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Grado en Matemáticas

Determinantes y cambios de base

El determinante resume cuánto cambia un volumen y si su orientación se invierte. Un cambio de base, en cambio, cambia las instrucciones numéricas con las que describimos los mismos vectores. Construiremos ambos significados y distinguiremos la fórmula de un endomorfismo de la de una forma cuadrática.

1. El determinante es lineal en una columna cada vez, no en toda la matriz

Para matrices cuadradas, det es multilineal en sus columnas, alternante y vale uno en la identidad. Multilineal significa que podemos sumar o escalar una columna manteniendo las otras fijas. Alternante significa que dos columnas iguales dan cero.

En tamaño dos esas reglas llevan a det[[a,b],[c,d]]=ad−bc. En tamaños mayores usamos permutaciones, cofactores o eliminación; multiplicar diagonales al azar no define un determinante. Una matriz rectangular no tiene este determinante ordinario.

Calcular y conservar el orden de los productos

Halla el determinante de A=[[1,2],[3,4]].

  1. Principal

    1·4=4.
  2. Cruzado

    2·3=6.
  3. Restar

    4−6=−2.
Resultado

detA=−2.

Lo comprobamos

Cambiar el orden de las columnas cambiaría el signo; no tomamos valor absoluto hasta hablar de área geométrica.

Por qué det(A+B) no es en general detA+detB

Toma A=B=I de tamaño dos.

  1. Por separado

    detA=detB=1, suma dos.
  2. Sumar matrices

    A+B=2I.
  3. Determinante de la suma

    2·2=4, distinto de dos.
Resultado

La linealidad es por una columna fija cada vez, no una suma simultánea de todas las columnas.

Lo comprobamos

En la suma de matrices se cambian las dos columnas a la vez y aparecen contribuciones cruzadas.

2. Cada operación de fila tiene un efecto propio que registramos

Intercambiar dos filas cambia el signo. Multiplicar una fila por c multiplica el determinante por c. Sumar a una fila un múltiplo de otra no lo cambia. Lo mismo vale con columnas. En una triangular, el determinante es el producto diagonal.

Al eliminar registramos intercambios y escalas. Si normalizamos un pivote dividiendo una fila, hay que recuperar después ese factor para el determinante original. Que una operación conserve soluciones de un sistema no significa que conserve su determinante.

Triangularizar con un intercambio

Calcula det de [[0,2,1],[1,1,0],[2,0,1]].

  1. Intercambiar

    R₁↔R₂ da [[1,1,0],[0,2,1],[2,0,1]] y cambia el signo.
  2. Eliminar debajo

    R₃←R₃−2R₁ produce (0,−2,1) en la tercera fila.

  3. Completar

    R₃←R₃+R₂ produce (0,0,2). El producto diagonal es cuatro.

  4. Recuperar signo

    Solo hubo un intercambio; el determinante original es −4.

Resultado

Resultado −4.

Lo comprobamos

Las dos sumas de múltiplos de filas conservaron el determinante; el intercambio no.

Normalizar cambia el número que estamos calculando

En A=[[2,4],[1,3]], divide la primera fila entre dos.

  1. Nueva matriz

    B=[[1,2],[1,3]], con detB=3−2=1.
  2. Relación

    B se obtuvo escalando una fila por 1/2: detB=(1/2)detA.

  3. Volver

    detA=2, no uno.
Resultado

El factor de normalización se recupera.

Lo comprobamos

La cuenta directa 2·3−4·1=2 verifica la corrección.

3. Determinante no nulo equivale a invertibilidad exacta en el caso cuadrado

Una matriz cuadrada tiene determinante no nulo si y solo si sus columnas son independientes, generan todo el espacio y la matriz es invertible. Un determinante cero significa que alguna dirección no nula se envía a cero.

La magnitud del determinante depende de la escala y no mide por sí sola sensibilidad numérica. Un factor pequeño en todas las direcciones puede conservar proporciones; dos factores muy diferentes pueden producir inestabilidad relativa aunque su producto sea uno. Para ello se estudian normas, valores singulares y número de condición.

Una dirección que desaparece

A=[[1,2],[2,4]]. Relaciona determinante, columnas y núcleo.

  1. Determinante

    Cuatro menos cuatro, igual a cero.

  2. Columnas

    La segunda es dos veces la primera.

  3. Núcleo

    A(−2,1)=0, con entrada no nula; no puede tener inversa.

Resultado

Las tres comprobaciones expresan la misma degeneración.

Lo comprobamos

La matriz no es cero: todavía puede alcanzar una recta de salidas.

Un determinante pequeño puede ser solo una escala uniforme

Compara A=0,001I₂ con B=diag(10⁶,10⁻⁶).

  1. Determinantes

    detA=10⁻⁶; detB=1.
  2. Escalas relativas

    A estira igual en todas las direcciones. B tiene factores 10⁶ y 10⁻⁶, con razón 10¹².

  3. Conclusión

    El tamaño de det solo no ordena su sensibilidad relativa: A tiene condición euclídea uno y B, 10¹².

Resultado

No decidimos estabilidad solo por algunos decimales del determinante.

Lo comprobamos

Ambas son invertibles exactamente; aquí comparamos efectos relativos de escalas distintas.

4. Componer multiplica determinantes; escalar toda la matriz escala todas sus columnas

det(AB)=detA·detB.
De AA⁻¹=I se deduce det(A⁻¹)=1/detA.

La traspuesta conserva el determinante.

En una potencia entera k≥0, det(Aᵏ)=(detA)ᵏ.

Si A es n×n, multiplicarla por c escala sus n columnas, así que det(cA)=cⁿdetA. No es c·detA en general. Es otra consecuencia de que la linealidad es individual por columna.

Composición con una cizalla

A=diag(2,3), B=[[1,4],[0,1]]. Halla det(AB).

  1. Separados

    detA=6, detB=1.
  2. Producto de factores

    det(AB)=6.
  3. Matriz directa

    AB=[[2,8],[0,3]] tiene diagonal dos y tres; su determinante también es seis.

Resultado

La cizalla conserva área y A multiplica por seis.

Lo comprobamos

La composición puede alterar direcciones sin cambiar el factor de volumen aportado por la cizalla.

Escala, potencia e inversa

Para A=diag(2,3), calcula det(3A), det(A³) y det(A⁻¹).

  1. Escala de matriz 2×2

    3²·6=54.
  2. Potencia

    6³=216.
  3. Inversa

    1/6.

Resultado

Los tres factores responden a operaciones distintas.

Lo comprobamos

Det(3A) no es dieciocho: se multiplicaron las dos columnas por tres.

5. El valor absoluto mide volumen; el signo conserva información de orientación

En ℝ², las columnas son lados de un paralelogramo y |detA| su área. En ℝ³ forman un paralelepípedo de volumen |detA|. Un determinante cero significa degeneración a una dimensión menor.

Un determinante negativo cambia la orientación, no el área a negativa
F(u;v)=(2u+v;−v)12Área 1Área 2det DF=−2 ; |det DF|=2Los dos lados se transforman.
Cuadrado unidad en parámetros y su imagen por x igual a dos u más v, y igual a menos v. Los lados de la imagen son los vectores dos cero y uno menos uno, con determinante menos dos. El paralelogramo tiene área dos y orientación invertida.

El signo positivo conserva orientación y el negativo la invierte respecto de las bases orientadas elegidas. No informa por separado de ángulos, longitudes y cizallas: muchas transformaciones diferentes pueden tener el mismo determinante.

Paralelogramo y triángulo

Usa u=(1,2), v=(3,1) como columnas.

  1. Determinante

    1·1−3·2=−5.
  2. Área

    El paralelogramo tiene área cinco.

  3. Mitad

    El triángulo con vértices 0,u,v tiene área 5/2.

Resultado

El signo negativo no es un área negativa.

Lo comprobamos

Cambiar u y v de orden invierte orientación, pero conserva las dos áreas geométricas.

Volumen con reflexión

A=diag(−2,3,4) transforma el cubo unidad.

  1. Determinante

    (−2)·3·4=−24.
  2. Volumen

    El paralelepípedo tiene volumen veinticuatro.

  3. Orientación

    La reflexión de la primera dirección cambia el signo respecto de diag(2,3,4).

Resultado

Mismo volumen que sin la reflexión y orientación contraria.

Lo comprobamos

No se obtiene volumen multiplicando el signo como si fuera una longitud geométrica negativa.

6. La matriz P lleva coordenadas nuevas a antiguas por la combinación de sus columnas

Llamaremos E a la base antigua y B a la nueva. Cada columna de P es un vector de B expresado en E.

El sentido de conversión es [v]_E=P[v]_B.
Para volver usamos P⁻¹ o resolvemos Pz=[v]_E.

Las columnas forman base y P es invertible.

Las coordenadas dicen cuánto tomar de cada vector de la base
b₁=(1;0) ; b₂=(1;2)(3;4)1b₁2b₂(3;4)=1b₁+2b₂
Base b uno igual a uno cero, b dos igual a uno dos. El vector tres cuatro se construye con una vez b uno y dos veces b dos. Esquema con escalas de coordenadas distintas para legibilidad; la combinación se muestra trasladando el segundo vector a la punta del primero.
Con B=((1,0),(1,2)) y base antigua canónica, P=[[1,1],[0,2]].

Una lista (s,t) construye (s+t,2t). La frase cambio de base sin indicar sentido deja una ambigüedad que evitaremos escribiendo la ecuación.

Ir de instrucciones nuevas a componentes usuales

En B, un vector tiene coordenadas (1,2). Encuentra sus componentes canónicas.

  1. Columnas

    Una vez (1,0) y dos veces (1,2).

  2. Construir

    (1,0)+(2,4)=(3,4).
  3. Matriz

    P(1,2)=(3,4), la misma combinación.
Resultado

Vector usual (3,4).

Lo comprobamos

No hemos cambiado el vector; solo el sistema con el que se escribe.

Volver resolviendo el sistema

Expresa (5,6) en B.

  1. Ecuaciones

    s+t=5 y 2t=6.
  2. Resolver

    t=3 y s=2.
  3. Verificar

    2(1,0)+3(1,2)=(5,6).
Resultado

Coordenadas (2,3) en B.

Lo comprobamos

P⁻¹=[[1,−1/2],[0,1/2]] produce directamente la misma lista.

7. Un endomorfismo cambia de matriz mediante semejanza

Un endomorfismo T:V→V se representa por A en la base antigua.

Para aplicarlo a coordenadas nuevas hacemos tres etapas: P para entrar en la base antigua, A para actuar y P⁻¹ para volver.

Así A_nueva=P⁻¹AP.

Las matrices semejantes representan la misma transformación. Sus determinantes coinciden porque detP⁻¹·detA·detP=detA. También se conservan traza y polinomio característico. La semejanza no obliga a que las entradas numéricas sean iguales.

Misma transformación, matriz diferente

T tiene A=diag(2,3) en la base canónica. Usa P=[[1,1],[0,2]].

  1. Primero AP

    [[2,2],[0,6]].

  2. Después P⁻¹

    [[1,−1/2],[0,1/2]] por AP da A_nueva=[[2,−1],[0,3]].
  3. Invariantes

    Ambas tienen determinante seis y traza cinco.

Resultado

A_nueva es triangular pero ya no diagonal en esa base.

Lo comprobamos

El cambio no alteró T; las nuevas instrucciones mezclan sus direcciones anteriores.

Verificar sobre un vector concreto

Con [v]_B=(1,2), comprueba T(v) en ambas descripciones.

  1. Ruta antigua

    v=(3,4); A v=(6,12).
  2. Ruta nueva

    A_nueva(1,2)=(0,6).
  3. Reconstruir

    P(0,6)=(6,12), la misma salida.
Resultado

El resultado geométrico coincide.

Lo comprobamos

La lista (0,6) en B no es el vector canónico (0,6); requiere la reconstrucción por P.

8. Una forma cuadrática cambia por congruencia, con traspuesta en lugar de inversa

Para q(x)=xᵀAx y x=Pu, sustituir da q(Pu)=uᵀPᵀAPu.

No estamos convirtiendo coordenadas de una salida vectorial; las dos apariciones de x producen P y su traspuesta. Esta transformación se llama congruencia.

La semejanza de endomorfismos usa P⁻¹AP. Solo para P ortogonal, P⁻¹=Pᵀ y coinciden las expresiones. Para A real simétrica y P invertible, la congruencia conserva la inercia: cantidades de direcciones positivas, negativas y nulas; no necesariamente los autovalores concretos.

Sustituir una forma de dos variables

q(x,y)=2x²+3y², con x=u+v, y=2v.

  1. Desarrollar

    q=2(u+v)²+12v²=2u²+4uv+14v².
  2. Matriz

    PᵀAP=[[2,2],[2,14]]; las dos entradas cruzadas suman el coeficiente cuatro de uv.

  3. Comparar

    Su determinante es 24, frente a seis de A; vale (detP)²detA=4·6.

Resultado

Esta matriz no es la semejante [[2,−1],[0,3]] del ejemplo anterior.

Lo comprobamos

La forma sigue siendo positiva para todo vector no nulo, aunque los números de la matriz cambien.

Conservar signos sin conservar autovalores

A=diag(1,−1), P=diag(2,1). Compara congruencia y semejanza.

  1. Congruencia

    PᵀAP=diag(4,−1): una dirección positiva y una negativa.

  2. Semejanza

    P⁻¹AP=A porque las matrices diagonales se simplifican en ese orden.

  3. Diferencia

    En la congruencia el autovalor positivo pasa de uno a cuatro; la inercia permanece (1,1,0).

Resultado

Congruencia y semejanza describen objetos distintos.

Lo comprobamos

No se reemplaza P⁻¹ por Pᵀ: aquí P no es ortogonal.

9. La comprobación cambia según si representamos un vector, un operador o una forma

Para coordenadas reconstruimos el vector con P.

Para un endomorfismo comprobamos AP=P A_nueva.

Para una forma cuadrática desarrollamos x=Pu y mantenemos las dos copias de la sustitución.

La semejanza conserva detA; la congruencia lo multiplica por (detP)². Ese contraste es una comprobación útil de la fórmula elegida. Para una matriz ortogonal sí coincide inversa con traspuesta; lo demostramos con PᵀP=I antes de aprovecharlo.

Comprobar la identidad de semejanza

A=diag(2,3), P=[[1,1],[0,2]], A_nueva=[[2,−1],[0,3]].

  1. Lado izquierdo

    AP=[[2,2],[0,6]].
  2. Derecho

    P A_nueva=[[2,2],[0,6]].
  3. Interpretación

    Actuar y luego convertir equivale a convertir y actuar con la matriz correspondiente.

Resultado

AP=P A_nueva confirma la representación.

Lo comprobamos

No es una condición que diga AP=PA; A y P no tienen por qué conmutar.

Cuándo traspuesta e inversa sí coinciden

P=[[0,−1],[1,0]] es un giro de noventa grados. Comprueba la propiedad ortogonal.

  1. Traspuesta

    Pᵀ=[[0,1],[−1,0]].
  2. Producto

    PᵀP=I.
  3. Consecuencia

    P⁻¹=Pᵀ; en este caso las expresiones P⁻¹AP y PᵀAP son numéricamente iguales.

Resultado

La igualdad de fórmulas aquí tiene una hipótesis concreta.

Lo comprobamos

Que P sea invertible por sí solo no bastaba; las columnas debían ser ortonormales.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Determinante y solución

A=[[2,1],[1,3]]. Decide si es invertible.

  1. Tamaño

    A=[[2,1],[1,3]] es cuadrada 2×2.
  2. Determinante

    2·3−1·1=6−1=5.
  3. Decisión

    Cinco es no nulo, por lo que A es invertible.

  4. Inversa

    A⁻¹=(1/5)[[3,−1],[−1,2]].
  5. Verificar

    A[[3,−1],[−1,2]]=5I; dividir por cinco da identidad.
  6. Geometría

    Sus columnas independientes forman un paralelogramo de área cinco, coherente con el determinante.

Resultado

A es invertible, con determinante 5.

Lo comprobamos

Las columnas (2,1) y (1,3) no son proporcionales; su paralelogramo tiene área cinco, coherente con la independencia.

EJEMPLO RESUELTO 2

De coordenadas nuevas a usuales

B=((1,1),(1,−1)). Un vector tiene coordenadas (2,3) en B.

  1. Sentido del cambio

    Las coordenadas dadas son en B; buscamos componentes usuales.

  2. Matriz

    P=[[1,1],[1,−1]], con los vectores de B como columnas.
  3. Construir

    P(2,3)=2(1,1)+3(1,−1).
  4. Componentes

    (2,2)+(3,−3)=(5,−1).
  5. Volver

    a+b=5 y a−b=−1 dan a=2,b=3.
  6. Invertibilidad

    detP=−2≠0; las coordenadas recuperadas son únicas.

Resultado

El vector usual es (5,−1).

Lo comprobamos

det P=−2 es no nulo. La inversión de coordenadas es posible, y (x+y)/2 y (x−y)/2 recuperan dos y tres.

Los símbolos que hemos usado

det A
Determinante de una matriz cuadrada A.
I
Matriz identidad del tamaño correspondiente.
P
Matriz cuyas columnas son la base nueva expresada en la antigua.
[v]_antigua, [v]_nueva
Coordenadas del mismo vector en las dos bases.
P⁻¹AP
Matriz semejante que representa el mismo endomorfismo en otra base.
PᵀAP
Matriz de una forma cuadrática real al sustituir x=Pu.
Orientación
Signo que distingue el sentido de una base respecto de otra.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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