Tema 19. Determinantes. Propiedades. Aplicación al cálculo del rango de una matriz

Aunque se definen a partir de las matrices, los determinantes no comienzan su andadura hasta después de haberlo hecho éstas. Lo cierto es que a lo largo de la historia han ido apareciendo esporádicamente con unos u otros pueblos. En la antigua China, en los Nueve capítulos sobre el Arte de las Matemáticas, aparecen las primeras menciones a las matrices y a los determinantes. Concretamente en el capítulo séptimo se aplica la Regla de Cramer para resolver un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas.

Gottfried Wilhelm Leibnitz (1646-1716) introdujo los determinantes en algunos de sus trabajos. Su idea era básicamente la resolución de ecuaciones lineales y lo llamó resultante. Curiosamente algunos años antes un matemático japonés, Seki Kowa (1642-1708), había llegado a los mismos resultados que Leibnitz. Algo sorprendente porque las matemáticas en Japón no tenían el alcance al que ya habían llegado en occidente.

Años después Colin Maclaurin (1698-1746) elaboró un método de resolución de sistemas de ecuaciones lineales utilizando determinantes, concretamente la conocida Regla de Cramer, que ya hemos nombrado anteriormente. No obstante la notación utilizada por Maclaurin era más farragosa que la que después utilizó Cramer. Esto derivó en que finalmente dicha regla se denominara con el nombre de este último. En cualquier caso ni Cramer ni Maclaurin hablaban en su desarrollo de nada parecido a los determinantes.

En años posteriores matemáticos tan importantes como Laplace (1749-1827) o Vandermonde (1735-1796) los incluyeron en algunos de sus trabajos. Concretamente éste último introdujo su famoso determinante en 1772, en su obra «Memoria sobre la resolución de ecuaciones«. El origen de la teoría de los determinantes puede concretarse en 1812, en una memoria de Augustin Louis Cauchy (1789-1857). Aqui, este ilustre matemático llegó a demostrar que el determinante de un producto de matrices es el producto de los determinantes.

Pero Cauchy no desarrolló el determinante utilizando permutaciones, ni tampoco con los menores complementarios, o como luego se denominó Regla de Laplace (distinta de la de probabilidades), sino que lo hizo con un complicado procedimiento partiendo de n números a_1,a_2,\ldots,a_n y utilizando los productos entre ellos y sus diferencias. De todas formas el trabajo de 1812 no fue el único en el que Cauchy utilizó los determinantes, sino que en otros posteriores los usó para resolver problemas geométricos o físicos.

Años después, en 1841 un matemático alemán, Carl Gustav Jakov Jacobi (1804-1851), publicó varios tratados sobre determinantes en los que generalizaba los términos o elementos permitiendo que fueran funciones además de números y formalizaba el procedimiento algorítmico de su desarrollo. Ese mismo año fue Cayley el que los denotó como ha llegado hasta nuestros días, con dos barras verticales; y en 1958 los utilizó para el cálculo de la matriz inversa.

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Tema 19. Determinantes. Propiedades. Aplicación al cálculo del rango de una matriz.

Tema 16. Sistemas de ecuaciones lineales. Teorema de Rouché. Regla de Cramer. Método de Gauss-Jordan

Las primeras referencias de la existencia de los sistemas de ecuaciones lineales datan incluso de la matemática en Babilonia. No obstante, el problema original, o más concretamente el método de eliminación de incógnitas, proviene de la antigua china. En el tratado Nueve capítulos sobre el Arte Matemático, de los siglos II y I a. C. aparece reflejado:

«Hay tres clases de granos; tres gavillas de primera clase, dos de la segunda clase y una de la tercera hacen 39 medidas; dos de la primera, tres de la segunda y una de la tercera hacen 34 medidas; y una de la primera, dos de la segunda y tres de la tercera hacen 26 medidas. ¿Cuántas medidas de granos están contenidas en una gavilla de cada clase?»

Gauss-Jordan o Fang-Cheng

Lógicamente, además del problema encontramos un procedimiento para su resolución conocido como la regla Fang-Cheng. Dicha regla es la que llamamos de Gauss-Jordan o también eliminación gaussiana. El porqué lo conocemos con el nombre de Gauss o de Gauss-Jordan se debe a que fueron ambos los que lo aplicarón de forma habitual en la resolución del problema de los mínimos cuadrados.

Aunque el procedimiento era considerado relativamente trivial, con la llegada de los ordenadores se volvió casi imprescindible. La regla de Cramer, de la que hablaremos en líneas posteriores, suponía otra forma de resolver un sistema, pero no simplificaba los cálculos. El hecho es que de forma general, los métodos de resolución se complicaban casi exponencialmente cuando aumentaba el número de incógnitas y ecuaciones. En 1946 Alan Turing (1912-1954) tardó dos semanas en resolver un sistema de 18 ecuaciones con 18 incógnitas. Aún con ello, el número de operaciones requerido en la resolución de un sistema era obstensiblemente inferior utilizando la eliminación gaussiana, que con los determinantes de Cramer. Esto provocó que con la llegada de la informática comenzara a ser el más utilizado.

Cramer y Maclaurin

Pero volvamos a Cramer. Actualmente se conoce como la Regla de Cramer a un método de resolución de sistemas de ecuaciones lineales utilizando determinantes. Es curioso que dicha regla no se deba a Gabriel Cramer (1708-1752), sino a Colin Maclaurin (1698-1746). Ésta se publicó en 1748, dos años después de su fallecimiento; y dos años antes también de que lo hiciera Cramer en su Introducción al análisis de curvas algebraicas. La razón del porqué ha llegado hasta nuestros días con el sobrenombre de Cramer se debe a la notación utilizada por éste, más clara y concisa que la de Maclaurin. De todas formas, ni Cramer ni Maclaurin hablaban de determinantes en su desarrollo, ni tan siquiera un poco más tarde Bézout, quien en un trabajo presentado en 1779, Teoría general de las ecuaciones algebraicas, daba un método para resolver sistemas de n ecuaciones con n incógnitas muy similar al de Cramer y Maclaurin.

Rouché y Frobenius

El avance en su resolución vino con el álgebra abstracta, con las matrices y los determinantes. La introducción del rango de una matriz permitió dar unas condiciones necesarias y suficientes para que un sistema tuviera solución. En 1875 Eugène Rouché, matemático francés del siglo XIX, publicó un artículo donde enunciaba el teorema que hoy conocemos como el de Rouché-Frobenius. Curiosamente ese mismo año otro matemático francés publicaba un resultado similar; y también en Italia, Alfredo Capelli daba una variación de la misma idea. Hasta tal punto llegan a aparecer publicaciones, que en Francia al teorema de Roché-Frobenius se le conoce como el teorema de Rouché-Fontené; en Italia como el de Rouché-Capelli; y en Alemania y en otros países (debido a que Leopold Kronecker utilizó los resultados de Capelli para dar una demostración alternativa), como el de Kronecher-Capelli. En España es el matemático Julio Rey Pastor el que le da el nombre de teorema de Rouché-Frobenius.

El desarrollo del tema al completo puedes encontrarlo en amazon, en formato kindle o en formato papel como prefieras. También aquí puedes encontrar la relación de los temas que he publicado hasta ahora; y en el siguiente enlace puedes descargarte las primeras páginas:

Tema 16. Discusión y resolución de sistemas de ecuaciones lineales. Teorema de Rouché. Regla de Cramer. Método de Gauss-Jordan.