我们在讨论面积元和体积元的时候, 观察到 3 阶行列式可以化为 2 阶行列式的展开: ∣ ∣ u 1 v 1 w 1 u 2 v 2 w 2 u 3 v 3 w 3 ∣ ∣ = u 1 ∣ ∣ v 2 w 2 v 3 w 3 ∣ ∣ − u 2 ∣ ∣ v 1 w 1 v 3 w 3 ∣ ∣ + u 3 ∣ ∣ v 1 w 1 v 2 w 2 ∣ ∣ 实际上 n 阶行列式也可以化为低阶行列式的展开, 这个称为 Laplace 展开定理.
余子式与展开定理 给定 n 阶方程A = ⎣ ⎡ a 11 a 21 ⋯ a n 1 a 12 a 22 ⋯ a n 2 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a 1 n a 2 n ⋯ a nn ⎦ ⎤
A 的第 i 行第 j 列余子式 A ij 定义为把 A 的第 i 行和第 j 列去掉后得到的 n − 1 阶方阵的行列式, 即
A ij = ∣ ∣ a 11 ⋯ a i 1 ⋯ a n 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a 1 j ⋮ a ij ⋮ a nj ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a 1 n ⋯ a in ⋯ a nn ∣ ∣
A = ⎣ ⎡ 1 4 7 2 5 8 3 6 9 ⎦ ⎤ , 则A 12 = ∣ ∣ 4 7 6 9 ∣ ∣ = − 6 A 23 = ∣ ∣ 1 7 2 8 ∣ ∣ = − 6
体积元的展开公式∣ ∣ a 11 a 21 a 31 a 12 a 22 a 32 a 13 a 23 a 33 ∣ ∣ = a 11 ∣ ∣ a 22 a 32 a 23 a 33 ∣ ∣ − a 12 ∣ ∣ a 21 a 31 a 23 a 33 ∣ ∣ + a 13 ∣ ∣ a 21 a 31 a 22 a 32 ∣ ∣ 可以写成det A = a 11 A 11 − a 12 A 12 + a 13 A 13
设 A = ( a ij ) 是 n 阶方阵, 则按照第一行展开有如下公式成立det A = j = 1 ∑ n ( − 1 ) 1 + j a 1 j A 1 j
证明: 记
A 的行向量为
α 1 α 2 α n = ( a 11 , a 12 , ⋯ , a 1 n ) = a 11 e 1 + a 12 e 2 + ⋯ + a 1 n e n = ( a 21 , a 22 , ⋯ , a 2 n ) = a 21 e 1 + a 22 e 2 + ⋯ + a 2 n e n ⋮ = ( a n 1 , a n 2 , ⋯ , a nn ) = a n 1 e 1 + a n 2 e 2 + ⋯ + a nn e n 由行列式的外积定义, 我们有α 1 ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n = ( det A ) e 1 ∧ e 2 ∧ ⋯ ∧ e n 另一方面, 代入 α 1 的表达式α 1 ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n = ( a 11 e 1 + a 12 e 2 + ⋯ + a 1 n e n ) ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n
考虑其中的第一项 a 11 e 1 ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n , 记α 2 α n = a 21 e 1 + a 22 e 2 + ⋯ + a 2 n e n = a 21 e 1 + β 2 ⋮ = a n 1 e 1 + a n 2 e 2 + ⋯ + a nn e n = a n 1 e 1 + β n 则行向量 β 2 , ⋯ , β n 组成把 A 的第 1 行第 1 列去掉后得到的 n − 1 阶方阵. 由外积代数我们有β 2 ∧ β 3 ∧ ⋯ ∧ β n = A 11 e 2 ∧ e 3 ∧ ⋯ ∧ e n
另一方面, 由外积代数关系 e 1 ∧ e 1 = 0 ,e 1 ∧ α 2 = e 1 ∧ ( a 21 e 1 + β 2 ) = e 1 ∧ β 2 类似的我们得到= = e 1 ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n e 1 ∧ ( a 21 e 1 + β 2 ) ∧ ⋯ ∧ ( a n 1 e 1 + β n ) e 1 ∧ β 2 ∧ ⋯ ∧ β n
因此 det A 展开的第一项可以写成a 11 e 1 ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n = a 11 e 1 ∧ β 2 ∧ ⋯ ∧ β n = a 11 A 11 e 1 ∧ e 2 ∧ ⋯ ∧ e n
类似的, det A 展开的第 j 项可以计算为a 1 j e j ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n = a 1 j A 1 j e j ∧ e 1 ∧ ⋯ e j ⋯ ∧ e n 我们可以用外积的反对称把 e j 从最前面移动到第 j 个位置, 共需要交换 ( j − 1 ) 次. 所以= a 1 j A 1 j e j ∧ e 1 ∧ ⋯ e j ⋯ ∧ e n ( − 1 ) 1 + j a 1 j A 1 j e 1 ∧ ⋯ e j ⋯ ∧ e n
把所有项加起来, 我们得到
= = α 1 ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n ( a 11 e 1 + a 12 e 2 + ⋯ + a 1 n e n ) ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n ( j = 1 ∑ n ( − 1 ) 1 + j a 1 j A 1 j ) e 1 ∧ e 2 ∧ ⋯ ∧ e n 比较行列式的外积定义, 我们证明了命题所述
det A = j = 1 ∑ n ( − 1 ) 1 + j a 1 j A 1 j 设 A = ( a ij ) 是 n 阶方阵, 则按照第一列展开有如下公式成立det A = i = 1 ∑ n ( − 1 ) i + 1 a i 1 A i 1
证明: 记
A 的行向量为
α 1 α 2 α n = a 11 e 1 + a 12 e 2 + ⋯ + a 1 n e n = a 11 e 1 + β 1 = a 21 e 1 + a 22 e 2 + ⋯ + a 2 n e n = a 21 e 1 + β 2 ⋮ = a n 1 e 1 + a n 2 e 2 + ⋯ + a nn e n = a n 1 e 1 + β n 利用外积的性质, 我们可以展开得到
α 1 ∧ α 2 ∧ ⋯ ∧ α n = = = ( a 11 e 1 + β 1 ) ∧ ( a 21 e 1 + β 2 ) ∧ ⋯ ∧ ( a n 1 e 1 + β n ) i = 1 ∑ n ( − 1 ) i + 1 a i 1 e 1 ∧ β 1 ∧ ⋯ β i ⋯ ∧ β n i = 1 ∑ n ( − 1 ) i + 1 a i 1 A i 1 e 1 ∧ e 2 ∧ ⋯ ∧ e n 这里最后一步用了和前述命题证明中类似的计算.
设 A = ( a ij ) 为 n 阶方阵, A ij 是第 i 行 j 列的余子式.
•
行展开公式: 对任意第 i 行det A = j = 1 ∑ n ( − 1 ) i + j a ij A ij
•
列展开公式: 对任意第 j 列det A = i = 1 ∑ n ( − 1 ) i + j a ij A ij
证明: 我们在前述命题中证明了第
1 行的展开公式和第
1 列的展开公式. 一般的情况证明方法类似, 证明细节留作练习.
按照第 1 行展开计算∣ ∣ 1 0 2 2 − 1 1 3 4 − 2 ∣ ∣ = = 1 ⋅ ∣ ∣ − 1 1 4 − 2 ∣ ∣ − 2 ⋅ ∣ ∣ 0 2 4 − 2 ∣ ∣ + 3 ⋅ ∣ ∣ 0 2 − 1 1 ∣ ∣ 1 ⋅ ( 2 − 4 ) − 2 ⋅ ( 0 − 8 ) + 3 ⋅ ( 0 − ( − 2 )) = 20
按照第 2 列展开计算∣ ∣ 1 0 2 2 − 1 1 3 4 − 2 ∣ ∣ = = − 2 ⋅ ∣ ∣ 0 2 4 − 2 ∣ ∣ + ( − 1 ) ⋅ ∣ ∣ 1 2 3 − 2 ∣ ∣ − 1 ⋅ ∣ ∣ 1 0 3 4 ∣ ∣ ( − 2 ) ⋅ ( 0 − 8 ) − 1 ⋅ ( − 2 − 6 ) − 1 ⋅ ( 4 − 0 ) = 20
我们知道对于上三角方阵∣ ∣ a 11 0 0 ⋮ 0 a 12 a 22 0 ⋮ 0 a 13 a 23 a 33 ⋮ 0 ⋯ ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ a 1 n a 2 n a 3 n ⋮ a nn ∣ ∣ = a 11 a 22 ⋯ a nn 这个结论可以很容易地通过展开定理理解. 我们把行列式按照第 1 列展开得到∣ ∣ a 11 0 0 ⋮ 0 a 12 a 22 0 ⋮ 0 a 13 a 23 a 33 ⋮ 0 ⋯ ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ a 1 n a 2 n a 3 n ⋮ a nn ∣ ∣ = a 11 ∣ ∣ a 22 0 ⋮ 0 a 23 a 33 ⋮ 0 ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ a 2 n a 3 n ⋮ a nn ∣ ∣ 重复这个过程就得到行列式为 a 11 a 22 ⋯ a nn .
转置与行列对称性 给定 m × n 矩阵 A , 将 A 的行排成列列排成行, 得到的 n × m 矩阵称为 A 的转置, 记为 A T A = ⎣ ⎡ a 11 a 21 ⋯ a m 1 a 12 a 22 ⋯ a m 2 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a 1 n a 2 n ⋯ a mn ⎦ ⎤ A T = ⎣ ⎡ a 11 a 12 ⋯ a 1 n a 21 a 22 ⋯ a 2 n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a m 1 a m 2 ⋯ a mn ⎦ ⎤
可以看出, 如果 A 是 n 阶方阵, 则 A T 也是 n 阶方阵.
设 A 是 m × k 矩阵, B 是 k × n 矩阵, 则( A B ) T = B T A T 类似地, 对于多个矩阵的乘积, ( A 1 A 2 ⋯ A l ) T = A l T ⋯ A 2 T A 1 T .
证明 : 留作练习.
n 阶行列式具有转置不变性, 即 det A = det A T .
证明: 当
n = 1 时显然成立, 我们对
n 做归纳. 对
det A 作行展开, 对
det A T 作列展开, 得到
det A = j = 1 ∑ n ( − 1 ) 1 + j a 1 j A 1 j det A T = i = 1 ∑ n ( − 1 ) 1 + i a 1 i A i 1 T 由归纳假设知
A 1 i = A i 1 T , 因此
det A = det A T .
转置不变性说明在行列式中行和列的地位是平等的. 因此行列式关于行变换的性质对于列变换也成立. 例如我们有
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关于任意一列具有线性性∣ ∣ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a 1 + b 1 a 2 + b 2 ⋮ a n + b n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ∣ ∣ = ∣ ∣ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ a 1 a 2 ⋮ a n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ∣ ∣ + ∣ ∣ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ b 1 b 2 ⋮ b n ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 a 21 ⋮ a n 1 ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ λ a 1 j λ a 2 j ⋮ λ a nj ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 n a 2 n ⋮ a nn ∣ ∣ = λ ∣ ∣ a 11 a 21 ⋮ a n 1 ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 j a 2 j ⋮ a nj ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 n a 2 n ⋮ a nn ∣ ∣
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交换两列, 行列式差一个负号∣ ∣ a 11 a 21 ⋮ a n 1 ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 i a 2 i ⋮ a ni ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 j a 2 j ⋮ a nj ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 n a 2 n ⋮ a nn ∣ ∣ = − ∣ ∣ a 11 a 21 ⋮ a n 1 ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 j a 2 j ⋮ a nj ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 i a 2 i ⋮ a ni ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 n a 2 n ⋮ a nn ∣ ∣
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把一列乘以一个数加到另一列, 行列式不变∣ ∣ a 11 a 21 ⋮ a n 1 ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 i + λ a 1 j a 2 i + λ a 2 j ⋮ a ni + λ a nj ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 j a 2 j ⋮ a nj ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 n a 2 n ⋮ a nn ∣ ∣ = − ∣ ∣ a 11 a 21 ⋮ a n 1 ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 i a 2 i ⋮ a ni ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 j a 2 j ⋮ a nj ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ a 1 n a 2 n ⋮ a nn ∣ ∣
一些例子 如下 n 阶行列式Δ n ( x 1 , ⋯ , x n ) := ∣ ∣ 1 x 1 x 1 2 ⋮ x 1 n − 1 1 x 2 x 2 2 ⋮ x 2 n − 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ 1 x n x n 2 ⋮ x n n − 1 ∣ ∣ 称为 Vandermonde 行列式, 在数学和物理中有很多应用.
我们用展开定理来计算 Δ n ( x 1 , ⋯ , x n ) . 把第 ( n − 1 ) 行乘以 − x 1 加到第 n 行, 然后把第 ( n − 2 ) 行乘以 − x 1 加到第 n − 1 行, ⋯ , 最后把第 1 行乘以 − x 1 加到第 2 行, 我们得到∣ ∣ 1 x 1 x 1 2 ⋮ x 1 n − 1 1 x 2 x 2 2 ⋮ x 2 n − 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ 1 x n x n 2 ⋮ x n n − 1 ∣ ∣ = ∣ ∣ 1 0 0 ⋮ 0 1 x 2 − x 1 ( x 2 − x 1 ) x 2 ⋮ ( x 2 − x 1 ) x 2 n − 2 ⋯ ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ 1 x n − x 1 ( x n − x 1 ) x n ⋮ ( x n − x 1 ) x n n − 2 ∣ ∣ 按照第 1 列展开, 我们得到= = ∣ ∣ x 2 − x 1 ( x 2 − x 1 ) x 2 ⋮ ( x 2 − x 1 ) x 2 n − 2 ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ x n − x 1 ( x n − x 1 ) x n ⋮ ( x n − x 1 ) x n n − 2 ∣ ∣ ( x 2 − x 1 ) ( x 3 − x 1 ) ⋯ ( x n − x 1 ) ∣ ∣ 1 x 2 ⋮ x 2 n − 2 1 x 3 ⋮ x 3 n − 2 ⋯ ⋯ ⋮ ⋯ 1 x n ⋮ x n n − 2 ∣ ∣ 这里第二个等式是因为提取了每列的共同系数. 因此我们得到递推关系Δ n ( x 1 , ⋯ , x n ) = Δ n − 1 ( x 2 , ⋯ , x n ) i = 2 ∏ n ( x i − x 1 ) . 由此得到= = Δ n ( x 1 , ⋯ , x n ) = Δ n − 1 ( x 2 , ⋯ , x n ) i = 2 ∏ n ( x i − x 1 ) Δ n − 2 ( x 3 , ⋯ , x n ) ( i = 3 ∏ n ( x i − x 2 ) ) ( i = 2 ∏ n ( x i − x 1 ) ) ⋯ = i > j ∏ ( x i − x j )
求如下 n 阶三对角矩阵的行列式Δ n = ∣ ∣ − 2 1 0 ⋯ 0 1 − 2 1 ⋯ 0 0 1 − 2 ⋯ 0 0 0 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 0 0 0 ⋯ − 2 ∣ ∣ n 这里右下角标 ∣ n 表示是 n 阶方阵. 这个矩阵在 Poisson 方程边值问题的数值解法中扮演了十分重要的角色. 把行列式通过第一行展开, 我们得到= ∣ ∣ − 2 1 0 ⋯ 0 1 − 2 1 ⋯ 0 0 1 − 2 ⋯ 0 0 0 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 0 0 0 ⋯ − 2 ∣ ∣ n ( − 2 ) ∣ ∣ − 2 1 ⋯ 0 1 − 2 ⋯ 0 0 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 0 0 ⋯ − 2 ∣ ∣ n − 1 − ∣ ∣ 1 0 ⋯ 0 1 − 2 ⋯ 0 0 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 0 0 ⋯ − 2 ∣ ∣ n − 1
再把上述第二个矩阵按照第一列展开= ( − 2 ) ∣ ∣ − 2 1 ⋯ 0 1 − 2 ⋯ 0 0 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 0 0 ⋯ − 2 ∣ ∣ n − 1 − ∣ ∣ − 2 ⋯ 0 1 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 0 ⋯ − 2 ∣ ∣ n − 2 因此我们得到递推关系Δ n = − 2 Δ n − 1 − Δ n − 2 初始条件为 Δ 1 = − 2 , Δ 2 = 3 .
我们把递推关系写成 ( Δ n + Δ n − 1 ) = − ( Δ n − 1 + Δ n − 2 ) , 因此= ( Δ n + Δ n − 1 ) = − ( Δ n − 1 + Δ n − 2 ) ⋯ = ( − 1 ) n − 2 ( Δ 2 + Δ 1 ) = ( − 1 ) n 代入得Δ n = = = = ( − 1 ) n − Δ n − 1 ( − 1 ) n − ( − 1 ) n − 1 + Δ n − 2 = ⋯ ( − 1 ) n − ( − 1 ) n − 1 + ⋯ + ( − 1 ) 2 + ( − 1 ) n − 1 Δ 1 ( n + 1 ) ( − 1 ) n