background image

 

 

Lecture

 

5

 

THE RANK

DETERMINANTS AND THE INVERSE MATRIX

background image

 

 

1.  THE RANK OF A MATRIX

background image

 

 

Definition

The leading coefficient of a row in a matrix is the first nonzero 
entry in that row. So, for example,

The numbers 1, 2, 4  are the leading coefficints. 

background image

 

 

Definition
A matrix is in row echelon form if is satisfies the following 

requirements:

1. All nonzero rows are above any rows of all zeroes. 

2. The leading coefficient of a row is always to the right of the 

leading                   coefficient  of the row above it. 

3. All entries below a leading coefficient, if any, are zeroes. 

This matrix is in row echelon 
form.
It has three leading 
elements

As is this one. It also has
three leading elemnts

However, this matrix is not in row echelon form, 
as it has nonzero entries below the leading 
coefficient of the second row.

background image

 

 

Typical structure in row echelon form

background image

 

 

This matrix is in reduced row echelon form:
It has  three leading elements

However, the obove matrix is not in reduced row 
echelon form, as the   1   in the third row is not 
the only nonzero entry in its column:

REDUCED ROW ECHELON FORM

background image

 

 

Typical structure in reduced row echelon form

background image

 

 

A matrix is in reduced row echelon form (also known as row 

canonical form) if it satisfies the following requirements:

1. All nonzero rows are above any rows of all zeroes. 
2. The leading coefficient of a row is always to the right of the leading 

coefficient of the row above it. 

3. All entries below a leading coefficient, if any, are zeroes. 
4. All leading coefficients are 1. 
5. All leading coefficients are the only nonzero entries in a given column 

(equivalently: all leading coefficients have zeros both above and 
below them). 

Every matrix can be transformed by elementary row operations into 
an infinite number of echelon forms
 (they can all be multiples of each 
other). 
However, all matrices and their row echelon forms correspond to exactly 
one matrix in 
reduced row echelon form. 

The 

first three requirements

 above are precisely those that determine a 

matrix in row echelon form 

background image

 

 

                                         RANK OF A MATRIX

Suppose that A

m x n  

is reduced by row operations to an echelon form E.

The rank  of  is defined to be the number;

rank(A) = number of leading elements
             = number of nonzero rows in E
             
= number of basic columns in A.   

Definition
The basic columns of are defined to be those columns in  that contain
the positions of the leading elements., 

background image

 

 

Example

We reduce the marix to row echelon form:

There are two leading lements, so  rank(A) = 2, and  

Note that the basic columns are extarcted from A not from E.

rank A =2

background image

 

 

Find the rank and the basic columns of

The rank(A)=3,    the basic columns are  (1,2,3,1)

T

,  (2,4,6,4)

T

,   (1,2,6,3)

T

.

.

Example

background image

 

 

DETERMINANT

background image

 

 

THE ORIGIN OF THE DETERMINANT

B

dy

cx

A

by

ax

d

/

B

dy

cx

c

/

A

by

ax

1

2

R

R

aB

ady

acx

cA

bcy

acx

cA

aB

y

)

bc

ad

(

cA

bcy

acx



bc

ad

cA

aB

y

bc

ad

Bb

Ad

x

DETERMINANT

background image

 

 

Definition
The determinant of a 2 by 2 matrix  

A

  is equal to 

bc

ad

d

c

b

a

Det

A

Det

Notation

Det A,  det A, 

d

c

b

a

background image

 

 

The Sarrus Method for 33 matrices 

+

-

it works ONLY  for 33 matrices

background image

 

 

DEFINITION OF DETERMINANT  - expansion along the first row

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

21

21

1

1

1

12

11

n

n

n

n

n

n

nn

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

,

,

,

,

,

,

=

background image

 

 

1

1

1

1

1

1

1

1

2

21

21

1

1

1

12

11

n

n

n

n

nn

n

n

n

n

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

,

,

,

,

,

• 

We cross out the first row and the  i-th column. In 

this way we obtain a matrix  n by n  and name it   

A

1,i

background image

 

 

background image

 

 

1.

2.

3.

Type I   Elementary Row Operation

The determinant of a matrix  in which every element of a row (column) is zero
is also zero. 

The determinant of a matrix with two identical rows (columns) is zero

Some properties of determinants

The determinant of a square matrix is equal to the determinant of its transpose

Det A = Det A

T

Property 2.

background image

 

 

4.

5
.

The determinant of a matrix in which one of the rows (columns) is a 
linear combinationof the others is equal to zero.

The determinant of a matrix which has the elements of one row (column) 
equal to the sum of two determinants is equal to the sum of two determinants
of matrices with the elemnets of appropriate rows replaced by the components
of the sum.

Type III  Elementary Row Operation

background image

 

 

OTHER METHODS OF CALCULATING THE DETERMINANT

1.    We can reduce the matrix using type III Elementary Row Operations, 
and then calculate the determinant.

2.    We can expand the determinant along another row or column.

To explain the second method we need more definitions...

background image

 

 

Some definitions

background image

 

 

Definition
 kk   minor determinant of A is the determinant of a k  k square submatrix of A

1

2

3

3

9

5

1

3

4

4

0

2

7

2

3

1

e.g. a minor  of  A is 

20

21

1

1

3

7

1

det

Definition
submatrix  of A is formed by removing whole columns or rows from 
the  original matrix.

background image

 

 

1

2

0

2

5

4

3

2

1

A

The cofactor :

1

1

0

3

1

1

2

2

22

det

)

(

D

Especially important are the (n - 1) × (n - 1) minors of an n × n   

square 

matrix

 - these are often denoted M

ij

, and are derived by removing the i-

th row and the j-th column. 

Definition
The cofactor  

D

ij

 of A is defined as   

(−1)

i + j

   times the minor 

M

ij

   

of  

A

                                 D

ij 

= (−1)

i + j

 M

ij

background image

 

 

background image

 

 

GEOMETRICAL INTERPRETATION

background image

 

 

Example
The area (2-dim volume) of a parallelogram described  by vectors [2,0] 
and [1,2] is

4

2

0

1

2

 det

AREA

Vector [2,0]

vector[1,2]

The volume V of a parallelepiped generated by the columns of a matrix is
V= [det (A A

T

)]

1/2

.

    

In particular, if   A  is square, then  V = | det A | .

background image

 

 

THEOREM (ON THE DETERMINANT OF A PRODUCT OF TWO MATRICES).

Let A and B be square matrices of the same order, then:

det ( A B) = det A  det B.

background image

 

 

THE INVERSE OF A MATRIX

background image

 

 

DEFINITION
A matrix A is called non-singular iff 
                     Det A 
 0

background image

 

 

If an inverse exists then we can 'cancel' matrix terms:

          

A·B = A·C 

A

-1

 ·/

  A·B = A·C

   A

-1

·A ·B = A

-

1

·A·C

(A

-1

·A) ·B =(A

-1

·A) 

·C
           I·B = I·C
             B =C

We multiply from the 
R-HS

INVERSE OF MATRIX
Definition
The inverse matrix of a square matrix  

A

  is a matrix denoted by  

A

-1

such that:
                                         

A

-1

  A = A  A

-1

 = 1

background image

 

 

B · A = C · A

            B · A = C · A    

/

 

·

 

A

-1

 B · A · A

-1

 = C · A · A

-1

 B ·(A

-1

·A) = C ·(A

-1

·A) 

 B · I = C · I

B = C

Or 

We multiply from the L-HS

background image

 

 

THEOREM

1) An invertible matrix 

A

 ( one for which an inverse matrix 

exists) is nonsingular,  that is   

Det

 

A

  0.

2) The inverse matrix 

A

-1

  of a non-singular matrix is non-singular

                                                

(A

-1

)

-1 

= A

3) The determinant of the inverse matrix  

A

-1

  is equal to the 

reciprocal of the   determinant of matrix 

A

:

DetA

1

A

Det

1

Det (AB) = DetA DetB

background image

 

 

Theorem

The inverse matrix can be found from the 
formula

.

A

A

A

D

1

Definition
If you replace each element of a square matrix A with its own 
cofactor and transpose the result, then you have made the adjoint 
matrix
   (new term  adjugate) of A. 

 

T

ij

D

D

background image

 

 

To prove the formula

.

A

A

A

D

1

We will first prove the following cofactors property, for 3x3 matrices, 
The method of the proof is universal.

background image

 

 

Cofactors property

Theorem : When we multiply the elements of a row of a square matrix with the 
corresponding cofactors of another row, then the sum of these product is 0. 
Proof:

Take  

Let    

A, B, C, D, E, F, G, H, I 

    be the cofactors of      

a, b, c, d, e, f, g, h, i

We multiply the elements of a row, say the second, with the corresponding 
cofactors of another row, say the the first.
We have to prove that  

dA + eB + fC = 0

.

Take now the matrix 
 

Since the matrix has two equal rows, its determinant is 

0

. So   

Det(Q) = 0

Furthermore, the cofactors of corresponding elements of the first row of 

P

 and 

Q

 

are the same. These cofactors are 

A, B

 and 

C

.

Hence the calculation of   

Det(Q)

   emanating from the first row gives   

dA+eB+fC

.

Since we know that   

det(Q) = 0,  dA+eB+fC =

 

0

.

                                                                                                                                     
  Q.E.D.

i

h

g

f

e

d

c

b

a

P

i

h

g

f

e

d

f

e

d

Q

background image

 

 

Now we shall prove the formula 

for a 3 x 3 matrix, 
the method of the proof for is universal.

.

P

P

P

D

1

background image

 

 

The diagonal elements of this matrix are 

Det P

iI

hH

gG

iF

hE

gD

iC

hB

gA

fI

eH

dG

fF

eE

dD

Cf

eB

dA

cI

bH

aG

cF

bE

aD

cC

Bb

aA

I

F

C

H

E

B

G

D

A

i

h

g

f

e

d

c

b

a

First we calculate the product   P times (adjoint P)  
                                    

P P

D  

iI

hH

gG

0

0

0

fF

eE

dD

0

0

0

cC

Bb

aA

Because of the cofactors property,

I

P

Det

1

0

0

0

1

0

0

0

1

P

Det

P

Det

0

0

0

P

Det

0

0

0

P

Det

In the same way , 

P

D

 P = Det P I

So

I

P

DetP

P

and

I

DetP

P

P

D

D

thu
s

P

Det

p

P

D

1

QED

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

Use elementary row operations on the augmented matrix  [

A | I

 ]

as in the Gaussian Elimination Method, to reduce 

A

  to  the unit matrix 

I

then

transform the unit matrix  to  

A

-1 

  that is 

                                 [

A | I

 ]  is reduced to   [ 

I | A

-1

].

Justification

1

1

A

I

A

x

I

I

x

A

Another method to find the inverse 
matrix  

background image

 

 

EXAMPLE

background image

 

 

Let A and  be two nonsingular matrices then, 

 

   

1

T

T

1

1

1

1

A

A

.

3

)

inversion

for

law

order

reverse

the

(

A

B

AB

.

2

r

nonsingula

also

is

AB

product

The

.

1

If

0

A

Det 

then the inverse matrix  A

-1

 exists.

.

A

Det

A

A

D

1


Document Outline