适用:数一、数二、数三通用
地位:线性代数的起点,直接支撑矩阵、向量、线性方程组、特征值
核心任务:理解行列式定义,掌握行列式性质,会计算数字行列式与抽象行列式
$$ \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} =a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21} $$
记忆口诀:
主对角线乘积减去副对角线乘积。
$$ \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13}\\ a_{21} & a_{22} & a_{23}\\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix} $$
对角线法则:
$$ =a_{11}a_{22}a_{33}+a_{12}a_{23}a_{31}+a_{13}a_{21}a_{32} -a_{13}a_{22}a_{31}-a_{11}a_{23}a_{32}-a_{12}a_{21}a_{33} $$
记忆口诀:
三条主对角线方向乘积之和,减去三条副对角线方向乘积之和。
注意:
对角线法则只适用于二阶和三阶行列式,不适用于四阶及以上。
$$ D= \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n}\\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix} =\sum_{j_1j_2\cdots j_n}(-1)^{\tau(j_1j_2\cdots j_n)}a_{1j_1}a_{2j_2}\cdots a_{nj_n} $$
其中:
逆序数:
在一个排列中,若前面的数大于后面的数,则称这两个数构成一个逆序。排列中逆序的总数称为逆序数。
例:
排列 $321$ 的逆序数:
余子式:
在 $n$ 阶行列式中,划去元素 $a_{ij}$ 所在的第 $i$ 行和第 $j$ 列,剩下的 $n-1$ 阶行列式称为 $a_{ij}$ 的余子式,记作 $M_{ij}$。
代数余子式:
$$ A_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij} $$
注意:
按第 $i$ 行展开:
$$ D=\sum_{j=1}^n a_{ij}A_{ij} =a_{i1}A_{i1}+a_{i2}A_{i2}+\cdots+a_{in}A_{in} $$
按第 $j$ 列展开:
$$ D=\sum_{i=1}^n a_{ij}A_{ij} =a_{1j}A_{1j}+a_{2j}A_{2j}+\cdots+a_{nj}A_{nj} $$
重要结论:
某行(列)元素与另一行(列)对应元素的代数余子式乘积之和为零:
$$ \sum_{k=1}^n a_{ik}A_{jk}=0,\quad i\neq j $$
$$ \sum_{k=1}^n a_{ki}A_{kj}=0,\quad i\neq j $$
性质1:转置不变
$$ D^T=D $$
即行列式与它的转置行列式相等。
性质2:两行(列)互换变号
互换行列式的两行(列),行列式变号。
推论:
若行列式有两行(列)完全相同,则行列式为零。
性质3:某行(列)有公因子可提出
行列式中某一行(列)的所有元素有公因子 $k$,则 $k$ 可以提到行列式外面。
$$ \begin{vmatrix} ka_{11} & ka_{12}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} =k\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} $$
推论:
若行列式有一行(列)元素全为零,则行列式为零。
性质4:两行(列)成比例,行列式为零
若行列式有两行(列)对应元素成比例,则行列式为零。
性质5:行列式可拆分为两个行列式之和
若某一行(列)元素是两组数之和,则行列式可拆分为两个行列式之和。
$$ \begin{vmatrix} a_{11}+b_{1} & a_{12}+b_{2}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} b_{1} & b_{2}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} $$
性质6:某行(列)加上另一行(列)的 $k$ 倍,行列式不变
$$ \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} a_{11}+ka_{21} & a_{12}+ka_{22}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} $$
这是行列式计算中最常用的性质。
(1)上三角行列式:
$$ \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1n}\\ 0 & a_{22} & \cdots & a_{2n}\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 0 & 0 & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix} =a_{11}a_{22}\cdots a_{nn} $$
(2)下三角行列式:
$$ \begin{vmatrix} a_{11} & 0 & \cdots & 0\\ a_{21} & a_{22} & \cdots & 0\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix} =a_{11}a_{22}\cdots a_{nn} $$
(3)对角行列式:
$$ \begin{vmatrix} a_{11} & 0 & \cdots & 0\\ 0 & a_{22} & \cdots & 0\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 0 & 0 & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix} =a_{11}a_{22}\cdots a_{nn} $$
(4)副对角行列式:
$$ \begin{vmatrix} 0 & \cdots & 0 & a_{1n}\\ 0 & \cdots & a_{2,n-1} & 0\\ \vdots & \reflectbox{$\ddots$} & \vdots & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & 0 & 0 \end{vmatrix} =(-1)^{\frac{n(n-1)}{2}}a_{1n}a_{2,n-1}\cdots a_{n1} $$
(5)分块行列式:
$$ \begin{vmatrix} A & O\\ C & B \end{vmatrix} =|A||B| $$
$$ \begin{vmatrix} A & C\\ O & B \end{vmatrix} =|A||B| $$
其中 $A$、$B$ 为方阵。
注意:
$$ \begin{vmatrix} O & A\\ B & O \end{vmatrix} =(-1)^{mn}|A||B| $$
其中 $A$ 为 $m$ 阶方阵,$B$ 为 $n$ 阶方阵。
范德蒙德行列式:
$$ \begin{vmatrix} 1 & 1 & \cdots & 1\\ x_1 & x_2 & \cdots & x_n\\ x_1^2 & x_2^2 & \cdots & x_n^2\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ x_1^{n-1} & x_2^{n-1} & \cdots & x_n^{n-1} \end{vmatrix} =\prod_{1\le i<j\le n}(x_j-x_i) $$
记忆口诀:
后减前,所有差相乘。
例:
$$ \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1\\ x_1 & x_2 & x_3\\ x_1^2 & x_2^2 & x_3^2 \end{vmatrix} =(x_2-x_1)(x_3-x_1)(x_3-x_2) $$
爪型行列式:
$$ \begin{vmatrix} a_1 & b_2 & b_3 & \cdots & b_n\\ c_2 & a_2 & 0 & \cdots & 0\\ c_3 & 0 & a_3 & \cdots & 0\\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ c_n & 0 & 0 & \cdots & a_n \end{vmatrix} $$
当 $a_2a_3\cdots a_n\neq0$ 时,可用消元法化为三角行列式。
三对角行列式:
$$ D_n= \begin{vmatrix} a & b & 0 & \cdots & 0\\ c & a & b & \cdots & 0\\ 0 & c & a & \cdots & 0\\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 0 & 0 & 0 & \cdots & a \end{vmatrix} $$
可用递推法:
$$ D_n=aD_{n-1}-bcD_{n-2} $$
| 方法 | 适用情形 |
|---|---|
| 对角线法则 | 二阶、三阶 |
| 按行(列)展开 | 某行(列)零元素多 |
| 化为三角行列式 | 一般数字行列式 |
| 递推法 | 三对角、$n$ 阶有规律 |
| 加边法 | 爪型、行和相等 |
| 拆分法 | 某行(列)为两组数之和 |
| 数学归纳法 | $n$ 阶有规律 |
| 范德蒙德 | 特殊形式 |
例1
计算
$$ \begin{vmatrix} 1 & 2\\ 3 & 4 \end{vmatrix} $$
解:
$$ \begin{vmatrix} 1 & 2\\ 3 & 4 \end{vmatrix} =1\times4-2\times3=4-6=-2 $$
例2
计算
$$ \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3\\ 4 & 5 & 6\\ 7 & 8 & 9 \end{vmatrix} $$
解:
$$ =1\times5\times9+2\times6\times7+3\times4\times8 -3\times5\times7-1\times6\times8-2\times4\times9 $$
$$ =45+84+96-105-48-72=0 $$
例3
计算
$$ \begin{vmatrix} 2 & 0 & 1\\ 1 & 3 & 2\\ 1 & 1 & 1 \end{vmatrix} $$
解:
$$ =2\times3\times1+0\times2\times1+1\times1\times1 -1\times3\times1-2\times2\times1-0\times1\times1 $$
$$ =6+0+1-3-4-0=0 $$
例4
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 0 & 0 & 0\\ 2 & 3 & 0 & 0\\ 4 & 5 & 6 & 0\\ 7 & 8 & 9 & 10 \end{vmatrix} $$
解:
这是下三角行列式:
$$ D=1\times3\times6\times10=180 $$
例5
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3\\ 0 & 4 & 5\\ 0 & 0 & 6 \end{vmatrix} $$
解:
这是上三角行列式:
$$ D=1\times4\times6=24 $$
例6
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 2 & 0\\ 3 & 4 & 0\\ 5 & 6 & 7 \end{vmatrix} $$
解:
按第三列展开:
$$ D=7\times(-1)^{3+3} \begin{vmatrix} 1 & 2\ 3 & 4 \end{vmatrix} =7\times(4-6)=-14 $$
例7
计算
$$ D= \begin{vmatrix} a & 0 & 0 & b\\ 0 & c & d & 0\\ 0 & e & f & 0\\ g & 0 & 0 & h \end{vmatrix} $$
解:
按第一行展开:
$$ D=a(-1)^{1+1} \begin{vmatrix} c & d & 0\\ e & f & 0\\ 0 & 0 & h \end{vmatrix} +b(-1)^{1+4} \begin{vmatrix} 0 & c & d\\ 0 & e & f\\ g & 0 & 0 \end{vmatrix} $$
第一项:
$$ a\cdot h\begin{vmatrix}c&d\\e&f\end{vmatrix} =ah(cf-de) $$
第二项:
$$ b\cdot(-1)\cdot g(-1)^{3+1}\begin{vmatrix}c&d\\e&f\end{vmatrix} =-bg(cf-de) $$
所以:
$$ D=(ah-bg)(cf-de) $$
例8
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3\\ 2 & 5 & 8\\ 3 & 8 & 14 \end{vmatrix} $$
解:
用行变换:
$$ r_2-2r_1,\quad r_3-3r_1 $$
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3\\ 0 & 1 & 2\\ 0 & 2 & 5 \end{vmatrix} $$
$$ r_3-2r_2 $$
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3\\ 0 & 1 & 2\\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} =1 $$
例9
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 3\\ 1 & 3 & 6 \end{vmatrix} $$
解:
$$ r_2-r_1,\quad r_3-r_1 $$
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 2\\ 0 & 2 & 5 \end{vmatrix} $$
$$ r_3-2r_2 $$
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 2\\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} =1 $$
例10
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 2 & 3 & 4\\ 2 & 3 & 4 & 1\\ 3 & 4 & 1 & 2\\ 4 & 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} $$
解:
各行加到第一行:
$$ r_1+r_2+r_3+r_4 $$
第一行元素都变为 $10$。
$$ D=10 \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 2 & 3 & 4 & 1\\ 3 & 4 & 1 & 2\\ 4 & 1 & 2 & 3 \end{vmatrix} $$
用第一行消去其他行:
$$ r_2-2r_1,\quad r_3-3r_1,\quad r_4-4r_1 $$
$$ D=10 \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 2 & -1\\ 0 & 1 & -2 & -1\\ 0 & -3 & -2 & -1 \end{vmatrix} $$
继续化简:
$$ r_3-r_2,\quad r_4+3r_2 $$
$$ D=10 \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 2 & -1\\ 0 & 0 & -4 & 0\\ 0 & 0 & 4 & -4 \end{vmatrix} $$
$$ r_4+r_3 $$
$$ D=10 \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 2 & -1\\ 0 & 0 & -4 & 0\\ 0 & 0 & 0 & -4 \end{vmatrix} $$
$$ =10\times1\times1\times(-4)\times(-4)=160 $$
例11
设 $A$ 为 $3$ 阶方阵,$|A|=2$,求 $|2A|$。
解:
$$ |2A|=2^3|A|=8\times2=16 $$
例12
设 $A$ 为 $n$ 阶方阵,$|A|=3$,求 $|-2A|$。
解:
$$ |-2A|=(-2)^n|A|=(-2)^n\cdot3 $$
例13
设 $A$ 为 $3$ 阶方阵,$|A|=2$,求 $|A^*|$。
解:
$$ |A^*|=|A|^{n-1}=2^2=4 $$
例14
设 $A$ 为 $3$ 阶方阵,$|A|=2$,求 $|A^{-1}|$。
解:
$$ |A^{-1}|=\frac{1}{|A|}=\frac12 $$
例15
设 $A$ 为 $3$ 阶方阵,$|A|=2$,求 $|A^2|$。
解:
$$ |A^2|=|A|^2=4 $$
例16
设 $A$、$B$ 为 $n$ 阶方阵,$|A|=2$,$|B|=3$,求 $|AB|$。
解:
$$ |AB|=|A||B|=6 $$
例17
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 3\\ 1 & 4 & 9 \end{vmatrix} $$
解:
这是范德蒙德行列式,$x_1=1$,$x_2=2$,$x_3=3$。
$$ D=(2-1)(3-1)(3-2)=1\times2\times1=2 $$
例18
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 3 & 4\\ 1 & 4 & 9 & 16\\ 1 & 8 & 27 & 64 \end{vmatrix} $$
解:
这是范德蒙德行列式,$x_1=1$,$x_2=2$,$x_3=3$,$x_4=4$。
$$ D=(2-1)(3-1)(4-1)(3-2)(4-2)(4-3) $$
$$ =1\times2\times3\times1\times2\times1=12 $$
例19
计算 $n$ 阶行列式
$$ D_n= \begin{vmatrix} 2 & 1 & 0 & \cdots & 0\\ 1 & 2 & 1 & \cdots & 0\\ 0 & 1 & 2 & \cdots & 0\\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 0 & 0 & 0 & \cdots & 2 \end{vmatrix} $$
解:
按第一行展开:
$$ D_n=2D_{n-1}-1\times(-1)^{1+2}\times1\times D_{n-2} $$
即:
$$ D_n=2D_{n-1}-D_{n-2} $$
特征方程:
$$ r^2-2r+1=0 $$
$$ r=1 $$
所以:
$$ D_n=(C_1+C_2n)\cdot1^n=C_1+C_2n $$
由 $D_1=2$,$D_2=3$:
$$ C_1+C_2=2 $$
$$ C_1+2C_2=3 $$
解得:
$$ C_1=1,\quad C_2=1 $$
所以:
$$ D_n=n+1 $$
例20
计算 $n$ 阶行列式
$$ D_n= \begin{vmatrix} a & b & 0 & \cdots & 0\\ c & a & b & \cdots & 0\\ 0 & c & a & \cdots & 0\\ \vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ 0 & 0 & 0 & \cdots & a \end{vmatrix} $$
解:
按第一行展开:
$$ D_n=aD_{n-1}-bcD_{n-2} $$
这是二阶线性递推,根据 $a^2-4bc$ 的符号,可求出通项。
例21
计算
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1\\ 1 & 2 & 3\\ 1 & 3 & 6 \end{vmatrix} $$
解:
加边:
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 2 & 3\\ 0 & 1 & 3 & 6 \end{vmatrix} $$
用第一行消去其他行:
$$ r_2-r_1,\quad r_3-r_1,\quad r_4-r_1 $$
$$ D= \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1 & 1\\ -1 & 0 & 0 & 0\\ -1 & 0 & 1 & 2\\ -1 & 0 & 2 & 5 \end{vmatrix} $$
按第二行展开:
$$ D=(-1)(-1)^{2+1} \begin{vmatrix} 1 & 1 & 1\\ 0 & 1 & 2\\ 0 & 2 & 5 \end{vmatrix} $$
$$ =1\times(5-4)=1 $$
例22
设 $A$ 为 $3$ 阶方阵,$|A|=2$,求
$$ |(2A)^{-1}-5A^*| $$
解:
$$ (2A)^{-1}=\frac12A^{-1} $$
$$ A^*=|A|A^{-1}=2A^{-1} $$
所以:
$$ (2A)^{-1}-5A^*=\frac12A^{-1}-10A^{-1}=-\frac{19}{2}A^{-1} $$
$$ |(2A)^{-1}-5A^*| =\left(-\frac{19}{2}\right)^3|A^{-1}| =-\frac{6859}{8}\cdot\frac12 =-\frac{6859}{16} $$
例23
设 $A$ 为 $4$ 阶方阵,$|A|=3$,求 $|A^*|$。
解:
$$ |A^*|=|A|^{n-1}=3^3=27 $$
错误:
四阶行列式用对角线法则。
正确:
对角线法则只适用于二阶和三阶。
$$ A_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij} $$
不要漏掉符号。
错误:
$$ |kA|=k|A| $$
正确:
$$ |kA|=k^n|A| $$
其中 $n$ 为方阵阶数。
错误:
$$ |A+B|=|A|+|B| $$
正确:
$$ |A+B|\neq|A|+|B| $$
$$ |AB|=|A||B| $$
要求 $A$、$B$ 为同阶方阵。
$$ |A^*|=|A|^{n-1} $$
$$ |A^{-1}|=\frac{1}{|A|} $$
$$ D=\prod_{1\le i<j\le n}(x_j-x_i) $$
注意是后减前。
$$ \begin{vmatrix} O & A\\ B & O \end{vmatrix} =(-1)^{mn}|A||B| $$
递推法需要两个初始值,要仔细计算。
常见形式:
$$ D= \begin{vmatrix} a_{11} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & \ddots & \vdots\\ a_{n1} & \cdots & a_{nn} \end{vmatrix} $$
处理方法:
常见形式:
$$ |kA|,\quad |A^*|,\quad |A^{-1}|,\quad |AB| $$
处理方法:
常见形式:
$$ \begin{vmatrix} 1 & 1 & \cdots & 1\\ x_1 & x_2 & \cdots & x_n\\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots\\ x_1^{n-1} & x_2^{n-1} & \cdots & x_n^{n-1} \end{vmatrix} $$
处理方法:
常见形式:
处理方法:
常见形式:
处理方法:
常见形式:
$$ |A^*|,\quad |A^{-1}|,\quad |(kA)^{-1}| $$
处理方法:
常见形式:
处理方法:
二阶行列式:
$$ \begin{vmatrix} a & b\ c & d \end{vmatrix} =ad-bc $$
三阶行列式:
对角线法则。
$n$ 阶行列式定义:
$$ D=\sum_{j_1j_2\cdots j_n}(-1)^{\tau(j_1j_2\cdots j_n)}a_{1j_1}a_{2j_2}\cdots a_{nj_n} $$
代数余子式:
$$ A_{ij}=(-1)^{i+j}M_{ij} $$
按行展开:
$$ D=\sum_{j=1}^n a_{ij}A_{ij} $$
行列式性质:
特殊行列式:
上三角、下三角、对角:
$$ D=a_{11}a_{22}\cdots a_{nn} $$
副对角:
$$ D=(-1)^{\frac{n(n-1)}{2}}a_{1n}a_{2,n-1}\cdots a_{n1} $$
分块:
$$ \begin{vmatrix} A & O\ C & B \end{vmatrix} =|A||B| $$
范德蒙德行列式:
$$ D=\prod_{1\le i<j\le n}(x_j-x_i) $$
常用公式:
$$ |kA|=k^n|A| $$
$$ |A^*|=|A|^{n-1} $$
$$ |A^{-1}|=\frac{1}{|A|} $$
$$ |AB|=|A||B| $$
口诀:
二阶三阶对角线,四阶以上化三角;
按行展开选零多,代数余子带符号;
互换变号乘提 $k$,加消不变记心间;
范德蒙德后减前,抽象行列式用公式。
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