以下为MIT18.06 线性代数第18课笔记,记于2018年12月16日。
本文用或者双竖线表示行列式。
行列式基本性质
性质1:
性质2:进行一次行交换,则行列式改变一次正负号
例如:
性质3a:
性质3b:
注意性质3a,3b中只是对每一行生效,而不是整个矩阵。竖线表示行列式,因此性质3a中表示t和行列式的乘积,而不是标量t和整个矩阵相乘。
以上三个性质是基本性质,接下来讨论的性质是它们的推论。课上没有提到三个基本性质的来源和原理,姑且不管它。
性质4:如果有两行相同,则
根据性质2,行交换会改变符号,而两行相同,则表示交换后矩阵无变换,行列式就无变化。行列式无变化而同时又能改变符号的情况只有。
性质5:从一行减去另一行的倍数,不会改变行列式
其中分别用到了性质3b、3a、4。
性质6:有一行全为0,则
根据性质3a,如果t=0,则可以推出性质6。
性质7a:U是一个n阶的上三角矩阵,则有
首先,通过行变换可以把U转换成: 这样只剩主元的形式。
利用性质3a和性质1,每次从其中一行提一个系数出来,最终只剩下一个单位矩阵。
性质7b:L是一个n阶的下三角矩阵,同理也有
性质7实际上是一个相对方便的计算行列式的方法,可以作为公式记忆。
性质8:若矩阵A是奇异矩阵,则;若矩阵可逆,则
显然(行列式不为0)和矩阵可逆(满秩)是等价的。
性质9a:
不难看出上面的式子是成立的。而对于更一般情形的矩阵,可以变换成上面的形式,且根据性质5,变换的过程中行列式不变。
性质9b:,也即
这里的A是可逆的(前提),那么我们可以断定其行列式不为零,否则性质9b的等式不可能成立。
类似的推论:
如果是矩阵乘以标量,即每一行每一个元素都乘以k。
性质10:
如果,且作分解,则有。
则有。上(下)三角矩阵转置后的对角线是不变的,又根据性质7a和性质7b,可知其行列式也是不变的,因此该等式恒成立,反推回去,性质10成立。
补充一条性质:行列式只适用于方阵,不适用于长方形矩阵。
以下为MIT18.06 线性代数第19课笔记,记于2018年12月19日。
接下来,试图导出一个计算行列式的普遍的公式,先看二阶矩阵:
根据性质3b,可以把看作,看出,拆分就得到:
还可进一步拆分为:
根据性质7,可以知道前一项是ad,后一项需要交换行得到-bc。因此原矩阵的行列式就是。
对于三阶矩阵,也用类似的方法进行拆分,如下为只拆分第一行,分成3项。在保持各项第一行和第三行不变的情况,又拆分第二行,以此类推,一共拆成27行。其实相当于每一行选一个不为0,考虑所有的排列情况,。
这27项中,某一列全为0的项我们可以直接忽略,因为其行列式为0。于是我们可以这样考虑,第一行选一个位置不为零,第二行就还有2个位置可以选,否则必然会有一列为全0。因此总共的选法是。即不为0的项一共6项。我们把它们罗列出来:
根据对角线的乘积和适当的行变换,我们有:
根据同样的原理,我们可以得到一个通用的计算行列式的公式,表示n阶矩阵:
其中,到表示的是数字1到n的某一种排列。不过这个公式没有体现具体哪一项的符号是正,哪一项是负。
代数余子式
对三阶矩阵的行列式计算公式稍作变形:
其中括号里的部分,就叫代数余子式。体现在矩阵中,这几项可以表示成:
的代数余子式记为,根据上面的式子,可以看出其绝对值等于比n小一阶的矩阵(去除第i行和第j列)的行列式。如果考虑符号,那么有规律:
i+j为奇数则为负号,i+j为偶数则为正号。比如中,1+2=3,因此为负号。也就是说,这里的“值”和“符号”都是代数余子式的一部分。
把上面的式子中的代数余子式用符号代替:
由于代数余子式包含了符号,所以这里全部用加号。
不难看出,除了提出之外,有可以提出第二行的元素:
为了符合二阶行列式的公式,稍微需要变形:
由此,可以得到推广后的代数余子式求行列式公式:
其中,表示第行。要注意的是,各元素对应的代数余子式的符号有下列规律:
无论几阶矩阵,都是正负交替的。
例题:求。
方法1:利用性质2和性质7。
在不换行的情况下化简得:,然后交换第一行和第二行可以得到一个上三角矩阵:,于是行列式为对角线乘积,由于有一次换行,需要变号,最终。
方法2:利用代数余子式。