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 n−1 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= 2−100−12−100−12−100−12 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。
- 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} 2⋅23⋅34⋅45,消去后得到 5 5 5。
- 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 + 20000200000−100−10 + 200000−100−1000002 + 0−100−100000200002 + 0−100−1000000−100−10 =16−4−4−4+1=5 16 16 16 来自 A A A 的对角线 2 ⋅ 2 ⋅ 2 ⋅ 2 2\cdot2\cdot2\cdot2 2⋅2⋅2⋅2, − 4 -4 −4 和 1 1 1 来自与后面 4 4 4 个行列式。
- 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
2⋅4−1⋅3=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)(d1d2⋯dn)(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 或 + 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=±(d1d2⋯dn)(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 和
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}
2−1−12−1−12⋅⋅⋅−1−12
=
1−211−321⋅−nn−1⋅1
2−123−134−1⋅⋅nn+1
主元在
U
U
U(最后一个矩阵)的对角线,当
2
2
2 和
3
2
\displaystyle\frac{3}{2}
23 和
4
3
\displaystyle\frac{4}{3}
34 和
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)。}
前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d1d2⋯dk(前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 且
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}
Ak−1)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) 从行列式得到主元第k个主元是dk=d1d2⋯dk−1d1d2⋯dk=detAk−1detAk(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
1−2−3,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。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 和
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+a13a21a32−a11a23a32−a12a21a33−a13a22a31(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 有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
ad−bc。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行)=
ac00
+
a00d
+
0cb0
+
00bd
(分解第2行)(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
=ad−bc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) 和
(
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 或
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 取
a
1
α
a_{1\alpha}
a1α,从行
2
2
2 取
a
2
β
a_{2\beta}
a2β,最后从行
n
n
n 取
a
n
ω
a_{n\omega}
anω,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}
a1αa2β⋯anω 乘上
+
1
+1
+1 或
−
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}
a1αa2β⋯anω 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 和
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)a1αa2β⋯anω=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}
+a11a22−a12a21(就是
a
d
−
b
c
ad-bc
ad−bc),这里
P
P
P 是
(
1
,
2
)
(1,2)
(1,2) 和
(
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=+u11u22⋯unn。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
是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 或
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行 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
1−2−3(也就会满足性质
4
−
10
4-10
4−10 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 和
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(a22a33−a23a32)+a12(a23a31−a21a33)+a13(a21a32−a22a31)(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 与
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=a22a33−a23a32,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 的
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}
a21a33−a23a31,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)
(n−1)×(n−1) 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}
行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: 行 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 n−1 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 和 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 n−1,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
n−1 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
n−2 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 到
n
−
1
n-1
n−1 到
n
−
2
n-2
n−2 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 到
a
n
j
a_{nj}
anj,代数余子式是
C
1
j
C_{1j}
C1j 到
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)当矩阵有很多零时,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 和
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)
2−1−12−1−12−1−12
=2
2−1−12−1−12
−(−1)
−1−12−1−12
(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 的
−
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}
Dn−1 和
D
n
−
2
D_{n-2}
Dn−2 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=2D3−D2一般式Dn=2Dn−1−Dn−2(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−(n−1)。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=
1−1−12−1−12−1−12
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=D3−D2而不是detA4=2D3−D2
B
4
B_4
B4 的行列式是
4
−
3
=
1
4-3=1
4−3=1,每个
B
n
=
n
−
(
n
−
1
)
=
1
B_n=n-(n-1)=1
Bn=n−(n−1)=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
- 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=(前k个主元的乘积)。
- 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。
- 代数余子式 C i j C_{ij} Cij 是 ( − 1 ) i + j (-1)^{i+j} (−1)i+j 乘上去掉 i i i 行 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)。
- 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∣=∣Hn−1∣+∣Hn−2∣。 ∣ 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∣ 和 + ∣ 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∣H3∣−∣H3∣+∣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}| ∣Hn−1∣+∣Hn−2∣,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):
- 如果 A A A 是 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?
- 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 ? ? ?
- 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:
- 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。)
- 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! 是 4 4 4 的倍数,所以这些奇排列的乘积会是一个偶数。
- 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}
a1αa2β⋯anω 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} D−1。根据行列式的乘积规则, det D A D − 1 = det A \det DAD^{-1}=\det A detDAD−1=detA。