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行列式

行列式的计算​

除了所学的二阶三阶行列式计算方法,通用的计算方式是将高阶矩阵降为低阶,首先需要了解一下 逆序数

逆序数

如果存在一个大数排在小数前面,就是一个逆序,如对于序列 652341652341 来说,其逆序数 τ(652341)\tau(652341) 就是 1212,包括了 66 比后面的五个数都大,55 比后面的四个数都大,234234 都比 11 大,合计十二个。

行列式 是一个 算式,表示一个 数字,其结果是取自 不同行不同列 (即任意一个选中元素的相同行和列没有其他被选中元素)的 nn 个元素乘积的代数和,共有 n!n! 项,符号由列标 (先将按照行进行顺序排列)的 逆序数 所决定,计算公式为

∑(−1)τ(j1⋯ji)a1ji⋯anjn\sum(-1)^{\tau(j_{1}\cdots ji)}a_{1j_{i}}\cdots a_{nj_{n}}

性质​

转置的行列式不变;

两行/列相等/成比例的行列式为 00;

行列式两行互换,结果反号;可以用代数余子式证明;

用 kk 乘以行列式相当于乘以行列式的某行/列;反过来如果有公因子可以提出来;同样可以用代数余子式证明;

行列式的某行/列元素均为两个数之和,则可以拆为两个行列式;

将行列式的某行/列的 kk 倍加到另一行/列上,结果不变;

若两矩阵相似,则行列式相同。

其他运算性质

∣λA∣=λn∣A∣∣AB∣=∣A∣∣B∣∣Ak∣=∣A∣k\begin{aligned} |\lambda A|&=\lambda^n|A|\\|AB|&=|A| |B|\\|A^k|&=|A|^k\\ \end{aligned}

余子式和代数余式​

tip

选中某个元素,删除其所在的行和列,剩下的元素相对位置不变而构成的 n−1n-1 阶行列式,成为 余子式;带符号的余子式称为 代数余子式,符号由所选中的元素位置确定 −1i+j-1^{i+j}.

行列式的计算可以转换为对某一行/列的代数余子式及其对应选中元素乘积之和。

代数余子式的一个重要性质是 其只和位置有关,因此可以在计算中进行化简;如要计算某一行余子式之和,则只需要将对应行的元素按照正确的符号改为 −1,1-1,1 ,再求行列式即可,而不必单个计算;或是根据展开式推出某行元素。

代数余子式的另一个重要性质是其与其他行/列的元素对应乘积求和,所得结果一定为 00,这也是伴随矩阵和逆矩阵的由来。

另外一个很重要的应用就是如果某个位置余子式不为零,那么可以推出除了余子式所在行列的行/列向量线性无关,如对于一个三阶矩阵,

[a11a12a13a21a22a23a31a32a33]\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\end{bmatrix}

其 A12A_{12} 不为零

A12=∣a21a23a31a33∣≠0A_{12}=\begin{vmatrix}a_{21}&a_{23}\\a_{31}&a_{33}\end{vmatrix}\neq 0

则向量 {a21,a31}T\{a_{21},a_{31}\}^T 与 {a23,a33}T\{a_{23},a_{33}\}^T 线性无关,而对于其伸长组 {a11,a21,a31}T\{a_{11},a_{21},a_{31}\}^T 和 {a13,a23,a33}T\{a_{13},a_{23},a_{33}\}^T 也线性无关;那么那两个行向量线性无关呢?

Details

🤔 第二行和第三行所代表的行向量。

特殊矩阵的行列式​

分块矩阵​

∣AOOB∣=∣ACOB∣=∣AODB∣=∣A∣∣B∣\begin{vmatrix} A & O \\ O & B \end{vmatrix}= \begin{vmatrix} A & C \\ O & B \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} A & O \\ D & B \end{vmatrix} =|A| |B| ∣OAm×mBn×nO∣=∣OABC∣=∣DABO∣=(−1)mn∣A∣∣B∣\begin{vmatrix}O & A_{{m\times m}} \\B_{n\times n} & O\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}O & A \\B & C\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} D & A \\B & O\end{vmatrix}=(-1)^{mn}|A| |B|
tip

这里之所以乘 −1-1 是因为可以将副对角转换为主对角的形式,涉及到行列式的逐行/列互换。

逆矩阵​

由公式

A−1A=E  ⟹  ∣A−1A∣=1  ⟹  ∣A−1∣=1∣A∣A^{-1}A=E\implies|A^{-1}A|=1\implies|A^{-1}|= \frac{1}{|A|}

伴随矩阵​

A∗A=∣A∣E  ⟹  ∣A∗∣∣A∣=∣A∣n−1A^*A=|A|E\implies|A^*| |A| = |A|^{n-1}

正定矩阵​

若 ∣A∣=0|A|=0 ,则 ATAA^TA 是正定矩阵,否则为半正定矩阵。

行列式与线性方程组​

若 ∣A∣≠0|A|\neq0,则 Ax=0Ax=0 仅有零解,Ax=bAx=b 有唯一解;

为 ∣A∣=0|A|=0,则 Ax=0Ax=0 有非零解,Ax=bAx=b 无穷多解或无解。

行列式与特征值​

若 ∣A∣=0|A|=0,则特征值一定不为 00,反之一定存在特征值为 00.

特殊形式的行列式​

通用方法​

尽可能地在某一个行/列创造 00,并在该行/列展开计算。

行/列和相等​

其他行/列加到某一行/列的结果相同,可以提出公因子,再用通用方法计算。

爪形行列式​

形如

∣a111⋯11a21a3⋮⋱1an∣\begin{vmatrix} a_1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 1 & a_2 & & & \\ 1 & & a_3 & & \\ \vdots & & & \ddots & \\ 1 & & & & a_n \end{vmatrix}

的行列式(箭头可以朝向任意方向),通常需要构造一个三角行列式,可以使用中间的对角线元素消去某一个边,从而转换为三角行列式。

加边法​

通常用于矩阵中每行/列中都有相同元素的情况,则可以额外添加一条边 (实际上是两条,因为要保证是方阵),将其消去转换为爪形行列式求解,如

∣a1+111⋯12a2+22⋯233a3+3⋯3⋮⋮⋮⋱⋮nnn⋯an+n∣  ⟹  ∣1000⋯01a1+111⋯122a2+22⋯2333a3+3⋯3⋮⋮⋮⋮⋱⋮nnnn⋯an+n∣  ⟹  ∣1−1−1−1⋯−11a12a23a3⋮ nan∣\begin{vmatrix} a_1+1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 2 & a_2+2 & 2 & \cdots & 2 \\ 3 & 3 & a_3+3 & \cdots & 3 \\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ n & n & n & \cdots & a_n+n \end{vmatrix}\implies\begin{vmatrix} 1&0 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ 1&a_1+1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ 2&2 & a_2+2 & 2 & \cdots & 2 \\ 3&3 & 3 & a_3+3 & \cdots & 3 \\ \vdots&\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ n&n & n & n & \cdots & a_n+n \end{vmatrix} \implies\begin{vmatrix} 1&-1 & -1 & -1 & \cdots & -1 \\ 1&a_1 & & & & \\ 2& & a_2 & & & \\ 3& & & a_3 & & \\ \vdots& & & \ & & \\ n& & & & & a_n \end{vmatrix}
caution

可以额外加边的原因是因为加了这两条边之后行列式的值不变,如上例所示,加边后第一行其余元素都是 00,展开后的计算结果不变。

幺型行列式​

形如

∣20⋯02−12⋯02−1⋱⋮⋮⋱22−12∣\begin{vmatrix} 2 & 0 & \cdots & 0&2 \\ - 1& 2 & \cdots & 0 &2\\ & -1 & \ddots & \vdots &\vdots\\ & & \ddots & 2 &2\\ & & & -1&2 \end{vmatrix}

即在三角矩阵的基础上,在超过界限的范围添加了一条副对角线。

求解此类型行列式多用递推的方式,如从第一列展开,可以展开为两个行列式之和,其中一个是同型的 n−1n-1 阶幺型行列式,而另一个则是一个三角矩阵,则可以根据此递推求解。

川型行列式​

形如

∣2a1a22a1a22a⋱⋱⋱1a22a∣\begin{vmatrix} 2a&1 \\ a^2&2a&1 \\ &a^2&2a&\ddots \\ &&\ddots&\ddots&1 \\ &&&a^2&2a \end{vmatrix}

同样是展开找递推关系,可以考虑先展开一行,如果关系不够明确,再在展开结果中展开一列,或者可以考虑使用 数学归纳法。

范德蒙行列式​

形如

Vn=∣11⋯1x1x2⋯xnx12x22⋯xn2⋮⋮⋱⋮x1n−1x2n−1⋯xnn−1∣=Πn≥i>j≥1(xi−xj)V_{n}=\begin{vmatrix} 1&1&\cdots&1 \\x_{1}&x_{2}&\cdots&x_{n}\\x_{1}^2&x_{2}^2&\cdots&x_{n}^2\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\x^{n-1}_{1}&x_{2}^{n-1}&\cdots&x_{n}^{n-1} \end{vmatrix} =\Pi_{{n\geq i>j\geq 1}}(x_{i}-x_{j})

即所有后面的减去前面的,如对于 x1,x2,x3,x4x_{1},x_{2},x_{3},x_{4},结果即为

(x2−x1)(x3−x1)(x3−x2)(x4−x3)(x4−x2)(x4−x1)(x_{2}-x_{1})(x_{3}-x_{1})(x_{3}-x_{2})(x_{4}-x_{3})(x_{4}-x_{2})(x_{4}-x_{1})