25) = 22$

$A = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\
  3\,\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = (2)(4) - (3)( - 1) = 11$

$B = \left[ \begin{gathered}
  3\,\,\,\,\,1 \hfill \\
  4\,\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| B \right| = (3)(2) - (4)(1) = 2$

$\left| {AB} \right| = \left| A \right|\left| B \right|$

2- ماتریسی $3 \times 3$ چون $A$ بنویسید طوری که $\left| A \right| =  - 6$، سپس ماتریس ${A^2}$ را محاسبه و $\left| {{A^2}} \right|$ را به‌دست آورید. چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

$A = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  1\,\,\,\,\, - 1\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  2\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = {( - 1)^{1 + 1}} \times 2 \times \left| \begin{gathered}
   - 1\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  \,0\,\,\,\,\,\,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right| + 0 + 0 =  - 6 \Rightarrow {\left| A \right|^2} = {( - 6)^2} = 36$

$ \Rightarrow {A^2} = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  1\,\,\,\,\, - 1\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  2\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \times \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  1\,\,\,\,\, - 1\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  2\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \,4\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  \,1\,\,\,\,\,\,1\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  10\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,9 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$\left| {{A^2}} \right| = {( - 1)^{1 + 1}} \times 4 \times \left| \begin{gathered}
  1\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,9 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right| = 36$

$ \Rightarrow \left| {{A^2}} \right| = {\left| A \right|^2}$

3- اگر $A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,0\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,b\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,0\,\,\,\,c \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ در این صورت $\left| A \right|$ را برحسب سطر اول یا دستور ساروس محاسبه کنید و عدد حاصل را با حاصل ضرب درایه‌های روی قطِر اصلی $A$، مقایسه کنید. چه نتیجه‌ای می‌توان گرفت؟

$A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,b\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,c \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = {( - 1)^{1 + 1}} \times a \times \left| \begin{gathered}
  b\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,c \hfill \\ 
\end{gathered}  \right| + 0 + 0 = abc$

4- اگر $A$ ماتریسی $3 \times 3$ باشد و داشته باشیم $A = 4\left[ \begin{gathered}
  \frac{1}{2}\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,\,\,\frac{5}{4}\,\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,\,\frac{5}{2} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ در این صورت $\left| A \right|$ را به‌دست آورید.

$A = 4\left[ \begin{gathered}
  \frac{1}{2}\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,\frac{5}{4}\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\frac{5}{2} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,5\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,10 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = 2 \times 5 \times 10 = 100$

تمرین (صفحه 30 تا 31 کتاب درسی)

 

1- اگر $A = \left[ {1\,\,\,\,\,2\,\,\,\,\, - 3} \right]$ و $B = \left[ \begin{gathered}
   - 2 \hfill \\
   - 1 \hfill \\
  \,\,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ در این صورت $\left| {AB} \right|$ و $\left| {BA} \right|$ را به‌دست آورید.

$A \times B=\left[ {1\,\,\,\,2\,\,\,\,\, - 3} \right] \times \left[ \begin{gathered}
   - 2 \hfill \\
   - 1 \hfill \\
  \,\,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ { - 13} \right] =  - 13 \Rightarrow \left| {A \times B} \right| =  - 13$

$B \times A = \left[ \begin{gathered}
   - 2 \hfill \\
   - 1 \hfill \\
  \,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \times \left[ {1\,\,\,\,2\,\,\,\, - 3} \right] = \left[ \begin{gathered}
   - 2\,\,\,\,\, - 4\,\,\,\,\, + 6 \hfill \\
   - 1\,\,\,\,\, - 2\,\,\,\,\, + 3 \hfill \\
  \,3\,\,\,\,\,\,\,\,\,6\,\,\,\,\,\,\, - 9 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| {B \times A} \right| = \left| \begin{gathered}
   - 2\,\,\,\,\, - 4\,\,\,\,\, + 6 \hfill \\
   - 1\,\,\,\,\, - 2\,\,\,\,\, + 3 \hfill \\
  \,\,3\,\,\,\,\,\,\,\,\,6\,\,\,\,\,\, - 9 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right|\begin{array}{*{20}{c}}
  { - 2} \\ 
  { - 1} \\ 
  3 
\end{array}\,\,\begin{array}{*{20}{c}}
  { - 4} \\ 
  { - 2} \\ 
  6 
\end{array}$

$ \Rightarrow \left| {B \times A} \right| = \left( {( - 2)( - 2)( - 9) + ( - 4) \times 3 \times 3 + 6 \times ( - 1) \times 6} \right) - $

$\left( {6 \times ( - 2) \times 3 - 2 \times 3 \times 6 + ( - 4)( - 1)( - 9)} \right) =  - 108 + 108 = 0$

2- اگر $A = \left[ \begin{gathered}
   - 2\,\,\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  \,\,0\,\,\,\,\,\, - 3\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  \,\,1\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,\, - 5 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$در این صورت $\left| {A'} \right|$ را به‌دست آورید.

${A^2} = \left[ \begin{gathered}
   - 2\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\, - 3\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  1\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\, - 5 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\left[ \begin{gathered}
   - 2\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\, - 3\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  1\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\, - 5 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \,\,\,4\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  \,\,\,0\,\,\,\,\,9\,\,\,\,\,0 \hfill \\
   - 7\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,25 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ \Rightarrow \left| {{A^2}} \right| = 4 \times 9 \times 25 = 900$

3- اگر $A = \left[ \begin{gathered}
  5\left| A \right|\,\,\,\,\,\,\,\,\left| A \right| \hfill \\
  5\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,4{\left| A \right|^2} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ در این صورت حاصل $\left( {{{\left| A \right|}^3} - 2} \right)$ را بیابید.

$A = \left[ \begin{gathered}
  5\left| A \right|\,\,\,\,\,\,\,\left| A \right| \hfill \\
  \,\,5\,\,\,\,\,\,\,\,4{\left| A \right|^2} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = \left( {5\left| A \right|} \right)\left( {4{{\left| A \right|}^3}} \right) - 5\left| A \right|$

$ \Rightarrow 100{\left| A \right|^3} - 6\left| A \right| = 0$

$ \Rightarrow \left| A \right|\left( {25{{\left| A \right|}^2} - 3} \right) = 0 \Rightarrow \left\{ \begin{gathered}
  \left| A \right| = 0 \Rightarrow {\left| A \right|^3} - 2 =  - 2\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \hfill \\
  {\left| A \right|^2} = \frac{3}{{25}} \Rightarrow \left\{ \begin{gathered}
  \left| A \right| = \frac{{\sqrt 3 }}{5} \Rightarrow {\left| A \right|^3} - 2 = \frac{{\sqrt 3  - 10}}{5} \hfill \\
  \left| A \right| =  - \frac{{\sqrt 3 }}{5} \Rightarrow {\left| A \right|^3} - 2 = \frac{{ - \sqrt 3  - 10}}{5} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right. \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$

4- دترمینان ماتریس $A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,b\,\,\,\,\,c \hfill \\
  a\,\,\,\,\,b\,\,\,\,\,c \hfill \\
  d\,\,\,\,\,e\,\,\,\,\,f \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ را برحسب سطر سوم بیابید. چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

$A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,b\,\,\,\,\,c \hfill \\
  a\,\,\,\,\,b\,\,\,\,\,c \hfill \\
  d\,\,\,\,\,e\,\,\,\,\,f \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = {( - 1)^{3 + 1}}d(bc - bc) + {( - 1)^{3 + 2}}e(ac - ac) + {( - 1)^{3 + 3}}f(ab - ab) = 0$

نتیجه: اگر درایه‌های دو سطر (یا دو ستون) یک ماتریس مربعی، نظیر به نظیر مساوی باشند دترمینان آن ماتریس، صفر است.

5- ماتریسی $3 \times 3$ چون $A$ بیابید که $\left| A \right| = 3$.

$A = \left[ \begin{gathered}
  3\,\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\, - 1\,\,\,\,\,0 \hfill \\
  0\,\,\,\,\,0\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = (3)( - 1)( - 1) = 3$

6- اگر $A = \left[ \begin{gathered}
  4\,\,\,\,\,3 \hfill \\
  2\,\,\,\,\,5 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ و $B = \left[ \begin{gathered}
   - 2\,\,\,\,\, - 3 \hfill \\
  5\,\,\,\,\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ حاصل عبارت $(2{A^{ - 1}} - 3{B^{ - 1}})$ را بیابید.

$A = \left[ \begin{gathered}
  4\,\,\,\,\,\,3 \hfill \\
  2\,\,\,\,\,5 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = 20 - 6 = 14 \Rightarrow {A^{ - 1}} = \frac{1}{{14}}\left[ \begin{gathered}
  5\,\,\,\,\, - 3 \hfill \\
   - 2\,\,\,\,\,4 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \frac{5}{{14}}\,\,\,\,\,\frac{{ - 3}}{{14}} \hfill \\
  \frac{{ - 2}}{{14}}\,\,\,\,\,\frac{4}{{14}} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$B = \left[ \begin{gathered}
   - 2\,\,\,\,\, - 3 \hfill \\
  \,5\,\,\,\,\, - 1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| B \right| = 2 + 15 = 17 \Rightarrow {B^{ - 1}} = \frac{1}{{17}}\left[ \begin{gathered}
   - 1\,\,\,\,\,\,\,\,3 \hfill \\
   - 5\,\,\,\,\, - 2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \frac{{ - 1}}{{17}}\,\,\,\,\,\frac{3}{{17}} \hfill \\
  \frac{{ - 5}}{{17}}\,\,\,\,\,\frac{{ - 2}}{{17}} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$2{A^{ - 1}} - 3{B^{ - 1}} = \left[ \begin{gathered}
  \frac{5}{7}\,\,\,\,\,\frac{{ - 3}}{7} \hfill \\
  \frac{{ - 2}}{7}\,\,\,\,\,\frac{4}{7} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] + \left[ \begin{gathered}
  \frac{{ + 3}}{{17}}\,\,\,\,\,\frac{{ - 9}}{{17}} \hfill \\
  \frac{{15}}{{17}}\,\,\,\,\,\,\frac{6}{{17}} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \frac{{106}}{{119}}\,\,\,\,\,\, - \frac{{114}}{{119}} \hfill \\
  \frac{{71}}{{119}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\frac{{110}}{{119}} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

7- اگر $A = \left[ \begin{gathered}
  5\,\,\,\,\,\,2 \hfill \\
  3\,\,\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ ابتدا ماتریس ${A^{ - 1}}$ را به‌دست آورده و $\left| A \right|$ را با $\left| {{A^{ - 1}}} \right|$ مقایسه کنید.

$A = \left[ \begin{gathered}
  5\,\,\,\,\,2 \hfill \\
  3\,\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = 10 - 6 = 4 \Rightarrow {A^{ - 1}} = \frac{1}{4}\left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\, - 2 \hfill \\
   - 3\,\,\,\,\,\,5 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ = \left[ \begin{gathered}
  \,\,\frac{1}{2}\,\,\,\,\,\, - \frac{1}{2} \hfill \\
   - \frac{3}{4}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\frac{5}{4} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| {{A^{ - 1}}} \right| = \frac{5}{8} - \frac{3}{8} = \frac{1}{4} \Rightarrow \left| {{A^{ - 1}}} \right| = \frac{1}{{\left| A \right|}}$

8- الف) ماتریس‌های $A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,\,b\,\,\,\,\,\,\,c \hfill \\
  d\,\,\,\,\,\,e\,\,\,\,\,\,f \hfill \\
  g\,\,\,\,\,\,h\,\,\,\,\,\,i \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ و $(k \in \mathbb{R})B = \left[ \begin{gathered}
  ka\,\,\,\,\,\,kb\,\,\,\,\,\,kc \hfill \\
  \,d\,\,\,\,\,\,\,\,\,e\,\,\,\,\,\,\,\,f \hfill \\
  g\,\,\,\,\,\,\,\,h\,\,\,\,\,\,\,\,\,i \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ را در نظر بگیرید و $\left| A \right|$ و $\left| B \right|$ را از دستور ساروس محاسبه کرده و با هم مقایسه کنید. چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

$A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,b\,\,\,\,\,c \hfill \\
  d\,\,\,\,\,e\,\,\,\,\,f \hfill \\
  g\,\,\,\,\,h\,\,\,\,\,i \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\begin{array}{*{20}{c}}
  a \\ 
  d \\ 
  g 
\end{array}\,\,\begin{array}{*{20}{c}}
  b \\ 
  e \\ 
  h 
\end{array} \Rightarrow \left| A \right| = (aei + bfg + cdh) - (bdi + afh + ceg)$

$B = \left[ \begin{gathered}
  ka\,\,\,\,\,kb\,\,\,\,\,kc \hfill \\
  \,d\,\,\,\,\,\,\,\,e\,\,\,\,\,\,\,f \hfill \\
  g\,\,\,\,\,\,\,h\,\,\,\,\,\,\,\,i \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\begin{array}{*{20}{c}}
  {ka} \\ 
  d \\ 
  g 
\end{array}\,\,\begin{array}{*{20}{c}}
  {kb} \\ 
  e \\ 
  h 
\end{array} \Rightarrow \left| B \right| = (kaei + kbfg + kcdh) - (kbdi + kafh + kceg) \Rightarrow \left| B \right| = k\left| A \right|$

ب) قسمت (الف) را برای دو ماتریس $A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,b \hfill \\
  c\,\,\,\,d \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ و $(k \in \mathbb{R})B = \left[ \begin{gathered}
  ka\,\,\,\,kb \hfill \\
  \,c\,\,\,\,\,\,\,d \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ بررسی کنید.

$A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,b \hfill \\
  c\,\,\,\,\,d \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]\,\, \Rightarrow \left| A \right| = ad - bc\,,B = \left[ \begin{gathered}
  ka\,\,\,\,kb \hfill \\
  \,\,c\,\,\,\,\,\,\,d \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| B \right| = kad - kbc \Rightarrow \left| B \right| = k\left| A \right|$

9- برای ماتریس $2 \times 2$ مانند $A$ دو مقدار $\left| A \right|$ و $(k \in \mathbb{R})\left| {KA} \right|$ را با هم مقایسه کنید. چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

$A = \left[ \begin{gathered}
  a\,\,\,\,\,b \hfill \\
  c\,\,\,\,\,d \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left| A \right| = ad - bc\,,\,KA = \left[ \begin{gathered}
  ka\,\,\,\,\,kb \hfill \\
  kc\,\,\,\,\,kd \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow $

$\left| {KA} \right| = (ka)(kd) - (kb)(kc) = {k^2}ad - {k^2}bc \Rightarrow \left| {KA} \right| = {k^2}\left| A \right|$

10- اگر $A$ ماتریسی $3 \times 3$ باشد و $\left| A \right| = 5$ در این صورت حاصل $\left| {\left| A \right|A} \right|$ را بیابید.

$\left| {{A_{3 \times 3}}} \right| = 5 \Rightarrow \left| {\left| A \right|A} \right| = \left| {5A} \right| = {5^3}\left| A \right| = {5^3} \times 5 = {5^4} = 625$

11- دستگاه معادلات خطی تشکیل دهید که $A = \left[ \begin{gathered}
  3\,\,\,\,\, - 5 \hfill \\
  4\,\,\,\,\,\,\,\,2 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ ماتریس ضرایب دستگاه بوده و $B = \left[ \begin{gathered}
  \,1 \hfill \\
  10 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$ ماتریس معلومات آن باشد و سپس جواب دستگاه را با استفاده از ${A^{ - 1}}$ بیابید.

$\left\{ \begin{gathered}
  3x - 5y = 1\,\,\,\, \hfill \\
  4x + 2y = 10 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$

$\left| A \right| = 6 + 20 = 26 \ne 0 \Rightarrow {A^{ - 1}} = \frac{1}{{26}}\left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,\,\,\,5 \hfill \\
   - 4\,\,\,\,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$X = {A^{ - 1}} \times B \Rightarrow \left[ \begin{gathered}
  x \hfill \\
  y \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \frac{1}{{26}}\left[ \begin{gathered}
  2\,\,\,\,\,\,5 \hfill \\
   - 4\,\,\,3 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \times \left[ \begin{gathered}
  \,\,1 \hfill \\
  10 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right]$

$ = \frac{1}{{26}}\left[ \begin{gathered}
  52 \hfill \\
  26 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  \frac{{52}}{{26}} \hfill \\
  \frac{{26}}{{26}} \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] = \left[ \begin{gathered}
  2 \hfill \\
  1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right] \Rightarrow \left\{ \begin{gathered}
  x = 2 \hfill \\
  y = 1 \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$

12- به ازای چه مقادیری از $k$ دستگاه $\left\{ \begin{gathered}
  kx + 3y = 4 \hfill \\
  x - 2y = 3\,\,\, \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$ یک دسته جواب منحصر به فرد دارد.

$ \Rightarrow \frac{k}{1} \ne  - \frac{3}{2} \Rightarrow k \ne  - \frac{3}{2}$

13- روی وجود و عدم وجود و تعداد جواب‌های هر یک از دستگاه‌های زیر بحث کنید و در صورت وجود، جواب را با استفاده از ${A^{ - 1}}$ بیابید.

$\left\{ \begin{gathered}
  3x - 5y =  - 1 \hfill \\
  2x + y = 8\,\,\,\,\, \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$ (الف

دستگاه فقط یک دسته جواب منحصر به فرد دارد. $ \Rightarrow \frac{3}{2} \ne  - \frac{5}{1} \Rightarrow $

$\left\{ \begin{gathered}
  x + 3y = 5\,\,\,\,\,\, \hfill \\
   - 2x - 6y = 1\,\,\,\,\, \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$ (ب

$ \Rightarrow  - \frac{1}{2} =  - \frac{3}{6} \ne \frac{5}{1}$

$\left\{ \begin{gathered}
   - 2x + 3y = 2 \hfill \\
  4x - 6y =  - 4\,\,\,\,\, \hfill \\ 
\end{gathered}  \right.$ (پ

دستگاه بی‌شمار جواب دارد.   $ \Rightarrow  - \frac{2}{4} =  - \frac{3}{6} =  - \frac{2}{4} \Rightarrow $

درس 2: وارون ماتریس و دترمینان