Приведите ошибочный "доказательный" ход, утверждающий, что для любых матриц A и B размера n x n det(A+B)=det(A)+det(B). Найдите и объясните ошибку, предложите корректное утверждение и покажите контрпример
Ошибочный «доказательный» ход: Предположим, что столбцы матриц AAA и BBB — это векторы A=(a1,…,an)A=(a_1,\dots,a_n)A=(a1,…,an), B=(b1,…,bn)B=(b_1,\dots,b_n)B=(b1,…,bn). Для суммы столбцы равны aj+bja_j+b_jaj+bj. Поскольку определитель мультилинеен по столбцам, кто‑то неверно делает вывод det(A+B)=det(a1+b1,…,an+bn)=det(a1,…,an)+det(b1,…,bn)=det(A)+det(B).
\det(A+B)=\det(a_1+b_1,\dots,a_n+b_n)=\det(a_1,\dots,a_n)+\det(b_1,\dots,b_n)=\det(A)+\det(B). det(A+B)=det(a1+b1,…,an+bn)=det(a1,…,an)+det(b1,…,bn)=det(A)+det(B). Где ошибка: Мультилинейность означает линейность по каждому отдельному столбцу при прочих столбцах фиксированных, но не по всей матрице целиком. При подстановке суммы в каждый столбец надо развернуть по принципу распределительности по каждому столбцу, и получаются не только два слагаемых det(A)\det(A)det(A) и det(B)\det(B)det(B), а все комбинации выбора столбца из AAA или из BBB для каждого индекса: det(A+B)=∑ε∈{0,1}ndet(c1ε,…,cnε),
\det(A+B)=\sum_{\varepsilon\in\{0,1\}^n}\det(c_1^\varepsilon,\dots,c_n^\varepsilon), det(A+B)=ε∈{0,1}n∑det(c1ε,…,cnε),
где cjε=ajc_j^\varepsilon=a_jcjε=aj если εj=0\varepsilon_j=0εj=0 и cjε=bjc_j^\varepsilon=b_jcjε=bj если εj=1\varepsilon_j=1εj=1. Всего 2n2^n2n членов; среди них есть det(A)\det(A)det(A) и det(B)\det(B)det(B), но также есть смешанные члены типа det(a1,b2,a3,… )\det(a_1,b_2,a_3,\dots)det(a1,b2,a3,…), которые обычно не нулевые. Для наглядности при n=2n=2n=2: det(a1+b1, a2+b2)=det(a1,a2)+det(a1,b2)+det(b1,a2)+det(b1,b2).
\det(a_1+b_1,\;a_2+b_2)=\det(a_1,a_2)+\det(a_1,b_2)+\det(b_1,a_2)+\det(b_1,b_2). det(a1+b1,a2+b2)=det(a1,a2)+det(a1,b2)+det(b1,a2)+det(b1,b2). Корректное утверждение: Определитель — мультилинейная функция столбцов (или строк). В частности, если две матрицы AAA и BBB различаются только в одном столбце (то есть для некоторого jjj все столбцы i≠ji\ne ji=j у них равны), то выполняется аддитивность по этому столбцу: если A=(c1,…,cj,…,cn),B=(c1,…,dj,…,cn), то det(A+B)=det(c1,…,cj+dj,…,cn)=det(A)+det(B).
\text{если }A=(c_1,\dots,c_j,\dots,c_n),\quad B=(c_1,\dots,d_j,\dots,c_n), \text{ то } \det(A+B)=\det(c_1,\dots,c_j+d_j,\dots,c_n)=\det(A)+\det(B). еслиA=(c1,…,cj,…,cn),B=(c1,…,dj,…,cn),тоdet(A+B)=det(c1,…,cj+dj,…,cn)=det(A)+det(B).
В общем же случае для матриц произвольных n×nn\times nn×n верно неравенство аддитивности; вместо этого полезны свойства: det(AB)=det(A)det(B)\det(AB)=\det(A)\det(B)det(AB)=det(A)det(B) и мультилинейность по столбцам. Контрпример: Возьмём A=(1000),B=(0001).
A=\begin{pmatrix}1&0\\[2pt]0&0\end{pmatrix},\qquad B=\begin{pmatrix}0&0\\[2pt]0&1\end{pmatrix}. A=(1000),B=(0001).
Тогда det(A)=0\det(A)=0det(A)=0, det(B)=0\det(B)=0det(B)=0, но A+B=(1001),det(A+B)=1≠0+0.
A+B=\begin{pmatrix}1&0\\[2pt]0&1\end{pmatrix},\qquad \det(A+B)=1\neq 0+0. A+B=(1001),det(A+B)=1=0+0.
Другой простой контрпример: A=B=I2A=B=I_2A=B=I2. Тогда det(A)=det(B)=1\det(A)=\det(B)=1det(A)=det(B)=1, но det(A+B)=det(2I2)=4≠2\det(A+B)=\det(2I_2)=4\neq 2det(A+B)=det(2I2)=4=2.
Предположим, что столбцы матриц AAA и BBB — это векторы A=(a1,…,an)A=(a_1,\dots,a_n)A=(a1 ,…,an ), B=(b1,…,bn)B=(b_1,\dots,b_n)B=(b1 ,…,bn ). Для суммы столбцы равны aj+bja_j+b_jaj +bj . Поскольку определитель мультилинеен по столбцам, кто‑то неверно делает вывод
det(A+B)=det(a1+b1,…,an+bn)=det(a1,…,an)+det(b1,…,bn)=det(A)+det(B). \det(A+B)=\det(a_1+b_1,\dots,a_n+b_n)=\det(a_1,\dots,a_n)+\det(b_1,\dots,b_n)=\det(A)+\det(B).
det(A+B)=det(a1 +b1 ,…,an +bn )=det(a1 ,…,an )+det(b1 ,…,bn )=det(A)+det(B).
Где ошибка:
Мультилинейность означает линейность по каждому отдельному столбцу при прочих столбцах фиксированных, но не по всей матрице целиком. При подстановке суммы в каждый столбец надо развернуть по принципу распределительности по каждому столбцу, и получаются не только два слагаемых det(A)\det(A)det(A) и det(B)\det(B)det(B), а все комбинации выбора столбца из AAA или из BBB для каждого индекса:
det(A+B)=∑ε∈{0,1}ndet(c1ε,…,cnε), \det(A+B)=\sum_{\varepsilon\in\{0,1\}^n}\det(c_1^\varepsilon,\dots,c_n^\varepsilon),
det(A+B)=ε∈{0,1}n∑ det(c1ε ,…,cnε ), где cjε=ajc_j^\varepsilon=a_jcjε =aj если εj=0\varepsilon_j=0εj =0 и cjε=bjc_j^\varepsilon=b_jcjε =bj если εj=1\varepsilon_j=1εj =1. Всего 2n2^n2n членов; среди них есть det(A)\det(A)det(A) и det(B)\det(B)det(B), но также есть смешанные члены типа det(a1,b2,a3,… )\det(a_1,b_2,a_3,\dots)det(a1 ,b2 ,a3 ,…), которые обычно не нулевые. Для наглядности при n=2n=2n=2:
det(a1+b1, a2+b2)=det(a1,a2)+det(a1,b2)+det(b1,a2)+det(b1,b2). \det(a_1+b_1,\;a_2+b_2)=\det(a_1,a_2)+\det(a_1,b_2)+\det(b_1,a_2)+\det(b_1,b_2).
det(a1 +b1 ,a2 +b2 )=det(a1 ,a2 )+det(a1 ,b2 )+det(b1 ,a2 )+det(b1 ,b2 ).
Корректное утверждение:
Определитель — мультилинейная функция столбцов (или строк). В частности, если две матрицы AAA и BBB различаются только в одном столбце (то есть для некоторого jjj все столбцы i≠ji\ne ji=j у них равны), то выполняется аддитивность по этому столбцу:
если A=(c1,…,cj,…,cn),B=(c1,…,dj,…,cn), то det(A+B)=det(c1,…,cj+dj,…,cn)=det(A)+det(B). \text{если }A=(c_1,\dots,c_j,\dots,c_n),\quad B=(c_1,\dots,d_j,\dots,c_n),
\text{ то } \det(A+B)=\det(c_1,\dots,c_j+d_j,\dots,c_n)=\det(A)+\det(B).
если A=(c1 ,…,cj ,…,cn ),B=(c1 ,…,dj ,…,cn ), то det(A+B)=det(c1 ,…,cj +dj ,…,cn )=det(A)+det(B). В общем же случае для матриц произвольных n×nn\times nn×n верно неравенство аддитивности; вместо этого полезны свойства: det(AB)=det(A)det(B)\det(AB)=\det(A)\det(B)det(AB)=det(A)det(B) и мультилинейность по столбцам.
Контрпример:
Возьмём
A=(1000),B=(0001). A=\begin{pmatrix}1&0\\[2pt]0&0\end{pmatrix},\qquad
B=\begin{pmatrix}0&0\\[2pt]0&1\end{pmatrix}.
A=(10 00 ),B=(00 01 ). Тогда det(A)=0\det(A)=0det(A)=0, det(B)=0\det(B)=0det(B)=0, но
A+B=(1001),det(A+B)=1≠0+0. A+B=\begin{pmatrix}1&0\\[2pt]0&1\end{pmatrix},\qquad \det(A+B)=1\neq 0+0.
A+B=(10 01 ),det(A+B)=1=0+0. Другой простой контрпример: A=B=I2A=B=I_2A=B=I2 . Тогда det(A)=det(B)=1\det(A)=\det(B)=1det(A)=det(B)=1, но det(A+B)=det(2I2)=4≠2\det(A+B)=\det(2I_2)=4\neq 2det(A+B)=det(2I2 )=4=2.