上一篇文章《如何定义行列式?从逆序数到行列式的行展开!》中,我们从逆序数的角度出发,定义了行列式,并且推导出了行列式的行展开公式。 在本篇文章中,我们将继续推导行列式的性质。首先我们主要还是采用第三公理化(递归法)的视角来进行计算,逆序数的视角仅作为补充,我个人认为理由递归法的递推公式比较容易进行数学归纳法的证明。 定义回顾 递归法定义(第三公理化定义) 设$A$为$n\times n$矩阵,$a{ij}$为$A$的第$i$行第$j$列元素,$M{ij}$为去掉$A$的第$i$行第$j$列元素后得到的$(n-1)\times(n-1)$矩阵,则行列式定义如下: $$ \begin{aligned} \det(A) &= \sum{j=1}^n a{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij})\\ |a{ij}| &= a{ij} \end{aligned} $$ 其中$i$可以取任意整数$1\leq i\leq n$,通常取$i=1$。 逆序数定义 设$A$为$n\times n$矩阵,$a{ij}$为$A$的第$i$行第$j$列元素,则行列式定义如下: $$ \det(A) = \sum{\sigma\in Sn} (-1)^{\tau(\sigma)}\prod{i=1}^n a{i\sigma(i)} $$ 先计算一些常用的行列式 $n$ 阶下三角行列式 设$A$为$n$阶下三角矩阵(当$i<j$时,$a{ij}=0$,即主对角线以上元素为 $0$),则$A$的行列式为: $$ \det(A) = \prod{i=1}^n a_{ii} $$ 证明:对 $n$ 作数学归纳法,当$n=1,2$时,结论显然成立。 假设结论对$n-1$阶下三角行列式成立,则由定义得 $$ \begin{aligned} Dn &= (-1)^{1+1}a{11}D{n-1}\\ &= a{11}\prod{i=2}^n a{ii}\\ &= \prod{i=1}^n a{ii} \end{aligned} $$ 其中$Dn$为$n$阶下三角行列式,$D{n-1}$为去掉$Dn$的第一行第一列元素后得到的$(n-1)$阶下三角行列式。 因此结论对$n$阶下三角行列式成立。 $n$ 阶上三角行列式 设$A$为$n$阶上三角矩阵(当$i>j$时,$a{ij}=0$,即主对角线以下元素为 $0$),则$A$的行列式为: $$ \det(A) = \prod{i=1}^n a{ii} $$ 证明:对 $n$ 作数学归纳法,当$n=1,2$时,结论显然成立。 假设结论对$n-1$阶上三角行列式成立,则由定义得 $$ \begin{aligned} Dn &= (-1)^{n+n}a{nn}D{n-1}\\ &= a{nn}\prod{i=1}^{n-1} a{ii}\\ &= \prod{i=1}^n a{ii} \end{aligned} $$ 其中$Dn$为$n$阶上三角行列式,$D{n-1}$为去掉$Dn$的第$n$行第$n$列元素后得到的$(n-1)$阶上三角行列式。 因此结论对$n$阶上三角行列式成立。 $n$ 阶对角行列式 设$A$为$n$阶对角矩阵(当$i\neq j$时,$a{ij}=0$),则$A$的行列式为: $$ \det(A) = \prod{i=1}^n a{ii} $$ 证明:对 $n$ 作数学归纳法,当$n=1,2$时,结论显然成立。 假设结论对$n-1$阶对角行列式成立,则由定义得 $$ \begin{aligned} Dn &= (-1)^{1+1}a{11}D{n-1}\\ &= a{11}\prod{i=2}^n a{ii}\\ &= \prod{i=1}^n a{ii} \end{aligned} $$ 其中$Dn$为$n$阶对角行列式,$D{n-1}$为去掉$Dn$的第一行第一列元素后得到的$(n-1)$阶对角行列式。 因此结论对$n$阶对角行列式成立。 $n$ 阶反对角行列式 设$A$为$n$阶反对角矩阵(当$i+j\neq n+1$时,$a{ij}=0$),则$A$的行列式为: $$ \det(A) = (-1)^{\frac{n(n-1)}{2}}\prod{i=1}^n a{i(n-i+1)} $$ 证明:对 $n$ 作数学归纳法,当$n=1,2$时,结论显然成立。 假设结论对$n-1$阶反对角行列式成立,则由定义得 $$ \begin{aligned} Dn &= (-1)^{1+n}a{1n}D{n-1}\\ &= (-1)^{1+n}a{1n}(-1)^{\frac{(n-1)(n-2)}{2}}\prod{i=2}^n a{i(n-i+1)}\\ &= (-1)^{\frac{n(n-1)}{2}}\prod{i=1}^n a{i(n-i+1)} \end{aligned} $$ 其中$Dn$为$n$阶反对角行列式,$D{n-1}$为去掉$D_n$的第一行第$n$列元素后得到的$(n-1)$阶反对角行列式。 因此结论对$n$阶反对角行列式成立。 也可以通过计算得到: $$ \begin{aligned} Dn &= (-1)^{1+n}a{1n}D{n-1}\\ D{n-1} &= (-1)^{1+(n-1)}a{2(n-1)}D{n-2}\\ \vdots\\ D2 &= (-1)^{1+2}a{(n-1)2}D1\\ D1 &= a{nn} \end{aligned} $$ 将上面各式相乘,得到 $$ \begin{aligned} Dn &= (-1)^{1+n}(-1)^{1+(n-1)}\cdots(-1)^{1+2}a{1n}a{2(n-1)}\cdots a{(n-1)2}a{nn}\\ &= (-1)^{\frac{n(n-1)}{2}}\prod{i=1}^n a{i(n-i+1)} \end{aligned} $$ $n$ 阶行列式的性质 性质 1:行列式与矩阵的转置相等 $$ \det(A) = \det(A^T) $$ 证明: 由定义得 $$ \begin{aligned} \det(A^T) &\xlongequal{\mathrm{define}} \sum{\sigma\in Sn} (-1)^{\tau(\sigma)}\prod{i=1}^n b{i\sigma(i)}\\ &\xlongequal{b{ij}=a{ji}} \sum{\sigma\in Sn} (-1)^{\tau(\sigma)}\prod{i=1}^n a{\sigma(i)i}\\ \end{aligned} $$ $$ \begin{aligned} \det(A) &= \sum{\sigma\in Sn} (-1)^{\tau(\sigma)}\prod{i=1}^n a{i\sigma(i)}\\ &= \sum{\sigma\in Sn} (-1)^{\tau(\sigma)}\prod{i=1}^n a{\sigma^{-1}(i)i}\\ &= \sum{\sigma\in Sn} (-1)^{\tau(\sigma^{-1})}\prod{i=1}^n a{\sigma^{-1}(i)i}\\ &= \sum{\rho\in Sn} (-1)^{\tau(\rho)}\prod{i=1}^n a{\rho(i)i}\\ \end{aligned} $$ 因此 $\det(A) = \det(A^T)$。 > 作者的话:你猜我为啥不用递归法定义来证明? 性质 2:行列式可以按任意一行(列)展开 $$ \det(A) = \sum{j=1}^n a{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij}) = \sum{i=1}^n a{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij}) $$ 证明: 由定义得 $$ \begin{aligned} \det{A} &=\sum{\sigma \in Sn} (-1)^{\tau(\sigma)}\prod{i=1}^n a{i\sigma(i)}\\ &=\sum{j=1}^n a{ij}\sum{\substack{\sigma \in Sn \\ \sigma(i)=j}} (-1)^{\tau(\sigma)}\prod{\substack{k=1 \\ k\neq i}}^n a{k\sigma(k)}\\ &=\sum{j=1}^n a{ij}(-1)^{i+j}\sum{\rho \in S{n-1}} (-1)^{\tau(\rho)}\prod{k=1}^{n-1} a{k'\rho(k')}\\ &=\sum{j=1}^n a{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij}) \end{aligned} $$ 其中$k'=\begin{cases}k & k<i\\ k+1 & k\geq i\end{cases}$ 同理,由性质 1 可得 $$ \det(A) = \sum{i=1}^n a{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij}) $$ 性质 3:行列式的线性性质 1. 若将矩阵$A$的某一行(列)乘以常数$k$,则行列式也乘以$k$,即 $$ \det(B) = k\det(A) $$ 其中$B$为将矩阵$A$的第$i$行(列)乘以常数$k$后得到的矩阵。 2. 若将矩阵$A$的某一行(列)拆成两行(列)的和,则行列式也拆成两项的和,即 $$ \det(B) = \det(A) + \det(C) $$ 其中$B$为将矩阵$A$的第$i$行(列)拆成两行(列)的和后得到的矩阵,$C$为将矩阵$A$的第$i$行(列)替换成另一行(列)后得到的矩阵。 证明: 由定义得 $$ \begin{aligned} \det(B) &= \sum{j=1}^n b{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij})\\ &= \sum{j=1}^n k a{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij})\\ &= k\det(A) \end{aligned} $$ 其中$B$为将矩阵$A$的第$i$行(列)乘以常数$k$后得到的矩阵。 同理,若将矩阵$A$的第$i$行(列)拆成两行(列)的和,则 $$ \begin{aligned} \det(B) &= \sum{j=1}^n b{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij})\\ &= \sum{j=1}^n (a{ij}+c{ij})(-1)^{i+j}\det(M{ij})\\ &= \sum{j=1}^n a{ij}(-1)^{i+j}\det(M{ij}) + \sum{j=1}^n c{ij}(-1)^{i+j}\det(M_{ij})\\ &= \det(A) + \det(C) \end{aligned} $$ 其中$B$为将矩阵$A$的第$i$行(列)拆成两行(列)的和后得到的矩阵,$C$为将矩阵$A$的第$i$行(列)替换成另一行(列)后得到的矩阵。 上述性质使用逆序数定义也可以证明,读者可自行尝试。 性质 4:行列式中两行元素全相等,则行列式为零 $$ \det(A) = 0 $$ 其中$A$为$n\times n$矩阵,且$A$的第$i$行与第$j$行元素全相等,$i\neq j$。 证明1: 假设已经证明行列式交换两行(列)符号取反 $$ \det(A) = -\det(A) $$ 则可得$\det(A) = 0$。 证明2: 用数学归纳法证明,结果对$n=2$时显然成立,假设结论对$n-1$阶矩阵成立,则对$n$阶矩阵$A$的第$k$行展开($k\neq i,j$),则 $$ \begin{aligned} \det(A) &= \sum{l=1}^n a{kl}(-1)^{k+l}\det(M{kl})\\ \end{aligned} $$ 其中$M{kl}$为去掉$A$的第$k$行第$l$列元素后得到的$(n-1)\times(n-1)$矩阵,且$M{kl}$的第$i$行与第$j$行元素全相等,因此$\det(M{kl})=0$,从而$\det(A)=0$。结论对$n$阶矩阵成立。 推论 1. 行列式中两行(列)成比例,则行列式为零。 2. 在行列式中,将某一行(列)的各元素加上另一行(列)对应元素的常数倍,行列式的值不变。 性质 5:行列式交换两行(列)符号取反 $$ \det(B) = -\det(A) $$ 其中$B$为将矩阵$A$的第$i$行(列)与第$j$行(列)交换后得到的矩阵,$i\neq j$。 证明: 设矩阵 $A = (a{ij})$,$B$ 是将 $A$ 的第 $r$ 行与第 $s$ 行交换后得到的矩阵。 设 $p = (p1 \cdots pn)$ 是一个排列,$q$ 是将 $p$ 中的第 $r$ 个元素 $pr$ 与第 $s$ 个元素 $ps$ 交换后得到的排列。 根据行列式定义: $$ \det(B) = \sum{p \in Sn} (-1)^{\tau(p)} \prod{i=1}^{n} b{i, pi} $$ 由 $B$ 的构造可知 $b{r, pr} = a{s, pr}$, $b{s, ps} = a{r, ps}$,且对 $i \neq r, s$ 有 $b{i, pi} = a{i, pi}$。代入上式: $$ \det(B) = \sum{p \in Sn} (-1)^{\tau(p)} \left( a{s, pr} a{r, ps} \prod{i \neq r, s} a{i, pi} \right) $$ 根据排列 $q$ 的定义,上式右边的乘积项可以写作: $$ a{s, pr} a{r, ps} \prod{i \neq r, s} a{i, pi} = \prod{i=1}^{n} a{i, qi} $$ 根据已知排列性质,交换排列中两个元素会改变逆序数的奇偶性,故 $(-1)^{\tau(p)} = -(-1)^{\tau(q)}$。 代入得: $$ \det(B) = \sum{p \in Sn} -(-1)^{\tau(q)} \prod{i=1}^{n} a{i, qi} $$ 当 $p$ 遍历所有排列 $Sn$ 时,$q$ 也同样遍历 $Sn$。因此,我们可以将求和变量从 $p$ 换成 $q$: $$ \det(B) = - \sum{q \in Sn} (-1)^{\tau(q)} \prod{i=1}^{n} a{i, q_i} = -\det(A) $$ 证毕。 利用推论的证明: > 思考一下,如果只有两个变量$a$和$b$,如何仅通过加减法运算来交换它们的值?(不得使用临时变量) > > 1. $a\ \text{+=}\ b = a + b$ > 2. $b\ \text{+=}\ -a = b - (a + b) = -a$ > 3. $a\ \text{+=}\ b = a + b - a = b$ 设矩阵 $A = (a{ij})$,$B$ 是将 $A$ 的第 $r$ 行与第 $s$ 行交换后得到的矩阵。 $$ \begin{aligned} \det{A} &\xlongequal{r+s} \det(A1)\\ &\xlongequal{s-r} \det(A2)\\ &\xlongequal{r+s} \det(A3)\\ &\xlongequal{-s} -\det(B) \end{aligned} $$ 证明如下式子: $$ \sum{k=1}^n a{ik}A{jk} = 0 \quad (i \neq j) $$ 其中$A{jk} = (-1)^{j+k}\det(M{jk})$为$a{jk}$的代数余子式。 证明: 设矩阵 $A = (a{ij})$,构造矩阵 $B$,其第 $j$ 行与第 $i$ 行相同,其余行与 $A$ 相同。则显然其第 $j$ 行元素对应的代数余子式为 $A{jk}$。 $$ \det(B) = \sum{k=1}^n a{ik}A_{jk} = 0 $$ 证毕。