行列式性质(《线性代数》学习笔记)

  • Post author:
  • Post category:其他




行列式的展开形式

上一篇文章中,我们提到过行列式的按行展开:

行标始终取为标准排列,列标取遍排列的所有可能,从不同行不同列取出n个元素相乘,其符号由列标排列的奇偶性决定。

行列式除了可以按行展开,还有另外两种展开方式:按列展开和既不按行也不按列展开。


  • 按列展开


    列标始终取为标准排列,行标取遍排列的所有可能,从不同行不同列取出n个元素相乘,其符号由行标排列的奇偶性决定。

    例如下面这个三阶行列式,按列展开为:





    a

    11

    a

    12

    a

    13

    a

    21

    a

    22

    a

    23

    a

    31

    a

    32

    a

    33

    =

    a

    11

    a

    22

    a

    33

    a

    11

    a

    32

    a

    23

    a

    21

    a

    12

    a

    33

    +

    a

    21

    a

    32

    a

    13

    +

    a

    31

    a

    12

    a

    23

    a

    31

    a

    22

    a

    13

    =

           

          

          

          

          

          

    +

          

          

    +

          

          

          

    \begin{aligned}\begin{vmatrix}a_{11} & a_{12} & a_{13} \\a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix}&=a_{11} a_{22}a_{33} -a_{11} a_{32} a_{23}-a_{21} a_{12}a_{33}+a_{21}a_{32}a_{13}+a_{31}a_{12}a_{23}-a_{31}a_{22}a_{13} \\&= \ \ \ \ \ \ \ ①\ \ \ \ \ \ -\ \ \ \ \ \ ②\ \ \ \ \ \ -\ \ \ \ \ \ ③\ \ \ \ \ \ +\ \ \ \ \ \ ④\ \ \ \ \ \ +\ \ \ \ \ \ ⑤\ \ \ \ \ \ -\ \ \ \ \ \ ⑥\end{aligned}





































































































    a











    1


    1


























    a











    2


    1


























    a











    3


    1















































    a











    1


    2


























    a











    2


    2


























    a











    3


    2















































    a











    1


    3


























    a











    2


    3


























    a











    3


    3















































































































































    =





    a











    1


    1




















    a











    2


    2




















    a











    3


    3



























    a











    1


    1




















    a











    3


    2




















    a











    2


    3



























    a











    2


    1




















    a











    1


    2




















    a











    3


    3





















    +





    a











    2


    1




















    a











    3


    2




















    a











    1


    3





















    +





    a











    3


    1




















    a











    1


    2




















    a











    2


    3



























    a











    3


    1




















    a











    2


    2




















    a











    1


    3





























    =







































































































    +

































    +











































































    观察展开式中的每一项,我们可以得到如下结果:

第 i 项 符号
行 标
列 标 行标的逆序数
+ 123 123 0(偶排列)
132 123 1(奇排列)
213 123 1(奇排列)
+ 231 123 2(偶排列)
+ 312 123 2(偶排列)
321 123 3(奇排列)

与前面我们所学习过的按行展开的行列式对比,我们可以发现,其结果是一致的,只是顺序有调换。

对于



n

\ n








n





阶行列式,按列展开的一般形式可以写作:





a

11

a

12

a

1

n

a

21

a

22

a

2

n

a

n

1

a

n

2

a

n

n

=

i

1

,

i

2

,


,

i

n

(

1

)

N

(

i

1

i

2

i

n

)

a

i

1

1

a

i

2

2

a

i

n

n

\begin{vmatrix}a_{11} & a_{12}& \cdots&a_{1n}\\a_{21} & a_{22}&\cdots& a_{2n}\\\vdots &\vdots& \ddots&\vdots\\ a_{n1} & a_{n2}& \cdots&a_{nn}\end{vmatrix}=\sum_{i_1,i_2,\cdots,i_n}(-1)^{N(i_1i_2 \cdots i_n)} a_{i_11}a_{i_22} \cdots a_{i_nn}






















































































































a











1


1


























a











2


1







































a











n


1















































a











1


2


























a











2


2







































a











n


2








































































































a











1


n


























a











2


n







































a











n


n











































































































































=


















i










1


















,



i










2


















,







,



i










n











































(





1



)











N


(



i










1



















i










2






















i










n


















)











a












i










1


















1




















a












i










2


















2



























a












i










n


















n























  • 既不按行也不按列展开


    与前两种展开方式区别,这种展开方式的列标和行标都不取为标准排列。从不同行不同列取出n个元素相乘,其符号由行标排列与列标排列的和的奇偶性决定。

    对于



    n

    \ n








    n





    阶行列式,既不按行也不按列展开的一般形式可以写作:





    a

    11

    a

    12

    a

    1

    n

    a

    21

    a

    22

    a

    2

    n

    a

    n

    1

    a

    n

    2

    a

    n

    n

    =

    (

    1

    )

    N

    (

    i

    1

    i

    2

    i

    n

    )

    +

    N

    (

    j

    1

    j

    2

    j

    n

    )

    a

    i

    1

    j

    1

    a

    i

    2

    j

    2

    a

    i

    n

    j

    n

    \begin{vmatrix}a_{11} & a_{12}& \cdots&a_{1n}\\a_{21} & a_{22}&\cdots& a_{2n}\\\vdots &\vdots& \ddots&\vdots\\ a_{n1} & a_{n2}& \cdots&a_{nn}\end{vmatrix}=\sum_{}(-1)^{N(i_1i_2 \cdots i_n)+N(j_1j_2 \cdots j_n)} a_{i_1j_1}a_{i_2j_2} \cdots a_{i_nj_n}






















































































































    a











    1


    1


























    a











    2


    1







































    a











    n


    1















































    a











    1


    2


























    a











    2


    2







































    a











    n


    2








































































































    a











    1


    n


























    a











    2


    n







































    a











    n


    n











































































































































    =










































    (





    1



    )











    N


    (



    i










    1



















    i










    2






















    i










    n


















    )


    +


    N


    (



    j










    1



















    j










    2






















    j










    n


















    )











    a












    i










    1



















    j










    1




































    a












    i










    2



















    j










    2











































    a












    i










    n



















    j










    n






































我们可以将三种展开方式做一个对比:

展开方式 特点
n阶行列式的一般表示
按行展开

行标始终取为标准排列


,列标取遍排列的所有可能,从不同行不同列取出n个元素相乘,其符号由


列标


排列的奇偶性决定。



j

1

,

j

2

,


,

j

n

(

1

)

N

(

j

1

j

2

j

n

)

a

1

j

1

a

2

j

2

a

n

j

n

\sum_{j_1,j_2,\cdots,j_n}(-1)^{N(j_1j_2 \cdots j_n)} a_{1j_1}a_{2j_2} \cdots a_{nj_n}




















j










1


















,



j










2


















,







,



j










n



































(





1



)











N


(



j










1



















j










2






















j










n


















)











a











1



j










1




































a











2



j










2











































a











n



j










n





































按列展开

列标始终取为标准排列


,行标取遍排列的所有可能,从不同行不同列取出n个元素相乘,其符号由


行标


排列的奇偶性决定。



i

1

,

i

2

,


,

i

n

(

1

)

N

(

i

1

i

2

i

n

)

a

i

1

1

a

i

2

2

a

i

n

n

\sum_{i_1,i_2,\cdots,i_n}(-1)^{N(i_1i_2 \cdots i_n)} a_{i_11}a_{i_22} \cdots a_{i_nn}




















i










1


















,



i










2


















,







,



i










n



































(





1



)











N


(



i










1



















i










2






















i










n


















)











a












i










1


















1




















a












i










2


















2



























a












i










n


















n





















既不按行也不按列展开 列标和行标


都不


取为标准排列。从不同行不同列取出n个元素相乘,其符号由


行标排列与列标排列的和


的奇偶性决定。



(

1

)

N

(

i

1

i

2

i

n

)

+

N

(

j

1

j

2

j

n

)

a

i

1

j

1

a

i

2

j

2

a

i

n

j

n

\sum_{}(-1)^{N(i_1i_2 \cdots i_n)+N(j_1j_2 \cdots j_n)} a_{i_1j_1}a_{i_2j_2} \cdots a_{i_nj_n}




































(





1



)











N


(



i










1



















i










2






















i










n


















)


+


N


(



j










1



















j










2






















j










n


















)











a












i










1



















j










1




































a












i










2



















j










2











































a












i










n



















j










n






































小练习

讨论行列式展开式中某一项:



(

1

)

N

(

i

21

m

)

+

N

(

1

k

32

)

a

i

1

a

2

k

a

13

a

m

2

(-1)^{N(i21m)+N(1k32)}a_{i1}a_{2k}a_{13}a_{m2}






(





1



)











N


(


i


2


1


m


)


+


N


(


1


k


3


2


)











a











i


1




















a











2


k




















a











1


3




















a











m


2






















的符号为正还是为负。

思路:1) 观察该项,首先判断该展开式采用哪一种展开方式。从两个排列



i

21

m

i21m






i


2


1


m









1

k

32

1k32






1


k


3


2





,可以看出他的列标和行标都不取为标准排列,因此属于既不按行排列,也不按列排列;

2) 元素



a

i

1

a_{i1}







a











i


1


























a

2

k

a_{2k}







a











2


k


























a

13

a_{13}







a











1


3


























a

m

2

a_{m2}







a











m


2






















分别来自不同行和不同列。所以



k

=

4

i

=

3

k=4,i=3






k




=








4





i




=








3









4

m

=

4

\ 4;m=4








4





m




=








4









3

\ 3








3







3) 再根据两个排列的逆序数之和,判断出其符号。




行列式的转置

行列式的转置即:把行列式原来的行变作列(原来的列变作行)。如果把行列式记作



D

D






D





,那么行列式的转置记作



D

T

D^T







D










T












以三阶行列式为例:

在这里插入图片描述

我们可以发现,



(

D

T

)

T

=

D

(D^T)^T=D






(



D










T










)










T











=








D






小练习






D

=

1

2

3

1

1

1

8

8

8

D=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\1 & 1 &1 \\8 & 8 & 8 \end{vmatrix}






D




=




























































































1








1








8





























2








1








8





























3








1








8
































































































的转置和转置的转置。

解:



D

T

=

1

2

3

1

1

1

8

8

8

D^T=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\1 & 1 &1 \\8 & 8 & 8 \end{vmatrix}







D










T











=




























































































1








1








8





























2








1








8





























3








1








8



































































































(

D

T

)

T

=

1

2

3

1

1

1

8

8

8

(D^T)^T=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\1 & 1 &1 \\8 & 8 & 8 \end{vmatrix}






(



D










T










)










T











=




























































































1








1








8





























2








1








8





























3








1








8


































































































行列式的性质



  • 性质1:行列式转置,行列式的值不变(对行成立,对列也成立)。

一起来看一个例子叭!下图是行列式



D

D






D









D

D






D





的转置:

在这里插入图片描述

我们按行展开,取出



D

D






D





中的一项(包含数字1、8、10、15),记为



a

a






a











a

=

(

1

)

N

(

1423

)

×

1

×

8

×

10

×

15

a=(-1)^{N(1423)}×1×8×10×15






a




=








(





1



)











N


(


1


4


2


3


)












×








1




×








8




×








1


0




×








1


5







相似的,我们要取出



D

T

D^T







D










T












中同样包含包含数字1、8、10、15的一项,观察



D

T

D^T







D










T












中这几个数字的行标(1423)和列标(1234),可以推断出其为按列展开,记为



a

a’







a































a

=

(

1

)

N

(

1423

)

×

1

×

8

×

10

×

15

a’=(-1)^{N(1423)}×1×8×10×15







a
























=








(





1



)











N


(


1


4


2


3


)












×








1




×








8




×








1


0




×








1


5







我们可以发现,



a

=

a

a=a’






a




=









a

























。其实,如果我们把



D

D






D









D

T

D^T







D










T












展开项中的元素一一对比,可以发现他们的所有项都是相等的,即



D

=

D

T

D=D^T






D




=









D










T












(前面已经说明了行列式按行展开和按列展开的结果是一样的)。



  • 性质2:行列式两行互换,行列式的值变号(展开式的每一项都相差一个负号)。



    还是通过一个例子来说明!下图是行列式



    D

    D






    D





    和进行了两行互换的



    D

    1

    D_1







    D










    1























    在这里插入图片描述

    我们按行展开,取出



    D

    D






    D





    中的一项(包含数字1、8、10、15),记为



    a

    a






    a











    a

    =

    (

    1

    )

    N

    (

    1423

    )

    ×

    1

    ×

    8

    ×

    10

    ×

    15

    a=(-1)^{N(1423)}×1×8×10×15






    a




    =








    (





    1



    )











    N


    (


    1


    4


    2


    3


    )












    ×








    1




    ×








    8




    ×








    1


    0




    ×








    1


    5







    我们要取出



    D

    1

    D_1







    D










    1





















    中同样包含包含数字1、8、10、15的一项,观察



    D

    1

    D_1







    D










    1





















    中这几个数字的行标(3214)和列标(1423),可以推断出其为既不按行也不按列展开,记为



    a

    a’







    a






























    a

    =

    (

    1

    )

    N

    (

    3214

    )

    +

    N

    (

    1423

    )

    ×

    1

    ×

    8

    ×

    10

    ×

    15

    a’=(-1)^{N(3214)+N(1423)}×1×8×10×15







    a
























    =








    (





    1



    )











    N


    (


    3


    2


    1


    4


    )


    +


    N


    (


    1


    4


    2


    3


    )












    ×








    1




    ×








    8




    ×








    1


    0




    ×








    1


    5







    我们可以发现,



    a

    a






    a









    a

    a’







    a

























    的值的区别在于



    (

    1

    )

    N

    (

    3214

    )

    (-1)^{N(3214)}






    (





    1



    )











    N


    (


    3


    2


    1


    4


    )













    。其实,行列式两行互换,他们的列标不会改变,但行标会交换次序(第一行和第三行互换,行标就由1234变为了3214),因此,两行兑=互换后,结果会多一个负号。


  • 推论:

    两行(列)相等,



    D

    =

    0

    D=0






    D




    =








    0






例如:

对行列式



D

=

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

13

14

15

16

D=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3& 4 \\5 & 6 &7 & 8 \\1 & 2 & 3 & 4\\13 & 14 & 15&16\end{vmatrix}






D




=














































































































1








5








1








1


3





























2








6








2








1


4





























3








7








3








1


5





























4








8








4








1


6


















































































































,假如我们交换第一行和第三行,变换成



D

=

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

13

14

15

16

D’=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3& 4 \\5 & 6 &7 & 8 \\1 & 2 & 3 & 4\\13 & 14 & 15&16\end{vmatrix}







D
























=














































































































1








5








1








1


3





























2








6








2








1


4





























3








7








3








1


5





























4








8








4








1


6


















































































































。由于第一行和第三行是相等的,所以



D

=

D

D’=D







D
























=








D





;又由性质2,可以知道于



D

=

D

D’=-D







D
























=











D





。于是可知



D

=

D

=

0

D=D’=0






D




=









D
























=








0







  • 性质3:行列式的某一行都乘以k,等于用k乘以此行列式。


例如:

行列式



D

=

1

2

3

4

k

5

k

6

k

7

8

9

=

k

1

2

3

4

5

6

7

8

9

D=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\4k & 5k &6k \\7 & 8 & 9\end{vmatrix}=k\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\4 & 5 &6 \\7 & 8 & 9\end{vmatrix}






D




=




























































































1








4


k








7





























2








5


k








8





























3








6


k








9































































































=








k
























































































1








4








7





























2








5








8





























3








6








9

































































































推论1:

行列式的某一行都有公因子



k

k






k





,可以把



k

k






k





提到外面。


推论2:

行列式的所有元素都有公因子



k

k






k









k

k






k





朝外面提



n

n






n





(对



n

n






n





阶行列式而言)次。


例如:

行列式



D

=

1

k

2

k

3

k

4

k

5

k

6

k

7

k

8

k

9

k

=

k

3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

D=\begin{vmatrix}1k & 2k & 3k \\4k & 5k &6k \\7k & 8k & 9k\end{vmatrix}=k^{3}\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\4 & 5 &6 \\7 & 8 & 9\end{vmatrix}






D




=




























































































1


k








4


k








7


k





























2


k








5


k








8


k





























3


k








6


k








9


k































































































=









k











3
































































































1








4








7





























2








5








8





























3








6








9


































































































  • 性质4:行列式的两行元素对应成比例,则行列式的值为零。


例如:

行列式



D

=

1

2

3

4

5

6

8

10

12

=

2

1

2

3

4

5

6

4

5

6

D=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\4 & 5 &6 \\8 & 10 &12\end{vmatrix}=2\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\4 & 5 &6 \\4 & 5 &6\end{vmatrix}






D




=




























































































1








4








8





























2








5








1


0





























3








6








1


2































































































=








2
























































































1








4








4





























2








5








5





























3








6








6
































































































,由性质2的推论,我们可以得出该行列式的值为0。


推论:

行列式的某一行全为0,则行列式的值为零。

针对上述的几种,行列式值为零的情况做一个总结:

在这里插入图片描述



  • 性质5:行列式的某一行都为两项之和,可以拆分为两行项之和(


    和的那一行分开,其余行保持不变


    )。


例如:




D

=

1

2

3

4

+

1

5

+

2

6

+

3

7

8

9

=

1

2

3

4

5

6

4

5

6

+

1

2

3

1

2

3

4

5

6

D=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\4+1 & 5+2 &6 +3 \\7 & 8 &9\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\4 & 5 &6 \\4 & 5 &6\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\1 & 2 & 3 \\4 & 5 &6\end{vmatrix}






D




=




























































































1








4




+




1








7





























2








5




+




2








8





























3








6




+




3








9































































































=




























































































1








4








4





























2








5








5





























3








6








6































































































+




























































































1








1








4





























2








2








5





























3








3








6
































































































小练习




D

=

b

+

c

c

+

a

a

+

b

a

+

b

b

+

c

c

+

a

c

+

a

a

+

b

b

+

c

=

b

c

a

a

+

b

b

+

c

c

+

a

c

+

a

a

+

b

b

+

c

+

c

a

b

a

+

b

b

+

c

c

+

a

c

+

a

a

+

b

b

+

c

=

b

c

a

a

b

c

c

+

a

a

+

b

b

+

c

+

b

c

a

b

c

a

c

+

a

a

+

b

b

+

c

c

a

b

a

b

c

c

+

a

a

+

b

b

+

c

+

c

a

b

b

c

a

c

+

a

a

+

b

b

+

c

=

b

c

a

a

b

c

c

a

b

+

b

c

a

a

b

c

a

b

c

+

b

c

a

b

c

a

c

a

b

+

b

c

a

b

c

a

a

b

c

+

c

a

b

a

b

c

c

a

b

+

c

a

b

a

b

c

a

b

c

+

c

a

b

b

c

a

c

a

b

+

c

a

b

b

c

a

a

b

c

\begin{aligned}D=&\begin{vmatrix}b+c & c+a & a+b \\a+b & b+c &c+a \\c+a & a+b &b+c\end{vmatrix}\\\\=&\begin{vmatrix}b & c & a \\a+b & b+c &c+a\\c+a & a+b &b+c\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}c & a & b \\a+b & b+c &c+a\\c+a & a+b &b+c\end{vmatrix}\\\\=&\begin{vmatrix}b & c & a \\a & b&c\\c+a & a+b &b+c\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}b & c & a \\b & c &a\\c+a & a+b &b+c\end{vmatrix}\begin{vmatrix}c & a & b \\a & b &c\\c+a & a+b &b+c\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}c & a & b \\b & c &a\\c+a & a+b &b+c\end{vmatrix}\\\\=&\begin{vmatrix}b & c & a \\a & b&c\\c & a &b\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}b & c & a \\a & b&c\\a & b &c\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}b & c & a \\b & c &a\\c & a &b\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}b & c & a \\b & c &a\\a & b &c\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}c & a & b \\a & b &c\\c & a &b\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}c & a & b \\a & b &c\\a & b &c\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}c & a & b \\b & c &a\\c & a &b\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}c & a & b \\b & c &a\\a & b &c\end{vmatrix}\end{aligned}
















D




=














=














=














=

















































































































b




+




c








a




+




b








c




+




a





























c




+




a








b




+




c








a




+




b





























a




+




b








c




+




a








b




+




c



























































































































































































b








a




+




b








c




+




a





























c








b




+




c








a




+




b





























a








c




+




a








b




+




c































































































+
























































































c








a




+




b








c




+




a





























a








b




+




c








a




+




b





























b








c




+




a








b




+




c



























































































































































































b








a








c




+




a





























c








b








a




+




b





























a








c








b




+




c































































































+
























































































b








b








c




+




a





























c








c








a




+




b





























a








a








b




+




c



















































































































































































c








a








c




+




a





























a








b








a




+




b





























b








c








b




+




c































































































+
























































































c








b








c




+




a





























a








c








a




+




b





























b








a








b




+




c



























































































































































































b








a








c





























c








b








a





























a








c








b































































































+
























































































b








a








a





























c








b








b





























a








c








c































































































+
























































































b








b








c





























c








c








a





























a








a








b































































































+
























































































b








b








a





























c








c








b





























a








a








c































































































+
























































































c








a








c





























a








b








a





























b








c








b































































































+
























































































c








a








a





























a








b








b





























b








c








c































































































+
























































































c








b








c





























a








c








a





























b








a








b































































































+
























































































c








b








a





























a








c








b





























b








a








c


















































































































  • 性质6:行列式某一行乘以一个数,加



    另一行上去,行列式的值不变。


例如:

把行列式



D

=

1

2

3

4

5

6

7

8

9

D=\begin{vmatrix}1 & 2 & 3 \\4 & 5 &6 \\7 & 8 &9\end{vmatrix}






D




=




























































































1








4








7





























2








5








8





























3








6








9
































































































的第一行乘2,加到第二行去:

在这里插入图片描述

可以发现拆开的两项中,第二项里有两行对应成比例,所以第二项的值为0,因此,可以发现



D

=

D

D’=D







D
























=








D





,即得到性质6。


求解多阶行列式,通常是要把行列式化成上三角的形式。




参考文献

[1]宋浩.《线性代数》高清教学视频 “惊叹号”系列 宋浩老师[EB/OL].https://www.bilibili.com/video/BV1aW411Q7x1?p=3,2019-06-12.



上篇笔记地址→

行列式基础



下篇笔记地址→

行列式相关定理




版权声明:本文为xiaoxiongdan_3原创文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议,转载请附上原文出处链接和本声明。