行列式
1. 基本概念
a. 定义
对于 2x2 矩阵
A=[acbd]
它的行列式为:
detA=ad−bc
b. 性质
行列式具有如下性质:
- 交换矩阵的任意两行,行列式的值乘以 -1。
- 行列式在某一行上是线性的(前提是其他行保持不动)。
- 消元不改变行列式的值。这个可以通过性质2来证明:
det[ac−labd−lb]=det[acbd]−ldet[aabb]=det[acbd]
通过消元性质可以得到性质4:
- 行列式的值等于主元乘积。我们对矩阵进行消元,得到类似下面的上三角矩阵:
U=p100∗p20∗∗p3
而对于上三角矩阵,行列式为对角线元素的乘积,也即主元乘积。
如果在消元过程中进行了行交换,需要乘上对应的 -1。
- 行列式为0的矩阵不可逆。这个可以通过 2x2 矩阵的分母看出,分母不可以为 0:
A−1=ad−bc1[d−c−ba]
2. 克拉默法则
克拉默法则提出了一种用行列式求解 Ax=b 的方法。假设我们有一个 3x3 矩阵,为了求解 x1,我们构造下面的矩阵乘法式子:
a. 基本概念
A×x1x2x3010001=b1b2b3a12a22a32a13a23a33
这里的两个矩阵分别通过把单位矩阵的第一列换成 x 和把 A 的第一列换成 b。我们记右边的矩阵为 B1。根据行列式乘法性质:
det(A)×x1=det(B1)
即得:
x1=detAdetB1
其他列同理:对 xi,只需将 A 的第 i 列替换为 b 即可。以下面的方程组为例:
3x1+4x25x1+6x2=2=4
有:
detA=3546=3⋅6−4⋅5=18−20=−2
detB1=2446=2⋅6−4⋅4=12−16=−4
detB2=3524=3⋅4−2⋅5=12−10=2
b. 逆矩阵求解
我们可以使用克拉默法则来求解逆矩阵。我们将逆矩阵求解转化为求解方程 AA−1=I。
我们一列一列地求解。例如,对于A−1 的第1列,我们转化为解方程
Ax=100
根据克拉默法则,当 b=100 时,矩阵 Bj 的行列式其实就变成了 A 的代数余子式:
detB1=100a12a22a32a13a23a33=C11
同理,求 x2 时,把 A 的第二列换成 (1,0,0),计算出来的行列式正好对应 C12。于是有:
A−1=detA1CT
其中C 是代数余子式矩阵,每个元素 Cij 是去掉第 i 行第 j 列后的行列式乘以 (−1)i+j。
该公式的证明如下:我们转而证明 ACT=(detA)I。
Dii=ai1Ci1+ai2Ci2+⋯+ainCin.
这正好是行列式 detA 按第 i 行展开的公式。因此:
Dii=detA,∀i.
Dij=ai1Cj1+ai2Cj2+⋯+ainCjn.(i=j)(1)
可以发现在这个式子里,我们交换i、j得到的行列式是一样的,这说明行列式中有两个相同的行,因此这些位置的值为0。于是:
ACT=detA0…0detA…………=(detA)I