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行列式

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行列式

参考教程 麻省理工公开课 线性代数open in new window P18~P20

行列式基础

行列式为所有方阵都具有的一个特殊值
使用 det⁡(A)\det(A) 或 ∣A∣|A| 表示方阵 AA 的行列式
当 det⁡(A)=0\det(A)=0 表示矩阵不可逆

行列式的基本性质

行列式具有以下四个基本性质

基本性质一

对于任意单位矩阵 II, 其行列式为 11

det⁡(I)=1 \det(I)=1

基本性质二

当矩阵内的两行被交换后, 其行列式的值取反

  • 注意该性质表明, 无法通过奇数次行交换得到与偶数次行交换相同的结果

∣abcd∣=−∣cdab∣ \begin{vmatrix}a&b\\ c&d\end{vmatrix}=-\begin{vmatrix}c&d\\ a&b\end{vmatrix}

基本性质三

当矩阵内的任意一行乘上系数 kk, 其行列式的值也乘上该系数 kk

∣kakbcd∣=k∣abcd∣ \begin{vmatrix}ka&kb\\ c&d\end{vmatrix}=k\begin{vmatrix}a&b\\ c&d\end{vmatrix}

基本性质四

当两个除特定一行不同, 其余相同的两个矩阵的行列式之和, 等于该行系数相加, 其余不变的矩阵的行列式

∣a+ub+vcd∣=∣abcd∣+∣uvcd∣ \begin{vmatrix}a+u&b+v\\ c&d\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}a&b\\ c&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}u&v\\ c&d\end{vmatrix}

最后两个性质表明, 行列式不满足线性性, 但行列式每一行单独满足线性性

重要推论

根据行列式的基本性质, 可得出以下推论

推论一

当矩阵中有两个相同的行, 则该矩阵的行列式为 00
该推论可由基本性质 22 得到, 因为行交换后符号取反但矩阵不变, 行列式仅能是 00

∣abab∣=0 \begin{vmatrix}a&b\\ a&b\end{vmatrix}=0

推论二

矩阵的第 ii 行乘上系数 kk 减去第 jj 行, 行列式不变
该推论可由推论 11 与基本性质 3,43,4 得到

∣abc−kad−kb∣=∣abcd∣−k∣abab∣=∣abcd∣ \begin{vmatrix}a&b\\ c-ka&d-kb\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}a&b\\ c&d\end{vmatrix}-k\begin{vmatrix}a&b\\ a&b\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}a&b\\ c&d\end{vmatrix}

推论三

当矩阵有一行全为 00, 则该矩阵的行列式为 00
该推论可由基本性质 33 得到, 全为 00 相当于对一行乘上系数 00, 得到的行列式为 00

∣ab00∣=0 \begin{vmatrix}a&b\\ 0&0\end{vmatrix}=0

推论四

对于上三角方阵 UU, 其行列式为对角线上的元素 (主元) 之积

  • 首先 UU 可通过推论 22 化简为对角线方阵 DD
  • 然后根据基本性质 33 提取各行的对角线上的系数得到的单位矩阵 II
  • 最后根据基本性质 11, 可得矩阵的行列式即对角线上的元素之积
  • 由此可得计算行列式的基本方法为通过消元法得到矩阵的所有主元, 将主元相乘得到行列式

∣d1∗∗0d2∗00d3∣=d1d2d3 \begin{vmatrix}d_1&*&*\\ 0&d_2&*\\0&0&d_3\end{vmatrix}=d_1d_2d_3

推论五

当 n×nn\times n 矩阵的秩 r<nr<n, 即矩阵不可逆时, 该矩阵的行列式为 00
也可以认为, 当矩阵可逆时, 其行列式 ≠0\neq 0 根据推论 44 可得, r<nr<n 表明对角线上存在 00, 因此行列式为 00

推论六

两个方阵相乘的行列式, 等于两个矩阵分别计算行列式后相乘, 即 det⁡(AB)=det⁡(A)⋅det⁡(B)=det⁡(BA)\det(AB)=\det(A)\cdot \det(B)=\det(BA) (证明略)

  • 该推论可推出结论, 对于可逆矩阵 AA, 其逆的行列式为自身行列式的倒数 det⁡(A−1)=1/det⁡(A)\det(A^{-1})=1/\det(A)
  • 矩阵平方的行列式等于其行列式的平方 det⁡(A2)=det⁡2(A)\det(A^2)=\det^2(A)
  • 注意矩阵的数乘 kk 相当于对各列乘以系数 kk, 因此, 对于 n×nn\times n 的矩阵 AA 根据性质 33, k⋅det⁡(A)=kndet⁡(A)k\cdot \det(A)=k^{n}\det(A)
  • 若 A,BA,B 不为方阵, 则该推论不成立

推论七

矩阵的转置的行列式与未转置的行列式相同 det⁡(A)=det⁡(AT)\det(A)=\det(A^T) (证明略)

  • 该推论表明与行有关的性质 2,3,42,3,4 以及推论 1,2,31,2,3 对于列同样成立

行列式的计算

二乘二矩阵的行列式

现有 2×22\times 2 的任意矩阵, 推导其行列式的一般计算方法

∣abcd∣=∣a0cd∣+∣0bcd∣=∣a0c0∣+∣a00d∣+∣0bc0∣+∣0b0d∣=∣a00d∣−∣b00c∣=ad−bc \begin{split} \begin{vmatrix}a&b\\ c&d\end{vmatrix}&=\begin{vmatrix}a&0\\ c&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}0&b\\ c&d\end{vmatrix}\\ &=\begin{vmatrix}a&0\\ c&0\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a&0\\ 0&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}0&b\\ c&0\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}0&b\\ 0&d\end{vmatrix}\\ &=\begin{vmatrix}a&0\\ 0&d\end{vmatrix}-\begin{vmatrix}b&0\\ 0&c\end{vmatrix}\\ &=ad-bc \end{split}

一般矩阵的行列式

对于 n×nn\times n 的任意行列式
根据 2×22\times 2 矩阵行列式计算公式可得, 其最终都可利用基本性质三拆分为 nnn^n 个, 每行仅有一个元素的行列式
这些被拆分的行列式中, 又仅有 n!n! 个行列式每列仅有一个元素, 根据推论三与推论七 其余的行列式为 00
最终剩余的 n!n! 个行列式每列仅有一个元素, 可通过基本性质二进行行交换, 转换为对角线矩阵
因此一般矩阵的行列式即 (注意正负号需要根据行交换的次数决定)

∣A∣=∑k=1n!±∏i=1naim |A|=\sum_{k=1}^{n!}\pm\prod_{i=1}^n a_{im}

代数余子式

对于 n×nn\times n 的任意行列式 ∣A∣|A| , 取其中任意一个元素 aija_{ij}
将行列式的第 ii 行与第 jj 列的元素去除, 将余下的元素组成一个新的行列式 ∣Aij′∣|A'_{ij}| , 将该行列式的值称为余子式

当 i+ji+j 为奇数时, 将行列式的值乘以 −1-1, 将此时的结果称为代数余子式, 对于 aija_{ij} 的代数余子式 cijc_{ij} 满足

cij={∣Aij′∣,i+j为偶数−∣Aij′∣,i+j为奇数 c_{ij}=\begin{cases} |A'_{ij}|&,i+j\text{为偶数}\\ -|A'_{ij}|&,i+j\text{为奇数} \end{cases}

易得, 代数余子式 cijc_{ij} 的本质即一般矩阵的行列式中, 所有包含 aija_{ij} 的项提出 aija_{ij} 后的和

因此, 对于第 kk 行的元素, 矩阵的行列式满足

∣A∣=∑i=1nakicki |A|=\sum_{i=1}^n a_{ki}c_{ki}

其中

  • 一般取 k=1k=1 或矩阵中 00 最多的行使用代数余子式计算行列式
  • 根据公式可得, 使用新的系数 bkib_{ki} 代替原系数 akia_{ki}, 就能得到将原矩阵中的第 kk 行换为 b⃗\vec{b} 后的行列式
  • 根据推论 77 可得, 取矩阵的第 kk 列也能得到相同形式的行列式计算公式

行列式的应用

矩阵求逆公式

根据代数余子式的特点, 可以得到如下矩阵求逆的通用公式

A−1=CTdet⁡(A) A^{-1}=\frac{C^T}{\det(A)}

其中 CC 为代数余子式矩阵, 即 cijc_{ij} 对应矩阵 AA 中元素 aija_{ij} 的代数余子式
称其转置 CTC^T 为伴随矩阵

证明如下
上述命题等价于

ACT=[a11a12…a1n⋮⋮⋮an1an2…ann][c11…cn1c12…cn2⋮⋮c1n…cnn]=det⁡(A)I AC^T=\begin{bmatrix} a_{11}&a_{12}&\dots&a_{1n}\\ \vdots&\vdots&&\vdots\\ a_{n1}&a_{n2}&\dots&a_{nn} \end{bmatrix}\begin{bmatrix} c_{11}&\dots&c_{n1}\\ c_{12}&\dots&c_{n2}\\ \vdots&&\vdots\\ c_{1n}&\dots&c_{nn} \end{bmatrix}=\det(A)I

根据矩阵乘法法则, 矩阵 AA 与 CTC^T 相乘的结果 BB 中, 第 uu 行 vv 列元素 buvb_{uv} 来自 AA 的第 uu 行与 CTC^T 的第 vv 列相乘

  • 当 u=vu=v, buu=∑i=1nauicuib_{uu}=\sum_{i=1}^n a_{ui}c_{ui} 即 det⁡(A)\det(A) 行列式的计算公式, 因此 buv=det⁡(A)b_{uv}=\det(A)
  • 当 u≠vu\neq v, 认为 buv=∑i=1nauicvib_{uv}=\sum_{i=1}^n a_{ui}c_{vi} 为行列式 det⁡(As)\det(A_s) 的计算公式, 但是 AsA_s 中的第 vv 行被替换成了 AA 中的第 uu 行, 此时 AsA_s 中有两行相等, 显然 buv=det⁡(As)=0b_{uv}=\det(A_s)=0

因此公式成立

克拉默法则

在得到矩阵的求逆公式后, 将其用于含可逆矩阵的线性方程组求解, 有

Ax⃗=b⃗x⃗=1det⁡(A)CTb⃗ \begin{split} A\vec{x}&=\vec{b}\\ \vec{x}&=\frac{1}{\det(A)}C^T\vec{b} \end{split}

根据变形结果可得, 对于方程的解 xkx_k 满足

xk=∑i=1nbicikdet⁡(A)=det⁡(Bk)det⁡(A) x_k=\frac{\sum_{i=1}^n b_ic_{ik}}{\det(A)}=\frac{\det(B_k)}{\det(A)}

对比代数余子式下的矩阵行列式公式, ∑i=1nbicik\sum_{i=1}^n b_ic_{ik} 相当于将 AA 的第 kk 列替换为 b⃗\vec{b} 的矩阵 BkB_k
因此可将含可逆矩阵的线性方程组求解转换为行列式的代数表达式, 称为克莱姆法则

体积与行列式

等价证明

将行列式的 nn 列视为 nn 条边, 以原点为一个顶点, 构成一个具有 2n2n 条边的平行体
而行列式的绝对值即该平行体的体积 (行列式的符号反应边之间的顺序)

以三维的情况为例, 行列式的值反映了一个平行六面体的体积
现对照行列式的四个基本性质来证明这一命题

  1. 对于单位矩阵 II, 其三个列反应了一个三维空间中的一个体积为 11 的单位立方体, 与行列式相同
    • 对于正交矩阵 QQ, 由于 QTQ=IQ^TQ=I, 有 1=det⁡(QTQ)=det⁡(QT)det⁡(Q)=det⁡2(Q)1=\det(Q^TQ)=\det(Q^T)\det(Q)=\det^2(Q)
      可得, det⁡(Q)=±1\det(Q)=\pm 1 因此正交矩阵的三列反映了一个旋转了一定角度的单位立方体
  2. 对于任意矩阵 AA, 该矩阵的行交换相当于其转置 ATA^T 的列交换, 行列式的绝对值始终不变
    对于体积, 边的顺序对体积没有影响, 因此体积的特性也符合该性质
  3. 当平行六面体的一条边伸长 kk 倍, 显然其体积也将增大 kk 倍, 该性质与行列式的基本性质 33 相符合

对于性质 44, 可用二维情况下的如图所示的平行四边形表示
如图所示, 对于同一斜边 b⃗\vec{b}, 以 a⃗1\vec{a}_1 和以 a⃗2\vec{a}_2 为斜边的两个平行四边形面积之和等于以 a⃗1+a⃗2\vec{a}_1+\vec{a}_2 为斜边的平行四边形面积
推广到高维依然成立, 因此体积的该性质与行列式的基本性质 44 一致

三角形面积

当三角形的三个顶点 (xk,yk),k=1,2,3(x_k,y_k),k=1,2,3 已知, 可通过如下行列式求出三角形的面积

S=12∣x1y11x2y21x3y31∣ S=\frac{1}{2}\begin{vmatrix} x_1&y_1&1\\ x_2&y_2&1\\ x_3&y_3&1 \end{vmatrix}

通过消元法消去右下角的两个 11, 在最后一列以代数余子式的方式展开时, 仅剩下右上角的 11 乘以下方的行列式
该行列式的两行即将第一点移动至原点后三角形另外两边
通过乘以 12\frac{1}{2}, 将平行四边形, 三角形的面积即该平行四边形面积 (行列式) 的一半

向量交叉积

定义三维空间中两个向量 u⃗,v⃗\vec{u},\vec{v} 的交叉积为 u⃗×v⃗\vec{u}\times\vec{v}, 满足

u⃗×v⃗=∣i⃗j⃗k⃗u1u2u3v1v2v3∣ \vec{u}\times\vec{v}=\begin{vmatrix} \vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\ u_1&u_2&u_3\\ v_1&v_2&v_3 \end{vmatrix}

交叉积具有以下性质

  1. u⃗×v⃗=−v⃗×u⃗\vec{u}\times\vec{v}=-\vec{v}\times\vec{u}
  2. 交叉积的结果与向量 u⃗,v⃗\vec{u},\vec{v} 正交, 因此 u⃗⋅(u⃗×v⃗)=0\vec{u}\cdot(\vec{u}\times\vec{v})=0, 且满足右手定则
  3. 两个同方向向量的交叉积结果为向量 0⃗\vec{0}, 即 (ku⃗)×u⃗=0(k\vec{u})\times\vec{u}=0
    因此对于任意两个向量 u⃗,v⃗\vec{u},\vec{v} 叉乘, 可将 v⃗\vec{v} 分解为相对 u⃗\vec{u} 的垂直分量 v⃗⊥\vec{v}_{\perp} 与平行分量 v⃗∥\vec{v}_{\parallel}, 有 u⃗×v⃗⊥=u⃗×v⃗\vec{u}\times\vec{v}_{\perp}=\vec{u}\times\vec{v}
  4. 交叉积结果的绝对值为以 u⃗,v⃗\vec{u},\vec{v} 为边的平行四边形的面积, 因此 ∣u⃗×v⃗∣=∣u⃗∣∣v⃗∣∣sin⁡θ∣|\vec{u}\times\vec{v}|=|\vec{u}||\vec{v}||\sin\theta|

交叉积矩阵

当固定向量 u⃗\vec{u} 在左侧, 并在右侧乘以向量 v⃗\vec{v}, 则可等价为向量 v⃗\vec{v} 左乘叉乘矩阵open in new window [u~][\tilde{u}] (也写作 [u⃗][\vec{u}]), 叉乘矩阵满足

[u~]=[0−uzuyuz0−ux−uyux0],u⃗×v⃗=[u~]v⃗=−v⃗T[u~] [\tilde{u}]=\begin{bmatrix} 0&-u_z&u_y\\ u_z&0&-u_x\\ -u_y&u_x&0 \end{bmatrix},\quad \vec{u}\times\vec{v}=[\tilde{u}]\vec{v}=-\vec{v}^T[\tilde{u}]

可得 [u~][\tilde{u}] 为一个对角线为 00 的反对称矩阵
而对于这类矩阵 AA, 定义运算 [u~]=A∨=u⃗[\tilde{u}]=A^{\lor}=\vec{u} 可将叉乘矩阵转化为向量

混合积

对于三维空间中的三个向量 u⃗,v⃗,w⃗\vec{u},\vec{v},\vec{w} 定义混合积 (也称为三重积) 运算满足

[u⃗v⃗w⃗]=(u⃗×v⃗)⋅w⃗=∣u1u2u3v1v2v3w1w2w3∣ [\vec{u}\vec{v}\vec{w}]=(\vec{u}\times\vec{v})\cdot\vec{w}=\begin{vmatrix}u_1&u_2&u_3\\v_1&v_2&v_3\\w_1&w_2&w_3\end{vmatrix}

混合积具有以下性质

  • 由行列式基本性质二, 交换混合积中任意两个向量的位置, 结果取反
  • 由行列式性质推论四, 当三个向量位于同一平面时, 运算结果为 0
  • 由体积与行列式关系可得, 混合积的结果为三个向量为棱边组成的平行六面体体积