线性代数与空间解析几何 第二章 行列式

第二章 行列式

2.1 行列式的定义

一、矩阵的概念

(一)矩阵概念的引入

定义 由四个数排成二行二列的数表 则表达式 称为数表所确定的二阶行列式,并记作

即

(二)三阶行列式

定义 设有 个数排成三行三列的数表 记

(1)沙落法
(2)对角线法则

说明

  1. 对角线法则只适用于二阶与三阶行列式
  2. 三阶行列式包括 项,每一项的数位于不同行,不同列的三个元素的乘积,其中三项为正,三项为负

二、 阶行列式的定义

称 分别为 的代数余子式(不含 -1 的幂的称为余子式)

定义 定义 阶矩阵 的行列式

  1. 当 时,;
  2. 当 时, 其中 , 为划去 的第一行第 列后所得的 阶行列式, 称为 的代数余子式,记号

例,计算斜下三角行列式

2.2 行列式的性质与计算

一、行列式的性质

性质1

行列式按任意行展开,其值相等,即 其中 , 为划去 的第 行第 列后所得到的 阶行列式, 称为 的代数余子式

性质2

阶行列式某两行对应元全相等,则行列式为零,即当 ,, 时,

证(归纳法)

结论对二阶行列式显然

设结论对 阶行列式成立,对于 阶:按第 行展开

由于 是 阶行列式且其中有两行元全相等,所以 故

性质3

$$

$$

性质4(行列式的初等变换)

若把行初等变换施于 阶矩阵 上

  1. 将 的某一行乘以数 得到 ,则

  2. 将 的某一行乘以数 加到另一行得到 ,则

  3. 交换 的第 行和第 行得到 ,则

推论 若行列式某两行对应元成比例,则行列式为零

应用

  1. 设 为 阶矩阵,则

  2. 初等矩阵的行列式

  3. 初等矩阵与任一方阵 乘积的行列式 对任一初等矩阵 ,

    设 为初等矩阵,则

例5

奇数阶反对称矩阵行列式必为

为奇数时

二、行列式的计算

例

已知

例

范德蒙德行列式

$$

$$

三、方阵乘积的行列式

定理1

方阵 可逆的充要条件为

定理2

设 为 阶方阵,则

推论1

设 为 阶矩阵,则

推论2

设 为 阶矩阵,且 (或 ),则

应用:

例

设 且 求证

证:

2.3 拉普拉斯展开

一、行列式按行(列)展开

阶子式

矩阵 中任取 行 列的交点处 个原按照原来的相对位置组成的 阶行列式 称为 的一个 阶子式

的余子式

在 中划去 所在的 行 列,余下的元按照原来的相对位置组成的 阶行列式 称为 的余子式

定理

行列式等于它的任一行(列)各元素与其对应的代数余子式乘积之和,即 推论

行列式任一行(列)与另一行(列)的对应元素的代数余子式乘积之和等于 ,即

二、拉普拉斯展开定理

在行列式 中任取 行(列),由这 行(列)元所组成的一切 阶子式分别与它们的代数余子式的乘积之和,等于行列式

2.4 克拉默法则

一、逆矩阵的一个简明表达式

引理

设 则 即:行列式任一行(列)与另一行(列)的对应元素的代数余子式乘积之和等于

引理2

设 为 阶矩阵,则 ,其中 为 的伴随矩阵

定理1 方阵 可逆的充要条件为 ,当 可逆时,

例 求证

例 求证

  1. 若 可逆,则 ,故
  2. 若 不可逆,则 ,,反证法可证 也不可逆,所以

二、克拉默法则

已有结论:方阵 可逆的充要条件为 有唯一解

克拉默法则:设 可逆,则 的唯一解为: 是用 代替 中的第 列得到的行列式

证明: 其中 的第 个数等于 相当于把 第 列换成 后的

2.5 矩阵的秩

一、矩阵秩的概念

定义 矩阵 中非零子式的最高阶数 ,称为 的秩,记为

矩阵的秩的另一种理解

设在矩阵 中有一个不等于 的 阶子式 ,且所有 阶子式(如果存在)全等于 ,那么 称为矩阵 的最高阶非零子式,数 称为矩阵 的秩

基本结论与性质

  1. 有一个 阶子式不为零
  2. 的所有 阶子式全为零
  3. 设 为 矩阵,则
  4. 对任意矩阵 ,
  5. 阶矩阵 可逆

满秩矩阵——可逆矩阵 降秩矩阵——不可逆矩阵

二、矩阵秩的计算

对于行阶梯形矩阵 , 的非零行的行数

定理1 初等变换不改变矩阵的秩

等价于经初等行变幻能将 化为具有 个费领航的行阶梯型矩阵

推论 乘可逆矩阵不改变矩阵的秩

(将可逆矩阵拆为若干初等矩阵)

三、矩阵的标准形(分解)

对任意矩阵 ,都存在可逆矩阵 使得 ,

其中 称为 的标准形,即任何矩阵都等价与其标准形

与 等价 存在可逆的 使得

推论 同型矩阵 与 等价的充要条件是

例

设 为 阶矩阵,证明

证:

若 则 所以

若 则 中所有 阶子式均为零,

另外

秩1矩阵:拆成一行一列相乘