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行列式

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行列式

利用预先定义的计算规则,根据方阵计算出来的值。有点像列竖式计算的竖式,本质上是一个数值。

二阶行列式计算:

abcd=adbc\begin{vmatrix} a & b \\ c & d \end{vmatrix} = ad - bc

三阶行列式的计算:

a11a12a13a21a22a23a31a32a33=a11a22a33+a12a23a31+a21a32a13a12a21a33a23a32a11a13a22a31\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix} = a_{11}a_{22}a_{33} + a_{12}a_{23}a_{31} + a_{21}a_{32}a_{13} - a_{12}a_{21}a_{33} - a_{23}a_{32}a_{11} - a_{13}a_{22}a_{31}

预先定义的计算规则为:所有不同行不同列的元素的乘积的代数和。每一项乘积的符号由逆序数 τ(j1j2jn)\tau(j_1 j_2 \dots j_n) 决定。

nn 阶行列式计算:

D=a11a12a1na21a22a2nan1an2ann=j1j2jn(1)τ(j1j2jn)a1j1a2j2a3j3anjnD = \begin{vmatrix} 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{vmatrix} = \sum_{j_1 j_2 \dots j_n} (-1)^{\tau(j_1 j_2 \dots j_n)} a_{1j_1} a_{2j_2} a_{3j_3} \cdots a_{nj_n}

行列式的性质

  1. DT=DD^{T} = D(说明行列式的行和列是等价的,交换并不影响值。)
  2. 如果 DD 中有一行全都是 00 ,那么 D=0D = 0(由行列式的计算规则即可得到)

行列变换法则:

性质 1 交换两行(列),符号改变

a11a12a1ia1ja1na21a22a2ia2ja2nan1an2anianjann=a11a12a1ja1ia1na21a22a2ja2ia2nan1an2anjaniann\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1i} & \cdots & a_{1j} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2i} & \cdots & a_{2j} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{ni} & \cdots & a_{nj} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} = - \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1j} & \cdots & a_{1i} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2j} & \cdots & a_{2i} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nj} & \cdots & a_{ni} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix}
推论 1 行列式两行(列)相等,值为 0
a11a12a1ia1ia1na21a22a2ia2ia2nan1an2anianiann=0\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1i} & \cdots & a_{1i} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2i} & \cdots & a_{2i} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{ni} & \cdots & a_{ni} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} = 0

证明: 交换相等的两行,符号改变,但是行列式还是原来的行列式,所以为 0。

性质 2 行列式等于将某一行拆成两个行列式相加

a11a12a1ib1i+a1ja1na21a22a2ib2i+a2ja2nan1an2anibni+anjann=a11a12a1ib1ia1na21a22a2ib2ia2nan1an2anibniann+a11a12a1ia1ja1na21a22a2ia2ja2nan1an2anianjann\begin{aligned} & \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1i} & \cdots & b_{1i} + a_{1j} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2i} & \cdots & b_{2i} + a_{2j} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{ni} & \cdots & b_{ni} + a_{nj} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} \\ & = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1i} & \cdots & b_{1i} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2i} & \cdots & b_{2i} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{ni} & \cdots & b_{ni} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1i} & \cdots & a_{1j} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2i} & \cdots & a_{2j} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{ni} & \cdots & a_{nj} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} \end{aligned}
推论 1 两行(列)相加,值不变
a11a12a1ia1ja1na21a22a2ia2ja2nan1an2anianjann=a11a12a1ia1j+a1ia1na21a22a2ia2j+a2ia2nan1an2anianj+aniann\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1i} & \cdots & a_{1j} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2i} & \cdots & a_{2j} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{ni} & \cdots & a_{nj} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1i} & \cdots & a_{1j} + a_{1i} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2i} & \cdots & a_{2j} + a_{2i} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{ni} & \cdots & a_{nj} + a_{ni} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix}

证明: 将后一个行列式拆成两个行列式的和,然后因为后一个行列式的两列式相等的,由性质 1 得到等于 0.

性质 3 行列式乘一个数,等于行列式某一行(列)乘一个数

ka11a12a1ia1na21a22a2ia2nan1an2aniann=a11a12ka1ia1na21a22ka2ia2nan1an2kaniannk \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1i} & \cdots & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2i} & \cdots & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{ni} & \cdots & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & ka_{1i} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & ka_{2i} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & ka_{ni} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix}

活用以上三条性质及其推论可以得到更好用的性质。

我们引入以下记号表达相应的含义:

  1. ri÷kr_{i} \div k(或 ci÷kc_{i} \div k):从第 ii 行(列)中提取公因子 kk.
  2. ri+krjr_{i} + kr_{j}(或 ci+krjc_{i} + kr_{j}):将第 jj 行(列)的 kk 倍加到第 ii 行(列)上.
  3. rirjr_{i} \leftrightarrow r_{j}(或 cicjc_{i} \leftrightarrow c_{j}):将第 ii 行(列)和第 jj 列互换。

按行(列)展开

为了方便表示,我们定义一些概念:

Mij=a11a1,j1a1,j+1a1na21a2,j1a1,j+1a2nai1,1ai1,j1ai1,j+1ai1,nai1,1ai1,j1ai1,j+1ai1,nan1anj1an,j+1annM_{ij} = \begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1, j-1} & a_{1, j+1} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & \cdots & a_{2, j-1} & a_{1, j+1} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & & \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{i-1, 1} & \cdots & a_{i-1, j-1} & a_{i-1, j+1} & \cdots & a_{i_1, n} \\ a_{i-1, 1} & \cdots & a_{i-1, j-1} & a_{i-1, j+1} & \cdots & a_{i_1, n} \\ \vdots & & \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & \cdots & a_{nj-1} & a_{n, j+1} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix}

于是我们有按行展开D=j=1naijAijD = \sum_{j = 1}^{n} a_{ij}A_{ij} ,其中 ii 为任意一行,该式表示 DDii 行展开。

关于符号项的确定 > 首先对于有 a11a_{11} 参与计算的符号位是 (1)τ(j1j2jn)=(1)τ(1j2jn)(-1)^{\tau(j_1 j_2 \dots j_n)} = (-1)^{\tau(1 j_2 \dots j_n)} 这是显然的,然后是对于 aija_{ij} 参与计算的符号位,我们可以通过依次与以上各行(列)逐行进行行列变换将 aija_{ij} 转移到 a11a_{11} 的位置,经过 i1i-1 次行变换和 j1j-1 次列变换,即乘以 (1)(i1)+(j1)=(1)i+j(-1)^{(i-1) + (j-1)} = (-1)^{i + j},使得 aija_{ij} 项的展开式符号位变成 (1)i+j×(1)τ(1j2jn)(-1)^{i+j} \times (-1)^{\tau(1 j_2 \dots j_n)} 。(依次进行变换是为了保证余子式的行列顺序不会损坏) 暂时没有想到合适的说法

克拉默法则

将行列式和方程组联系起来的法则。 已知一个由 nnnn 元方程组成的方程组:

{a11x11+a12x12++a1nx1n=b1,a21x21+a22x22++a2nx2n=b2,an1xn1+an2xn2++annxnn=bn.\begin{cases} a_{11}x_{11} + a_{12}x_{12} + \cdots + a_{1n}x_{1n} = b_1, \\ a_{21}x_{21} + a_{22}x_{22} + \cdots + a_{2n}x_{2n} = b_2, \\ \dots \\ a_{n1}x_{n1} + a_{n2}x_{n2} + \cdots + a_{nn}x_{nn} = b_n. \\ \end{cases}

D=a11a12a1na21a22a2nan1an2annD = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix}

为系数行列式,若 D0D \neq 0 则方程有唯一解

x1=D1D,x2=D2D,,xn=DnDx_1 = \frac{D_1}{D}, x_2 = \frac{D_2}{D}, \cdots , x_n = \frac{D_n}{D}

其中 DiD_i 是使用 b1,b2,b3,,bnb_1, b_2, b_3, \cdots, b_n 代替 DD 的第 ii 列得到的行列式。

拉普拉斯展开

可以理解为按块展开,在后来的矩阵分块中有重要应用。 先定义一些概念:

选定 kkkk 列交叉的元素组成一个有 k2k^2 个元素的方阵 MM ,该方阵我们称为 DDkk 阶子式。余下的元素称为 MM余子式 NNAij=(1)i1+i2++ik+j1+j2++jnNijA_{ij} = (-1)^{i_1 + i_2 + \dots + i_k + j_1 + j_2 + \dots + j_n}N_{ij} 称为 MM代数余子式。 再来介绍拉普拉斯展开: 选定行列式 DDkk 行(列)的所有子式,共 t=Cnkt = C_{n}^{k} 个,记为 M1,M2,,MtM_1, M_2, \cdots, M_t 其代数余子式记为 A1,A2,,AtA_1, A_2, \cdots, A_t,有 D=M1A1+M2A2++MtAtD = M_1A_1 + M_2A_2 + \cdots + M_tA_t 该定理一般不用来计算行列式,但在某些大块为 00 的行列式中可以用来计算。例如:

AOB=AOB=AB\begin{vmatrix} \mathbf{A} & \mathbf{O} \\ \mathbf{*} & \mathbf{B} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \mathbf{A} & \mathbf{*} \\ \mathbf{O} & \mathbf{B} \end{vmatrix} = \vert \mathbf{A} \vert \cdot \vert \mathbf{B} \vert BAO=OBA=(1)nmAB\begin{vmatrix} \mathbf{*} & \mathbf{B} \\ \mathbf{A} & \mathbf{O} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \mathbf{O} & \mathbf{B} \\ \mathbf{A} & \mathbf{*} \end{vmatrix} = (-1)^{nm} \vert \mathbf{A} \vert \cdot \vert \mathbf{B} \vert

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