本节, 我们讨论行列式为 0 的阵的几个性质.
设 A 是一个 n 级阵. 设 det(A)=0. 则存在不超过 n 的正整数 i, 使∣[A]i,i∣⩽1⩽u⩽nu=i∑∣[A]i,u∣.(58.1)
证. 因为 det(A)=0, 故有非零的 n×1 阵 x, 使 Ax=0 (见第一章, 节 23 或节 25).
考虑不全为
0 的非负实数
∣[x]1,1∣,
∣[x]2,1∣,
…,
∣[x]n,1∣. 则有不超过
n 的正整数
i, 使对任何不超过
n 的正整数
u, 有
∣[x]i,1∣⩾∣[x]u,1∣, 且
∣[x]i,1∣>0. 则
0====[0]i,1[Ax]i,11⩽u⩽n∑[A]i,u[x]u,11⩽u⩽nu=i∑[A]i,u[x]u,1+[A]i,i[x]i,1.则
∣[A]i,i∣∣[x]i,1∣===⩽=⩽=∣−1∣∣[A]i,i[x]i,1∣∣−[A]i,i[x]i,1∣∣∣1⩽u⩽nu=i∑[A]i,u[x]u,1∣∣1⩽u⩽nu=i∑∣[A]i,u[x]u,1∣1⩽u⩽nu=i∑∣[A]i,u∣∣[x]u,1∣1⩽u⩽nu=i∑∣[A]i,u∣∣[x]i,1∣(1⩽u⩽nu=i∑∣[A]i,u∣)∣[x]i,1∣.因为
∣[x]i,1∣>0, 故式
(
58.1) 是对的.
不过, 此事反过来不一定是对的.
设 A=[0−110] 是一个 2 级阵. 取 i=1 或 i=2, 即有∣[A]i,1∣=0⩽1=1⩽u⩽2u=i∑∣[A]i,u∣.可是, det(A)=1=0.
设 A 是一个 n 级阵 (n⩾2). 设 det(A)=0. 则存在不超过 n, 且不等的正整数 j, k, 使∣[A]j,j∣∣[A]k,k∣⩽(1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣)(1⩽q⩽nq=k∑∣[A]k,q∣).(58.2)
证. 因为 det(A)=0, 故有非零的 n×1 阵 x, 使 Ax=0 (见第一章, 节 23 或节 25).
考虑不全为 0 的非负实数 ∣[x]1,1∣, ∣[x]2,1∣, …, ∣[x]n,1∣. 则有不超过 n, 且不等的正整数 j, k, 使对任何不超过 n, 且不等于 j 的正整数 p, 有 ∣[x]j,1∣⩾∣[x]k,1∣⩾∣[x]p,1∣, 且 ∣[x]j,1∣>0.
注意, 对任何不超过 n 的正整数 u, 有0====[0]u,1[Ax]u,11⩽v⩽n∑[A]u,v[x]v,11⩽v⩽nv=u∑[A]u,v[x]v,1+[A]u,u[x]u,1.故−[A]u,u[x]u,1=1⩽v⩽nv=u∑[A]u,v[x]v,1.则∣[A]u,u∣∣[x]u,1∣===⩽=∣−1∣∣[A]u,u[x]u,1∣∣−[A]u,u[x]u,1∣∣∣1⩽v⩽nv=u∑[A]u,v[x]v,1∣∣1⩽v⩽nv=u∑∣[A]u,v[x]v,1∣1⩽v⩽nv=u∑∣[A]u,v∣∣[x]v,1∣.则 (取 u=j, 并注意, 对任何不超过 n, 且不等于 j 的正整数 p, 有 ∣[x]p,1∣⩽∣[x]k,1∣) ∣[A]j,j∣∣[x]j,1∣⩽⩽=1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣∣[x]p,1∣1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣∣[x]k,1∣(1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣)∣[x]k,1∣.因为 ∣[x]j,1∣>0, ∣[A]j,j∣⩽(1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣)∣[x]k,1∣∣[x]j,1∣−1.另一方面 (取 u=k, 并注意, 对任何不超过 n 的正整数 q, 有 ∣[x]q,1∣⩽∣[x]j,1∣), ∣[A]k,k∣∣[x]k,1∣⩽⩽=1⩽q⩽nq=k∑∣[A]k,q∣∣[x]q,1∣1⩽q⩽nq=k∑∣[A]k,q∣∣[x]j,1∣(1⩽q⩽nq=k∑∣[A]k,q∣)∣[x]j,1∣.故(∣[A]j,j∣∣[A]k,k∣)∣[x]k,1∣⩽(1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣)(1⩽q⩽nq=k∑∣[A]k,q∣)∣[x]k,1∣.
若
∣[x]k,1∣>0, 则式
(
58.2) 当然是对的. 若
∣[x]k,1∣=0, 则
0⩽∣[A]j,j∣⩽(1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣)0∣[x]j,1∣−1=0.故
∣[A]j,j∣=0. 则式
(
58.2) 的左侧是
0.
此事反过来不一定是对的: 考虑上个例的 A 即可.
我们说, 若存在不超过 n, 且不等的正整数 j, k, 使式 (58.2) 是对的, 则存在不超过 n 的正整数 i, 使式 (58.1) 是对的. 用反证法, 不难看出, 若式 (58.2) 是对的, 则∣[A]j,j∣>1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣与∣[A]k,k∣>1⩽q⩽nq=k∑∣[A]k,q∣不能全是对的. 故∣[A]j,j∣⩽1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣与∣[A]k,k∣⩽1⩽q⩽nq=k∑∣[A]k,q∣的至少一个是对的. 取 i 为 j 或 k 即可.
或许, 您会想:
设 A 是一个 n 级阵 (n⩾3). 设 det(A)=0. 则存在不超过 n, 且互不相同的正整数 j, k, ℓ, 使⩽∣[A]j,j∣∣[A]k,k∣∣[A]ℓ,ℓ∣(1⩽p⩽np=j∑∣[A]j,p∣)(1⩽q⩽nq=k∑∣[A]k,q∣)(1⩽r⩽nr=ℓ∑∣[A]ℓ,r∣).
不过, 这不是对的.
设 A=⎣⎡1111111110⎦⎤ 是一个 3 级阵. 不难算出, det(A)=0. 可是 (此处 j, k, ℓ 分别是 1, 2, 3) =>=∣[A]j,j∣∣[A]k,k∣∣[A]ℓ,ℓ∣1⋅1⋅102⋅2⋅2(1⩽p⩽3p=j∑∣[A]j,p∣)(1⩽q⩽3q=k∑∣[A]k,q∣)(1⩽r⩽3r=ℓ∑∣[A]ℓ,r∣).j, k, ℓ 取其他的数时, 也有类似的结果.
最后, 注意, 一个阵与其转置的行列式相等: 若 det(A)=0, 则 det(AT)=det(A)=0. 应用前二个定理于 AT, 立得
设 A 是一个 n 级阵. 设 det(A)=0. 则存在不超过 n 的正整数 i, 使∣[A]i,i∣⩽1⩽u⩽nu=i∑∣[A]u,i∣.
设 A 是一个 n 级阵 (n⩾2). 设 det(A)=0. 则存在不超过 n, 且不等的正整数 j, k, 使∣[A]j,j∣∣[A]k,k∣⩽(1⩽p⩽np=j∑∣[A]p,j∣)(1⩽q⩽nq=k∑∣[A]q,k∣).