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第二十讲:克拉默法则、逆矩阵、体积

本讲主要介绍逆矩阵的应用。

求逆矩阵

我们从逆矩阵开始,对于二阶矩阵有$\begin{bmatrix}a&b\c&d\end{bmatrix}^{-1}=\frac{1}{ad-bc}\begin{bmatrix}d&-b\-c&a\end{bmatrix}$。观察易得,系数项就是行列式的倒数,而矩阵则是由一系列代数余子式组成的。先给出公式:

$$ A^{-1}=\frac{1}{\det A}C^T \tag{1} $$

观察这个公式是如何运作的,化简公式得$AC^T=(\det A)I$,写成矩阵形式有$\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\a_{n1}&a_{n2}&\cdots&a_{nn}\end{bmatrix}\begin{bmatrix}C_{11}&\cdots&C_{n1}\C_{12}&\cdots&C_{n2}\\vdots&\ddots&\vdots\C_{1n}&\cdots&C_{nn}\end{bmatrix}=Res$

对于这两个矩阵的乘积,观察其结果的元素$Res_{11}=a_{11}C_{11}+a_{12}C_{12}+\cdots+a_{1n}C_{1n}$,这正是上一讲提到的将行列式按第一行展开的结果。同理,对$Res_{22}, \cdots, Res_{nn}$都有$Res_{ii}=\det A$,即对角线元素均为$\det A$。

再来看非对角线元素:回顾二阶的情况,如果用第一行乘以第二行的代数余子式$a_{11}C_{21}+a_{12}C_{22}$,得到$a(-b)+ab=0$。换一种角度看问题,$a(-b)+ab=0$也是一个矩阵的行列式值,即$A_{s}=\begin{bmatrix}a&b\a&b\end{bmatrix}$。将$\det A_{s}$按第二行展开,也会得到$\det A_{s}=a(-b)+ab$,因为行列式有两行相等所以行列式值为零。

推广到$n$阶,我们来看元素$Res_{1n}=a_{11}C_{n1}+a_{12}C_{n2}+\cdots+a_{1n}C_{nn}$,该元素是第一行与最后一行的代数余子式相乘之积。这个式子也可以写成一个特殊矩阵的行列式,即矩阵$A_{s}=\begin{bmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\a_{21}&a_{22}&\cdots&a_{2n}\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\a_{n-a1}&a_{n-12}&\cdots&a_{n-1n}\a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\end{bmatrix}$。计算此矩阵的行列式,将$\det A_{s}$按最后一行展开,也得到$\det A_{s}=a_{11}C_{n1}+a_{12}C_{n2}+\cdots+a_{1n}C_{nn}$。同理,行列式$A_{s}$有两行相等,其值为零。

结合对角线元素与非对角线元素的结果,我们得到$Res=\begin{bmatrix}\det A&0&\cdots&0\0&\det A&\cdots&0\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\0&0&\cdots&\det A\end{bmatrix}$,也就是$(1)$等式右边的$(\det A)I$,得证。

求解$Ax=b$

因为我们现在有了逆矩阵的计算公式,所以对$Ax=b$有$x=A^{-1}b=\frac{1}{\det A}C^Tb$,这就是计算$x$的公式,即克莱默法则(Cramer's rule)。

现在来观察$x=\frac{1}{\det A}C^Tb$,我们将得到的解拆分开来,对$x$的第一个分量有$x_1=\frac{y_1}{\det A}$,这里$y_1$是一个数字,其值为$y_1=b_1C_{11}+b_2C_{21}+\cdots+b_nC_{n1}$,每当我们看到数字与代数余子式乘之积求和时,都应该联想到求行列式,也就是说$y_1$可以看做是一个矩阵的行列式,我们设这个矩阵为$B_1$。所以有$x_i=\frac{\det B_1}{\det A}$,同理有$x_2=\frac{\det B_2}{\det A}$,$x_2=\frac{\det B_2}{\det A}$。

而$B_1$是一个型为$\Bigg[b a_2 a_3 \cdots a_n\Bigg]$的矩阵,即将矩阵$A$的第一列变为$b$向量而得到的新矩阵。其实很容易看出,$\det B_1$可以沿第一列展开得到$y_1=b_1C_{11}+b_2C_{21}+\cdots+b_nC_{n1}$。

一般的,有$B_j=\Bigg[a_1 a_2 \cdots a_{j-1} b a_{j+1} \cdots a_n\Bigg]$,即将矩阵$A$的第$j$列变为$b$向量而得到的新矩阵。所以,对于解的分量有$x_j=\frac{\det B_j}{\det A}$。

这个公式虽然很漂亮,但是并不方便计算。

关于体积(Volume)

先提出命题:行列式的绝对值等于一个箱子的体积。

来看三维空间中的情形,对于$3$阶方阵$A$,取第一行$(a_1,a_2,a_3)$,令其为三维空间中点$A_1$的坐标,同理有点$A_2, A_3$。连接这三个点与原点可以得到三条边,使用这三条边展开得到一个平行六面体,$\left|\det A\right|$就是该平行六面体的体积。

对于三阶单位矩阵,其体积为$\det I=1$,此时这个箱子是一个单位立方体。这其实也证明了前面学过的行列式性质1。于是我们想,如果能接着证明性质2、3即可证明体积与行列式的关系。

对于行列式性质2,我们交换两行并不会改变箱子的大小,同时行列式的绝对值也没有改变,得证。

现在我们取矩阵$A=Q$,而$Q$是一个标准正交矩阵,此时这个箱子是一个立方体,可以看出其实这个箱子就是刚才的单位立方体经过旋转得到的。对于标准正交矩阵,有$Q^TQ=I$,等式两边取行列式得$\det(Q^TQ)=1=\left|Q^T\right|\left|Q\right|$,而根据行列式性质10有$\left|Q^T\right|=\left|Q\right|$,所以$原式=\left|Q\right|^2=1, \left|Q\right|=\pm 1$。

接下来在考虑不再是“单位”的立方体,即长方体。 假设$Q$矩阵的第一行翻倍得到新矩阵$Q_2$,此时箱子变为在第一行方向上增加一倍的长方体箱子,也就是两个“标准正交箱子”在第一行方向上的堆叠。易知这个长方体箱子是原来体积的两倍,而根据行列式性质3.a有$\det Q_2=\det Q$,于是体积也符合行列式的数乘性质。

我们来看二阶方阵的情形,$\begin{vmatrix}a+a'&b+b'\c&d\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}a&b\c&d\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a'&b'\c&d\end{vmatrix}$。在二阶情况中,行列式就是一个求平行四边形面积的公式,原来我们求由四个点$(0,0), (a,b), (c,d), (a+c,b+d)$围成的四边形的面积,需要先求四边形的底边长,再做高求解,现在只需要计算$\det A=ad-bc$即可(更加常用的是求由$(0,0), (a,b), (c,d)$围成的三角形的面积,即$\frac{1}{2}ad-bc$)。也就是说,如果知道了歪箱子的顶点坐标,求面积(二阶情形)或体积(三阶情形)时,我们不再需要开方、求角度,只需要计算行列式的值就行了。

再多说两句我们通过好几讲得到的这个公式,在一般情形下,由点$(x_1,y_1), (x_2,y_2), (x_3,y_3)$围成的三角形面积等于$\frac{1}{2}\begin{vmatrix}x_1&y_1&1\x_2&y_2&1\x_3&y_3&1\end{vmatrix}$,计算时分别用第二行、第三行减去第一行化简到第三列只有一个$1$(这个操作实际作用是将三角形移动到原点),得到$\frac{1}{2}\begin{vmatrix}x_1&y_1&1\x_2-x_1&y_2-y_1&0\x_3-x_1&y_3-y_1&0\end{vmatrix}$,再按照第三列展开,得到三角形面积等于$\frac{(x_2-x_1)(y_3-y_1)-(x_3-x_1)(y_2-y_1)}{2}$。