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行列式的概念与性质

更新时间:作者:小小条

公众号:考研数学基础

应用场景

准研究生们,你们好!

考研数学中,行列式是线性代数的基础考点。本节不但介绍了行列式的定义,还给出了一些简单行列式的计算方法。同时,也介绍了行列式相关的知识,如:逆序数,奇排列,偶排列等。相信阅读完本文后,你对行列式一定会有一个全新的认识。

行列式的概念与性质

概念说明

1.n阶行列式一定有n行n列(方阵),完全展开后有n!项,行列式算出来后是一个数。

2.从n阶行列式的展开结果,来看二阶,三阶行列式。

由文章开头的知识,我们知道,二阶,三阶行列式计算时,用“主对角线减副对角线”。

下面我们用n阶行列式的展开结果验证一下。

(1)验证二阶行列式

(2)验证三阶行列式

(1)(2)说明了:二阶,三阶行列式计算时,用“主对角线减副对角线”是没有问题的。但是,四阶及其以上的行列式不可以简单的用“主对角线减副对角线”来计算。例如:

可以看到,对于这个特殊的四阶行列式,副对角线算出来,前面的符号是正的。这已经违背了“主对角线减副对角线”的原则。因此:四阶及其以上的行列式不能用“主对角线减副对角线”来计算。

3.行列式的来源

行列式是怎么来的呢?难道是数学家吃饱了没事干,弄出来一个行列式,让我来算吗?当然不是。

回想一下,如果我们需要解下面这个二元的线性方程组,我们通常会怎么计算呢?

通常的步骤如下:

(1)要想先解出x1,就要消去x2。则(1)×a22-(2)×al2,可得

(2)同理,若想先解出x2,就要消去x1。则(2)×al1-(1)×a21,可得

可以看到,我们在解这个线性方程组时,加减消元的过程,对应的就是行列式的计算过程。

同时,对于这个二元线性方程组,在有唯一解的情况下,只需求出下面三个行列式,即可解出x1和x2。

对于3阶...甚至n阶行列式,也是类似的。因此,行列式的一个来源,便是从解n元线性方程组的过程中提炼出来的:n阶行列式,对应n元线性方程组的系数;行列式的计算过程,对应加减消元解方程组的过程。

4.排列,逆序,逆序数的性质

(1)1,2,3,....,n称为自然排列,它的逆序数为0,因此是一个偶排列。

(2)n,n-1,n-2,...,2,1的逆序数为(n-1)+(n-2)+...+1=n∙(n-1)/2,这个排列可能是奇排列,也可能是偶排列。

(3)对换改变排列的奇偶性。

观察n阶行列式的完全展开式,我们只需知道j1j2...jn这个排列的奇偶性,便知道该项是正是负了,不必一定要算出排列的逆序数。下面我们就来讨论下排列的奇偶性:

对换:就是把一个排列中某两个数的位置互换,而其余的数不动。

对换得到的新的排列和原来的排列的奇偶性相反。即:经过一次对换,奇排列变成偶排列,偶排列则变成了奇排列。

如:1,2,7,4,5,6,3,8这个排列,不用计算逆序数,即可知道它是奇排列。因为1,2,3,4,5,6,7,8是偶排列,将3和7对换,就变成了奇排列。同理可知1,4,7,2,5,6,3,8是偶排列(偶排列经过两次对换)。

(4)任何一个排列都可以经过一系列对换,变成自然排列。

这给了我们一个快速判断排列奇偶性的方法:因为自然排列是偶排列,而对换一次,排列的奇偶性变一次。

则:一个排列若经过偶数次对换,变成了自然排列,则它是偶排列;若经过奇数次对换,变成了自然排列,则它是奇排列。如15432这个排列,将5和2对换得12435,将4和3对换得12345。经过偶数次(2次)对换,则15432是偶排列。

(5)在全部n阶排列中,奇排列和偶排列各占一半。

我们知道,n阶行列式,展开有n!项,则结合“n阶排列中,奇排列和偶排列各占一半”可知:n阶行列式展开后,有n!/2项是正的;有n!/2项是负的。如3阶行列式展开后,有3!/2=3项正的,3项是负的。

5.特殊行列式的计算

(1)主对角线某一侧全为0的行列式

若主对角线的上侧全为0(下三角行列式),则得到下面的行列式:

用上面相同的方法可以证明:

简单来说就是:主对角线某一侧全为0的行列式等于主对角线元素的乘积。

(2)副对角线某一侧全为0的行列式

若副对角线的下侧全为0,则得到下面的行列式:

用上面相同的方法可以证明:

简单来说,就是:副对角线某一侧全为0的行列式等于(-1)的“n(n-1)/2次方”,乘以所有副对角线元素的乘积。

6.经典例题

(1)分类讨论思想

(2)完全展开式的特点:不同行不同列

注意:在学*了行列式的性质后,本题可以先化简,再用上面的方法,会更简单。

记忆方法

本节核心内容可以用下面几句话简单概括:

(1)二阶,三阶行列式计算,用“主对角线减副对角线”,四阶及其以上不可如此计算。

(2)n阶行列式完全展开后,是所有不同行不同列的n个元素乘积的代数和。

(3)主对角线某一侧全为0的行列式等于主对角线元素的乘积。

(4)副对角线某一侧全为0的行列式等于(-1)的“n(n-1)/2次方”,乘以所有副对角线元素的乘积。

回眸一笑

考研数学线性代数的六大部分,你还记得吗?

如果你了然于胸,就为今天的收获开心地笑一个!

如果忘了,就赶快去看看相关的内容,巩固一下吧!

考研杂谈

考研数学中,线性代数的分值只占考研数学总分的五分之一。但是它的内容是相当丰富的。如果你想事无巨细,每个知识点都推敲一番,恐怕未必有这么多的时间。鉴于这种情形,我们一定要理解为主,化繁为简,重点突出。

《史记》中便有类似的例子:我们都知道,秦国重用商鞅之后,基本遵循的是以法治国。但秦帝国的法律多而严苛:几个人聚在一起议论国事,死罪;邻居犯法,你也要被株连。陈胜吴广就是因为没有按时到达戍守的地方,就是死罪,因此索性就起义造反了。总而言之,秦帝国的法律在各个方面都有涉及,以至于李斯说:商君之法,刑弃灰于道者。就是说,在路上倒点灰也要被判刑。面对如此细致入微,纷繁复杂的法律,后来的刘邦怎么处理的呢?

刘邦进入关中之后,便和关中百姓约法三章:杀人者偿命;伤人的按照情节轻重定罪;偷人东西的也依据情节轻重定罪。仅此而已。果然,百姓对此感恩戴德,都想让刘邦在关中称王。这为刘邦后面战胜项羽奠定了基础。刘邦的做法就是“化繁为简,重点突出”的例子。试想,若是刘邦拿着秦朝的法律,一条一条的去判断是该保留,还是该废除,则依照他的水平,怕是没有汉高祖了。因为,可能他还没看完几条秦国的法律,项羽已经打来了。

今日例句:

The repeated failures really frustrated him.

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