行列式的计算

行列式的计算

行列式是矩阵代数中重要研究的对象,在很多场合中发挥着重要的作用,而对于一个行列式的计算更是重点,然而对于一些阶数未知的行列式来说,运用初等方法比较难以求出,这里便介绍运用诸多方法计算

n

{\displaystyle n}

阶行列式的方法,这些方法在一般的线性代数中也十分常用。

目录

1 化三角形法

2 递推公式法

3 拆解法

4 加边法

5 运用 Vandermonde 行列式

6 运用矩阵乘法

7 Laplace 展开

8 析因子法

9 变阶法

10 上下节

11 参考资料

化三角形法[]

即通过初等变换将行列式化为上(下)三角行列式,这样行列式的值就是对角线上元素的乘积,这种方法简单易操作,但需要注意到行列式的行列之间的联系,在

n

{\displaystyle n}

中通常要连续做多次这样的行列初等变换才能逐步化为上(下)三角行列式,但有时这样做会破坏行列式的整体结构,使原来的行列式复杂化。

相关介绍见三角行列式。

递推公式法[]

有些行列式按照某个规则展开后可得到有关

D

n

{\displaystyle D_n }

及其低阶行列式的关系式,即得到一个递推公式,求解这个递推公式即可得到行列式的值。这一方法通常要用到归纳法原理,这一方法的最佳实践就是三对角行列式的求解。

相关介绍见三对角行列式。

拆解法[]

如果

|

A

|

{\displaystyle |A|}

的某一行(列)的元素是

|

B

|

,

|

C

|

{\displaystyle |B|, |C| }

对应行(列)元素的和,其余位置的元素都相等,那么

|

A

|

=

|

B

|

+

|

C

|

{\displaystyle |A| = |B| + |C| }

。运用这一性质,可将难于求解的行列式化为两个易求解、规律性强的行列式的和,再求这两个行列式。一般而言,这个方法对于某一行(列)只有一个元素和其余元素不同的行列式很实用。例如,

|

D

n

|

=

|

x

y

y

y

y

z

x

y

y

y

z

z

x

y

y

z

z

z

x

y

z

z

z

z

x

|

=

|

z

y

y

y

y

z

x

y

y

y

z

z

x

y

y

z

z

z

x

y

z

z

z

z

x

|

+

|

x

z

y

y

y

y

z

x

y

y

y

z

z

x

y

y

z

z

z

x

y

z

z

z

z

x

|

=

z

|

1

0

0

0

0

1

x

y

0

0

0

1

z

y

x

y

0

0

v

d

o

t

s

1

z

y

z

y

x

y

0

1

z

y

z

y

z

y

x

y

|

+

(

x

z

)

|

D

n

1

|

=

z

(

x

y

)

n

1

+

(

x

z

)

|

D

n

1

|

.

{\displaystyle \begin{align}

|D_n| & = \begin{vmatrix}

x & y & y & \cdots & y & y \\

z & x & y & \cdots & y & y \\

z & z & x & \cdots & y & y \\

\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\

z & z & z & \cdots & x & y \\

z & z & z & \cdots & z & x \\

\end{vmatrix} \\ & =

\begin{vmatrix}

z & y & y & \cdots & y & y \\

z & x & y & \cdots & y & y \\

z & z & x & \cdots & y & y \\

\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\

z & z & z & \cdots & x & y \\

z & z & z & \cdots & z & x \\

\end{vmatrix} + \begin{vmatrix}

x-z & y & y & \cdots & y & y \\

z & x & y & \cdots & y & y \\

z & z & x & \cdots & y & y \\

\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\

z & z & z & \cdots & x & y \\

z & z & z & \cdots & z & x \\

\end{vmatrix} \\ & = z

\begin{vmatrix}

1 & 0 & 0 & \cdots & 0 & 0 \\

1 & x-y & 0 & \cdots & 0 & 0 \\

1 & z-y & x-y & \cdots & 0 & 0 \\

\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & vdots \\

1 & z-y & z-y & \cdots & x-y & 0 \\

1 & z-y & z-y & \cdots & z-y & x-y \\

\end{vmatrix} + (x-z) |D_{n-1}| \\

& = z (x-y)^{n-1} +(x-z)|D_{n-1}|.

\end{align}}

同理得

|

D

n

|

=

y

(

x

z

)

n

1

+

(

x

z

)

|

D

n

1

|

.

{\displaystyle |D_n| = y(x-z)^{n-1} + (x-z)|D_{n-1}|. }

进而,

|

D

n

|

=

z

(

x

y

)

n

y

(

x

z

)

n

z

y

.

{\displaystyle |D_n| = \dfrac{z(x-y)^n - y(x-z)^n}{z-y}. }

这个例子中还使用到了前面的两个方法。

加边法[]

一般的计算行列式,都是不断降阶,力求找出规律或一直降阶到易于求解的行列式上去,而加边法则“反其道而行之”,它通过给原行列式加一个侧行以及侧列使它的阶数升高,有时这样可以找出规律,易于求解或简化计算。要注意的是,所加边之后的行列式要可以控制,意思就是说要知道新行列式与原行列式之间的关系。见下例,其中

a

i

0

,

a

=

1

,

2

,

,

n

.

{\displaystyle a_i \ne 0, a = 1,2,\cdots,n. }

|

D

n

|

=

|

0

a

1

+

a

2

a

1

+

a

3

a

1

+

a

n

a

2

+

a

1

0

a

2

+

a

3

a

2

+

a

n

a

n

+

a

1

a

n

+

a

2

a

n

+

a

3

0

|

n

=

|

1

a

1

a

2

a

3

a

n

0

0

a

1

+

a

2

a

1

+

a

3

a

1

+

a

n

0

a

2

+

a

1

0

a

2

+

a

3

a

2

+

a

n

0

a

n

+

a

1

a

n

+

a

2

a

n

+

a

3

0

|

n

+

1

=

|

1

a

1

a

2

a

3

a

n

1

a

1

a

1

a

1

a

1

1

a

2

a

2

a

2

a

2

1

a

n

a

n

a

n

a

n

|

n

+

1

=

|

1

0

0

0

0

0

0

1

a

1

a

2

a

3

a

n

a

1

1

a

1

a

1

a

1

a

1

a

2

1

a

2

a

2

a

2

a

2

a

n

1

a

n

a

n

a

n

a

n

|

n

+

2

=

|

1

0

1

1

1

1

0

1

a

1

a

2

a

3

a

n

a

1

1

2

a

1

0

0

0

a

2

1

0

2

a

2

0

0

a

n

1

0

0

0

2

a

n

|

n

+

2

=

|

1

n

2

1

2

j

=

1

n

1

a

j

1

1

1

1

1

2

i

=

1

n

a

i

1

n

2

a

1

a

2

a

3

a

n

0

0

2

a

1

0

0

0

0

0

0

2

a

2

0

0

0

0

0

0

0

2

a

n

|

n

+

2

=

(

2

)

n

k

=

1

n

a

k

|

1

n

2

1

2

j

=

1

n

1

a

j

1

2

i

=

1

n

a

i

1

n

2

|

=

(

2

)

n

2

(

2

n

n

2

i

,

j

=

1

n

a

i

a

j

)

k

=

1

n

a

k

.

{\displaystyle \begin{align}

|D_n| & = \begin{vmatrix}

0 & a_1+a_2 & a_1+a_3 & \cdots & a_1+a_n \\

a_2+a_1 & 0 & a_2+a_3 & \cdots & a_2+a_n \\

\vdots & \vdots & \vdots & \ddots& \vdots\\

a_n+a_1 & a_n+a_2 & a_n+a_3 & \cdots & 0 \\

\end{vmatrix}_n \\ & =

\begin{vmatrix}

1 & a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n \\

0 & 0 & a_1+a_2 & a_1+a_3 & \cdots & a_1+a_n \\

0 & a_2+a_1 & 0 & a_2+a_3 & \cdots & a_2+a_n \\

\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

0 & a_n+a_1 & a_n+a_2 & a_n+a_3 & \cdots & 0 \\

\end{vmatrix}_{n+1} \\ & =

\begin{vmatrix}

1 & a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n \\

-1 & -a_1 & a_1 & a_1 & \cdots & a_1 \\

-1 & a_2 & -a_2 & a_2 & \cdots & a_2 \\

\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

-1 & a_n & a_n & a_n & \cdots & -a_n \\

\end{vmatrix}_{n+1} \\ & =

\begin{vmatrix}

1 & 0 & 0 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\

0 & 1 & a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n \\

a_1 & -1 & -a_1 & a_1 & a_1 & \cdots & a_1 \\

a_2 & -1 & a_2 & -a_2 & a_2 & \cdots & a_2 \\

\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

a_n & -1 & a_n & a_n & a_n & \cdots & -a_n \\

\end{vmatrix}_{n+2} \\ & =

\begin{vmatrix}

1 & 0 & -1 & -1 & -1 & \cdots & -1 \\

0 & 1 & a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n \\

a_1 & -1 & -2a_1 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\

a_2 & -1 & 0 & -2a_2 & 0 & \cdots & 0 \\

\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

a_n & -1 & 0 & 0 & 0 & \cdots & -2a_n \\

\end{vmatrix}_{n+2} \\ & =

\begin{vmatrix}

1-\dfrac{n}{2} & \dfrac{1}{2}\displaystyle{\sum_{j=1}^n \dfrac{1}{a_j}} & -1 & -1 & -1 & \cdots & -1 \\

\dfrac{1}{2}\displaystyle{\sum_{i=1}^n a_i}& 1-\dfrac{n}{2} & a_1 & a_2 & a_3 & \cdots & a_n \\

0 & 0 & -2a_1 & 0 & 0 & \cdots & 0 \\

0 & 0 & 0 & -2a_2 & 0 & \cdots & 0 \\

\vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \cdots & -2a_n \\

\end{vmatrix}_{n+2} \\ & =

(-2)^n \displaystyle{\prod_{k=1}^n a_k} \begin{vmatrix}

1-\dfrac{n}{2} & \dfrac{1}{2}\displaystyle{\sum_{j=1}^n \dfrac{1}{a_j}} \\

\dfrac{1}{2}\displaystyle{\sum_{i=1}^n a_i}& 1-\dfrac{n}{2} \\

\end{vmatrix} \\ & =

(-2)^{n-2} \displaystyle{\left(2n-n^2 - \sum_{i,j=1}^n \dfrac{a_i}{a_j} \right) \prod_{k=1}^n a_k }.

\end{align}}

这个例子中用到了两次加边,在每个行列式的右下角注明了它的阶数,阶数增加的操作就是相应的加边操作。

运用 Vandermonde 行列式[]

要用到 Vandermonde 行列式解题的行列式,其形式必定和 Vandermonde 行列式十分相似。

相关介绍见 Vandermonde 行列式。

运用矩阵乘法[]

有的时候一个行列式是由两个矩阵相乘的行列式,因此可拆成两个行列式的乘积计算,依据的原理是

|

A

B

|

=

|

A

|

|

B

|

.

{\displaystyle |AB| = |A| |B|.}

例如,

|

D

n

|

=

|

1

a

1

n

b

1

n

1

a

1

b

1

1

a

1

n

b

2

n

1

a

1

b

2

1

a

1

n

b

n

n

1

a

1

b

n

1

a

2

n

b

1

n

1

a

2

b

1

1

a

2

n

b

2

n

1

a

2

b

2

1

a

2

n

b

n

n

1

a

2

b

n

1

a

n

n

b

1

n

1

a

n

b

1

1

a

n

n

b

2

n

1

a

n

b

2

1

a

1

n

b

n

n

1

a

n

b

n

|

=

|

k

=

1

n

1

a

1

k

b

1

k

k

=

1

n

1

a

1

k

b

2

k

k

=

1

n

1

a

1

k

b

n

k

k

=

1

n

1

a

2

k

b

1

k

k

=

1

n

1

a

2

k

b

2

k

k

=

1

n

1

a

2

k

b

n

k

k

=

1

n

1

a

n

k

b

1

k

k

=

1

n

1

a

n

k

b

2

k

k

=

1

n

1

a

n

k

b

n

k

|

=

|

1

a

1

a

1

n

1

1

a

2

a

2

n

1

1

a

n

a

n

n

1

|

|

1

1

1

b

1

b

2

b

n

b

1

n

1

b

2

n

1

b

n

n

1

|

=

1

i

<

j

n

(

a

j

a

i

)

(

b

j

b

i

)

.

{\displaystyle \begin{align}

|D_n| & = \begin{vmatrix}

\dfrac{1-a_1^nb_1^n}{1-a_1b_1} & \dfrac{1-a_1^nb_2^n}{1-a_1b_2} & \cdots & \dfrac{1-a_1^nb_n^n}{1-a_1b_n} \\

\dfrac{1-a_2^nb_1^n}{1-a_2b_1} & \dfrac{1-a_2^nb_2^n}{1-a_2b_2} & \cdots & \dfrac{1-a_2^nb_n^n}{1-a_2b_n} \\

\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

\dfrac{1-a_n^nb_1^n}{1-a_nb_1} & \dfrac{1-a_n^nb_2^n}{1-a_nb_2} & \cdots & \dfrac{1-a_1^nb_n^n}{1-a_nb_n} \\

\end{vmatrix} \\ & =

\begin{vmatrix}

\sum_{k=1}^{n-1} a_1^kb_1^k & \sum_{k=1}^{n-1} a_1^kb_2^k & \cdots & \sum_{k=1}^{n-1} a_1^kb_n^k \\

\sum_{k=1}^{n-1} a_2^kb_1^k & \sum_{k=1}^{n-1} a_2^kb_2^k & \cdots & \sum_{k=1}^{n-1} a_2^kb_n^k \\

\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

\sum_{k=1}^{n-1} a_n^kb_1^k & \sum_{k=1}^{n-1} a_n^kb_2^k & \cdots & \sum_{k=1}^{n-1} a_n^kb_n^k \\

\end{vmatrix} \\ & =

\begin{vmatrix}

1 & a_1 & \cdots & a_1^{n-1} \\

1 & a_2 & \cdots & a_2^{n-1} \\

\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

1 & a_n & \cdots & a_n^{n-1} \\

\end{vmatrix} \begin{vmatrix}

1 & 1 & \cdots & 1 \\

b_1 & b_2 & \cdots & b_n \\

\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\

b_1^{n-1} & b_2^{n-1} & \cdots & b_n^{n-1} \\

\end{vmatrix} \\ & =

\prod_{1 \leqslant i < j \leqslant n} (a_j - a_i)(b_j - b_i).

\end{align}}

以上的例子中将所求行列式拆成了两个 Vandermonde 行列式的乘积。

Laplace 展开[]

当行列式按照某一行(列)展开比较复杂且完全破坏了原行列式的结构的时候,可以考虑同时按照多行或多列展开,这就是 Laplace 展开,它是说,在行列式中任取

k

n

1

{\displaystyle k \leqslant n-1 }

行(列),该$ k $行(列)上的全部

k

{\displaystyle k}

阶子式与其对应的代数余子式的乘积之和就是该行列式的值。

相关介绍见 Laplace 展开。

析因子法[]

对于一个

n

{\displaystyle n}

阶文字行列式而言,它的结果应是一个多项式,如果我们可以找到这个多项式的全部因子(包含重数),而如果也知道了最高次项的次数以及系数,那么就可以确定这个文字行列式的结果(用因式分解的形式写出)。在寻求根时可以用特殊值验证,在寻求某个根的重数时,可以用多项式的导数判断。

相关介绍见析因子法。

变阶法[]

这个方法是从关联矩阵的特征根中得到的一个结论的应用。

相关介绍见 关联矩阵的特征根#交换矩阵的特征多项式。

上下节[]

上一节:三对角行列式

下一节:析因子法

参考资料郭聿琦, 岑嘉评, 王正攀, 《高等代数教程》, 科学出版社, 北京, 2014-07, ISBN 978-7-0304-0417-6.

线性代数(学科代码:1102110,GB/T 13745—2009)

矩阵

矩阵的转置 ▪ 矩阵的逆 ▪ 对角矩阵 ▪ 初等矩阵 ▪ 等价标准型 ▪ 分块矩阵 ▪ 伴随矩阵 ▪ 酉矩阵(正交矩阵) ▪ Hermite 矩阵(实对称矩阵) ▪ 正规矩阵(实正规矩阵) ▪ 幂等矩阵 ▪ 幂零矩阵 ▪ 对合矩阵 ▪ 秩一矩阵 >>另参见数值分析<<

行列式

Vandermonde 行列式 ▪ 行列式的展开 ▪ Laplace 展开 ▪ 三角行列式 ▪ 三对角行列式 ▪ 行列式的计算 ▪ 析因子法

向量组理论

向量组 ▪ 替换定理 ▪ 矩阵的秩 ▪ 矩阵的迹

线性方程组

Cramer 法则 ▪ 基础解系(解的结构)>>另参见数值分析<<

线性空间和内积空间

线性空间的维数和基底 ▪ 线性空间的坐标变换 ▪ 线性空间的同构 ▪ 线性子空间 ▪ 线性空间的直和 ▪ 维数公式 ▪ 线性空间上的线性函数 ▪ 双线性函数 ▪ 对称双线性度量空间 ▪ 正交补空间 ▪ 内积 ▪ Euclid 空间 ▪ 向量到子空间的距离 ▪ 最小二乘法 ▪ Gram-Schmidt 正交化

线性变换

线性映射 ▪ 线性变换 ▪ 线性变换的运算 ▪ 自同构变换 ▪ 线性变换的特征值和特征向量 ▪ 特征子空间 ▪ 特征多项式 ▪ 零化多项式 ▪ 最小多项式 ▪ 关联矩阵的特征根 ▪ 线性空间的直和分解 ▪ 幂等线性变换 ▪ 正交变换 ▪ 正定矩阵 ▪ 半正定矩阵

矩阵标准型

相似标准型 ▪ λ-矩阵 ▪ 数字矩阵的特征矩阵 ▪ Frobenius 标准形 ▪ Jacobson 标准形 ▪ Jordan 标准形

二次型理论

二次型(实二次型) ▪ 二次型的化简 ▪ 正定二次型 ▪ 一对实二次型同时化简

所在位置:数学(110)→ 代数学(11021)→ 线性代数(1102110)

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