# 行列式

# 二阶行列式

对于二元线性方程组

{a11x1+a12x2=b1a21x1+a22x2=b2 \begin{dcases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 = b_1 \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 = b_2 \end{dcases}

求得线性方程组的解为(当a11a22−a12a21≠0a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21} \neq 0时)

x1=b1a22−a12b2a11a22−a12a21x2=a11b2−b1a21a11a22−a12a21 x_1 = \frac{b_{1}a_{22} - a_{12}b_{2}}{a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}} \\ x_2 = \frac{a_{11}b_2 - b_1a_{21}}{a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}}

分母是由四个系数确定的,把四个系数列成二行二列的数表

a11a12a21a22 \begin{matrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{matrix}

表达式a11a22−a12a21a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}称为数表所确定的二阶行列式,记作

D=∣a11a12a21a22∣ D = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix}

利用二阶行列式的概念,把分子也用二阶行列式表示

D1=∣b1a12b2a22∣,D2=∣a11b1a21b2∣ D_1 = \begin{vmatrix} b_1 & a_{12} \\ b_2 & a_{22} \end{vmatrix} , D_2 = \begin{vmatrix} a_{11} & b_1 \\ a_{21} & b_2 \end{vmatrix}

则二元线性方程组的解可以用下面式子表示

x1=D1D,x2=D2D x_1 = \frac{D_1}{D}, x_2 = \frac{D_2}{D}

# 三阶行列式

∣a11a12a13a21a22a23a31a32a33∣=a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32−a11a23a32−a12a21a33−a13a22a31 \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix} = 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}

# 全排列和对换

nn个元素排成一列,叫做这nn个元素的全排列(简称排列)
排列的可能性是有n!n!种

对于nn个元素规定一个标准的次序,比如nn个自然数,可规定从小到大为标准次序
在nn各元素的任一排列中,当某个元素的先后次序与标准次序不同的时候,就说它构成一个逆序
一个排列中所有的逆序数的总数叫做这个排列的逆序数
逆序数为奇数的叫奇排列,反之叫偶排列

# n 阶行列式的定义

对于三阶行列式

∣a11a12a13a21a22a23a31a32a33∣=a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32−a11a23a32−a12a21a33−a13a22a31(三阶行列式计算展开公式) \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix} = 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} \qquad (三阶行列式计算展开公式)

等号右边的每一项都是三个元素的乘积,并且每个元素位于不同的行,不同的列,因为任意一项不考虑正负的话可以写成a1P1a2P2a3P3a_{1P_1}a_{2P_2}a_{3P_3},这个式子
的第一个下标排成标准的次序123123,而第二个下标(列标)排成P1P2P3P_1P_2P_3,他是1,2,31,2,3三个数的某种排列,这种排列有 6 种,对应三阶行列式三阶行列式计算展开公式等号右边的 6 项

每一项的符号和第二个下标的排列的逆序数构成规律,偶数个是正的,奇数个是负的

所以三阶行列式可以写成

∣a11a12a13a21a22a23a31a32a33∣=∑(−1)ta1P1a2P2a3P3 \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix} = \sum (-1)^ta_{1P_1}a_{2P_2}a_{3P_3}

tt 表示列排列的逆序数

推广到nn阶行列式

∣a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann∣=∑(−1)ta1P1a2P2⋯anPn \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} = \sum (-1)^ta_{1P_1}a_{2P_2}\cdots a_{nP_n}

主对角线以下的元素都是00的行列式叫做上三角行列式
主对角线以上的元素都是00的行列式叫做下三角行列式
主对角线上下的元素都是00的行列式叫做对角行列式

可以推算出这仨行列式的值都是对角线元素的乘积

# 行列式的性质

性质 1:行列式与它的转置行列式相等

D=∣a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann∣,DT=∣a11a21⋯an1a12a22⋯an2⋮⋮⋱⋮a1na2n⋯ann∣ D = \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} , D^T = \begin{vmatrix} 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{vmatrix}

性质 2:对换行列式的两行(列),行列式变号

推论:如果行列式的两行(列)完全相同,此行列式等于 0
证明:如果把这两行对换,则有D=−DD=-D,故D=0D=0

性质 3:行列式的某一行(列)中所有的元素都乘以kk,等于用数kk乘此行列式

推论:行列式中某一行(列)的所有元素的公因子可以提取到行列式记号的外边

性质 4:行列式中如果有两行(列)元素成比例,则此行列式等于 0

性质 5:行列式之和

∣a11a12⋯a1n⋮⋮⋱⋮ai1+ai1′ai2+ai2′⋯ain+ain′⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann∣=∣a11a12⋯a1n⋮⋮⋱⋮ai1ai2⋯ain⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann∣+∣a11a12⋯a1n⋮⋮⋱⋮ai1′ai2′⋯ain′⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann∣ \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{i1} + a_{i1}^{\prime} & a_{i2} + a_{i2}^{\prime} & \cdots & a_{in} + a_{in}^{\prime} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{i1} & a_{i2} & \cdots & a_{in} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{i1}^{\prime} & a_{i2}^{\prime} & \cdots & a_{in}^{\prime} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \\ \end{vmatrix}

性质 6:把行列式的某一行(列)的各个元素乘同一个数然后加到另一行(列)对应的元素上,行列式不变

# 行列式按行(列)展开

一般来说,低阶行列式的计算比高阶行列式的计算要简便,为此引进余子式和代数余子式的概念

在nn阶行列中中,把ii行jj列划去后,留下来的n−1n-1阶行列式叫做(i,j)(i,j)元aija_{ij}的余子式,记作MijM_{ij}

Aij=(−1)i+jMij A_{ij} = (-1)^{i+j}M_{ij}

AijA_{ij}叫做(i,j)(i,j)元aija_{ij}的代数余子式

例:

D=∣a11a12a13a14a21a22a23a24a31a32a33a34a41a42a43a44∣ D = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} & a_{14} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} & a_{24} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} & a_{34} \\ a_{41} & a_{42} & a_{43} & a_{44} \\ \end{vmatrix}
M32=∣a11a13a14a21a23a24a41a43a44∣ M_{32} = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{13} & a_{14} \\ a_{21} & a_{23} & a_{24} \\ a_{41} & a_{43} & a_{44} \\ \end{vmatrix}
A32=(−1)3+2M32=−M32 A_{32} = (-1)^{3+2}M_{32}=-M_{32}

引理:一个nn阶行列式,如果其中第ii行除了(i,j)(i,j)以外的元素都为00的话,那么这个行列式等于aija_{ij}与它的代数余子式的乘积

D=aijAij D = a_{ij}A_{ij}

定理 2:行列式等于它的任一行(列)的各个元素与其对应的代数余子式乘积之和,即

D=ai1Ai1+ai2Ai2+⋯+ainAin=a1jA1j+a2jA2j+⋯+anjAnj D = a_{i1}A_{i1} + a_{i2}A_{i2} + \cdots + a_{in}A_{in} \\ = a_{1j}A_{1j} + a_{2j}A_{2j} + \cdots + a_{nj}A_{nj}

推论: 行列式某一行(列)的元素与另一行(列)的对应元素的代数余子式乘积之和等于零

ai1Aj1+ai2Aj2+⋯+ainAjn=0,i≠j或a1iA1j+a2iA2j+⋯+aniAnj=0,i≠j a_{i1}A_{j1} + a_{i2}A_{j2} + \cdots + a_{in}A_{jn} = 0, i\neq j \\ 或 \\ a_{1i}A_{1j} + a_{2i}A_{2j} + \cdots + a_{ni}A_{nj} = 0, i\neq j

# 其他性质

对于行列式DD

D=∣a11⋯a1k0⋯0⋮⋱⋮⋮⋱⋮ak1⋯akk0⋯0c11⋯c1kb11⋯b1n⋮⋱⋮⋮⋱⋮cn1⋯ankbn1⋯bnn∣D1=det(aij)=∣a11⋯a1k⋮⋱⋮ak1⋯akk∣,D2=det(bij)=∣b11⋯b1n⋮⋱⋮bn1⋯bnn∣ D = \begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1k} & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{k1} & \cdots & a_{kk} & 0 & \cdots & 0 \\ c_{11} & \cdots & c_{1k} & b_{11} & \cdots & b_{1n} \\ \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ c_{n1} & \cdots & a_{nk} & b_{n1} & \cdots & b_{nn} \end{vmatrix} \\ D_1 = det(a_{ij}) = \begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1k} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{k1} & \cdots & a_{kk} \\ \end{vmatrix} , D_2 = det(b_{ij}) = \begin{vmatrix} b_{11} & \cdots & b_{1n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ b_{n1} & \cdots & b_{nn} \\ \end{vmatrix}

有D=D1D2D = D_1D_2

证明

D1D_1和D2D_2均可转换成下三角行列式

D1=∣p11⋯0⋮⋱⋮pk1⋯pkk∣=p11⋯pnn,D2=∣q11⋯0⋮⋱⋮qn1⋯qnn∣=q11⋯qnn D_1 = \begin{vmatrix} p_{11} & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ p_{k1} & \cdots & p_{kk} \end{vmatrix} = p_{11}\cdots p_{nn}, D_2 = \begin{vmatrix} q_{11} & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ q_{n1} & \cdots & q_{nn} \end{vmatrix} = q_{11}\cdots q_{nn}

代入原行列式DD

D=∣p11⋯00⋯0⋮⋱⋮⋮⋱⋮pk1⋯pkk0⋯0c11⋯c1kq11⋯0⋮⋱⋮⋮⋱⋮cn1⋯ankqn1⋯qnn∣ D = \begin{vmatrix} p_{11} & \cdots & 0 & 0 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ p_{k1} & \cdots & p_{kk} & 0 & \cdots & 0 \\ c_{11} & \cdots & c_{1k} & q_{11} & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ c_{n1} & \cdots & a_{nk} & q_{n1} & \cdots & q_{nn} \end{vmatrix}

D=p11⋯pkkq11⋯qnn=D1D2D = p_{11}\cdots p_{kk}q_{11}\cdots q_{nn} = D_1D_2

总结

行列式 D=∣D1OCD2∣=∣D1∣∣D2∣D = \begin{vmatrix} D_1 & O \\ C & D_2\end{vmatrix} = |D_1| |D_2|