跳转到内容

1.1 二、三阶行列式

[美] David C. Lay、Steven R. Lay 等著,刘深泉等译机械工业出版社《线性代数及其应用(原书第5版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

行列式是由解线性方程组产生的,是线性代数学中的一个重要基本概念,它作为一种重要的数学工具,在自然科学的许多领域内都有广泛的应用。本节首先介绍二、三阶行列式,然后介绍 n 阶行列式的定义、性质和计算方法,最后介绍用 n 阶行列式求解 n 元线性方程组的克拉默(Cramer)法则。

设有二元一次方程组

a₁1 x₁ + a₁2 x₂ = b₁, a₂1 x₁ + a₂2 x₂ = b₂. (1.1)

其中 x₁, x₂ 为未知量;a₁1, a₁2, a₂1, a₂2 为未知量的系数;b₁, b₂ 为常数项。当 a₁1 a₂2 - a₁2 a₂1 ≠ 0 时,由消元法可得方程组 (1.1) 的唯一解为

x₁ = fraca₂2 b₁ - a₁2 b₂a₁1 a₂2 - a₁2 a₂1, x₂ = fraca₁1 b₂ - a₂1 b₁a₁1 a₂2 - a₁2 a₂1. (1.2)

为了便于叙述和记忆,引入记号

定义 1.1 二阶行列式

表达式

D = a₁1 & a₁2 a₂1 & a₂2 = a₁1 a₂2 - a₁2 a₂1 (1.3)

称为二阶行列式,简记为 D = det(aᵢj)。

数 aᵢj (i = 1, 2; j = 1, 2) 称为行列式的元素。元素 aᵢj 的第一个下标 i 称为行标,表明该元素位于第 i 行;第二个下标 j 称为列标,表明该元素位于第 j 列。

对角线法则

上述二阶行列式可用对角线法则来记忆:二阶行列式是两项的代数和,第一项是从左上角到右下角的主对角线上两元素的乘积,带正号;第二项是从右上角到左下角的副对角线上两元素的乘积,带负号。

按此法则,记

D₁ = b₁ & a₁2 b₂ & a₂2 = b₁ a₂2 - a₁2 b₂, D₂ = a₁1 & b₁ a₂1 & b₂ = a₁1 b₂ - b₁ a₂1.

其中 Dᵢ (i = 1, 2) 表示把 D 中第 i 列换成式 (1.1) 右边的常数项所得到的行列式。

于是,当 D ≠ 0 时,二元线性方程组 (1.1) 的解就可唯一地表示为

x₁ = frac b₁ & a₁2 b₂ & a₂2 a₁1 & a₁2 a₂1 & a₂2 = (D₁)/(D), x₂ = frac a₁1 & b₁ a₂1 & b₂ a₁1 & a₁2 a₂1 & a₂2 = (D₂)/(D). (1.4)
例 1 解方程组

解方程组

2x₁ - 3x₂ = 5, 2x₁ + 5x₂ = -3.
解

由于分母行列式即方程组的系数行列式为

D = 2 & -3 2 & 5 = 2 × 5 - (-3) × 2 = 16 ≠ 0.

x₁ 的分子行列式为

D₁ = 5 & -3 -3 & 5 = 5 × 5 - (-3) × (-3) = 16.

x₂ 的分子行列式为

D₂ = 2 & 5 2 & -3 = 2 × (-3) - 5 × 2 = -16.

于是根据二元一次方程组的求解公式 (1.4),可得方程组的唯一解:

x₁ = (16)/(16) = 1, x₂ = (-16)/(16) = -1.

设有三元线性方程组

a₁1 x₁ + a₁2 x₂ + a₁3 x₃ = b₁, a₂1 x₁ + a₂2 x₂ + a₂3 x₃ = b₂, a₃1 x₁ + a₃2 x₂ + a₃3 x₃ = b₃. (1.5)

可以由前两个方程消去 x₃,得到一个只含有 x₁, x₂ 的方程;同样,可由后两个方程消去 x₃,得到一个只含有 x₁, x₂ 的方程,对这两个新的方程,再利用求解二元一次方程组的方法消去 x₂,就可以解得

(a₁1 a₂2 a₃3 + a₁2 a₂3 a₃1 + a₁3 a₂1 a₃2 - a₁3 a₂2 a₃1 - a₁2 a₂1 a₃3 - a₁1 a₂3 a₃2) x₁ = b₁ a₂2 a₃3 + b₃ a₁2 a₂3 + b₂ a₁3 a₃2 - b₃ a₂2 a₁3 - b₂ a₁2 a₃3 - b₁ a₂3 a₃2.

把 x₁ 的系数记为

定义 1.2 三阶行列式

数表记号

D = a₁1 & a₁2 & a₁3 a₂1 & a₂2 & a₂3 a₃1 & a₃2 & a₃3 (1.6)= a₁1 a₂2 a₃3 + a₁2 a₂3 a₃1 + a₁3 a₂1 a₃2 - a₁3 a₂2 a₃1 - a₁2 a₂1 a₃3 - a₁1 a₂3 a₃2.

称为三阶行列式。

从这个定义可以看出,三阶行列式表示 6 项的代数和,每一项都是 3 个数的乘积冠以适当的正负号,这 3 个数取自 D 中不同的行和不同的列。反之,任意取自 D 中不同的行和不同的列的 3 个数的乘积冠以适当的正负号后都是 D 的展开式中的某一顶。

三阶对角线展开法则

如图 1.1 所示,各实线联结的三个元素的乘积前面带“+”号,各虚线联结的三个元素的乘积前面带“-”号。

图 1.1 三阶行列式的对角线展开法则

称式 (1.6) 中的 D 为三元线性方程组 (1.5) 的系数行列式。根据三阶行列式的定义,有

D₁ = b₁ & a₁2 & a₁3 b₂ & a₂2 & a₂3 b₃ & a₃2 & a₃3 = b₁ a₂2 a₃3 + b₃ a₁2 a₂3 + b₂ a₁3 a₃2 - b₃ a₂2 a₁3 - b₂ a₁2 a₃3 - b₁ a₂3 a₃2.

若 D ≠ 0,则 x₁ 可表示为

x₁ = (D₁)/(D).

同理可得

x₂ = (D₂)/(D), x₃ = (D₃)/(D).

其中

D₂ = a₁1 & b₁ & a₁3 a₂1 & b₂ & a₂3 a₃1 & b₃ & a₃3 , D₃ = a₁1 & a₁2 & b₁ a₂1 & a₂2 & b₂ a₃1 & a₃2 & b₃ .

Dᵢ (i = 1, 2, 3) 是把系数行列式 D 的第 i 列用线性方程组 (1.5) 右边的常数列替换后得到的行列式。

例 2 解三元线性方程组

解三元线性方程组

3x₁ + x₂ + x₃ = 8, x₁ + x₂ + x₃ = 6, x₁ + 2x₂ + x₃ = 8.
解

用对角线法则计算行列式,得系数行列式

D = 3 & 1 & 1 1 & 1 & 1 1 & 2 & 1 = 3 × 1 × 1 + 1 × 1 × 1 + 1 × 2 × 1 - 1 × 1 × 1 - 1 × 2 × 3 - 1 × 1 × 1 = -2.

分子行列式分别为

D₁ = 8 & 1 & 1 6 & 1 & 1 8 & 2 & 1 = -2, D₂ = 3 & 8 & 1 1 & 6 & 1 1 & 8 & 1 = -4, D₃ = 3 & 1 & 8 1 & 1 & 6 1 & 2 & 8 = -6.

因此线性方程组的解为

x₁ = (D₁)/(D) = 1, x₂ = (D₂)/(D) = 2, x₃ = (D₃)/(D) = 3.
例 3 特殊三阶行列式

证明特殊三阶行列式计算公式:

a & * & * 0 & b & * 0 & 0 & c = a & 0 & 0 * & b & 0 * & * & c = abc, * & * & a * & b & 0 c & 0 & 0 = 0 & 0 & a 0 & b & * c & * & * = -abc.

其中 * 表示在这些位置上的元素可以任意取值,它们不影响行列式的值。

解

由对角线法则立得结果: 在主对角线展开中,只有主对角线上三个元素的乘积 a · b · c 保持非零,其余 5 项均因至少包含一个 0 元素而恒等于 0;对于副对角线形式,仅有副对角线一项乘积为非零,且带有负号,即 -abc。

共 0 题