行列式

  • 定义
    • 对于方阵 A=[a11a12a1na21a22a2nan1an2ann]A=\begin{bmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n}\\ \vdots& \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots &a_{nn}\end{bmatrix},定义 AA 的行列式为 p1,p2,,pn(1)τ(p1,p2,,pn)a1p1a2p2anpn\sum\limits_{p_1,p_2,\dots,p_n}(-1)^{\tau(p_1,p_2,\dots,p_n)}a_{1p_1}a_{2p_2}\cdots a_{np_n},其中 p1,p2,,pnp_1,p_2,\dots,p_n11nn 的排列,τ(p1,p2,,pn)\tau(p_1,p_2,\dots,p_n)p1,p2,,pnp_1,p_2,\dots,p_n 中的逆序对数。
    • AA 的行列式记作 A|A|detA\det AA=a11a12a1na21a22a2nan1an2ann|A|=\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n}\\ \vdots& \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots &a_{nn}\end{vmatrix}
  • 性质
    • AA 交换两行得到 BB,则 A=B|A|=-|B|
    • 三角矩阵、对角矩阵的行列式等于对角元乘积。
    • a1a2an=(1)n(n1)2a1a2an\begin{vmatrix} & & & a_1\\ & & a_2 & \\ & \cdots & & \\ a_n & & & \end{vmatrix}=(-1)^{\frac{n(n-1)}{2}}a_1a_2\cdots a_n
    • i\forall i,第 ii 行元素可以分解为两个数之和,则有 a11a1na(i1)1a(i1)nb1+c1bn+cna(i+1)1a(i+1)nan1ann=a11a1na(i1)1a(i1)nb1bna(i+1)1a(i+1)nan1ann+a11a1na(i1)1a(i1)nc1cna(i+1)1a(i+1)nan1ann\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & & \vdots\\a_{(i-1)1} & \cdots & a_{(i-1)n}\\ b_1+c_1 & \cdots & b_n+c_n\\a_{(i+1)1} & \cdots & a_{(i+1)n}\\ \vdots & & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{nn}\\\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & & \vdots\\a_{(i-1)1} & \cdots & a_{(i-1)n}\\ b_1 & \cdots & b_n\\a_{(i+1)1} & \cdots & a_{(i+1)n}\\ \vdots & & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{nn}\\\end{vmatrix}+\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & & \vdots\\a_{(i-1)1} & \cdots & a_{(i-1)n}\\ c_1 & \cdots & c_n\\a_{(i+1)1} & \cdots & a_{(i+1)n}\\ \vdots & & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{nn}\\\end{vmatrix}
    • i\forall ia11a1na(i1)1a(i1)nkai1kaina(i+1)1a(i+1)nan1ann=ka11a1na(i1)1a(i1)nai1aina(i+1)1a(i+1)nan1ann\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & & \vdots\\a_{(i-1)1} & \cdots & a_{(i-1)n}\\ ka_{i1} & \cdots & ka_{in}\\a_{(i+1)1} & \cdots & a_{(i+1)n}\\ \vdots & & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{nn}\\\end{vmatrix}=k\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & & \vdots\\a_{(i-1)1} & \cdots & a_{(i-1)n}\\ a_{i1} & \cdots & a_{in}\\a_{(i+1)1} & \cdots & a_{(i+1)n}\\ \vdots & & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{nn}\\\end{vmatrix}
    • i,j,k (ij)\forall i,j,k\ (i\ne j)a11a1na(i1)1a(i1)nai1+kaj1ain+kajna(i+1)1a(i+1)nan1ann=a11a1na(i1)1a(i1)nai1aina(i+1)1a(i+1)nan1ann\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & & \vdots\\a_{(i-1)1} & \cdots & a_{(i-1)n}\\ a_{i1}+ka_{j1} & \cdots & a_{in}+ka_{jn}\\a_{(i+1)1} & \cdots & a_{(i+1)n}\\ \vdots & & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{nn}\\\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & & \vdots\\a_{(i-1)1} & \cdots & a_{(i-1)n}\\ a_{i1} & \cdots & a_{in}\\a_{(i+1)1} & \cdots & a_{(i+1)n}\\ \vdots & & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{nn}\\\end{vmatrix}
    • AB=AB|AB|=|A||B|
    • A=AT|A|=|A^{\mathrm T}|
    • A1=1A|A^{-1}|=\frac{1}{|A|}
    • A=0|A|=0,则 AA 不可逆,称 AA 为奇异矩阵。
    • A00D=AB0D=A0CD=AD\begin{vmatrix} A & 0 \\ 0 & D\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} A &B \\ 0 & D\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} A &0 \\ C & D\end{vmatrix}=|A||D|
    • 0BC0=ABC0=0BCD=(1)mnBC\begin{vmatrix} 0 & B \\ C & 0\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} A &B \\ C & 0\end{vmatrix}=\begin{vmatrix} 0 &B \\ C & D\end{vmatrix}=(-1)^{mn}|B||C|,其中 m,nm,n 分别为 B,CB,C 的阶数。
  • 行列式的展开
    • 代数余子式
      • 对于方阵 AA,定义代数余子式 Aij=(1)i+ja11a1(j1)a1(j+1)a1na(i1)1a(i1)(j1)a(i1)(j+1)a(i1)na(i+1)1a(i+1)(j1)a(i+1)(j+1)a(i+1)nan1an(j1)an(j+1)annA_{ij}=(-1)^{i+j}\begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1(j-1)} & a_{1(j+1)} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & & \vdots & \vdots & & \vdots\\a_{(i-1)1} & \cdots & a_{(i-1)(j-1)} & a_{(i-1)(j+1)} & \cdots & a_{(i-1)n}\\a_{(i+1)1} & \cdots & a_{(i+1)(j-1)} & a_{(i+1)(j+1)} & \cdots & a_{(i+1)n}\\ \vdots & & \vdots & \vdots & & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{n(j-1)} & a_{n(j+1)} & \cdots & a_{nn}\\\end{vmatrix}
      • 代数余子式就是 (1)i+j(-1)^{i+j} 乘以 AA 中删去第 ii 行与第 jj 列后剩下元素的行列式。
    • 公式
      • 按行展开:A=ai1Ai1+ai2Ai2++ainAin=j=1naijAij|A|=a_{i1}A_{i1}+a_{i2}A_{i2}+\cdots+a_{in}A_{in}=\sum\limits_{j=1}^{n}a_{ij}A_{ij}
      • 按列展开:A=a1jA1j+a2jA2j++anjAnj=i=1naijAij|A|=a_{1j}A_{1j}+a_{2j}A_{2j}+\cdots+a_{nj}A_{nj}=\sum\limits_{i=1}^{n}a_{ij}A_{ij}
  • 行列式与秩的关系
    • 子式
      • 任取矩阵 AAi1,i2,,iki_1,i_2,\dots,i_k 行与 j1,j2,,jkj_1,j_2,\dots,j_k 列的交叉点处元素,按照原来的顺序组成新方阵,该方阵的行列式称为 AA 的一个子式。
      • i1=j1,i2=j2,,ik=jki_1=j_1,i_2=j_2,\dots,i_k=j_k,则子式称为主子式。
      • i1=j1=1,i2=j2=2,,ik=jk=ki_1=j_1=1,i_2=j_2=2,\dots,i_k=j_k=k,则子式称为顺序主子式。
      • 注意子式的元素选取不一定是连续的,元素在原矩阵中可以有间隔。
    • 关系
      • 矩阵 AA 的秩为 AA 的所有非零子式的最大阶数。
      • r(A)=rr(A)=r,则必定存在一个子式为 rr 阶行列式不等于 00,所有的 r+1,r+2,r+1,r+2,\dots 阶子式都等于 00
      • 这实际上是秩的另一个定义。
  • 伴随矩阵
    • 定义
      • 对于方阵 A=[a11a12a1na21a22a2nan1an2ann]A= \begin{bmatrix} a_{11}& a_{12}& \cdots & a_{1n} \\ a_{21}& a_{22}& \cdots & a_{2n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n1}& a_{n2}& \cdots & a_{nn} \end{bmatrix},则其伴随矩阵 A=[A11A21An1A12A22An2A1nA2nAnn]=[A11A12A1nA21A22A2nAn1An2Ann]TA^*=\begin{bmatrix}A_{11} & A_{21} & \cdots & A_{n1}\\A_{12} & A_{22} & \cdots & A_{n2}\\\vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ A_{1n} & A_{2n} & \cdots & A_{nn}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}A_{11} & A_{12} & \cdots & A_{1n}\\A_{21} & A_{22} & \cdots & A_{2n}\\\vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ A_{n1} & A_{n2} & \cdots & A_{nn}\end{bmatrix}^{\mathrm T}
      • 注意元素的位置排列。
    • 性质
      • AA=AA=AIAA^*=A^*A=|A|I
      • A1=1AAA^{-1}=\frac{1}{|A|}A^*A=AA1A^*=|A|A^{-1}
      • (kA)=kn1A(kA)^*=k^{n-1}A^*
      • A=An1|A^*|=|A|^{n-1}
      • (A)1=(A1)=1AA(A^*)^{-1}=(A^{-1})^*=\frac{1}{|A|}A
      • (A)=An2A(A^*)^*=|A|^{n-2}A
      • AAAA^* 的秩的关系:
        • r(A)=n    r(A)=nr(A)=n\implies r(A^*)=n
        • r(A)=n1    r(A)=1r(A)=n-1\implies r(A^*)=1
        • r(A)n2    r(A)=0r(A)\le n-2\implies r(A^*)=0
  • 克拉默法则
    • 对于线性方程组 Ax=bA\boldsymbol x=\boldsymbol b,若 A0|A|\ne 0,则该方程组的解为 x=1A[D1D2Dn]\boldsymbol x=\frac{1}{|A|}\begin{bmatrix}D_1\\D_2\\\vdots\\D_n\end{bmatrix},其中 DiD_i 表示把 AA 的第 ii 列替换为 b\boldsymbol b 的矩阵的行列式。
    • 克拉默法则只能用于求解 nnnn 元方程组成的方程组,即 AA 是方阵。