设 a1, a2, …, an, x, y 是 n+2 个 n×1 阵. 设 A=[a1,a2,…,an]. 设 s 是一个数. 行列式有如下性质:
(1) 一个方阵与其转置的行列式相等. 于是, 我不必同时讲行的性质与列的性质, 因为您总可用转置, 译列的性质为行的性质 (或译行的性质为列的性质).
(2) 若一个阵的某一列是二组数的和, 那么此阵的行列式等于二个阵的行列式的和, 而这二个阵, 除这一列以外, 全与原阵的对应的列一样. 用公式写, 就是=det[…,aj−1,x+y,aj+1,…]det[…,aj−1,x,aj+1,…]+det[…,aj−1,y,aj+1,…],其中, 未写的列是不变的, 下同.
(3) 以一个数乘阵的一列后得到的阵的行列式等于以此数乘原阵的行列式. 用公式写, 就是det[…,aj−1,sx,aj+1,…]=sdet[…,aj−1,x,aj+1,…].
(4) 若一个阵有二列相同, 则其行列式为 0.
(5) 若交换一个阵的二列, 则其行列式变号.
(6) 若一个阵有二列成比例, 则其行列式为 0. (利用性质 (3) (4) 即知.)
(7) 若加一个阵的一列的倍于另一列, 则其行列式不变. (利用性质 (2) (6) 即知.)
(8) 单位阵的行列式是 1.
(9) 设 j 是不超过 n 的正整数. 则det(A)=i=1∑n(−1)i+j[A]i,jdet(A(i∣j)).
不难看出, (2) (3) 的联合是多线性, 且 (4) 就是交错性.
这些性质是有用的. 我们看几个例.
设 n 级阵 A 适合: 当 1⩽j<i⩽n 时, [A]i,j=0. 通俗地, A=⎣⎡[A]1,10⋮00[A]1,2[A]2,2⋮00⋯⋯⋱⋯⋯[A]1,n−1[A]2,n−1⋮[A]n−1,n−10[A]1,n[A]2,n⋮[A]n−1,n[A]n,n⎦⎤.我们计算 det(A).
按列 1 展开, 有det(A)====i=1∑n(−1)i+1[A]i,1det(A(i∣1))(−1)1+1[A]1,1det(A(1∣1))+i=2∑n(−1)i+1[A]i,1det(A(i∣1))[A]1,1det(A(1∣1))+i=2∑n(−1)i+10det(A(i∣1))[A]1,1det(A(1∣1)).
不难看出, 当 1⩽j<i⩽n−1 时, 也有 [A(1∣1)]i,j=0. 于是, 类似地, det(A(1∣1))=[A(1∣1)]1,1det((A(1∣1))(1∣1))=[A]2,2det(A(1,2∣1,2)).故det(A)=[A]1,1[A]2,2det(A(1,2∣1,2)).
……
最后, 我们得det(A)===[A]1,1[A]2,2…[A]n−1,n−1det(A(1,2,…,n−1∣1,2,…,n−1))[A]1,1[A]2,2…[A]n−1,n−1[A]n,n[A]1,1[A]2,2…[A]n,n.
设 n 级阵 A 适合: 当 1⩽i<j⩽n 时, [A]i,j=0. 通俗地, A=⎣⎡[A]1,1[A]2,1⋮[A]n−1,1[A]n,10[A]2,2⋮[A]n−1,2[A]n,2⋯⋯⋱⋯⋯00⋮[A]n−1,n−1[A]n,n−100⋮0[A]n,n⎦⎤.我们计算 det(A).
不难看出, A 的转置 AT 适合: 当 1⩽j<i⩽n 时, [AT]i,j=[A]j,i=0. 由性质 (1) 与上例的结果, det(A)===det(AT)[AT]1,1[AT]2,2…[AT]n,n[A]1,1[A]2,2…[A]n,n.
运用性质 (7), 可作出一些 0, 使计算简单. 比如, 设A=⎣⎡438951276⎦⎤.则det(A)==========det⎣⎡4389512+97+56+1⎦⎤det⎣⎡4389512+9+47+5+36+1+8⎦⎤det⎣⎡438951151515⎦⎤det⎣⎡4389−15⋅1515−15⋅1511−15⋅151151515⎦⎤det⎣⎡4−15⋅1583−15⋅1588−15⋅158840151515⎦⎤det⎣⎡−4−50840151515⎦⎤det⎣⎡−4+8⋅45−5+4⋅450+0⋅45840151515⎦⎤det⎣⎡600840151515⎦⎤6⋅4⋅15360.我们用 3 级阵的行列式的公式验证结果: det(A)===4⋅5⋅6+3⋅1⋅2+8⋅9⋅7−4⋅1⋅7−3⋅9⋅6−8⋅5⋅2120+6+504−28−162−80360.
设A=⎣⎡16594310615211714138121⎦⎤.则det(A)===det⎣⎡165943−210−116−715−14211714138121⎦⎤det⎣⎡16−135−89−124−13−210−116−715−14211714138121⎦⎤det⎣⎡3−3−331−1−11211714138121⎦⎤.利用性质 (6) 可知, 最后一个阵的行列式为 0. 所以, A 的行列式也是 0.
我们当然也可用 4 级阵的行列式的公式验证结果. 不过, 这是复杂的. 首先, 根据定义, det(A)=+(−1)1+1[A]1,1det(A(1∣1))+(−1)2+1[A]2,1det(A(2∣1))+(−1)3+1[A]3,1det(A(3∣1))+(−1)4+1[A]4,1det(A(4∣1)).可算出det(A(1∣1))=det⎣⎡10615117148121⎦⎤=136;det(A(2∣1))=det⎣⎡3615271413121⎦⎤=−408;det(A(3∣1))=det⎣⎡31015211141381⎦⎤=−408;det(A(4∣1))=det⎣⎡3106211713812⎦⎤=136.所以det(A)=16⋅136−5⋅(−408)+9⋅(−408)−4⋅136=0.
设 x, y 是数. 作 n 级阵 A 如下: [A]i,j={x,y,i=j;i=j.通俗地, A=⎣⎡xy⋮yyyx⋮yy⋯⋯⋯⋯yy⋮xyyy⋮yx⎦⎤.我们计算 det(A).
加 A 的列 1, 2, …, n−1 于列 n, 得 n 级阵A1=⎣⎡xy⋮yyyx⋮yy⋯⋯⋯⋯yy⋮xyx+(n−1)yx+(n−1)y⋮x+(n−1)yx+(n−1)y⎦⎤.注意, A1 的前 n−1 列与 A 的前 n−1 列一样, 但 A1 的列 n 的元全为 x+(n−1)y. 用 n−1 次性质 (7), 有 det(A)=det(A1).
作 n 级阵A2=⎣⎡xy⋮yyyx⋮yy⋯⋯⋯⋯yy⋮xy11⋮11⎦⎤.注意, A2 的前 n−1 列与 A1 的前 n−1 列一样, 但 A2 的列 n 的元全为 1. 用性质 (3), 有 det(A)=det(A1)=(x+(n−1)y)det(A2).
加 A2 的列 n 的 −y 倍于列 1, 列 n 的 −y 倍于列 2, ……, 列 n 的 −y 倍于列 n−1, 得 n 级阵A3=⎣⎡x−y0⋮000x−y⋮00⋯⋯⋯⋯00⋮x−y011⋮11⎦⎤.用 n−1 次性质 (7), 有 det(A)=(x+(n−1)y)det(A2)=(x+(n−1)y)det(A3). 注意, 1⩽j<i⩽n 时, 有 [A3]i,j=0. 故det(A3)=(x−y)n−1⋅1=(x−y)n−1.故det(A)=(x+(n−1)y)det(A3)=(x+(n−1)y)(x−y)n−1.
设 x1, x2, …, xn 是数. 作 n 级 Vandermonde 阵 V(x1,x2,…,xn) 如下: [V(x1,x2,…,xn)]i,j=xij−1.通俗地, V(x1,x2,…,xn)=⎣⎡111⋮11x1x2x3⋮xn−1xnx12x22x32⋮xn−12xn2⋯⋯⋯⋯⋯x1n−2x2n−2x3n−2⋮xn−1n−2xnn−2x1n−1x2n−1x3n−1⋮xn−1n−1xnn−1⎦⎤.我们计算 det(V(x1,x2,…,xn)).
加 V(x1,x2,…,xn) 的列 n−1 的 −xn 倍于列 n, 列 n−2 的 −xn 倍于列 n−1, ……, 列 1 的 −xn 倍于列 2, 得 n 级阵==A⎣⎡111⋮11x1−xnx2−xnx3−xn⋮xn−1−xn0x12−x1xnx22−x2xnx32−x3xn⋮xn−12−xn−1xn0⋯⋯⋯⋯⋯x1n−2−x1n−3xnx2n−2−x2n−3xnx3n−2−x3n−3xn⋮xn−1n−2−xn−1n−3xn0x1n−1−x1n−2xnx2n−1−x2n−2xnx3n−1−x3n−2xn⋮xn−1n−1−xn−1n−2xn0⎦⎤⎣⎡111⋮11x1−xnx2−xnx3−xn⋮xn−1−xn0x1(x1−xn)x2(x2−xn)x3(x3−xn)⋮xn−1(xn−1−xn)0⋯⋯⋯⋯⋯x1n−3(x1−xn)x2n−3(x2−xn)x3n−3(x3−xn)⋮xn−1n−3(xn−1−xn)0x1n−2(x1−xn)x2n−2(x2−xn)x3n−2(x3−xn)⋮xn−1n−2(xn−1−xn)0⎦⎤;具体地, [A]i,j={1,xij−1−xij−2xn=xij−2(xi−xn),j=1;j>2.由性质 (7), 有det(V(x1,x2,…,xn))=det(A).
按行 n 展开, 有det(V(x1,x2,…,xn))=det(A)=(−1)n+1det(B),其中 B=A(n∣1), 且 [B]i,j=xij−1(xi−xn); 通俗地, B=⎣⎡x1−xnx2−xnx3−xn⋮xn−1−xnx1(x1−xn)x2(x2−xn)x3(x3−xn)⋮xn−1(xn−1−xn)⋯⋯⋯⋯x1n−3(x1−xn)x2n−3(x2−xn)x3n−3(x3−xn)⋮xn−1n−3(xn−1−xn)x1n−2(x1−xn)x2n−2(x2−xn)x3n−2(x3−xn)⋮xn−1n−2(xn−1−xn)⎦⎤.
用 n−1 次性质 (3) (关于行), 有det(B)==(x1−xn)(x2−xn)…(xn−1−xn)det(V(x1,x2,…,xn−1))(−1)n−1(xn−x1)(xn−x2)…(xn−xn−1)det(V(x1,x2,…,xn−1)).故===det(V(x1,x2,…,xn))(−1)n+1det(B)(−1)n+1(−1)n−1(xn−x1)(xn−x2)…(xn−xn−1)det(V(x1,x2,…,xn−1))(xn−x1)(xn−x2)…(xn−xn−1)det(V(x1,x2,…,xn−1)).
类似地, =det(V(x1,x2,…,xn−1))(xn−1−x1)(xn−1−x2)…(xn−1−xn−2)det(V(x1,x2,…,xn−2)).故det(V(x1,x2,…,xn))=⋅(xn−x1)(xn−x2)…(xn−xn−1)⋅(xn−1−x1)(xn−1−x2)…(xn−1−xn−2)⋅det(V(x1,x2,…,xn−2)).
……
最后, 我们有det(V(x1,x2,…,xn))====⋅(xn−x1)(xn−x2)…(xn−xn−1)⋅(xn−1−x1)(xn−1−x2)…(xn−1−xn−2)⋅…⋅(x3−x1)(x3−x2)⋅(x2−x1)⋅det(V(x1))⋅(xn−x1)(xn−x2)…(xn−xn−1)⋅(xn−1−x1)(xn−1−x2)…(xn−1−xn−2)⋅…⋅(x3−x1)(x3−x2)⋅(x2−x1)⋅12⩽v⩽n∏1⩽u⩽v−1∏(xv−xu)1⩽u<v⩽n∏(xv−xu).
不难看出, 若 V(x1,x2,…,xn) 的行列式非零, 则 x1, x2, …, xn 互不相同; 反过来, 若 x1, x2, …, xn 互不相同, 则 V(x1,x2,…,xn) 的行列式非零.
设 a0, a1, a2, …, an 是 n+1 个数. 作 n 级阵 P(x;a0;a1,a2,…,an) 如下: [P(x;a0;a1,a2,…,an)]i,j=⎩⎨⎧x,−1,an−i+1,a0x+a1,0,1⩽i=j⩽n−1;1⩽i−1=j⩽n−1;1⩽i⩽n−1=j−1;i=n=j;其他.通俗地, P(x;a0;a1,a2,…,an)=⎣⎡x−10⋮000x−1⋮00⋯⋯⋯⋯⋯000⋮−10000⋮x−1anan−1an−2⋮a2a0x+a1⎦⎤.我们计算 det(P(x;a0;a1,a2,…,an)).
注意, 当 1<j<n 时, [P(x;a0;a1,a2,…,an)]1,j=0. 于是, 按行 1 展开, 有=det(P(x;a0;a1,a2,…,an))+(−1)1+1[P(x;a0;a1,a2,…,an)]1,1det((P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣1))+(−1)1+n[P(x;a0;a1,a2,…,an)]1,ndet((P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣n)).不难写出, [P(x;a0;a1,a2,…,an)]1,1=x,[P(x;a0;a1,a2,…,an)]1,n=an.不难写出, (P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣1)==⎣⎡x−1⋮00⋯⋯⋯⋯00⋮−1000⋮x−1an−1an−2⋮a2a0x+a1⎦⎤P(x;a0;a1,a2,…,an−1).故det((P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣1))=det(P(x;a0;a1,a2,…,an−1)).不难写出, (P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣n)=⎣⎡−10⋮00x−1⋮00⋯⋯⋯⋯00⋮−1000⋮x−1⎦⎤;具体地, [(P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣n)]i,j=⎩⎨⎧−1,x,0,1⩽i=j⩽n−1;1⩽i=j−1⩽n−2;其他.故 1⩽j<i⩽n−1 时, 有 [(P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣n)]i,j=0. 则det((P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣n))=(−1)n−1.
综上, ===det(P(x;a0;a1,a2,…,an))+(−1)1+1[P(x;a0;a1,a2,…,an)]1,1det((P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣1))+(−1)1+n[P(x;a0;a1,a2,…,an)]1,ndet((P(x;a0;a1,a2,…,an))(1∣n))xdet(P(x;a0;a1,a2,…,an−1))+(−1)1+nan(−1)n−1xdet(P(x;a0;a1,a2,…,an−1))+an.
类似地, det(P(x;a0;a1,a2,…,an−1))=xdet(P(x;a0;a1,a2,…,an−2))+an−1.故det(P(x;a0;a1,a2,…,an))===xdet(P(x;a0;a1,a2,…,an−1))+anx(xdet(P(x;a0;a1,a2,…,an−2))+an−1)+anx2det(P(x;a0;a1,a2,…,an−2))+an−1x+an.
……
最后, 我们有======det(P(x;a0;a1,a2,…,an))xdet(P(x;a0;a1,a2,…,an−1))+anx2det(P(x;a0;a1,a2,…,an−2))+an−1x+an…xn−1det(P(x;a0;a1))+a2xn−2+⋯+an−1x+anxn−1(a0x+a1)+a2xn−2+⋯+an−1x+ana0xn+a1xn−1+a2xn−2+⋯+an−1x+an.
虽然我写了多的例, 我并不想在本书具体地介绍如何计算一个阵的行列式. 这些例的目的是使您更好地理解行列式的性质. 若您想知道计算一个阵的行列式的更多的方法, 您可以见一些线性代数教材, 或者找相关的文献.