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第十八讲:行列式及其性质

本讲我们讨论出行列式(determinant)的性质:

  1. $\det{I}=1$,单位矩阵行列式值为一。

  2. 交换行行列式变号。

    在给出第三个性质之前,先由前两个性质可知,对置换矩阵有$\det P=\begin{cases}1\quad &even\-1\quad &odd\end{cases}$。

    举例:$\begin{vmatrix}1&0\0&1\end{vmatrix}=1,\quad\begin{vmatrix}0&1\1&0\end{vmatrix}=-1$,于是我们猜想,对于二阶方阵,行列式的计算公式为$\begin{vmatrix}a&b\c&d\end{vmatrix}=ad-bc$。

  3. a. $\begin{vmatrix}ta&tb\tc&td\end{vmatrix}=t\begin{vmatrix}a&b\c&d\end{vmatrix}$。

    b. $\begin{vmatrix}a+a'&b+b'\c&d\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}a&b\c&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a'&b'\c&d\end{vmatrix}$。

    注意这里并不是指$\det (A+B)=\det A+\det B$,方阵相加会使每一行相加,这里仅是针对某一行的线性变换。

  4. 如果两行相等,则行列式为零。使用性质2交换两行易证。

  5. 从第$k$行中减去第$i$行的$l$倍,行列式不变。这条性质是针对消元的,我们可以先消元,将方阵变为上三角形式后再计算行列式。

    举例:$\begin{vmatrix}a&b\c-la&d-lb\end{vmatrix}\stackrel{3.b}{=}\begin{vmatrix}a&b\c&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a&b\-la&-lb\end{vmatrix}\stackrel{3.a}{=}\begin{vmatrix}a&b\c&d\end{vmatrix}-l\begin{vmatrix}a&b\a&b\end{vmatrix}\stackrel{4}{=}\begin{vmatrix}a&b\c&d\end{vmatrix}$

  6. 如果方阵的某一行为零,则其行列式值为零。使用性质3.a对为零行乘以不为零系数$l$,使$l\det A=\det A$即可证明;或使用性质5将某行加到为零行,使存在两行相等后使用性质4即可证明。

  7. 有上三角行列式$U=\begin{vmatrix}d_{1}&&\cdots&\0&d_{2}&\cdots&\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\0&0&\cdots&d_{n}\end{vmatrix}$,则$\det U=d_1d_2\cdots d_n$。使用性质5,从最后一行开始,将对角元素上方的$$元素依次变为零,可以得到型为$D=\begin{vmatrix}d_{1}&0&\cdots&0\0&d_{2}&\cdots&0\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\0&0&\cdots&d_{n}\end{vmatrix}$的对角行列式,再使用性质3将对角元素提出得到$d_nd_{n-1}\cdots d_1\begin{vmatrix}1&0&\cdots&0\0&1&\cdots&0\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\0&0&\cdots&1\end{vmatrix}$,得证。

  8. 当矩阵$A$为奇异矩阵时,$\det A=0$;当且仅当$A$可逆时,有$\det A\neq0$。如果矩阵可逆,则化简为上三角形式后各行都含有主元,行列式即为主元乘积;如果矩阵奇异,则化简为上三角形式时会出现全零行,行列式为零。

    再回顾二阶情况:$\begin{vmatrix}a&b\c&d\end{vmatrix}\xrightarrow{消元}\begin{vmatrix}a&b\0&d-\frac{c}{a}b\end{vmatrix}=ad-bc$,前面的猜想得到证实。

  9. $\det AB=(\det A)(\det B)$。使用这一性质,$\det I=\det{A^{-1}A}=\det A^{-1}\det A$,所以$\det A^{-1}=\frac{1}{\det A}$。

    同时还可以得到:$\det A^2=(\det A)^2$,以及$\det 2A=2^n\det A$,这个式子就像是求体积,对三维物体有每边翻倍则体积变为原来的八倍。

  10. $\det A^T=\det A$,前面一直在关注行的属性给行列式带来的变化,有了这条性质,行的属性同样适用于列,比如对性质2就有“交换列行列式变号”。

    证明:$\left|A^T\right|=\left|A\right|\rightarrow\left|U^TL^T\right|=\left|LU\right|\rightarrow\left|U^T\right|\left|L^T\right|=\left|L\right|\left|U\right|$,值得注意的是,$L, U$的行列式并不因为转置而改变,得证。