Теорема 9. Пусть А и В – матрицы n-го порядка над полем P. Тогда |AB|=|A|∙|B|, т.е. определитель произведения матриц равен произведению определителей множителей.
Доказательство. а) Пусть А – вырожденная матрица. Тогда по теореме 8 |A|=0. Далее, так как матрица А вырождена, то по лемме 3, АВ – вырожденная матрица => |AB|=0. Таким образом, |AB|=0=0∙|B|=|A|∙|B|.
б) Пусть А – невырожденная матрица. Тогда с помощью элементарных преобразований матрица А приводится к матрице Еn. Согласно леммам 1 и 2, это равносильно тому, что матрица А приводится к матрице Еn с помощью умножения слева на элементарные матрицы, т.е. существуют элементарные матрицы S1,…,Sp такие, что (Sp∙…∙S1)A=En => A-1=Sp∙…∙S1. Рассмотрим (А-1)-1:
А=(A-1)-1=(Sp∙…∙S1)-1=S1-1∙S2-1∙…∙Sp-1. (Действительно, (C1C2)-1=C2-1C1-1, так как (С1С2)∙(С2-1С1-1)=С1С2∙С2-1С1-1=Е).
Таким образом, A=S1-1∙…∙Sp-1 => AB=S1-1∙…∙Sp-1B (1).
В силу (1) докажем, что |S1-1∙…∙Sp-1∙B|=|S1-1∙…∙Sp-1|∙|B|. Доказательство проведём методом математической индукции по параметру p.
1) Проверим, что утверждение верно при р=1, т.е. проверим, что |S1-1B|= =|S1-1|∙|B|.
Предварительно докажем, что если S – элементарная матрица, то S-1 – также элементарная матрица. Пусть матрица S имеет вид Еα(i,i) (2), т.е. . Тогда =. Действительно, S∙S-1==Еn.
Пусть матрица S имеет вид Еα(i,j), ij (3). Тогда нетрудно проверить, что S-1=. Таким образом, если S – элементарная матрица, то S-1 – также элементарная матрица.
Тогда если S1-1 – матрица типа (2), то по свойству 5 определителей получаем |AB|=|S1-1∙B|=α∙|B|=|S1-1|∙|B|=|A|∙|B|. Если S1-1 – матрица типа (3), то по свойству 8 определителей имеем |AB|=|S1-1B|=|B|=1∙|B|=|S1-1|∙|B|=|A|∙|B|. Следовательно, при р=1 утверждение верно.
2) Предположим, что утверждение верно для числа множителей, меньшего р.
3) Докажем, что утверждение верно для р множителей.
Из (1) следует, что |AB|=|S1-1∙…∙Sp-1∙B|=|(S1-1∙…∙Sp-1-1)∙(Sp-1∙B)|. Пусть Sp-1∙B=B1. Тогда |AB|=|S1-1∙…∙Sp-1-1∙B1||S1-1∙…∙Sp-1-1|∙|B|=|S1-1∙…∙Sp-1-1|∙ ⋅|Sp-1∙B||S1-1∙…∙Sp-1-1|∙|Sp-1|∙|B| |S1-1∙…∙Sp-1-1∙Sp-1|∙|B|=|A|∙|B|. Следовательно, утверждение верно для р.
Из 1)-3) по методу математической индукции получаем, что утверждение верно ℕ.
Теорема доказана.