3.3. Laplace 展开定理

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: 实际上 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 阶方程

定义 3.3.1. 的第 行第 列余子式 定义为把 的第 行和第 列去掉后得到的 阶方阵的行列式, 即

例子 3.3.2. , 则

例子 3.3.3. 体积元的展开公式可以写成

命题 3.3.4. 阶方阵, 则按照第一行展开有如下公式成立

证明: 的行向量为

由行列式的外积定义, 我们有另一方面, 代入 的表达式

考虑其中的第一项 , 记则行向量 组成把 的第 1 行第 1 列去掉后得到的 阶方阵. 由外积代数我们有

另一方面, 由外积代数关系 ,类似的我们得到

因此 展开的第一项可以写成

类似的, 展开的第 项可以计算为我们可以用外积的反对称把 从最前面移动到第 个位置, 共需要交换 次. 所以

把所有项加起来, 我们得到比较行列式的外积定义, 我们证明了命题所述

命题 3.3.5. 阶方阵, 则按照第一列展开有如下公式成立

证明: 的行向量为
利用外积的性质, 我们可以展开得到这里最后一步用了和前述命题证明中类似的计算.

定理 3.3.6 (Laplace 展开定理). 阶方阵, 是第 列的余子式.

行展开公式: 对任意第

列展开公式: 对任意第

证明: 我们在前述命题中证明了第 行的展开公式和第 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.

例子 3.3.7.

按照第 行展开计算

按照第 列展开计算

例子 3.3.8. 我们知道对于上三角方阵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 列展开得到重复这个过程就得到行列式为 .

转置与行列对称性

定义 3.3.9. 给定 矩阵 , 将 的行排成列列排成行, 得到的 矩阵称为 的转置, 记为

可以看出, 如果 阶方阵, 则 也是 阶方阵.

命题 3.3.10. 矩阵, 矩阵, 则类似地, 对于多个矩阵的乘积, .

证明: 留作练习.

定理 3.3.11. 阶行列式具有转置不变性, 即 .

证明: 时显然成立, 我们对 做归纳. 对 作行展开, 对 作列展开, 得到由归纳假设知 , 因此 .

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

关于任意一列具有线性性

交换两列, 行列式差一个负号

把一列乘以一个数加到另一列, 行列式不变

一些例子

例子 3.3.12 (Vandermonde 行列式). 如下 阶行列式称为 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 . 把第 行乘以 加到第 行, 然后把第 行乘以 加到第 行, , 最后把第 行乘以 加到第 行, 我们得到按照第 列展开, 我们得到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由此得到

例子 3.3.13. 求如下 阶三对角矩阵的行列式这里右下角标 表示是 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

再把上述第二个矩阵按照第一列展开因此我们得到递推关系初始条件为 .

我们把递推关系写成 , 因此代入得