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1.行列式

行列式的三种定义#

第一种定义:本质定义#

二阶行列式 ∣a11a12a21a22∣\begin{vmatrix}a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22}\end{vmatrix} 表示由行向量(或列向量)形成的有向面积。

三阶行列式表示三个三维向量张成的有向体积。

一般地,nn 阶行列式是由 nn 个 nn 维向量构成的有向体积。

第二种定义:逆序数定义(通项定义)#

对于 nn 阶方阵 (aij)(a_{ij}),行列式定义为所有取自不同行不同列的 nn 个元素的乘积的代数和,每一项的正负由列标排列的逆序数决定。

∣A∣=∑(j1j2⋯jn)(−1)τ(j1j2⋯jn)a1j1a2j2⋯anjn|A| = \sum_{(j_1j_2\cdots j_n)}(-1)^{\tau(j_1j_2\cdots j_n)}a_{1j_1}a_{2j_2}\cdots a_{nj_n}

其中 τ(j1j2⋯jn)\tau(j_1j_2\cdots j_n) 表示排列 j1j2⋯jnj_1j_2\cdots j_n 的逆序数,求和取遍所有 nn 元排列。

第三种定义:展开定理定义(余子式递推定义)#

利用余子式和代数余子式递归地定义行列式:

∣A∣=ai1Ai1+ai2Ai2+⋯+ainAin(按第 i 行展开)|A| = a_{i1}A_{i1} + a_{i2}A_{i2} + \cdots + a_{in}A_{in} \quad (\text{按第 } i \text{ 行展开})

也可按列展开:∣A∣=∑i=1naijAij|A| = \sum_{i=1}^n a_{ij}A_{ij}。

其中 Aij=(−1)i+jMijA_{ij} = (-1)^{i+j}M_{ij} 称为元素 aija_{ij} 的代数余子式,MijM_{ij} 为划去第 ii 行第 jj 列后剩下的 n−1n-1 阶行列式,称为余子式。

此即行列式的展开定理(第三种定义),也称为按行(列)展开的降阶定义。

行列式的7种核心性质#

序号性质名称准确描述数学表达
1转置不变(行列互换)行列互换,值不变∥AT∥=∥A∥\| A^{\mathrm{T}}\| = \|A\|
2零行零列(某行全0)若行列式中某一行(列)元素全为零,则行列式等于零。若第 ii 行全为 00,则 det⁡=0\det=0
3公因子提取某一行(列)中所有元素的公因子可以提到行列式符号外面。∣⋯ka1ka2⋯kan⋯∣=k∣⋯a1a2⋯an⋯∣\begin{vmatrix}\cdots\\ ka_1&ka_2&\cdots&ka_n\\\cdots\end{vmatrix}=k\begin{vmatrix}\cdots\\ a_1&a_2&\cdots&a_n\\\cdots\end{vmatrix}
4可拆性(单行可加)若某一行(列)的元素可以表为两数之和,则该行列式可拆为两个行列式之和。∣⋯a1+b1⋯an+bn⋯∣=∣⋯a1⋯an⋯∣+∣⋯b1⋯bn⋯∣\begin{vmatrix}\cdots\\ a_1+b_1&\cdots&a_n+b_n\\\cdots\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\cdots\\ a_1&\cdots&a_n\\\cdots\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}\cdots\\ b_1&\cdots&b_n\\\cdots\end{vmatrix}
5互换变号(两行互换)互换行列式的两行(列),行列式变号。ri↔rj⇒∥A∥→−∥A∥r_i \leftrightarrow r_j \Rightarrow \|A\| \to -\|A\|
6成比例为零若两行(列)元素对应成比例,则行列式等于零。若第 ii 行 =k⋅=k \cdot 第 jj 行,则 ∥A∥=0\|A\|=0
7倍加不变(kk 倍加)将某一行(列)的 kk 倍加到另一行(列),行列式的值不变。rj+krir_j + k r_i 操作下行列式不变

推理记忆:由性质5、6可推得“两行相同则行列式为零”;由性质7可衍生出行列式初等变换的规则。七条性质通常可归纳为“转置、倍乘、互换、倍加、分拆、零行、比例”,是计算和证明题的第一武器。

重要行列式总结(“12+1”全公式)#

1. 主对角线方向(3种)#

均为“主对角线元素之积”,不同形式只是矩阵形状的区别。

(1) 主对角行列式

∣a11a22⋱ann∣=a11a22⋯ann\begin{vmatrix} a_{11} & & & \\ & a_{22} & & \\ & & \ddots & \\ & & & a_{nn} \end{vmatrix} = a_{11}a_{22}\cdots a_{nn}

(2) 主对角线上三角行列式(主对角线以下全为 00)

∣a11a12⋯a1na22⋯a2n⋱⋮ann∣=a11a22⋯ann\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ & a_{22} & \cdots & a_{2n} \\ & & \ddots & \vdots \\ & & & a_{nn} \end{vmatrix} = a_{11}a_{22}\cdots a_{nn}

(3) 主对角线下三角行列式(主对角线以上全为 00)

∣a11a21a22⋮⋮⋱an1an2⋯ann∣=a11a22⋯ann\begin{vmatrix} a_{11} & & & \\ a_{21} & a_{22} & & \\ \vdots & \vdots & \ddots & \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix} = a_{11}a_{22}\cdots a_{nn}

2. 副对角线方向(3种)#

核心是副对角线元素的乘积,并带符号 (−1)n(n−1)2(-1)^{\frac{n(n-1)}{2}}。

(1) 副对角行列式(只有副对角线非零)

∣a1na2,n−1⋅⋅⋅an1∣=(−1)n(n−1)2a1na2,n−1⋯an1\begin{vmatrix} & & & a_{1n} \\ & & a_{2,n-1} & \\ & \iddots & & \\ a_{n1} & & & \end{vmatrix} = (-1)^{\frac{n(n-1)}{2}} a_{1n}a_{2,n-1}\cdots a_{n1}

(2) 副对角线上三角行列式(副对角线右上方全为 00)

∣a11⋯a1,n−1a1n⋮⋅⋅⋅a2,n−10an−1,1⋅⋅⋅⋮an10⋯0∣=(−1)n(n−1)2a1na2,n−1⋯an1\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1,n-1} & a_{1n} \\ \vdots & \iddots & a_{2,n-1} & 0 \\ a_{n-1,1} & \iddots & & \vdots \\ a_{n1} & 0 & \cdots & 0 \end{vmatrix} = (-1)^{\frac{n(n-1)}{2}} a_{1n}a_{2,n-1}\cdots a_{n1}

(3) 副对角线下三角行列式(副对角线左下方全为 00)

∣0⋯0a1n0⋯a2,n−1a2n⋮⋅⋅⋅⋮⋮an1⋯an,n−1ann∣=(−1)n(n−1)2a1na2,n−1⋯an1\begin{vmatrix} 0 & \cdots & 0 & a_{1n} \\ 0 & \cdots & a_{2,n-1} & a_{2n} \\ \vdots & \iddots & \vdots & \vdots \\ a_{n1} & \cdots & a_{n,n-1} & a_{nn} \end{vmatrix} = (-1)^{\frac{n(n-1)}{2}} a_{1n}a_{2,n-1}\cdots a_{n1}

三种形式结果完全一致:副对角线元素之积乘以符号 (−1)n(n−1)/2(-1)^{n(n-1)/2}。

3. 拉普拉斯展开式分块(3种)#

设 AA 为 mm 阶方阵,BB 为 nn 阶方阵,分块矩阵的行列式结论如下。

(1) 准对角分块

∣AOOB∣=∣A∣⋅∣B∣\begin{vmatrix} A & O \\ O & B \end{vmatrix} = |A| \cdot |B|

(2) 准上三角分块

∣ACOB∣=∣A∣⋅∣B∣\begin{vmatrix} A & C \\ O & B \end{vmatrix} = |A| \cdot |B|

(3) 准下三角分块

∣AOCB∣=∣A∣⋅∣B∣\begin{vmatrix} A & O \\ C & B \end{vmatrix} = |A| \cdot |B|

另有一常见变形:∣OABO∣=(−1)mn∣A∣∣B∣\begin{vmatrix} O & A \\ B & O \end{vmatrix} = (-1)^{mn}|A||B|,可视为第二种定义的延伸。

4. 范德蒙德行列式(1种)#

Vn=∣111⋯1x1x2x3⋯xnx12x22x32⋯xn2⋮⋮⋮⋮x1n−1x2n−1x3n−1⋯xnn−1∣=∏1≤j<i≤n(xi−xj)V_n = \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\ x_1 & x_2 & x_3 & \cdots & x_n \\ x_1^2 & x_2^2 & x_3^2 & \cdots & x_n^2 \\ \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots \\ x_1^{n-1} & x_2^{n-1} & x_3^{n-1} & \cdots & x_n^{n-1} \end{vmatrix} = \prod_{1 \le j < i \le n} (x_i - x_j)

其中“下标大减小,连乘不遗漏”是记忆口诀;结果为所有可能的两数之差(后减前)的乘积。

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