第一章第三节行列式按行(列)展开
一、余子式和代数余子式
在n阶行列式中,把元素a ij 所在的第i行和第j列划去后,留下的n−1阶行列式叫做元素a ij 的余子式.记作M ij .即
a ij 的余子式记作M ij .
a ij 的代数余子式A ij =(−1) i+j M ij
例如,四阶行列式
D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 a 21 a 31 a 41 a 12 a 22 a 32 a 42 a 13 a 23 a 33 a 43 a 14 a 24 a 34 a 44 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣
其中元素a 32 的余子式和代数余子式分别为
M 32 =∣ ∣ ∣ ∣ a 11 a 21 a 41 a 13 a 23 a 43 a 14 a 24 a 44 ∣ ∣ ∣ ∣
A 32 =(−1) 3+2 ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 a 21 a 41 a 13 a 23 a 43 a 14 a 24 a 44 ∣ ∣ ∣ ∣ =−∣ ∣ ∣ ∣ a 11 a 21 a 41 a 13 a 23 a 43 a 14 a 24 a 44 ∣ ∣ ∣ ∣ =−M 32
二、行列式按行(列)展开定理
引理:设D为n阶行列式,如果D的第i行所有元素除a ij 外,其余元素均为零,那么行列式D等于a ij 与其代数余子式的乘积,即
D=a ij A ij
证:设D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋮0⋮a n1 ⋯⋯⋯ a 1j ⋮a ij ⋮a nj ⋯⋯⋯ a 1n ⋮0⋮a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣
把a i 行依次上移至第一行,在把a j 列依次前移至第一列
D=(−1) i−1 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 0a 11 ⋯a (i−1)1 a (i+1)1 ⋯a n1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ a ij a 1j ⋯a (i−1)j a (i+1)j ⋯a nj ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 0a 1n ⋯a (i−1)n a (i+1)n ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =(−1) i−1 (−1) j−1 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a ij a 1j ⋯a (i−1)j a (i+1)j ⋯a nj 0a 11 ⋯a (i−1)1 a (i+1)1 ⋯a n1 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 0a 1(j−1) ⋯a (i−1)(j−1) a (i+1)(j−1) ⋯a n(j−1) 0a 1(j+1) ⋯a (i−1)(j+1) a (i+1)(j+1) ⋯a n(j+1) ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 0a 1n ⋯a (i−1)n a (i+1)n ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =(−1) i+j a ij M ij =a ij A ij
定理1.行列式等于它的任一行(列)的各个元素与其对应的代数余子式乘积之和,即
D=a i1 A i1 +a i2 A i2 +⋯+a in A in (i=1,2,⋯,n)
D=a 1j A 1j +a 2j A 2j +⋯+a nj A nj (j=1,2,⋯,n)
证:设
D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋯a i1 ⋯a n1 a 12 ⋯⋯a i2 ⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯⋯ a 1n ⋯a in ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋯a i1 +0+⋯+0⋯a n1 a 12 ⋯⋯0+a i2 +0+⋯+0⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯⋯ a 1n ⋯0+⋯+0+a in ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋯a i1 ⋯a n1 a 12 ⋯⋯0⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯⋯ a 1n ⋯0⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ +∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋯0⋯a n1 a 12 ⋯⋯a i2 ⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯⋯ a 1n ⋯0⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ +∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋯0⋯a n1 a 12 ⋯⋯0⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯⋯ a 1n ⋯a in ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =a i1 A i1 +a i2 A i2 +⋯+a in A in (i=1,2,⋯,n)
类似地、若按列证明,可得
D=a 1j A 1j +a 2j A 2j +⋯+a nj A nj (j=1,2,⋯,n)
例1.计算
D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 3−521 110−5 −1313 2−4−1−3 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣
解:
D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 5−110−5 110−5 −1313 1−100 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =1×(−1) 3+3 ∣ ∣ ∣ ∣ 5−11−5 11−5 1−10 ∣ ∣ ∣ ∣ =∣ ∣ ∣ ∣ 5−6−5 12−5 100 ∣ ∣ ∣ ∣ =1×(−1) 1+3 ∣ ∣ ∣ −6−5 2−5 ∣ ∣ ∣ =40
例2.计算
D 2n =∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ac a0c ⋯⋯ ac 00 bd ⋯⋯ b0d bd ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣
解:按第一行展开
D 2n =a∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ac0 ⋯⋯ ac bd ⋯⋯ bd 0d ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ +b(−1) 2n+1 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 0c ac ⋯⋯ ac bd ⋯⋯ bd0 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =adD 2(n−1) −bc(−1) 2n−1+1 D 2(n−1) =(ad−bc)D 2(n−1) 依次类推公式,得D 2n =(ad−bc) n
例3.证明范蒙得(Vandermonde)行列式
D n =∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 1x 1 x 2 1 ⋮x n−1 1 1x 2 x 2 2 ⋮x n−1 2 ⋯⋯⋯⋯ 1x n x 2 n ⋮x n−1 n ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =∏ n≥i>j≥1 (x i −x j )
证:用数学归纳法.因为
D 2 =∣ ∣ ∣ 1x 1 1x 2 ∣ ∣ ∣ =x 2 −x 1 =∏ 2≥i>j≥1 (x i −x j )
所以,当n=2时,(1)成立.
现在假设(1)对于n−1阶Vandermonde行列式,即
D n−1 =∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 1x 1 x 2 1 ⋮x n−2 1 1x 2 x 2 2 ⋮x n−2 2 ⋯⋯⋯⋯ 1x n x 2 n ⋮x n−2 n ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =∏ n≥i>j≥2 (x i −x j )
我们来证明对n阶Vandermonde行列式也成立.
D n =∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 100⋮0 1x 2 −x 1 x 2 (x 2 −x 1 )⋮x n−2 2 (x 2 −x 1 ) 1x 3 −x 1 x 3 (x 3 −x 1 )⋮x n−2 3 (x 3 −x 1 ) ⋯⋯⋯⋯ 1x n −x 1 x n (x n −x 1 )⋮x n−2 n (x n −x 1 ) ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =(x 2 −x 1 )(x 3 −x 1 )⋯(x n −x 1 )∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 1x 2 ⋮x n−2 2 1x 3 ⋮x n−2 3 ⋯⋯⋯ 1x n ⋮x n−2 n ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =(x 2 −x 1 )(x 3 −x 1 )⋯(x n −x 1 )∏ n≥i>j≥2 (x i −x j )=∏ n≥i>j≥1 (x i −x j )
例4.计算
D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 122 2 2 3 133 2 3 3 144 2 4 3 155 2 5 3 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =(3−2)(4−2)(5−2)(4−3)(5−3)(5−4)=12
三、行列式展开定理的推论
推论:行列式某一行(列)的元素与另一行(列)的对应元素的代数余子式乘积之和等于零.即
a i1 A j1 +a i2 A j2 +⋯+a in A jn =0,i≠j,
或a 1i A 1j +a 2i A 2j +⋯+a ni A nj =0,i≠j
证:设
D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋯a i1 ⋯a j1 ⋯a n1 a 12 ⋯a i2 ⋯a j2 ⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ a 1n ⋯a in ⋯a jn ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣
把D按照第j行展开,有
∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋯a i1 ⋯a j1 ⋯a n1 a 12 ⋯a i2 ⋯a j2 ⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ a 1n ⋯a in ⋯a jn ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =a j1 A j1 +a j2 A j2 +⋯+a jn A jn
上式两端用a i1 ,a i2 ,⋯,a in 代替a j1 ,a j2 ,⋯,a jn ,得
∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 ⋯a i1 ⋯a i1 ⋯a n1 a 12 ⋯a i2 ⋯a i2 ⋯a n2 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ a 1n ⋯a in ⋯a in ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =a i1 A j1 +a i2 A j2 +⋯+a in A jn
等式左端有两个相同,故行列式等于0
即a i1 A j1 +a i2 A j2 +⋯+a in A jn =0(i≠j)
同理可证
a 1i A 1j +a 2i A 2j +⋯+a ni A nj =0,i≠j)
综合定理1和推论有
∑ n k=1 a ki A kj =Dδ ij ={D当i=j,0当i≠j;
或∑ n k=1 a ik A jk =Dδ ij ={D当i=j,0当i≠j;
其中δ ij ={1,当i=j,0,当i≠j.
例5.已知行列式
D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ 1125 2134 3142 4153 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣
求A 41 +A 42 +A 43 +A 44 ,其中A 41 ,A 42 ,A 43 ,A 44 ,是D的第四行元素的代数余子式.
解:
∵a 21 A 41 +a 22 A 42 +a 23 A 43 +a 24 A 44 =0即1×A 41 +1×A 42 +1×A 43 +1×A 44 =0∴A 41 +A 42 +A 43 +A 44 =0
行列式主要研究的问题:
⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ a 11 x 1 +a 12 x 2 +⋯+a 1n x n =b 1 a 21 x 1 +a 22 x 2 +⋯+a 2n x n =b 2 ⋯⋯⋯⋯a n1 x 1 +a n2 x 2 +⋯+a nn a n =b n
①D=∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ a 11 a 21 ⋯a n1 a 12 a 22 ⋯a n2 ⋯⋯⋯ a 1n a 2n ⋯a nn ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ =?
②D≠0,方程组是否有唯一解?
③若方程组有唯一解,那么x j =D j D (j=1,2,⋯,n)是否是方程组的解?
本文介绍了行列式的概念,包括余子式与代数余子式的定义,并详细解释了行列式按行(列)展开定理及其推论。通过具体实例展示了如何计算行列式的值,并探讨了行列式与线性方程组之间的联系。
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