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行列式

线性代数 · 第二章
从二阶到 n 阶——理解线性方程组解的个数与形式
Part 0 · 学习目标
行列式:线性方程组解的存在性由它判定

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
    PDF矩阵概念p.1

    pdf/线性代数/1.1.pdf · p.1

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    ;行列式章节参考
    PDF行列式定义p.1

    pdf/线性代数/2.1.pdf · p.1

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  • 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?
Part 1 · 背景问题
为什么需要行列式?

看一个二元一次方程组:

$$\begin{cases} a_{11}x_1 + a_{12}x_2 = b_1 \\ a_{21}x_1 + a_{22}x_2 = b_2 \end{cases}$$

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

$$\det\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} \\ a_{21} & a_{22}\end{pmatrix} = a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}$$

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
PDF二阶与三阶行列式p.1

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行列式定义
二阶与三阶行列式 · 电子科技大学线性代数课件
Part 2 · 概念定义
n 阶行列式的完全定义

排列与逆序数

$1,2,\dots,n$ 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 $A = (a_{ij})$

$$\det(A) = \sum_{j_1j_2\cdots j_n} (-1)^{\tau(j_1j_2\cdots j_n)}\, a_{1j_1}a_{2j_2}\cdots a_{nj_n}$$

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$$\prod_{i=1}^n d_i$
上/下三角行列式主对角线以下/以上元素全为零主对角线元素之积
数量矩阵 $kI_n$主对角线全为 $k$,其余为零$k^n$
范德蒙德行列式$i$$(1, a_i, a_i^2, \dots, a_i^{n-1})$$\displaystyle \prod_{1\le j<i\le n}(a_i - a_j)$
Part 3 · 性质
八大基本性质——化上三角法的依据

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
化上三角法:先用倍加(性质 6)把矩阵化为上三角,再用性质 4 提出公因子,最后主对角线相乘。这是计算 $n$ 阶行列式的标准算法,时间复杂度 $O(n^3)$,与高斯消元法相同。

利用性质 6(倍加不变)和性质 4(提因子),

PDF行列式的性质与计算p.1

pdf/线性代数/2.2.pdf · p.1

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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。

Part 4 · 余子式与展开定理
按行(列)展开——降阶的核心工具

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。

  1. 按第一行展开$\det = 1\cdot C_{11} + 2\cdot C_{12} + 3\cdot C_{13}$
  2. 计算 $C_{11}$$C_{11} = (-1)^{1+1}M_{11} = \det\begin{pmatrix}5 & 6 \\ 8 & 0\end{pmatrix} = 5\cdot0 - 6\cdot8 = -48$
  3. 计算 $C_{12}$$C_{12} = (-1)^{1+2}M_{12} = -\det\begin{pmatrix}4 & 6 \\ 7 & 0\end{pmatrix} = -(4\cdot0 - 6\cdot7) = 42$
  4. 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$
  5. 合并$\det = 1(-48) + 2(42) + 3(-3) = -48 + 84 - 9 = 27$

答案:27

易错点:$C_{12}$ 的符号是负的。初学者常只算 $M_{ij}$ 而忘记乘以 $(-1)^{i+j}$。另一个常见错误是在合并时把 $a_{ij}$$C_{ij}$ 搞混——$a_{ij}$ 是原矩阵的元素,$C_{ij}$ 是代数余子式,两者不要混淆。

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。

Part 4 · 子式、主子式与顺序主子式
从行列式中抽取局部信息——子式体系的完整结构

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 $A$任选 $k$ 行和 $k$$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$$i_1, i_2, \dots, i_k$ 列(下标相同),构成子矩阵的行列式。

举例:$A$$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$$\Rightarrow \det A_k$(记为 $\Delta_k$

$n$ 阶矩阵,顺序主子式恰好有 $n$(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

$$k\text{ 阶顺序主子式} \subsetneq k\text{ 阶主子式} \subsetneq k\text{ 阶子式}$$
  • 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

$n$ 阶矩阵 $A = (a_{ij})$$k$ 阶顺序主子式:

$$\Delta_k = \det\begin{pmatrix}a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1k} \\ a_{21} & a_{22} & \cdots & a_{2k} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ a_{k1} & a_{k2} & \cdots & a_{kk}\end{pmatrix}$$

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:$A = \begin{pmatrix}2 & 1 & 0 & 0 \\ 3 & 5 & 2 & 1 \\ 0 & 1 & 3 & 2 \\ 0 & 0 & 1 & 4\end{pmatrix}$

  • 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
Part 6 · 伴随矩阵与逆矩阵公式
代数余子式的转置——伴随矩阵

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

PDF克拉默法则p.1

pdf/线性代数/2.4.pdf · p.1

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的理论基础。

伴随矩阵

$$\operatorname{adj}(A) = C^T = \begin{pmatrix} C_{11} & C_{21} & \cdots & C_{n1} \\ C_{12} & C_{22} & \cdots & C_{n2} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ C_{1n} & C_{2n} & \cdots & C_{nn} \end{pmatrix}$$

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

$$A \cdot \operatorname{adj}(A) = \operatorname{adj}(A) \cdot A = \det(A) \cdot I$$

逆矩阵的伴随矩阵公式

$\det(A) \neq 0$(即 $A$ 可逆),则

$$A^{-1} = \frac{1}{\det(A)}\operatorname{adj}(A)$$

例题 2:二阶矩阵的逆——速记公式

题目:$A = \begin{pmatrix}a & b \\ c & d\end{pmatrix}$,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。

  1. 计算行列式$\det(A) = ad - bc$
  2. 写出代数余子式矩阵$C_{11} = d,\ C_{12} = -c,\ C_{21} = -b,\ C_{22} = a$
  3. 转置得伴随矩阵$\operatorname{adj}(A) = \begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}$
  4. 除以行列式$A^{-1} = \frac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix} d & -b \\ -c & a \end{pmatrix}$

答案:$A^{-1} = \dfrac{1}{ad-bc}\begin{pmatrix}d & -b \\ -c & a\end{pmatrix}$

易错点:主对角线交换是 $d$$a$(不是 $a_{11}$$a_{22}$ 自身);副对角线变号是 $-b$$-c$。记作"主对调、副变号、除以 $ad-bc$"。

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。

行列式与可逆性的等价关系$\det(A) \neq 0 \iff A$ 可逆 $\iff r(A) = n$(满秩)$\iff A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ 有唯一解(方阵情形)。

例题:$A^* = A^T$ 的推论——正交性

题目:$A = (a_{ij})_{3\times 3}$ 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:

  1. $A^* = A^T$ 代入 $AA^* = |A|E$$AA^T = |A|E$
  2. 两边取行列式:$|AA^T| = ||A|E|$,即 $|A|^2 = |A|^3$,所以 $|A| = 1$$|A| \neq 0$,因为第一行元素为正数)
  3. 代回得 $AA^T = E$,即 $A$正交矩阵
  4. 正交矩阵的每一行是单位向量:$a_{11}^2 + a_{12}^2 + a_{13}^2 = 1$
  5. $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。

思维链:$A^* = A^T$ $\xrightarrow{AA^*=|A|E}$ $AA^T = |A|E$ $\xrightarrow{\text{取行列式}}$ $|A|=1$ $\xrightarrow{\text{代回}}$ $AA^T=E$(正交矩阵)$\xrightarrow{\text{行归一}}$ $a_{11}$。关键一步是取行列式把未知的 $|A|$ 定下来。

例题:伴随矩阵与逆矩阵的混合运算

题目:$A$ 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^*$$(kA)^{-1}$ 都用 $A^{-1}$ 表示,统一变量后再取行列式。

解:

  1. 化简逆矩阵$\left(\frac{1}{3}A\right)^{-1} = 3A^{-1}$
  2. 化简伴随矩阵$A^* = |A|A^{-1} = 2A^{-1}$
  3. 代入表达式$3A^{-1} - \frac{1}{2} \cdot 2A^{-1} = 3A^{-1} - A^{-1} = 2A^{-1}$
  4. 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。

易错点:取行列式时 $|kA| = k^n|A|$$k$ 要取 $n$ 次方,不是一次方)。常见错误是写成 $2 \cdot |A^{-1}| = 2 \cdot \frac{1}{2} = 1$(漏掉了 $n=3$ 的幂次)而误选 A。
Part 7 · 克拉默法则
线性方程组的显式解——理论与工程的鸿沟

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

$D = \det(A) \neq 0$,则方程组 $A\mathbf{x} = \mathbf{b}$ 有唯一解:

$$x_j = \frac{D_j}{D},\quad j = 1,2,\dots,n$$

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:$\begin{cases} 2x_1 + x_2 = 1 \\ x_1 + 3x_2 = -2 \end{cases}$

目标:用克拉默法则求唯一解,感受替换列的操作。

  1. 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)。
  2. 计算 $D_1$(替换第 1 列):$D_1 = \det\begin{pmatrix}1 & 1 \\ -2 & 3\end{pmatrix} = 1\cdot3 - 1\cdot(-2) = 5$
  3. 计算 $D_2$(替换第 2 列):$D_2 = \det\begin{pmatrix}2 & 1 \\ 1 & -2\end{pmatrix} = 2\cdot(-2) - 1\cdot1 = -5$
  4. $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:$2\cdot1 + (-1) = 1$ ✓,$1 + 3\cdot(-1) = -2$ ✓。

易错点:$D_j$ 是替换第 $j$ 列,不是第 $j$ 行。当 $D = 0$ 时克拉默法则不适用——需用高斯消元判断是无解还是无穷多解。

克拉默法则的局限性

理论上给出了显式解,但计算 $n+1$$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。

Part 8 · 与后续章节的关系
行列式在课程中的连接图
→ 逆矩阵(1.3 节)
$\det(A) \neq 0$ 是可逆的充要条件
伴随矩阵公式 $A^{-1} = \frac{1}{\det(A)}\operatorname{adj}(A)$ 直接依赖行列式。
PDF逆矩阵与克拉默法则p.1

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→ 矩阵的秩(1.4 节)
满秩 $\iff \det(A) \neq 0$
$n$ 阶矩阵满秩 $\iff r(A) = n \iff \det(A) \neq 0$。行列式子式是判断秩的重要工具。
→ 线性方程组(第四章)
克拉默法则给出唯一解
$D = 0$ 时方程组无解或无穷多解,需用高斯消元判断。
PDF高斯消元法p.3

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→ 特征值(第五章)
特征多项式 $\det(A - \lambda I) = 0$
特征值之积等于 $\det(A)$,特征值之和等于 $\operatorname{tr}(A)$。这两个关系在数值分析中用于判断矩阵是否奇异。

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