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5.2 排列与代数余子式

一、求行列式的方法

计算机是利用主元计算行列式的。本节介绍其它两种计算行列式的方法。一是 “大公式”(big formula),它使用了全部 n ! n! n! 个排列计算;二是 “代数余子式公式”(cofactor formula),它使用的是大小为 n − 1 n-1 n1 的行列式来计算的。下面是一个 4 × 4 4\times4 4×4 矩阵的例子: A = [ 2 − 1 0 0 − 1 2 − 1 0 0 − 1 2 − 1 0 0 − 1 2 ] 的行列式是 det ⁡ A = 5 A=\begin{bmatrix}\kern 7pt2&-1&\kern 7pt0&\kern 7pt0\\-1&\kern 7pt2&-1&\kern 7pt0\\\kern 7pt0&-1&\kern 7pt2&-1\\\kern 7pt0&\kern 7pt0&-1&\kern 7pt2\end{bmatrix}\kern 5pt的行列式是\kern 5pt\det A=5 A= 2100121001210012 的行列式是detA=5我们可以通过以下三种方式来求行列式:主元,大公式,代数余子式

  1. 主元的乘积是 2 ⋅ 3 2 ⋅ 4 3 ⋅ 5 4 2\cdot\displaystyle\frac{3}{2}\cdot\frac{4}{3}\cdot\frac{5}{4} 2233445,消去后得到 5 5 5
  2. 大公式有 4 ! = 24 4!=24 4!=24 项,只有 5 5 5 项是非零的: det ⁡ A = ∣ 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 2 ∣ + ∣ 2 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 − 1 0 0 − 1 0 ∣ + ∣ 2 0 0 0 0 0 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 0 2 ∣ + ∣ 0 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 2 ∣ + ∣ 0 − 1 0 0 − 1 0 0 0 0 0 0 − 1 0 0 − 1 0 ∣ = 16 − 4 − 4 − 4 + 1 = 5 \det A=\begin{vmatrix}2&0&0&0\\0&2&0&0\\0&0&2&0\\0&0&0&2\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}2&0&\kern 7pt0&\kern 7pt0\\0&2&\kern 7pt0&\kern 7pt0\\0&0&\kern 7pt0&-1\\0&0&-1&\kern 7pt0\end{vmatrix}+\begin{vmatrix} 2&\kern 7pt0&\kern 7pt0&0\\0&\kern 7pt0&-1&0\\0&-1&\kern 7pt0&0\\0&\kern 7pt0&\kern 7pt0&2\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}\kern 7pt0&-1&0&0\\-1&\kern 7pt0&0&0\\\kern 7pt0&\kern 7pt0&2&0\\\kern 7pt0&\kern 7pt0&0&2\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}\kern 7pt0&-1&\kern 7pt0&\kern 7pt0\\-1&\kern 7pt0&\kern 7pt0&\kern 7pt0\\\kern 7pt0&\kern 7pt0&\kern 7pt0&-1\\\kern 7pt0&\kern 7pt0&-1&\kern 7pt0\end{vmatrix}=16-4-4-4+1=5 detA= 2000020000200002 + 2000020000010010 + 2000001001000002 + 0100100000200002 + 0100100000010010 =16444+1=5 16 16 16 来自 A A A 的对角线 2 ⋅ 2 ⋅ 2 ⋅ 2 2\cdot2\cdot2\cdot2 2222 − 4 -4 4 1 1 1 来自与后面 4 4 4 个行列式。
  3. 第一行的数字 2 , − 1 , 0 , 0 2,-1,0,0 2,1,0,0 乘上它们自己来自于其它行的余子式 4 , 3 , 2 , 1 4,3,2,1 4,3,2,1,得到 2 ⋅ 4 − 1 ⋅ 3 = 5 2\cdot4-1\cdot3=5 2413=5。这些余子式是 3 × 3 3\times3 3×3 的行列式,余子式所使用的行和列是第一行的元素未使用的行和列。
    行列式的每一项仅适用每行每列一次!

二、主元公式

当用消元法得到 A = L U A=LU A=LU 时,主元 d 1 , d 2 , ⋯   , d n d_1,d_2,\cdots,d_n d1,d2,,dn 在上三角矩阵 U U U 的对角线上,如果没有行交换,将主元相乘就可以得到行列式: det ⁡ A = ( det ⁡ L ) ( det ⁡ U ) = ( 1 ) ( d 1 d 2 ⋯ d n ) ( 5.2.1 ) \det A=(\det L)(\det U)=(1)(d_1d_2\cdots d_n)\kern 30pt(5.2.1) detA=(detL)(detU)=(1)(d1d2dn)(5.2.1)这个公式是没有行交换的情况下,如果发生行交换,则公式中会出现置换矩阵,变成 P A = L U PA=LU PA=LU,而 P P P 的行列式是 − 1 -1 1 + 1 +1 +1

( det ⁡ P ) ( det ⁡ A ) = ( det ⁡ L ) ( det ⁡ U ) 得到 det ⁡ A = ± ( d 1 d 2 ⋯ d n ) ( 5.2.2 ) (\det P)(\det A)=(\det L)(\det U)\kern 10pt得到\kern 10pt{\color{blue}\det A=±(d_1d_2\cdots d_n)}\kern 25pt(5.2.2) (detP)(detA)=(detL)(detU)得到detA=±(d1d2dn)(5.2.2)

例1】一次行交换可以得到主元 4 , 2 , 1 4,2,1 4,2,1 和重要的负号: A = [ 0 0 1 0 2 3 4 5 6 ] P A = [ 4 5 6 0 2 3 0 0 1 ] det ⁡ A = − ( 4 ) ( 2 ) ( 1 ) = − 8 A=\begin{bmatrix}0&0&1\\0&2&3\\4&5&6\end{bmatrix}\kern 10ptPA=\begin{bmatrix}4&5&6\\0&2&3\\0&0&1\end{bmatrix}\kern 10pt\det A=-(4)(2)(1)=-8 A= 004025136 PA= 400520631 detA=(4)(2)(1)=8行交换是奇数次(一次)则 det ⁡ P = − 1 \det P=-1 detP=1
下一个例子没有行交换,这是一个 n × n n\times n n×n 的矩阵,主元可以得到它的行列式,行列式也可以得到主元。

例2】三角矩阵 A A A 的前几个主元是 2 , 3 2 , 4 3 2,\displaystyle\frac{3}{2},\frac{4}{3} 2,23,34,后面的是 5 4 \displaystyle\frac{5}{4} 45 6 5 \displaystyle\frac{6}{5} 56,最终是 n + 1 n \displaystyle\frac{n+1}{n} nn+1。分解这个 n × n n\times n n×n 的矩阵就可以看出行列式: [ 2 − 1 − 1 2 − 1 − 1 2 ⋅ ⋅ ⋅ − 1 − 1 2 ] = [ 1 − 1 2 1 − 2 3 1 ⋅ ⋅ − n − 1 n 1 ] [ 2 − 1 3 2 − 1 4 3 − 1 ⋅ ⋅ n + 1 n ] \begin{bmatrix}\kern 7pt2&-1&\\-1&\kern 7pt2&-1&\\&-1&\kern 7pt2&\cdot\\&&\cdot&\cdot&-1\\&&&-1&\kern 7pt2\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}\kern 7pt1&\\-\frac{1}{2}&\kern 7pt1&\\&-\frac{2}{3}&1\\&&\cdot&\cdot\\&&-\frac{n-1}{n}&1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}\pmb2&-1\\&\pmb{\frac{3}{2}}&-1\\&&\pmb{\frac{4}{3}}&-1\\&&&\cdot&\cdot\\&&&&\pmb{\frac{n+1}{n}}\end{bmatrix} 2112112112 = 1211321nn11 21231341nn+1 主元在 U U U(最后一个矩阵)的对角线,当 2 2 2 3 2 \displaystyle\frac{3}{2} 23 4 3 \displaystyle\frac{4}{3} 34 5 4 \displaystyle\frac{5}{4} 45 乘起来,分数消去,则 4 × 4 4\times4 4×4 矩阵的行列是 5 5 5 3 × 3 3\times3 3×3 矩阵的行列式是 4 4 4 n × n n\times n n×n 矩阵的行列式是 n + 1 n+1 n+1 − 1 , 2 , − 1   矩阵 det ⁡ A = ( 2 ) ( 3 2 ) ( 4 3 ) ⋯ ( n + 1 n ) = n + 1 \pmb{-1,2,-1\,矩阵}\kern 15pt\det A=(\pmb2)(\pmb{\frac{3}{2}})(\pmb{\frac{4}{3}})\cdots(\pmb{\frac{n+1}{n}})=\pmb{n+1} 1,2,1矩阵detA=(2)(23)(34)(nn+1)=n+1重点:前面的主元仅和原始矩阵 A A A 的左上角有关。这条规则适用于所有不需要行交换的矩阵。
前   k   个主元来自于 A   左上角的   k × k   矩阵 A k 。 左上角子矩阵 A k 的行列式是   d 1 d 2 ⋯ d k ( 前   k   个主元 ) 。 前\,k\,个主元来自于A\,左上角的\,k\times k\,矩阵A_k。\\\pmb{左上角子矩阵A_k的行列式是\,d_1d_2\cdots d_k(前\,k\,个主元)。} k个主元来自于A左上角的k×k矩阵Ak左上角子矩阵Ak的行列式是d1d2dk(k个主元) 1 × 1 1\times1 1×1 的矩阵 A 1 A_1 A1 仅包含第一个主元 d 1 d_1 d1,就是 det ⁡ A 1 \det A_1 detA1;左上角 2 × 2 2\times 2 2×2 的矩阵有 det ⁡ A 2 = d 1 d 2 \det A_2=d_1d_2 detA2=d1d2;最终 n × n n\times n n×n 的行列式就是所有主元相乘。
当开始处理整个矩阵时,我们对左上角的矩阵 A k A_k Ak 进行消元,假设没有行交换 —— 则 A = L U A=LU A=LU A k = L k U k A_k=L_kU_k Ak=LkUk。一个行列式除以前一个行列式( A k A_k Ak 除以 A k − 1 A_{k-1} Ak1)可以消去除最后一个主元 d k d_k dk 以外的所有主元。每个主元都是行列式的比值

从行列式得到主元 第   k   个主元是   d k = d 1 d 2 ⋯ d k d 1 d 2 ⋯ d k − 1 = det ⁡ A k det ⁡ A k − 1 ( 5.2.3 ) \pmb{从行列式得到主元}\kern 15pt第\,k\,个主元是\,\pmb{d_k}=\frac{d_1d_2\cdots d_k}{d_1d_2\cdots d_{k-1}}={\color{blue}\frac{\det A_k}{\det A_{k-1}}}\kern 15pt(5.2.3) 从行列式得到主元k个主元是dk=d1d2dk1d1d2dk=detAk1detAk(5.2.3)

当所有左上角的子矩阵都有 det ⁡ A k ≠ 0 \det A_k\neq0 detAk=0,则就不需要行交换。

三、行列式的大公式

主元很好计算,它们有能够求出行列式的足够多的信息。但是它很难和原始的 a i j a_{ij} aij 联系起来。我们回到规则 1 − 2 − 3 1-2-3 123,线性、符号反转和 det ⁡ I = 1 \det I=1 detI=1 就能够让这一问题变得清晰起来。我们要推导出一个确切的行列式公式,它直接由元素 a i j a_{ij} aij 得来。
这个公式有 n ! n! n!。项数会增加的非常快,因为 n ! = 1 , 2 , 6 , 24 , 120 , ⋯ n!=1,2,6,24,120,\cdots n!=1,2,6,24,120,,若 n = 11 n=11 n=11 那么会有接近四千万项。 n = 2 n=2 n=2 时,这两项分别是 a d ad ad b c bc bc,半数的项是负号(如 − b c -bc bc),半数的项是正数(如 a b ab ab)。当 n = 3 n=3 n=3 时,则有 3 ! = ( 3 ) ( 2 ) ( 1 ) = 6 3!=(3)(2)(1)=6 3!=(3)(2)(1)=6 项,这六项如下:

3 × 3   行列式 ∣ a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 ∣ = + a 11 a 22 a 33 + a 12 a 23 a 31 + a 13 a 21 a 32 − a 11 a 23 a 32 − a 12 a 21 a 33 − a 13 a 22 a 31 ( 5.2.4 ) 3\times3\,行列式\kern 20pt\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}={\color{blue}\begin{matrix}+a_{11}a_{22}a_{33}+a_{12}a_{23}a_{31}+a_{13}a_{21}a_{32}\\-a_{11}a_{23}a_{32}-a_{12}a_{21}a_{33}-a_{13}a_{22}a_{31}\end{matrix}}\kern 15pt(5.2.4) 3×3行列式 a11a21a31a12a22a32a13a23a33 =+a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32a11a23a32a12a21a33a13a22a31(5.2.4)

注意这个模式,每个乘积如 a 11 a 23 a 32 a_{11}a_{23}a_{32} a11a23a32来自每一行的一个元素,也有来自每一列的一个元素。列的顺序 1 , 3 , 2 1,3,2 1,3,2 表示这个特定的项符号是负号, a 13 a 21 a 32 a_{13}a_{21}a_{32} a13a21a32 的列序 3 , 1 , 2 3,1,2 3,1,2 则为正号。由这种 “排列” 顺序可以得到符号。
下一步( n = 4 n=4 n=4)有 4 ! = 24 4!=24 4!=24 项,因为有 24 24 24 种方式从每一行和每一列选择一个元素。沿着主对角线, a 11 a 22 a 33 a 44 a_{11}a_{22}a_{33}a_{44} a11a22a33a44 的列序 1 , 2 , 3 , 4 1,2,3,4 1,2,3,4 总是正号,这是单位排列(identity permutation)。
我们从 n = 2 n=2 n=2 开始推导大公式(big formula),目的是用系统的方法得到 a d − b c ad-bc adbc。将每一行分成两个简单的行: [ a b ] = [ a 0 ] + [ 0 b ] , [ c d ] = [ c 0 ] + [ 0 d ] \begin{bmatrix}a &b\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}a&0\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0&b\end{bmatrix},\kern 10pt\begin{bmatrix}c&d\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}c&0\end{bmatrix}+\begin{bmatrix}0&d\end{bmatrix} [ab]=[a0]+[0b][cd]=[c0]+[0d]现在利用线性性质,首先用在第 1 1 1 行(第 2 2 2 行固定),然后用在第 2 2 2 行(第 1 1 1 行固定): ∣ a b c d ∣ = ∣ a 0 c d ∣ + ∣ 0 b c d ∣ ( 分解第   1   行 ) = ∣ a 0 c 0 ∣ + ∣ a 0 0 d ∣ + ∣ 0 b c 0 ∣ + ∣ 0 b 0 d ∣ ( 分解第   2   行 ) ( 5.2.5 ) \begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}a&0\\c&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}0&b\\c&d\end{vmatrix}\kern 106pt(分解第\,1\,行)\kern 83pt\\=\begin{vmatrix}a&0\\c&0\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a&0\\0&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}0&b\\c&0\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}0&b\\0&d\end{vmatrix}\kern 20pt(分解第\,2\,行)\kern 20pt(5.2.5) acbd = ac0d + 0cbd (分解第1)= ac00 + a00d + 0cb0 + 00bd (分解第2)(5.2.5)最后一行有 2 2 = 4 2^2=4 22=4 个行列式,第一个和第四个都是零,因为其中一行是另一行的倍数,最后剩下 2 ! = 2 2!=2 2!=2 个行列式需要计算: ∣ a 0 0 d ∣ + ∣ 0 b c 0 ∣ = a d ∣ 1 0 0 1 ∣ + b c ∣ 0 1 1 0 ∣ = a d − b c \begin{vmatrix}a&0\\0&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}0&b\\c&0\end{vmatrix}=ad\begin{vmatrix}1&0\\0&1\end{vmatrix}+bc\begin{vmatrix}0&1\\1&0\end{vmatrix}=ad-bc a00d + 0cb0 =ad 1001 +bc 0110 =adbc最后得到置换矩阵,它们的行列式提供正号或负号,置换矩阵可以看出列序。上述列序就是 ( 1 , 2 ) (1,2) (1,2) ( 2 , 1 ) (2,1) (2,1)
下面试一下 n = 3 n=3 n=3 的情况。每一行都分成 3 3 3 个简单的行,例如 [ a 11 0 0 ] \begin{bmatrix}a_{11}&0&0\end{bmatrix} [a1100]。再利用每一行的线性,可以将 det ⁡ A \det A detA 分成 3 3 = 27 3^3=27 33=27 个简单的行列式。如果列的选择重复了,例如又选择了一行 [ a 21 0 0 ] \begin{bmatrix}a_{21}&0&0\end{bmatrix} [a2100],那么这个行列式就为零。
我们只需要注意元素 a i j a_{ij} aij 是来自于不同列的情况,如 ( 3 , 1 , 2 ) (3,1,2) (3,1,2)

∣ a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 ∣ = ∣ a 11 a 22 a 33 ∣ + ∣ a 12 a 23 a 31 ∣ + ∣ a 13 a 21 a 32 ∣ \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}=\color{blue}\begin{vmatrix}a_{11}&&\\&a_{22}&\\&&a_{33}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}&a_{12}&\\&&a_{23}\\a_{31}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}&&a_{13}\\a_{21}\\&a_{32}\end{vmatrix} a11a21a31a12a22a32a13a23a33 = a11a22a33 + a31a12a23 + a21a32a13 六项 + ∣ a 11 a 23 a 32 ∣ + ∣ a 12 a 21 a 33 ∣ + ∣ a 13 a 22 a 31 ∣ \pmb{六项}\kern 56pt\color{blue}+\begin{vmatrix}a_{11}\\&&a_{23}\\&a_{32}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}&a_{12}\\a_{21}\\&&a_{33}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}&&a_{13}\\&a_{22}\\a_{31}\end{vmatrix} 六项+ a11a32a23 + a21a12a33 + a31a22a13

总共有 3 ! = 6 3!=6 3!=6 种列的顺序,所以有 6 6 6 个行列式 ( 1 , 2 , 3 ) (1,2,3) (1,2,3) 的这 6 6 6 种排列方式包括来自于 P = I P=I P=I 的单位排列 ( 1 , 2 , 3 ) (1,2,3) (1,2,3) 列的顺序 = ( 1 , 2 , 3 ) , ( 2 , 3 , 1 ) , ( 3 , 1 , 2 ) , ( 1 , 3 , 2 ) , ( 2 , 1 , 3 ) , ( 3 , 2 , 1 ) ( 5.2.6 ) \pmb{列的顺序}=(1,2,3),(2,3,1),(3,1,2),(1,3,2),(2,1,3),(3,2,1)\kern 20pt(5.2.6) 列的顺序=(1,2,3),(2,3,1),(3,1,2),(1,3,2),(2,1,3),(3,2,1)(5.2.6)后三个是奇排列(一次交换),前三个是偶排列( 0 0 0 2 2 2 次交换)。当列序是 ( 3 , 1 , 2 ) (3,1,2) (3,1,2) 时,选择的元素是 a 1 3 a 2 1 a 3 2 a_{1\pmb3}a_{2\pmb1}a_{3\pmb2} a13a21a32,这项特定的列序符号是正号( 2 2 2 次交换)。现在 A A A 的行列式可以分解成 6 6 6 个简单的行列式,提出因子 a i j a_{ij} aij det ⁡ A = a 11 a 22 a 33 ∣ 1 1 1 ∣ + a 12 a 23 a 31 ∣ 1 1 1 ∣ + a 13 a 21 a 32 ∣ 1 1 1 ∣ \det A=a_{11}a_{22}a_{33}\begin{vmatrix}1\\&1\\&&1\end{vmatrix}+a_{12}a_{23}a_{31}\begin{vmatrix}&1\\&&1\\1\end{vmatrix}+a_{13}a_{21}a_{32}\begin{vmatrix}&&1\\1\\&1\end{vmatrix}\kern 70pt detA=a11a22a33 111 +a12a23a31 111 +a13a21a32 111 + a 11 a 23 a 32 ∣ 1 1 1 ∣ + a 12 a 21 a 33 ∣ 1 1 1 ∣ + a 13 a 22 a 31 ∣ 1 1 1 ∣ ( 5.2.7 ) +a_{11}a_{23}a_{32}\begin{vmatrix}1\\&&1\\&1\end{vmatrix}+a_{12}a_{21}a_{33}\begin{vmatrix}&1\\1\\&&1\end{vmatrix}+a_{13}a_{22}a_{31}\begin{vmatrix}&&1\\&1\\1\end{vmatrix}\kern 10pt(5.2.7) +a11a23a32 111 +a12a21a33 111 +a13a22a31 111 (5.2.7)前三个(偶)排列的行列式 det ⁡ P = + 1 \det P=+1 detP=+1,后三个(奇)排列的行列式 det ⁡ P = − 1 \det P=-1 detP=1。我们已经使用系统的方法证明了 3 × 3 3\times3 3×3 的公式。
下面看 n × n n\times n n×n 的公式。列序共有 n ! n! n! 种,列 ( 1 , 2 , 3 , ⋯   , n ) (1,2,3,\cdots,n) (1,2,3,,n) 的每一种可能的顺序 ( α , β , ⋯   , ω ) (\alpha,\beta,\cdots,\omega) (α,β,,ω),从行 1 1 1 a 1 α a_{1\alpha} a1α,从行 2 2 2 a 2 β a_{2\beta} a2β,最后从行 n n n a n ω a_{n\omega} a,行列式包含乘积 a 1 α a 2 β ⋯ a n ω a_{1\alpha}a_{2\beta}\cdots a_{n\omega} a1αa2βa 乘上 + 1 +1 +1 − 1 -1 1,半数的列序符号是 − 1 -1 1
A A A 的行列式是这 n ! n! n! 项简单行列式的和,简单行列式 a 1 α a 2 β ⋯ a n ω a_{1\alpha}a_{2\beta}\cdots a_{n\omega} a1αa2βa 选择的是来自于每行每列的一个元素。对于 5 × 5 5\times5 5×5 的情况, a 15 a 22 a 33 a 44 a 51 a_{15}a_{22}a_{33}a_{44}a_{51} a15a22a33a44a51 这一项有 det ⁡ P = − 1 \det P=-1 detP=1,仅一次交换 5 5 5 1 1 1

det ⁡ A = 所有   n !   个列排列   P = ( α , β , ⋯   , ω ) = ∑ ( det ⁡ P ) a 1 α a 2 β ⋯ a n ω = BIG    FORMULA ( 5.2.8 ) \det A=所有\,n! \,个列排列\,P=(\alpha,\beta,\cdots,\omega)\\={\color{blue}\sum(\det P)a_{1\alpha}a_{2\beta}\cdots a_{n\omega}}=\textrm{\pmb{BIG\,\,FORMULA}}\kern 20pt(5.2.8) detA=所有n!个列排列P=(α,β,,ω)=(detP)a1αa2βa=BIGFORMULA(5.2.8)

这个就是行列式的大公式(Big Formula)。 2 × 2 2\times2 2×2 的情形是 + a 11 a 22 − a 12 a 21 +a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21} +a11a22a12a21(就是 a d − b c ad-bc adbc),这里 P P P ( 1 , 2 ) (1,2) (1,2) ( 2 , 1 ) (2,1) (2,1)
3 × 3 3\times 3 3×3 的情形有 3 3 3 个 “右斜下”(down to right)的乘积和三个 “左斜下”(down to left)的乘积。警告:这个模式在 4 × 4 4\times4 4×4 的情形是不适用的,这种模式只能选取 8 8 8 项,但是实际是需要 24 24 24 项。

例3】( U U U 的行列式)当 U U U 是上三角, n ! n! n! 个乘积中只有一个不为零,这一项就是对角线的乘积: det ⁡ U = + u 11 u 22 ⋯ u n n \det U=+u_{11}u_{22}\cdots u_{nn} detU=+u11u22unn。其它的列序至少有一个元素在对角线下方, U U U 的这些元素都是零。例如 u 21 = 0 u_{21}=0 u21=0,由方程(5.1.8)知该项一定为零。
det ⁡ I = 0 \det I=0 detI=0,唯一非零项是对角线的 + ( 1 ) ( 1 ) ⋯ ( 1 ) +(1)(1)\cdots(1) +(1)(1)(1)

例4】假设 Z Z Z 除了第 3 3 3 列都是单位矩阵,有 Z   的行列式 = ∣ 1 0 a 0 0 1 b 0 0 0 c 0 0 0 d 1 ∣ 是   c ( 5.2.9 ) Z\,的行列式=\begin{vmatrix}1&0&\pmb a&0\\0&1&\pmb b&0\\0&0&\pmb c&0\\0&0&\pmb d&1\end{vmatrix}是\,c\kern 25pt(5.2.9) Z的行列式= 10000100abcd0001 c(5.2.9)主对角线这一项 ( 1 ) ( 1 ) ( c ) ( 1 ) (1)(1)(c)(1) (1)(1)(c)(1) 符号为正。总共有 4 ! = 24 4!=24 4!=24 项乘积(每行每列选择一个因子),但是其它 23 23 23 项都是零。原因:如果从列 3 3 3 中选择 a , b a,b a,b d d d 的话,则列 3 3 3 已经使用了,那么行 3 3 3 就只剩下 0 0 0 可以使用。
另一个原因:如果 c = 0 c=0 c=0,则 Z Z Z 有一个零行,所以 det ⁡ Z = c = 0 \det Z=c=0 detZ=c=0。如果 c c c 不为零,利用消元法,从其它行减去乘数乘上行 3 3 3,可以消去 a , b , c a,b,c a,b,c,就只留下一个对角矩阵,有 det ⁡ Z = c \det Z=c detZ=c
改变 I I I 的一列可以很容易得到 Z Z Z 的行列式,它仅来自于主对角线。

例5】假设 A A A 仅在主对角线的上方和下方都是 1 1 1,这里 n = 4 n=4 n=4 A = [ 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 ] , P = [ 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 ] 的行列式都为   1 A=\begin{bmatrix}0&\pmb1&0&0\\\pmb1&0&\pmb1&0\\0&\pmb1&0&\pmb1\\0&0&\pmb1&0\end{bmatrix},\kern 12ptP=\begin{bmatrix}0&\pmb1&0&0\\\pmb1&0&0&0\\0&0&0&\pmb1\\0&0&\pmb1&0\end{bmatrix}的行列式都为\,1 A= 0100101001010010 ,P= 0100100000010010 的行列式都为1 1 1 1 非零的选择只能是列 2 2 2,行 4 4 4 非零的选择只能是列 3 3 3,则 行 2 2 2 和行 3 3 3 就只能选择列 1 1 1 和列 4 4 4。换句话说就是 det ⁡ P = det ⁡ A \det P=\det A detP=detA P P P 的行列式是 + 1 +1 +1(两次行交换得到列序 2 , 1 , 4 , 3 2,1,4,3 2,1,4,3),因此 det ⁡ A = + 1 \det A=+1 detA=+1

四、代数余子式求行列式

公式 (5.2.8) 是行列式的直接定义,它一次性给了所有信息 —— 但是需要将它都理解,毕竟这 n ! n! n! 个和项都需要满足规则 1 − 2 − 3 1-2-3 123(也就会满足性质 4 − 10 4-10 410 了)。最简单的是 det ⁡ I = 1 \det I=1 detI=1,这个已经验证好了。
当将第一行的因子 a 11 , a 12 a_{11},a_{12} a11,a12 a 13 a_{13} a13 提取出来,就可以看到线性性质。对于 3 × 3 3\times3 3×3 的矩阵,可以将行列式的 6 6 6 项分成 3 3 3 对:

det ⁡ A = a 11 ( a 22 a 33 − a 23 a 32 ) + a 12 ( a 23 a 31 − a 21 a 33 ) + a 13 ( a 21 a 32 − a 22 a 31 ) ( 5.2.10 ) \det A=\pmb{a_{11}}{\color{blue}(a_{22}a_{33}-a_{23}a_{32})}+\pmb{a_{12}}{\color{blue}(a_{23}a_{31}-a_{21}a_{33})}+\pmb{a_{13}}{\color{blue}(a_{21}a_{32}-a_{22}a_{31})}\kern 15pt(5.2.10) detA=a11(a22a33a23a32)+a12(a23a31a21a33)+a13(a21a32a22a31)(5.2.10)

括号中的 3 3 3 项称为 “代数余子式”(cofactor),注意这里前面不需要加 algebra,余子式的英文是 minor。这 3 3 3 项代数余子式都是来自 2 2 2 行与 3 3 3 行的 2 × 2 2\times2 2×2 的行列式,第一行提供了因子 a 11 , a 12 , a 13 a_{11},a_{12},a_{13} a11,a12,a13,下面的行贡献了代数余子式 C 11 , C 12 , C 13 C_{11},C_{12},C_{13} C11,C12,C13。当然行列式 a 11 C 11 + a 12 C 12 + a 13 C 13 a_{11}C_{11}+a_{12}C_{12}+a_{13}C_{13} a11C11+a12C12+a13C13 a 11 , a 12 , a 13 a_{11},a_{12},a_{13} a11,a12,a13 有线性关系,这就是规则 3 3 3
a 11 a_{11} a11 的代数余子式是 C 11 = a 22 a 33 − a 23 a 32 C_{11}=a_{22}a_{33}-a_{23}a_{32} C11=a22a33a23a32,从下面的分解中就可以看出来代数余子式: ∣ a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 ∣ = ∣ a 11 a 22 a 23 a 32 a 33 ∣ + ∣ a 12 a 21 a 23 a 31 a 33 ∣ + ∣ a 13 a 21 a 22 a 31 a 32 ∣ \begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}a_{11}\\&a_{22}&a_{23}\\&a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}&a_{12}\\a_{21}&&a_{23}\\a_{31}&&a_{33}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}&&a_{13}\\a_{21}&a_{22}\\a_{31}&a_{32}\end{vmatrix} a11a21a31a12a22a32a13a23a33 = a11a22a32a23a33 + a21a31a12a23a33 + a21a31a22a32a13 我们仍然可以选择来自于每一行每一列的一个元素,因为 a 11 a_{11} a11 使用了第 1 1 1 行和第 1 1 1 列,所以就剩下一个 2 × 2 2\times2 2×2 的行列式当它的代数余子式。
行列式中需要一直关注符号,跟着 a 12 a_{12} a12 2 × 2 2\times 2 2×2 的行列式虽说看起来是 a 21 a 33 − a 23 a 31 a_{21}a_{33}-a_{23}a_{31} a21a33a23a31,但是它的代数余子式 C 12 C_{12} C12 与这个行列式的符号相反, a 12 C 12 a_{12}C_{12} a12C12 才是正确的 3 × 3 3\times3 3×3 行列式。代数余子式的符号沿着第一行的模式是 “正-负-正-负”。划掉第 1 1 1 行和第 j j j 列得到一个大小是 ( n − 1 ) × ( n − 1 ) (n-1)\times(n-1) (n1)×(n1) 的子矩阵 M 1 j M_{1j} M1j,它的行列式乘上符号 ( − 1 ) 1 + j (-1)^{1+j} (1)1+j 就得到代数余子式: 行   1   的代数余子式是   C 1 j = ( − 1 ) 1 + j det ⁡ M 1 j 行\,1\,的代数余子式是\,C_{1j}=(-1)^{1+j}\det M_{1j} 1的代数余子式是C1j=(1)1+jdetM1j 代数余子式扩展是 det ⁡ A = a 11 C 11 + a 12 C 12 + ⋯ + a 1 n C 1 n ( 5.2.11 ) \pmb{代数余子式扩展是\det A=a_{11}C_{11}+a_{12}C_{12}+\cdots+a_{1n}C_{1n}}\kern 15pt(5.2.11) 代数余子式扩展是detA=a11C11+a12C12++a1nC1n(5.2.11)在大公式(5.2.8)中, a 11 a_{11} a11 乘上一些项的组合 C 11 = det ⁡ M 11 C_{11}=\det M_{11} C11=detM11,它的符号是 ( − 1 ) 1 + 1 (-1)^{1+1} (1)1+1,即是正号。式 (5.2.11)是式(5.2.8)和(5.2.10)的另一种形式,来自第 1 1 1 行的因子乘上只用到其它行的代数余子式。

注: 1 1 1 是这样,那么行 i i i 也一样。某一行的元素 a i j a_{ij} aij 也有代数余子式 C i j C_{ij} Cij,它们是 ( − 1 ) i + j (-1)^{i+j} (1)i+j 乘上 n − 1 n-1 n1 阶的行列式,因为 a i j a_{ij} aij 使用了行 i i i 和列 j j j子矩阵 M i j M_{ij} Mij 会移除行 i i i 和列 j j j。下面展示 a 43 a_{43} a43 M 43 M_{43} M43(行 4 4 4 和列 3 3 3 被移掉了),符号 ( − 1 ) 4 + 3 (-1)^{4+3} (1)4+3 乘上行列式 M 43 M_{43} M43 得到 C 43 C_{43} C43,符号矩阵展示了 ± ± ± 号的模式: A = [ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ a 43 ] 符号 ( − 1 ) i + j = [ + − + − − + − + + − + − − + − + ] A=\begin{bmatrix}\bullet&\bullet&&\bullet\\\bullet&\bullet&&\bullet\\\bullet&\bullet&&\bullet\\&&a_{43}\end{bmatrix}\kern 15pt符号\kern 5pt(-1)^{i+j}=\begin{bmatrix}+&-&+&-\\-&+&-&+\\+&-&+&-\\-&+&-&+\end{bmatrix} A= a43 符号(1)i+j= ++++++++

行列式是 A A A 的任意行 i i i 与其它行的代数余子式的点积: 代数余子式公式 COFACTOR     FORMULA det ⁡ A = a i 1 C i 1 + a i 2 C i 2 + ⋯ + a i n C i n ( 5.2.12 ) \pmb{代数余子式公式\kern 3pt\textrm{COFACTOR\,\,\,FORMULA}}\kern 15pt{\color{blue}\det A=a_{i1}C_{i1}+a_{i2}C_{i2}+\cdots+a_{in}C_{in}}\kern 14pt(5.2.12) 代数余子式公式COFACTORFORMULAdetA=ai1Ci1+ai2Ci2++ainCin(5.2.12)每个代数余子式 C i j C_{ij} Cij(阶数是 n − 1 n-1 n1,去除掉行 i i i 和列 j j j)包含它正确的符号: 代数余子式 Cofactor C i j = ( − 1 ) i + j det ⁡ M i j \pmb{代数余子式\kern 4pt\textrm{Cofactor}}\kern 10pt{\color{blue}C_{ij}=(-1)^{i+j}\det M_{ij}} 代数余子式CofactorCij=(1)i+jdetMij

一个 n n n 阶行列式是 n − 1 n-1 n1 阶行列式的组合,继续递归下去,每个子行列式再分解成 n − 2 n-2 n2 阶行列式的组合。通过式(5.2.12)我们可以定义所有的行列式,这个规则从阶数 n n n n − 1 n-1 n1 n − 2 n-2 n2 最终到阶数 1 1 1,定义 1 × 1 1\times1 1×1 的行列式 ∣ a ∣ |a| a 是数字 a a a,则使用代数余子式的方法定义行列式就完成了。
我们更偏向于从行列式的性质来构建 A A A(线性,符号反转, det ⁡ I = 1 \det I=1 detI=1),大公式(5.2.8)和代数余子式公式(5.2.10)–(5.2.12)也遵循这些性质。使用规则得到的最后一个公式 det ⁡ A = det ⁡ A T \det A=\det A^T detA=detAT,我们也可以使用代数余子式将它扩展,此时是沿着一列而不是一行。沿着列 j j j 的元素是 a 1 j a_{1j} a1j a n j a_{nj} anj,代数余子式是 C 1 j C_{1j} C1j C n j C_{nj} Cnj,行列式就是下面的点积: 沿着列   j   的代数余子式: det ⁡ A = a 1 j C 1 j + a 2 j C 2 j + ⋯ + a n j C n j ( 5.2.13 ) \pmb{沿着列\,j\,的代数余子式:}\kern 13pt\det A=a_{1j}C_{1j}+a_{2j}C_{2j}+\cdots+a_{nj}C_{nj}\kern 13pt(5.2.13) 沿着列j的代数余子式:detA=a1jC1j+a2jC2j++anjCnj(5.2.13)矩阵有很多零时,代数余子式很有用 —— 如下例子:

例6 − 1 , 2 , − 1 -1,2,-1 1,2,1 矩阵在第一行仅有两个非零值,所以仅有两个和行列式相关的代数余子式 C 11 C_{11} C11 C 12 C_{12} C12,下面会将 C 12 C_{12} C12 加粗: ∣ 2 − 1 − 1 2 − 1 − 1 2 − 1 − 1 2 ∣ = 2 ∣ 2 − 1 − 1 2 − 1 − 1 2 ∣ − ( − 1 ) ∣ − 1 − 1 2 − 1 − 1 2 ∣ ( 5.2.14 ) \begin{vmatrix}\kern 7pt2&-1\\\pmb{-1}&\kern 7pt2&\pmb{-1}\\&-1&\kern 7pt\pmb2&\pmb{-1}\\&&\pmb{-1}&\kern 7pt\pmb{2}\end{vmatrix}=2\begin{vmatrix}\kern 7pt2&-1\\-1&\kern 7pt2&-1\\&-1&\kern 7pt2\end{vmatrix}-(-1)\begin{vmatrix}\pmb{-1}&\pmb{-1}\\&\kern 7pt\pmb2&\pmb{-1}\\&\pmb{-1}&\kern 7pt\pmb2\end{vmatrix}\kern 12pt(5.2.14) 2112112112 =2 2112112 (1) 112112 (5.2.14)右侧的第一项是 2 2 2 乘上 C 11 C_{11} C11 C 11 C_{11} C11 移除了第 1 1 1 行和第 1 1 1 列,代数余子式 C 11 C_{11} C11 与原始矩阵 A A A 有着相同的 − 1 , 2 , − 1 -1,2,-1 1,2,1 的模式,它仅大小变小了一阶。
要计算上面加粗的代数余子式 C 12 C_{12} C12,沿着第一列使用代数余子式,最上面的是唯一一个非零数,这里又得到了另外一个 ( − 1 ) (-1) (1)(所以前面要加上负号),它的代数余子式是一个 2 × 2 2\times2 2×2 − 1 , 2 , − 1 -1,2,-1 1,2,1 行列式,比原始的 A A A 小了二阶。
总结:每个 n n n 阶行列式 D n D_n Dn 都可由 D n − 1 D_{n-1} Dn1 D n − 2 D_{n-2} Dn2 得到 D 4 = 2 D 3 − D 2 一般式 D n = 2 D n − 1 − D n − 2 ( 5.2.15 ) D_4=2D_3-D_2\kern 11pt一般式\kern 5pt{\color{blue}D_n=2D_{n-1}-D_{n-2}}\kern 12pt(5.2.15) D4=2D3D2一般式Dn=2Dn1Dn2(5.2.15)直接计算 D 2 = 3 D_2=3 D2=3 D 3 = 4 D_{3}=4 D3=4,所以式(5.2.14)有 D 4 = 2 ( 4 ) − 3 = 5 D_4=2(4)-3=5 D4=2(4)3=5,行列式 3 , 4 , 5 3,4,5 3,4,5 符合公式 D n = n + 1 D_{n}=n+1 Dn=n+1,则 D n = 2 n − ( n − 1 ) D_n=2n-(n-1) Dn=2n(n1)。这种 “特殊三对角答案”(special tridiagonal answer)用例 2 的主元乘积也可以得到。

例7】下面这个矩阵,除了第一个元素(左上角)是 1 1 1,其它和例 6 6 6 一样: B 4 = [ 1 − 1 − 1 2 − 1 − 1 2 − 1 − 1 2 ] B_4=\begin{bmatrix}\kern 7pt1&-1\\-1&\kern 7pt2&-1\\&-1&\kern 7pt2&-1\\&&-1&\kern 7pt2\end{bmatrix} B4= 1112112112 这个矩阵的所有主元都是 1 1 1,所以行列式是 1 1 1。那么如何用代数余子式计算呢?将其沿第一行展开,所有的代数余子式都和例 6 6 6 一致,仅仅是 a 11 = 2 a_{11}=2 a11=2 变成了 b 11 = 1 b_{11}=1 b11=1 det ⁡ B 4 = D 3 − D 2 而不是 det ⁡ A 4 = 2 D 3 − D 2 \det B_4=D_3-D_2\kern 11pt而不是\kern 11pt\det A_4=2D_3-D_2 detB4=D3D2而不是detA4=2D3D2 B 4 B_4 B4 的行列式是 4 − 3 = 1 4-3=1 43=1,每个 B n = n − ( n − 1 ) = 1 B_n=n-(n-1)=1 Bn=n(n1)=1
如果将最后一个 2 2 2 改成 1 1 1,则 det ⁡ = 0 \det =0 det=0

五、主要内容总结

  1. 如果没有行交换, det ⁡ A = ( 主元的乘积 ) \det A=(主元的乘积) detA=(主元的乘积),在 A A A 的左上角, det ⁡ A k = ( 前   k   个主元的乘积 ) \det A_k=(前\,k\,个主元的乘积) detAk=(k个主元的乘积)
  2. 大公式(5.2.8)中的每一项使用每行每列一次。 n ! n! n! 个项中的一半符号是正(此时 det ⁡ P = + 1 \det P=+1 detP=+1),一半的符号是负。
  3. 代数余子式 C i j C_{ij} Cij ( − 1 ) i + j (-1)^{i+j} (1)i+j 乘上去掉 i i i j j j 列的小一点的行列式(因为 a i j a_{ij} aij 使用了这一行和这一列)。
  4. A A A 的行列式是它任意行与该行的代数余子式的点积。如果 A A A 有很多零的话,则只需要很少的代数余子式。

六、例题

例8】海森堡矩阵(Hessenberg matrix)是一个多了一个对角线的三角矩阵。对第 1 1 1 行使用代数余子式证明 4 × 4 4\times4 4×4 的行列式满足斐波那契(Fibonacci)规则 ∣ H 4 ∣ = ∣ H 3 ∣ + ∣ H 2 ∣ |H_4|=|H_3|+|H_2| H4=H3+H2。相同的规则适用于所有的大小, ∣ H n ∣ = ∣ H n − 1 ∣ + ∣ H n − 2 ∣ |H_n|=|H_{n-1}|+|H_{n-2}| Hn=Hn1+Hn2 ∣ H n ∣ |H_n| Hn 等于哪个斐波那契数呢? H 2 = [ 2 1 1 2 ] H 3 = [ 2 1 1 2 1 1 1 2 ] H 4 = [ 2 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 2 ] H_2=\begin{bmatrix}2&1\\1&2\end{bmatrix}\kern 10ptH_3=\begin{bmatrix}2&1\\1&2&1\\1&1&2\end{bmatrix}\kern 10ptH_4=\begin{bmatrix}2&1\\1&2&1\\1&1&2&1\\1&1&1&2\end{bmatrix} H2=[2112]H3= 21112112 H4= 2111121112112 解: H 4 H_4 H4 的代数余子式 C 11 C_{11} C11 是行列式 ∣ H 3 ∣ |H_3| H3,还需要一个代数余子式 C 12 C_{12} C12 C 12 = − ∣ 1 1 0 1 2 1 1 1 2 ∣ = − ∣ 2 1 0 1 2 1 1 1 2 ∣ + ∣ 1 0 0 1 2 1 1 1 2 ∣ C_{12}=-\begin{vmatrix}\pmb1&\pmb1&\pmb0\\\pmb1&\pmb2&\pmb1\\\pmb1&\pmb1&\pmb2\end{vmatrix}=-\begin{vmatrix}2&1&0\\1&2&1\\1&1&2\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}1&0&0\\1&2&1\\1&1&2\end{vmatrix} C12= 111121012 = 211121012 + 111021012 保持第 2 2 2 行和第 3 3 3 行不变,使用了第 1 1 1 行的线性性质。右侧的两个行列式是 − ∣ H 3 ∣ -|H_3| H3 + ∣ H 2 ∣ +|H_2| +H2。所以 4 × 4 4\times4 4×4 的行列式就是 ∣ H 4 ∣ = 2 C 11 + 1 C 12 = 2 ∣ H 3 ∣ − ∣ H 3 ∣ + ∣ H 2 ∣ = ∣ H 3 ∣ + ∣ H 2 ∣ |H_4|=2C_{11}+1C_{12}=2|H_3|-|H_3|+|H_2|=|H_3|+|H_2| H4=2C11+1C12=2∣H3H3+H2=H3+H2实际数字 ∣ H 1 ∣ = 2 |H_1|=2 H1=2 ∣ H 2 ∣ = 3 |H_2|=3 H2=3 ∣ H 3 ∣ = 5 |H_3|=5 H3=5 ∣ H 5 ∣ = 8 |H_5|=8 H5=8。因为 ∣ H n ∣ = 2 , 3 , 5 , 8 , ⋯ |H_n|=2,3,5,8,\cdots Hn=2,3,5,8, 遵循斐波那契规则 ∣ H n − 1 ∣ + ∣ H n − 2 ∣ |H_{n-1}|+|H_{n-2}| Hn1+Hn2,则必有 ∣ H n ∣ = F n + 2 |H_n|=F_{n+2} Hn=Fn+2

例9】下面的问题是关于 det ⁡ A \det A detA 的大公式里的 ± ± ± 号( P P P 是奇数还是偶数):

  1. 如果 A A A 10 × 10 10\times10 10×10 的全 1 1 1 矩阵,用大公式如何得到 det ⁡ A = 0 ? \det A=0? detA=0
  2. 如果所有 n ! n! n! 个排列乘在一起得到一个 P P P,那么 P P P 是奇数还是偶数 ? ? ?
  3. 如果每一项 a i j a_{ij} aij 都乘以分数 i / j i/j i/j,为什么 det ⁡ A \det A detA 不变?

解:

  1. 由于所有的 a i j = 1 a_{ij}=1 aij=1,所以大公式(5.2.8)中所有的乘积都是 1 1 1,而半数符号是正,半数符号是负,它们加起来后都会消去,所以 det ⁡ A = 0 \det A=0 detA=0。(如果 n > 1 n>1 n>1,则所有全 1 1 1 矩阵都是奇异的。)
  2. 乘积 [ 1 0 0 1 ] [ 0 1 1 0 ] \begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}\begin{bmatrix}0&1\\1&0\end{bmatrix} [1001][0110] 是一个奇排列,对于 3 × 3 3\times 3 3×3 的情形, 3 3 3 个奇排列乘在一起还是奇排列(顺序无关)。但是对于 n > 3 n>3 n>3 的情形,所有奇排列的乘积是偶数。这是因为有 n ! / 2 n!/2 n!/2 个奇排列,因为 n ! n! n! 4 4 4 的倍数,所以这些奇排列的乘积会是一个偶数。
  3. 每个 a i j a_{ij} aij 乘上分数 i / j i/j i/j,所以大公式中的每个乘积 a 1 α a 2 β ⋯ a n ω a_{1\alpha}a_{2\beta}\cdots a_{n\omega} a1αa2βa 会乘上所有的行数字 i = 1 , 2 , ⋯   , n i=1,2,\cdots,n i=1,2,,n 然后除以所有的列数字 j = 1 , 2 , ⋯   , n j=1,2,\cdots,n j=1,2,,n(这个列序是某种排列)。这样每个乘积都不变所以 det ⁡ A \det A detA 也不会变。
    另一种方法:要 i i i 乘上行 i i i,相当于对角矩阵 D = diag ( 1 : n ) D=\textrm{\pmb{diag}}(1:n) D=diag(1:n) 乘上矩阵 A A A;同样列 j j j 除以 j j j,相当于右乘 D − 1 D^{-1} D1。根据行列式的乘积规则, det ⁡ D A D − 1 = det ⁡ A \det DAD^{-1}=\det A detDAD1=detA

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