行列式
行列式是线性代数第一个核心工具。它的本质是一个标量——给定 $n \times n$ 方阵 $A$,算出 $\det(A)$。这个数告诉你:$A$ 可不可逆?$A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ 有多少解?线性变换是"放大"还是"压缩"了空间?
本章覆盖排列与逆序、行列式定义、八大性质、余子式与代数余子式、拉普拉斯展开、伴随矩阵与逆公式、克拉默法则。
前置知识回顾
- 矩阵的基本概念:方阵、行、列、下标 $a_{ij}$,来自 ;行列式章节参考 。
- 数域:默认在实数域 $\mathbb{R}$ 上讨论。
- 消元法直觉:解二元方程组时,为何"分母"值得关注?
看一个二元一次方程组:
用消元法(或代入法)解出来,分子是 $b_1a_{22} - a_{12}b_2$,分母是 $a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}$。这个"分母"只由系数矩阵决定,与右端向量 $b$ 无关。
二阶行列式的定义
对角线法则:主对角线乘积减去副对角线乘积。
关键发现:若分母 $\det(A) = 0$,方程组无解或无穷多解;若 $\det(A) \neq 0$,有唯一解。行列式直接决定了线性方程组解的个数与形式——这是它的根本意义。
几何意义:在 $\mathbb{R}^n$ 中,$|\det(A)|$ 是矩阵 $A$ 所代表的线性变换对 $n$ 维超立方体体积的拉伸因子。
- $\det(A) > 0$:保持定向
- $\det(A) < 0$:反转定向
- $\det(A) = 0$:将空间压缩到低维,$A$ 不可逆

排列与逆序数
由 $1,2,\dots,n$ 组成的一个有序数组称为一个 n 级排列。若较大数排在较小数前面,这一对数构成一个 逆序。排列中逆序的总数称为 逆序数,记作 $\tau(j_1j_2\cdots j_n)$。
例:$\tau(312) = 2$(3 在 1、2 前 $\to$ 2 个逆序;1、2 顺序 $\to$ 0 个逆序)。偶排列 $\tau = $ 偶数,符号 $+1$;奇排列 $\tau = $ 奇数,符号 $-1$。
n 阶行列式(Leibniz 公式)
给定 $n \times n$ 矩阵 $A = (a_{ij})$,
求和遍历 $\{1,2,\dots,n\}$ 的全部 $n!$ 种排列。每一项取不同行、不同列的元素相乘,符号由排列的逆序数决定。
从二阶到三阶:$3! = 6$ 项;从四阶开始:$4! = 24$ 项,直接展开已经无意义。行列式的价值不在硬算,而在于性质化简——利用性质把矩阵化为上三角,主对角线相乘即可。
特殊行列式速查表
| 类型 | 形式 | 结果 |
|---|---|---|
| 对角行列式 | 仅主对角线有非零元 $d_1,\dots,d_n$ | $\prod_{i=1}^n d_i$ |
| 上/下三角行列式 | 主对角线以下/以上元素全为零 | 主对角线元素之积 |
| 数量矩阵 $kI_n$ | 主对角线全为 $k$,其余为零 | $k^n$ |
| 范德蒙德行列式 | 第 $i$ 行 $(1, a_i, a_i^2, \dots, a_i^{n-1})$ | $\displaystyle \prod_{1\le j<i\le n}(a_i - a_j)$ |
利用性质化简是计算高阶行列式的核心手段。
| # | 性质 | 表达式 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 1 | 转置不变 | $\det(A^T) = \det(A)$ | 行与列等价,所有性质对行、列均适用 |
| 2 | 两行互换,变号 | $\det \to -\det$ | 交换定向,几何上改变体积符号 |
| 3 | 某行全零,则为零 | $\det = 0$ | 零行表示空间被压缩到低维 |
| 4 | 行公因子提出 | $r_i \times k \Rightarrow k\det$ | 若某行所有元素均有公因子 $k$,可提到行列式外;一行全为 $k$ 的倍数时,$\det = k \times$ 去倍数后的行列式 |
| 5 | 加法拆分 | $\det(A_1 + A_2)$ 情况 | 若第 $i$ 行是两项之和,则行列式可拆为两个行列式之和(其余行不变) |
| 6 | 倍加不变 | $r_i + k\cdot r_j \Rightarrow \det$ 不变 | 这是高斯消元法保持行列式不变的原理 |
| 7 | 两行相同,值为零 | $\det = 0$ | 由性质 2 推论:交换相同两行,$\det = -\det \Rightarrow \det = 0$ |
| 8 | 某行是另一行的倍数,则为零 | $\det = 0$ | 由性质 4(提倍数)和性质 7(两行相同)推论 |
利用性质 6(倍加不变)和性质 4(提因子),
始终不改变行列式的值——这正是数值分析中 LU 分解保持 $\det$ 不变的理论依据。当某行(列)有较多零时,按该行(列)展开可以降低阶数。
余子式与代数余子式
余子式 $M_{ij}$:划去 $a_{ij}$ 所在第 $i$ 行第 $j$ 列后,$(n-1) \times (n-1)$ 子矩阵的行列式。
代数余子式 $C_{ij} = (-1)^{i+j}M_{ij}$。
符号棋盘:$(+, -, +, -, \dots)$,由 $(i+j)$ 的奇偶性决定。
按行(列)展开定理
按第 $i$ 行展开:$\displaystyle\det(A) = \sum_{j=1}^{n} a_{ij}C_{ij}$
按第 $j$ 列展开:$\displaystyle\det(A) = \sum_{i=1}^{n} a_{ij}C_{ij}$
例题 1:按第一行展开三阶行列式
题目:计算 $\det\begin{pmatrix}1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 0\end{pmatrix}$。
目标:掌握按行展开,理解代数余子式的符号规则。
- 按第一行展开:$\det = 1\cdot C_{11} + 2\cdot C_{12} + 3\cdot C_{13}$。
- 计算 $C_{11}$:$C_{11} = (-1)^{1+1}M_{11} = \det\begin{pmatrix}5 & 6 \\ 8 & 0\end{pmatrix} = 5\cdot0 - 6\cdot8 = -48$。
- 计算 $C_{12}$:$C_{12} = (-1)^{1+2}M_{12} = -\det\begin{pmatrix}4 & 6 \\ 7 & 0\end{pmatrix} = -(4\cdot0 - 6\cdot7) = 42$。
- 计算 $C_{13}$:$C_{13} = (-1)^{1+3}M_{13} = \det\begin{pmatrix}4 & 5 \\ 7 & 8\end{pmatrix} = 4\cdot8 - 5\cdot7 = -3$。
- 合并:$\det = 1(-48) + 2(42) + 3(-3) = -48 + 84 - 9 = 27$。
答案:27
拉普拉斯展开(k 阶子式展开)
取定 $k$ 行($1 \le k \le n-1$),由这 $k$ 行与对应的 $k$ 列组成的所有 $k$ 阶子式,各自乘以对应的代数余子式,求和等于行列式的值。当选中的行(列)包含较多零时,拉普拉斯展开能大幅减少计算量。
实战技巧
先用性质 6(倍加)把某行(列)制造出多个零,再按该行(列)展开——这叫"化简后再展开",是降阶计算的标准流程。
第二章已经学过余子式和代数余子式,它们是按一行(列)展开的降阶工具。本节把子式体系扩展到任意阶数、任意选取的完整框架——这是理解顺序主子式的必经之路。
子式(Minor)
从矩阵 $A$ 中任选 $k$ 行和 $k$ 列($k \le \min(m,n)$),将这些行列交叉处的元素构成一个 $k \times k$ 子矩阵,其行列式称为 $A$ 的一个 $k$ 阶子式。
行和列的选取完全独立——第 1、3、5 行配第 2、4、6 列也可以。数量很多($\binom{m}{k} \cdot \binom{n}{k}$ 个),不唯一。
主子式(Principal Minor)
行号和列号必须取同一集合的子式。选第 $i_1, i_2, \dots, i_k$ 行和第 $i_1, i_2, \dots, i_k$ 列(下标相同),构成子矩阵的行列式。
举例:$A$ 是 $6 \times 6$ 矩阵,取第 1、3、5 行和第 1、3、5 列构成的 $3 \times 3$ 子矩阵的行列式,就是 $A$ 的一个 3 阶主子式。主子式的主对角线元素来自原矩阵的主对角线,顺序不变。
顺序主子式(Leading Principal Minor)
主子式的特例——行号和列号必须从第 1 个开始、连续取:
- 1 阶:取第 1 行、第 1 列 $\Rightarrow \det(a_{11})$
- 2 阶:取第 1、2 行,第 1、2 列 $\Rightarrow \det\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22}\end{pmatrix}$
- $k$ 阶:取前 $k$ 行、前 $k$ 列 $\Rightarrow \det A_k$(记为 $\Delta_k$)
对 $n$ 阶矩阵,顺序主子式恰好有 $n$ 个(不跳号、不重复),全部由左上角的主对角块依次扩展而成。
三者关系一览
- 顺序主子式一定是主子式;主子式不一定是顺序主子式(可以跳号)
- 主子式一定是子式;子式不一定是主子式(行号列号不必相同)
- 余子式是划去一行一列后的 $n-1$ 阶子式(不是主子式)
顺序主子式的显式形式
对 $n$ 阶矩阵 $A = (a_{ij})$,$k$ 阶顺序主子式:
特别地:$\Delta_1 = a_{11}$,$\ \Delta_n = \det(A)$(矩阵本身的行列式)。
例题:以具体矩阵演示三者区别
题目:设 $A = \begin{pmatrix}2 & 1 & 0 & 0 \\ 3 & 5 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 3 & 2 \\ 0 & 0 & 1 & 4\end{pmatrix}$。
- 2 阶子式(任意选):取第 2、4 行,第 1、3 列 $\Rightarrow \det\begin{pmatrix}3 & 2 \\ 0 & 1\end{pmatrix} = 3$。
- 2 阶主子式(行号 = 列号):取第 2、4 行,第 2、4 列 $\Rightarrow \det\begin{pmatrix}5 & 1 \\ 0 & 4\end{pmatrix} = 20$。
- 2 阶顺序主子式(前 2 行、前 2 列)$\Rightarrow \det\begin{pmatrix}2 & 1 \\ 3 & 5\end{pmatrix} = 7$。
- 3 阶顺序主子式(前 3 行、前 3 列)$\Rightarrow \det\begin{pmatrix}2 & 1 & 0 \\ 3 & 5 & 2 \\ 0 & 1 & 3\end{pmatrix} = 17$。
为什么在第二章讲?
顺序主子式在第二章的拉普拉斯展开中已有伏笔——取定 $k$ 行后,对应的 $k$ 阶子式展开本质就是主子式概念的特例。正式引入子式体系,能够:
- 为第六章顺序主子式法判断正定性(Sylvester 判别定理)提供概念基础
- 为 LU 分解的唯一性判别(要求 $\Delta_k \neq 0$)埋下伏笔
- 统一理解余子式($n-1$ 阶子式)、主子式、顺序主子式的层级关系
代数余子式最重要的应用:伴随矩阵给出求逆的解析公式,这是
的理论基础。伴随矩阵
注意:第 $(i,j)$ 位置的元素是 $C_{ji}$——是代数余子式的转置。这是初学者最容易记错的地方。
核心恒等式
逆矩阵的伴随矩阵公式
若 $\det(A) \neq 0$(即 $A$ 可逆),则
例题 2:二阶矩阵的逆——速记公式
题目:设 $A = \begin{pmatrix}a & b \\ c & d\end{pmatrix}$,求 $A^{-1}$($ad-bc \neq 0$)。
目标:记住二阶逆矩阵的速记公式,理解伴随矩阵的转置结构。
- 计算行列式:$\det(A) = ad - bc$。
- 写出代数余子式矩阵:$C_{11} = d,\ C_{12} = -c,\ C_{21} = -b,\ C_{22} = a$。
- 转置得伴随矩阵:$\operatorname{adj}(A) = \begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}$。
- 除以行列式:$A^{-1} = \frac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}$。
答案:$A^{-1} = \dfrac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d & -b \\ -c & a\end{pmatrix}$
由核心恒等式可得:当 $\det(A) \neq 0$ 时,$A^{-1}$ 存在;当 $\det(A) = 0$ 时,$A$ 不可逆,$A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ 不能用逆矩阵法求解,必须用高斯消元。
例题:$A^* = A^T$ 的推论——正交性
题目:设 $A = (a_{ij})_{3\times 3}$ 满足 $A^* = A^T$,其中 $A^*$ 是伴随矩阵。若 $a_{11}, a_{12}, a_{13}$ 是三个相等的正数,求 $a_{11}$。
分析:条件 $A^* = A^T$ 将伴随矩阵与转置直接挂钩,利用核心恒等式 $AA^* = |A|E$ 可推出正交性。
解:
- 由 $A^* = A^T$ 代入 $AA^* = |A|E$:$AA^T = |A|E$
- 两边取行列式:$|AA^T| = ||A|E|$,即 $|A|^2 = |A|^3$,所以 $|A| = 1$($|A| \neq 0$,因为第一行元素为正数)
- 代回得 $AA^T = E$,即 $A$ 是正交矩阵
- 正交矩阵的每一行是单位向量:$a_{11}^2 + a_{12}^2 + a_{13}^2 = 1$
- 由 $a_{11} = a_{12} = a_{13}$:$3a_{11}^2 = 1 \Rightarrow a_{11} = \dfrac{\sqrt{3}}{3}$
答案:$a_{11} = \dfrac{\sqrt{3}}{3}$,选 A。
例题:伴随矩阵与逆矩阵的混合运算
题目:设 $A$ 为 3 阶矩阵,$|A| = 2$,求 $\left|\left(\frac{1}{3}A\right)^{-1} - \frac{1}{2}A^*\right|$。
分析:核心是将 $A^*$ 和 $(kA)^{-1}$ 都用 $A^{-1}$ 表示,统一变量后再取行列式。
解:
- 化简逆矩阵:$\left(\frac{1}{3}A\right)^{-1} = 3A^{-1}$
- 化简伴随矩阵:$A^* = |A|A^{-1} = 2A^{-1}$
- 代入表达式:$3A^{-1} - \frac{1}{2} \cdot 2A^{-1} = 3A^{-1} - A^{-1} = 2A^{-1}$
- 取行列式($n = 3$,标量要 $n$ 次方):$|2A^{-1}| = 2^3 \cdot |A^{-1}| = 8 \cdot \frac{1}{|A|} = 8 \cdot \frac{1}{2} = 4$
答案:$4$,选 C。
克拉默法则给出了 $A\mathbf{x} = \mathbf{b}$($n$ 个方程、$n$ 个未知数,$\det(A) \neq 0$)的显式解。
克拉默法则
设 $D = \det(A) \neq 0$,则方程组 $A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ 有唯一解:
其中 $D_j$ 是将系数矩阵 $A$ 的第 $j$ 列替换为常数向量 $\mathbf{b}$ 后所得矩阵的行列式。
例题 3:二元方程组的克拉默法则
题目:解 $\begin{cases} 2x_1 + x_2 = 1 \\ x_1 + 3x_2 = -2 \end{cases}$。
目标:用克拉默法则求唯一解,感受替换列的操作。
- 系数行列式:$D = \det\begin{pmatrix}2 & 1 \\ 1 & 3\end{pmatrix} = 2\cdot3 - 1\cdot1 = 5 \neq 0$(有唯一解)。
- 计算 $D_1$(替换第 1 列):$D_1 = \det\begin{pmatrix}1 & 1 \\ -2 & 3\end{pmatrix} = 1\cdot3 - 1\cdot(-2) = 5$。
- 计算 $D_2$(替换第 2 列):$D_2 = \det\begin{pmatrix}2 & 1 \\ 1 & -2\end{pmatrix} = 2\cdot(-2) - 1\cdot1 = -5$。
- 求 $x_j$:$x_1 = D_1/D = 5/5 = 1,\quad x_2 = D_2/D = -5/5 = -1$。
答案:$(x_1, x_2) = (1, -1)$。验证:$2\cdot1 + (-1) = 1$ ✓,$1 + 3\cdot(-1) = -2$ ✓。
克拉默法则的局限性
理论上给出了显式解,但计算 $n+1$ 个 $n$ 阶行列式的时间复杂度是 $O(n!)$,远高于高斯消元法的 $O(n^3)$。克拉默法则主要用于:理论推导(证明行列式与解的关系)和低阶($n=2,3$)的显式计算。工程实践中,解线性方程组一律用高斯消元法或 LU 分解。
复习速查
| 概念 | 定义 / 公式 | 关键点 |
|---|---|---|
| n 级排列 | $1,2,\dots,n$ 的有序排列 | 逆序数 $\tau$ 决定符号:偶 $\to +$,奇 $\to -$ |
| n 阶行列式 | $\sum (-1)^{\tau} a_{1j_1}\cdots a_{nj_n}$ | $n!$ 项之和,Leibniz 公式 |
| 余子式 $M_{ij}$ | 划去第 $i$ 行第 $j$ 列后的 $(n-1)$ 阶行列式 | 无符号 |
| 代数余子式 $C_{ij}$ | $(-1)^{i+j}M_{ij}$ | $(+, -, +, -, \dots)$ 交替 |
| 按行展开 | $\det(A) = \sum_j a_{ij}C_{ij}$ | 选零多的行(列)展开 |
| 伴随矩阵 | $\operatorname{adj}(A) = C^T$ | 代数余子式转置,不是直接转置 |
| 可逆条件 | $\det(A) \neq 0$ | 等价于 $r(A) = n$ |
| 克拉默法则 | $x_j = D_j/D$,$D = \det(A)$ | 仅限 $D \neq 0$ 时使用 |
| 乘法公式 | $\det(AB) = \det(A)\det(B)$ | 可推出 $\det(A^{-1}) = 1/\det(A)$ |
参考来源
- 电子科技大学线性代数课程组(邓良剑):线性代数枢纽页 · 讲义 PDF(1.1 矩阵概念、1.2 高斯消元法、1.3 逆矩阵)
- CanisAlpha 考研数学笔记:https://publish.obsidian.md/gee-math-2/ — 用于补充行列式性质的直观解释
- Wikipedia 行列式词条:https://zh.wikipedia.org/wiki/行列式 — 排列逆序数定义与范德蒙德行列式公式
- CSDN 线性代数系列:https://blog.csdn.net/qq_28576837/article/details/136143379 — 二阶三阶展开的几何直觉