线性代数笔记——行列式定义和性质

一、二阶行列式

1、定义:由2阶矩阵A =\begin{pmatrix} a_{11} &a_{12} \\ a_{21}&a_{22} \end{pmatrix} 决定的表达式a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21} 称为A的行列式(determinant),记作

     detA=|A|=|\begin{matrix} a_{11} &a_{12} \\ a_{21}&a_{22} \end{matrix}|=a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21},2阶矩阵的行列式称为2阶行列式.

2、2阶行列式的性质:设|A|是2阶矩阵 A=(a_{ij}) 的行列式.

(1)性质1  如果互换A的两列得B,则|B|=-|A|.

         推论  如果A的两列相等,则|A|=0.

(2)性质2  如果A的某列乘以常数k得B,则|B|=k|A|

         推论1  如果A含有0列,则|A|=0.

         推论2  如果k是常数,则det(kA)=k^{2}detA

         推论3  如果A的两列对应元素成比例,则|A|=0.

(3)性质3  \begin{vmatrix} a_{11} +b_{11}&a_{12} \\ a_{21}+b_{21}&a_{22} \end{vmatrix}= \begin{vmatrix} a_{11} &a_{12} \\ a_{21}&a_{22} \end{vmatrix}+ \begin{vmatrix} b_{11}&a_{12} \\ b_{21}&a_{22} \end{vmatrix}

(4)性质4  如果A的某列的k倍加到另一列得矩阵B,那么|B|=|A|.

(5)性质5  |A^{T}|=|A| 2阶行列式关于列成立的性质与推论关于行也成立.

二、n阶行列式的定义

1、设正整数n\geq 3,并且已经定义了阶数为2,3,\cdots,n-1的行列式.下面定义n阶行列式,对于n阶矩阵

                    A=\begin{pmatrix} a_{11} &a_{12} &\cdots &a_{1n} \\ a_{21} &a_{22} &\cdots &a_{2n} \\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ a_{n1} &a_{n2} &\cdots &a_{nn}\end{pmatrix}

      划去1A的(i,j)-元 a_{ij} 所在第i行和第j列,剩下的元素按原来的位置排成的n-1阶矩阵

                   M_{ij}=\begin{pmatrix} 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{pmatrix}

         M_{ij} 称为 a_{ij} 在A中的余子阵;|M_{ij}| 称为 a_{ij} 在A中的余子式;A_{ij}=(-1)^{i+j}|M_{ij}| 称为 a_{ij} 在A中的代数余子式.

2、定义:设正整数n\geq 3A=\begin{pmatrix} a_{11} &a_{12} &\cdots &a_{1n} \\ a_{21} &a_{22} &\cdots &a_{2n} \\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ a_{n1} &a_{n2} &\cdots &a_{nn}\end{pmatrix} 是n阶矩阵,对所有的 j \in (1,2,\cdots,n) ,A_{1j} 是 a_{1j} 在A中的代数

      余子式,A的行列式定义为a_{11}A_{11}+a_{12}A_{12}+\cdots+a_{1n}A_{1n}=\sum _{j=1}^{n}a_{1j}A_{1j},n阶矩阵A的行列式称为n阶行列式,记作detA

      或|A|.1阶矩阵A=(a)的行列式规定|A|=a.

三、行列式的性质

1、性质6  设n\geq 2 是正整数,如果互换n阶矩阵A的第s,t 两列得到的矩阵为B,那么detB=-det A

     证明:设 A=(a_{ij}) 是n阶矩阵,B=(b_{ij}) 是互换A的第 s,t 两列得到的矩阵.

                A的(i,j)-元 a_{ij}的余子阵记作M_{ij} ;

                B的(i,j)-元 b_{ij}的余子阵记作N_{ij}.

                不妨设s

      ①情况1  p=1. 

       对A的阶数n用数学归纳法.当n=2时,由性质1知结论成立.

       设n\geq 3,并且结论对n-1阶矩阵成立.下面证明结论对n阶矩阵也成立.

       显然 N_{1s}=m_{1(s+1)},N_{1(s+1)}=M_{1s} ,如果 k\in \begin{Bmatrix} 1,\cdots,s-1 \end{Bmatrix}\cup \begin{Bmatrix} s+1,\cdots,n \end{Bmatrix} ,则N_{1k}M_{1k}互换相邻两列得到,

       由归纳假设得detN_{1k}=-detM_{1k}.因此,

       detB=\sum _{k=1}^{n}b_{1k}*(-1)^{1+k}|N_{1k}|=\sum _{k=1}^{s-1}b_{1k}*(-1)^{1+k}|N_{1k}|+b_{1s}*(-1)^{1+s}|N_{1s}|

                     +b_{1(s+1)}*(-1)^{1+(s+1)}|N_{1(s+1)}|+\sum _{k=s+2}^{n}b_{1k}*(-1)^{1+k}|N_{1k}|

                 =-\sum _{k=1}^{s-1}a_{1k}*(-1)^{1+k}|M_{1k}|+a_{1(s+1)}*(-1)^{1+s}|M_{1(s+1)}|

                      +a_{1s}*(-1)^{s}|M_{1s}|-\sum _{k=s+2}^{n}a_{1k}*(-1)^{1+k}|M_{1k}|

                 =-\sum _{k=1}^{n}a_{1k}*(-1)^{1+k}|M_{1k}|=-detA

      ②情况2  p>1

      将A按列记作 A=(\cdots,C_{s},C_{s+1},\cdots,C_{s+p-1},C_{t},\cdots).在A中,依次将 C_{s} 与C_{s+1},\cdots,C_{s+p-1},C_{t} 互换,然后依次将

      C_{t}C_{s+p-1},C_{s+p-2},\cdots,C_{s+1} 互换,最后得到的矩阵为B,在此过程中,一共做了p+(p-1)=2*p-1 次相邻列的

      互换。根据情况1的证明知 detB=(-1)^{2*p-1}detA=-detA. 证毕

      推论  如果n阶矩阵A有两列相等,则detA=0.

2、性质7  如果n阶矩阵A的第t列乘以常数c得矩阵B,则detB=c*detA.

     推论1  如果n阶矩阵A含有0列,则detA=0

     推论2  如果n阶矩阵A中有两列对应元素成比例,则detA=0.

     推论3  如果A是n阶矩阵,c是常数,则 det(cA)=c^{n}detA

3、性质8  设n阶矩阵A的第t列的元素都是两数之和,|A|=|B|+|C|.

           A=\begin{pmatrix} a_{11} &\cdots &a_{1(t-1)} &(b_{1t}+c_{1t}) &a_{1(t+1)} & \cdots &a_{1n} \\ a_{21} &\cdots &a_{2(t-1)} &(b_{2t}+c_{2t}) &a_{2(t+1)} & \cdots &a_{2n} \\ \vdots& & \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots\\ a_{n1} &\cdots &a_{n(t-1)} &(b_{nt}+c_{nt}) &a_{n(t+1)} & \cdots &a_{nn} \end{pmatrix}

           B=\begin{pmatrix} a_{11} &\cdots &a_{1(t-1)} &b_{1t} &a_{1(t+1)} & \cdots &a_{1n} \\ a_{21} &\cdots &a_{2(t-1)} &b_{2t} &a_{2(t+1)} & \cdots &a_{2n} \\ \vdots& & \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots\\ a_{n1} &\cdots &a_{n(t-1)} &b_{nt} &a_{n(t+1)} & \cdots &a_{nn} \end{pmatrix}

           C=\begin{pmatrix} a_{11} &\cdots &a_{1(t-1)} &c_{1t} &a_{1(t+1)} & \cdots &a_{1n} \\ a_{21} &\cdots &a_{2(t-1)} &c_{2t} &a_{2(t+1)} & \cdots &a_{2n} \\ \vdots& & \vdots & \vdots & \vdots & & \vdots\\ a_{n1} &\cdots &a_{n(t-1)} &c_{nt} &a_{n(t+1)} & \cdots &a_{nn} \end{pmatrix}

4、性质9  如果n阶矩阵A的第t列的k倍加到第s列得到的矩阵为B,那么detB=detA.

      性质6,7,9的本质是方阵的初等列变换对方阵的行列式的影响.

 

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