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Antes de iniciar a leitura dessa Sala de Estudos, sugerimos fortemente que você dê uma passadinha na Sala de Matrizes, neste link.
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Na Matemática ocidental antiga não se tem muitos registros de sistemas de equações lineares, diferente do Oriente, onde o assunto já era mais discutido entre os chineses, que representavam os sistemas lineares por meio de seus coeficientes escritos com barras de bambu sobre os quadrados de um tabuleiro. Acredita-se que, com essa forma de representação, eles acabaram descobrindo o método de resolução de sistemas por eliminação – anulação dos coeficientes por meio de operações básicas. Exemplos de como era realizado esse procedimento encontram-se em Os Nove Capítulos da Arte Matemática, um texto que data aproximadamente de 200 a.C. a 100 a.C.
Uma página de Os nove capítulos da arte matemática.
Imagem extraída de Wikipédia.
Na Europa, os determinantes de matrizes de ordem 2 foram estudados pelo matemático italiano Girolamo Cardano (1501 – 1576), no final do século XVI.
No Japão, a noção de determinante apareceu em 1683, através do estudo de sistemas lineares, num trabalho do matemático Seki Takakazu (1642 – 1708), também conhecido como Seki Kōwa. Dez anos depois, Gottfried Wilhelm Leibniz (1646 – 1716) introduziu o uso de determinantes no Ocidente.
No século XVIII, outros matemáticos, como Cramer, Bézout, Laplace e Vandermonde também publicaram artigos sobre determinantes e deixaram contribuições importantes, algumas das quais veremos mais adiante.
O termo determinante, com o sentido atual, surgiu em 1812 num trabalho de Augustin-Louis Cauchy (1789 – 1857), onde ele reprovou os resultados anteriores e apresentou novos resultados, simplificou o que era conhecido até então sobre determinantes e apresentou uma segunda demonstração do teorema da multiplicação de determinantes.
Em 1841, Arthur Cayley (1821 – 1895) publicou a primeira contribuição inglesa para a teoria dos determinantes. Em seu artigo, ele usou duas linhas verticais em cada lado da matriz para denotar o determinante, uma notação que agora se tornou padrão, bem como explorou propriedades e aplicações dos determinantes.
O estudo de determinantes é importante em várias áreas da Matemática e de suas aplicações práticas. Abaixo vemos alguns campos onde são aplicados determinantes.
➤ Geometria Analítica: Determinantes são usados na geometria analítica para calcular áreas de paralelogramos e volumes de paralelepípedos, bem como para verificar a coplanaridade de pontos no espaço.
➤ Teoria dos Números: Determinantes estão presentes em algumas formulações e teoremas na teoria dos números, especialmente em problemas relacionados a equações diofantinas e teoria dos grupos.
➤ Computação Gráfica: Em computação gráfica, determinantes são usados para transformações geométricas, como rotações.
➤ Estatística e Probabilidade: Determinantes podem aparecer em contextos estatísticos, por exemplo, ao calcular a matriz de covariância em análise estatística multivariada.
➤ Economia e Ciências Sociais: Modelos econômicos e sistemas de equações nas ciências sociais podem ser analisados usando determinantes.
Em suma, o estudo dos determinantes é indispensável para muitas áreas da Matemática e das ciências, fornecendo ferramentas poderosas para resolver problemas e modelar situações em diversos campos.
Introdução
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Até aqui, muito se falou sobre o desenvolvimento da teoria dos determinantes. Mas, afinal, o que é determinante?
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Determinante é uma função matricial que associa a cada matriz quadrada um escalar, ou seja, é uma função que transforma uma matriz quadrada em um número real. O determinante de uma matriz M é denotado por detM ou simplesmente |M|.
Em termos matemáticos, sendo M o conjunto de todas as matrizes quadradas, temos
det:M→RM↦detM
Assim, as matrizes abaixo, por serem quadradas, possuem determinantes:
- A=[5];
- B=[14−24];
- C=[140−243211];
- D=[1101−12−202111−210−1].
Podemos representar o determinante da matriz C por detC, |C| ou ainda |140−243211|.
Como calcular o determinante?
O método utilizado para encontrar o determinante de uma matriz nem sempre é o mesmo. Assim, apresentaremos algumas definições formais de determinante de matrizes de ordens n=1, n=2 e n=3.
Determinante de uma matriz de ordem n=1
Se M é uma matriz de ordem n=1, então detM é o único elemento de M. Ou seja, se M=[a11], então detM=a11.
Exemplos:
1) Se M=[5], então detM=5;
2) Se N=[−2], então detN=−2.
Determinante de uma matriz de ordem n=2
Sendo M=[a11a12a21a22] uma matriz de ordem n=2, o detM é o produto de a11 e a22 menos o produto de a12 e a21. Ou seja, detM=a11a22−a12a21.
Exemplos:
1) Se M=[1−243], então detM=1⋅3−(−2)⋅4=11;
2) Se N=[−1027], então detN=−1⋅7−0⋅2=−7.
Determinante de uma matriz de ordem n=3
Se M é uma matriz de ordem n=3, digamos M=[a11a12a13a21a22a23a31a32a33], definimos o determinante de M por \qquad \det M = a_{11}\cdot a_{22}\cdot a_{33}+a_{12}\cdot a_{23}\cdot a_{31}+a_{13}\cdot a_{21}\cdot a_{32} -a_{13}\cdot a_{22}\cdot a_{31} – a_{11}\cdot a_{23}\cdot a_{32} -a_{12}\cdot a_{21}\cdot a_{33}.
Exemplos:
1) Se M=\begin{bmatrix} 1 & -2 & 3 \\ 2 & 1 & -1\\ -2 & -1 & 2\end{bmatrix}, então
\qquad \begin{align}\det M &= 1\cdot 1\cdot 2+(-2)\cdot (-1)\cdot (-2)+3\cdot 2\cdot (-1) -3\cdot 1\cdot (-2) – 1\cdot (-1)\cdot (-1) -(-2)\cdot 2\cdot 2\\
\det M &= 2-4-6+6-1+8\\
\det M &= 5;\end{align}
2) Se N=\begin{bmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 0 & -1 & 1\\ 0 & -2 & 1\end{bmatrix}, então
\qquad \begin{align}\det N &= 1\cdot (-1)\cdot 1+ 2\cdot 1\cdot 0+3\cdot 0\cdot (-2) -3\cdot (-1)\cdot 0 – 1\cdot 1\cdot (-2) -2\cdot 0\cdot 1\\
\det N &= -1+0+0+0+2+0\\
\det N &= 1.\end{align}
Você deve ter achado um tanto complicada a definição de determinante para o caso de matrizes de ordem n=3, não é mesmo? Por consequência, vamos apresentar uma maneira de memorizar com mais facilidade a expressão do determinante \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23}\\ a_{31} & a_{32} & a_{33}\end{vmatrix}:
- Repita, do lado direito da matriz M, suas duas primeiras colunas, conforme esquema abaixo.
\qquad \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23}\\ a_{31} & a_{32} & a_{33}\end{vmatrix} \begin{array}{cc} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \\ \end{array} - Os termos precedidos pelo sinal +, na definição apresentada, são obtidos multiplicando-se os elementos situados segundo as setas que estão na mesma direção da diagonal principal. Observe:
- Os termos precedidos pelo sinal -, na definição apresentada, são obtidos multiplicando-se os elementos situados segundo as setas que estão na mesma direção da diagonal secundária. Veja:
Dessa forma,
\qquad \begin{align}\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23}\\ a_{31} & a_{32} & a_{33}\end{vmatrix} = \;\;&\textcolor{blue}{a_{11}\cdot a_{22}\cdot a_{33}+a_{12}\cdot a_{23}\cdot a_{31}+a_{13}\cdot a_{21}\cdot a_{32}} \\ &\textcolor{red}{-a_{13}\cdot a_{22}\cdot a_{31} – a_{11}\cdot a_{23}\cdot a_{32} -a_{12}\cdot a_{21}\cdot a_{33}.}\end{align}
Exemplo: Encontre o determinante da matriz A=\begin{bmatrix} -1 & 0 & 2 \\ 3& 1& 1\\ -2& 1& 3\end{bmatrix}.
Solução: Usando o esquema visto acima, temos
Logo, \det A = -3+0+6+4+1+0 = 8.
Esse esquema de memorização para calcular o determinante de uma matriz de ordem 3 é chamado de Regra de Sarrus, que recebe este nome em homenagem ao matemático francês Pierre Frédéric Sarrus (1798 – 1861). Sarrus foi reconhecido por seus trabalhos em várias áreas da Matemática, incluindo a teoria dos determinantes, na qual a regra que leva seu nome se destaca como uma ferramenta de cálculo valiosa e amplamente utilizada.
Até aqui, já sabemos calcular determinantes de matrizes de ordens 1, 2 e 3, mas e se quiséssemos calcular o determinante de uma matriz de ordem superior, como deveríamos proceder? Bom, a seguir vamos apresentar uma definição formal de determinante, válida para matrizes de ordem n qualquer.
Para tanto, vamos precisar de algumas definições:
Definição: Seja M uma matriz quadrada de ordem n\geq 2. Definimos menor complementar do elemento a_{ij} (representamos por D_{ij}) como sendo o determinante da matriz de ordem n-1 que se obtém eliminando-se a i-ésima linha e a j-ésima coluna da matriz M.
Esquematicamente, se M=(a_{ij})_{n\times n}, eliminamos a linha i e a coluna j, conforme figura abaixo:

E então
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Achou a representação um pouco confusa? |
Se, por exemplo, M=\begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23}\\ a_{31} & a_{32} & a_{33}\end{bmatrix}, então o menor complementar do elemento a_{12} é o determinante da matriz que se obtém eliminando-se a primeira linha e a segunda coluna da matriz M, conforme esquema abaixo.
Ou seja, D_{12} = \begin{vmatrix} a_{21} &a_{23}\\a_{31}& a_{33} \end{vmatrix}.
Exemplo: Dada a matriz M = \begin{bmatrix} 4 &-6& -2\\-1& 3 &-4\\4 &3& 1 \end{bmatrix}:
- o menor complementar do elemento a_{11} é D_{11} = \begin{vmatrix} 3 &-4\\3& 1 \end{vmatrix} = 3+12 = 15;
- o menor complementar do elemento a_{23} é D_{23} = \begin{vmatrix} 4 &-6\\4& 3 \end{vmatrix} = 12+24 = 36.
Definição: Seja M uma matriz quadrada de ordem n\geq 2. Definimos complemento algébrico do elemento a_{ij} (ou simplesmente cofator de a_{ij}), e indicamos por C_{ij}, o número (-1)^{i+j}\cdot D_{ij}.
No que diz respeito ao último exemplo apresentado acima, temos que:
- o cofator de a_{11} é dado por C_{11} = (-1)^{1+1}\cdot D_{11} = 15;
- o cofator de a_{23} é dado por C_{23} = (-1)^{2+3}\cdot D_{23} = (-1)\cdot 36 = -36.
Caso geral
Definição
Seja M = (a_{ij})_{n\times n} uma matriz de ordem n. Definimos o determinante da matriz M (indicamos por \det M) da seguinte forma:
1) se n=1, ou seja, se M=\begin{bmatrix} a_{11} \end{bmatrix}, então \det M =\begin{vmatrix} a_{11}\end{vmatrix} = a_{11};
2) se n\geq 2, ou seja, se M = \begin{bmatrix}
a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n}\\
a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n}\\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\
a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn}
\end{bmatrix}, então \det M é a soma dos produtos dos elementos da 1ª coluna pelos respectivos cofatores.
Ou seja,

Exemplo: Encontre o determinante da matriz M=\begin{bmatrix}
3 & -5 & 2 & 7 \\
-1 & 6 & -4 & 9 \\
8 & -2 & 0 & 4 \\
-3 & 1 & -6 & 5
\end{bmatrix}.
Solução: Pela definição apresentada acima, temos
\qquad \det M = 3\cdot C_{11}-1\cdot C_{21}+8\cdot C_{31}-3\cdot C_{41}.
Nos resta calcular o cofator de cada um dos elementos da primeira coluna:
- C_{11} = (-1)^{1+1}\cdot D_{11} = D_{11} = \begin{vmatrix} 6 & -4 & 9 \\ -2 & 0 & 4 \\ 1 & -6 & 5 \end{vmatrix} = 0-16+108+144 -40-0= 196;
- C_{21} = (-1)^{2+1}\cdot D_{21} = -D_{21} = -\begin{vmatrix} -5& 2 & 7 \\ -2 & 0 & 4 \\ 1 & -6 & 5 \end{vmatrix} = -(0+8+84-120+20-0)= 8;
- C_{31} = (-1)^{3+1}\cdot D_{31} = D_{31} = \begin{vmatrix} -5 & 2 & 7 \\ 6 & -4 & 9 \\ 1 & -6 & 5 \end{vmatrix} = 100+18-252+28-60-270= -436;
- C_{41} = (-1)^{4+1}\cdot D_{41} = -D_{41} = -\begin{vmatrix} -5 & 2 & 7 \\ 6 & -4 & 9 \\ -2 & 0 & 4 \end{vmatrix} = -(80-36+0-56-48+0)= 60.
Portanto,
\qquad \det M = 3\cdot 196-1\cdot 8+8\cdot (-436)-3\cdot 60
\qquad \det M =−3088.
Agora, propomos abaixo um exercício para calcular o determinante de uma matriz de ordem n=5.
Exercício: Determine o determinante da matriz M = \begin{bmatrix} 12 & 9 & -13 & -2 & 6 \\ 18 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ -5 & 8 & 11 & -2 & 14 \\ -1 & 2 & -3 & 1 & 7 \\ 9 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix}.
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Você pode ter se sentido desanimado ao deparar-se com o exercício proposto, não é mesmo? |
Vou demorar um século para resolver o exercício! |
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Calma! Nem tudo é o que parece ser. Vamos apresentar um resultado muito importante que pode ajudá-lo bastante. |
Teorema de Laplace
O determinante de uma matriz M, de ordem n\geq 2, é a soma dos produtos dos elementos de uma fila qualquer (linha ou coluna) pelos respectivos cofatores.
Assim, se M = \begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1j}& \cdots & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2j}& \cdots & a_{2n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots& \ddots & \vdots\\ a_{i1} & a_{i2} & \cdots & a_{ij}& \cdots & a_{in}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots& \ddots & \vdots\\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nj}& \cdots & a_{nn} \end{bmatrix}, então para qualquer 1\leq i\leq n,
e, para qualquer 1\leq j\leq n,
Por enquanto, vamos nos abster de demonstrar a validade desse resultado, já que sua compreensão requer um conhecimento mais aprofundado que foge ao escopo deste estudo.
Exemplo: Calcule o determinante da matriz M=\begin{bmatrix} 2 & 4 & 1 & 3 \\ -1 & 0 & 2 & 5 \\ 3 & 1 & -2 & 0 \\ 0 & 2 & 1 & -3 \\ \end{bmatrix}.
Solução: Escolhendo a terceira linha da matriz e aplicando o teorema de Laplace, temos
\begin{align}\det M &= 3\cdot(-1)^{3+1}\cdot\begin{vmatrix} 4 & 1 & 3 \\ 0 & 2 & 5 \\ 2 & 1 & -3 \\ \end{vmatrix} +1\cdot(-1)^{3+2}\cdot \begin{vmatrix} 2 & 1 & 3 \\ -1 & 2 & 5 \\ 0 & 1 & -3 \\ \end{vmatrix}-2\cdot(-1)^{3+3}\cdot \begin{vmatrix} 2 & 4 & 3 \\ -1 & 0 & 5 \\ 0 & 2 & -3 \\ \end{vmatrix}+0\cdot(-1)^{3+4}\cdot \begin{vmatrix} 2 & 4 & 1 \\ -1 & 0 & 2 \\ 0 & 2 & 1 \\ \end{vmatrix}\\ &= 3\cdot\begin{vmatrix} 4 & 1 & 3 \\ 0 & 2 & 5 \\ 2 & 1 & -3 \\ \end{vmatrix} -1\cdot \begin{vmatrix} 2 & 1 & 3 \\ -1 & 2 & 5 \\ 0 & 1 & -3 \\ \end{vmatrix}-2\cdot \begin{vmatrix} 2 & 4 & 3 \\ -1 & 0 & 5 \\ 0 & 2 & -3 \\ \end{vmatrix}-0\cdot \begin{vmatrix} 2 & 4 & 1 \\ -1 & 0 & 2 \\ 0 & 2 & 1 \\ \end{vmatrix}\\ &= 3\cdot(-46) -1\cdot (-28)-2(-38)-0\cdot(-6)\\ &=-34.\end{align}
Bom, agora iremos resolver o exercício proposto anteriormente.
Exercício: Determine o determinante da matriz M = \begin{bmatrix} 12 & 9 & -13 & -2 & 6 \\ 18 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ -5 & 8 & 11 & -2 & 14 \\ -1 & 2 & -3 & 1 & 7 \\ 9 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix}.
Solução: Obviamente procuramos uma maneira mais simples de resolver o problema. Dessa forma, a fim de simplificarmos os cálculos, é ideal que escolhamos a linha ou a coluna que tenha a maior quantidade possível de elementos iguais a 0 para aplicarmos o teorema de Laplace. Neste caso, como a matriz é dada por
\qquad M = \begin{bmatrix} 12 & 9 & -13 & -2 & 6 \\ 18 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ -5 & 8 & 11 & -2 & 14 \\ -1 & 2 & -3 & 1 & 7 \\ 9 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ \end{bmatrix},
escolhemos aplicar o teorema de Laplace na 2ª linha, pois esta tem quatro elementos iguais a 0. Assim,
\qquad \det M = 18\cdot C_{21}+0\cdot C_{22}+0\cdot C_{23}+0\cdot C_{24}+0\cdot C_{25}
\qquad \det M = 18\cdot C_{21}
\qquad \det M = 18\cdot (-1)^{2+1}\cdot D_{21}
\qquad \det M = -18\cdot D_{21}.
Repare que
\qquad D_{21} = \begin{vmatrix} 9 & -13 & -2 & 6 \\ 8 & 11 & -2 & 14 \\ 2 & -3 & 1 & 7 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ \end{vmatrix}.
Novamente, podemos aplicar o teorema de Laplace, desta vez, na 4ª linha, pois dentre todas as linhas e colunas esta é a que possui a maior quantidade de elementos iguais a 0. Portanto,
\qquad D_{21} = 0\cdot C_{41}+1\cdot C_{42}+0\cdot C_{43}+0\cdot C_{44}
\qquad D_{21} = 1\cdot C_{42}
\qquad D_{21} = 1\cdot (-1)^{4+2}D_{42}
\qquad D_{21} = D_{42}.
Observe que D_{42} acima corresponde ao menor complementar do elemento a_{42} da matriz D_{21}. Ou seja,
\qquad D_{21} = D_{42} = \begin{vmatrix} 9 & -2 & 6 \\ 8 & -2 & 14 \\ 2 & 1 & 7 \\ \end{vmatrix} = -124.
Logo,
\qquad \det M = -18\cdot D_{21}
\qquad \det M = -18\cdot (-124)
\qquad \boxed{\det M =2232}.
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Nem foi tão complicado, não é mesmo? |
Até aqui, já temos conhecimento suficiente para calcularmos o determinante de uma matriz de ordem n qualquer, podendo, inclusive, às vezes, termos sucesso mais rápido quando utilizamos o teorema de Laplace, uma vez que este pode ser uma mão na roda quando se tem, na matriz em questão, elementos iguais a zero, como vimos anteriormente. No entanto, no estudo de determinantes podemos destacar mais algumas ferramentas que podem ser usadas para facilitar o cálculo de determinantes de matrizes. A próxima seção trata de tais ferramentas e, em algumas delas, omitiremos a demonstração da validade, já que sua compreensão requer conhecimento aprofundado de um tema que ainda não vimos.
Como já sabemos o que é o determinante de uma matriz e já aprendemos a calculá-lo, vamos aprofundar um pouco a nossa discussão.
Para isso, vamos apresentar três novas Salas: duas com assuntos específicos e uma terceira com problemas.
➤ Sala 2: Regra de Chió.
➤ Sala 3: Problemas.
Recomendamos fortemente que vocês continuem a leitura seguindo a ordem na qual essas Salas estão anunciadas.
Vamos lá?
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Equipe COM – OBMEP
Fevereiro de 2025
[1] Asymptotic Behaviour of Random Vandermonde Matrices with Entries on the Unit Circle (Último acesso em 29/06/24)
[2] MacTutor – Matrices and determinants(Último acesso em 29/06/24)
[3] Wikipédia – Determinante(Último acesso em 29/06/24)
[4] IEZZI, Gelson. HAZZAN, Samuel. Fundamentos de matemática elementar, 4: Sequências, Matrizes, Determinantes e Sistemas. 10. ed. São Paulo: Atual, 2013.