线性代数教案-第三章 行列式及其应用

第三章行列式及其应用
本在线性代数应用于几何、分析等领域时,行列式理论起着重要的作用,线性代数范畴的矩阵理论的进一步深化,也要以行列式作工具.本章研究行列式理论以及它的一些作用.
一、教学目标与基本要求
（一）知识
1n 阶行列式的定义及性质
现将这些性质作为公理体系来定义n 阶行列式.设][ij a =A 是任意一个n 阶方阵,用i A 记其第i 行元素为分量的n 元向量,即
)(21in i i i a a a ,,, =A ,n i ,,,
21=, 并称其为行向量.有序向量组}{1n A A ,, 所定义的实值函数)(d 1n A A ,, 被称为n 阶行列式函数,如果它满足下列公理:
公理1 对每行具有齐性,即对任意实数t ,有
)(d )(d ,,,,k k t t A A =,n k ,,
1=. 公理2 对每行都具加性.即对任意n 元向量B ,有
.,, ,,,,,,,,,n k k k k k 1)(d )(d )(d 11=+
=++-A B A A B A
公理3若任意相邻两行相等,则行列式为零.即若1+=k k A A )11(-=n k ,, ,则0)(d 1=n A A ,, .
公理4 对于n
R 中常用基}{1n e e ,, ,有 1)(d 1=n e e ,, .
当}{1n A A ,, 取定,则称)(d 1n A A ,, 为一个n 阶行列式.有时也简称为n 阶行列式函数为n 阶行列式.n 行列式常被记为det A ,|A |,或
nn
n n n n a a a a a a a a a
2122221
11211
. 公理4意味着,对于n 阶单位方阵E ,有
1det ==||E E .
前两个公理意味着,行列式函数是它每一行的线性函数,即对任意一行(如第1行)而言,若p t t ,, 1是任意p 个实数,p B B ,, 1是任意p 个n 元向量(p 是任意正整数),有
)d()(d 2121n p
k k k n p k k k t t A A B A A B ,,,,,, ∑∑===
定理3.1.1满足公理1,2,3的行列式函数)(d 1n A A ,, 具有以下性质:
(1)若行列式某一行为零,则此行列式为零.
(2)对调行列式任意两行,则行列式变号.
(3)若行列式任意两行相等,则此行列式为零.
(4)若向量组}{1n A A ,, 是相关的,则行列式0)(d 1=n A A ,, .
(5)把行列式某行乘以数加到另一行去,行列式值不改变.
2
行列式的计算
例3.2.2设A 是形如下式的n 阶对角方阵
⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡nn a a a
0000002211)0(j i a ij ≠=, 则nn a a a A 2211det =.
由该例可得到:
例3.2.3设A 是形如下式的n 阶上三角方阵
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡nn n n a a a a a a 00022211211(主对角线下方各元素为零) 则nn a a a A 2211det =.
定理3.2.1 设d 是满足行列式公理1～4的n 阶行列式函数,f 是满足行列式公理1～3的n 阶行列式函数,则对任意选定的n 元向量n A A ,, 1及n
R 中常用基}{1n e e ,, ,有 )()()(111n n n f d f e e A A A A ,,,,,, =.(3.2.2)
若f 还满足行列式公理4,则有
)(d )(11n n f A A A A ,,,, =.
定理3.2.2 若A 是一个非奇异方阵(即1-A 存在),则0det ≠A ,且
A
A det 1det 1=- 定理3.2.3 设n A A ,, 1是n 个n 元向量.该向量独立的充要条件是0)(d 1≠n A A ,, . 本节最后,讨论分块对角方阵的行列式的简便算法.
定理3.2.3 形如式(3.2.10)的分块对角方阵成立着
B A B O O A det det det =⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡
本定理可以推广到一般情形:若C 是一个具有对角子块n A A ,, 1的分块对角方阵,即
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢
⎢⎢⎢⎣⎡=n A O A O A C 21, 则)det ()det )(det (det 21n A A A C =.
3
行列式的展开公式
定义3.3.1给定n 阶方阵][kj a A =(n ≥2).去掉其元素kj a 所在的第k 行和第j 列后,余下元素按原来位置构成的1-n 阶方阵,被称为元素kj a 的余子阵,记为kj A .而称kj A det 为kj a 的余子式.
定理3.3.1对任意n 阶方阵][kj a A =(n ≥2),有
kj j k kj
A A det )1(det +-=',n k ,, 1=. (3.3.2) 从而有
∑=+-=n
j kj j k kj A a A 1
det )1(det ,n k ,,
1=. (3.3.3) 此式被称为行列式按第k 行的展开式.
定义3.3.2对行列式det A 而言,称kj j k A det )1(+-为元素kj a 的代数余子式,记为
kj a cof .
下面将利用数学归纳法来证明n 阶行列式函数的存在性,从而在理论上确立了n 阶行列式函数的存在唯一性.与此同时,可得到行列式按列展开的公式.
定理3.3.2设1-n 阶行列式函数存在.对任意n 阶方阵][kj a A =,定义函数
∑=+-=n
k k k k n A a A A f 11111det )1()(,, , (3.3.4)
则它是n 阶行列式函数
定理3.3.3对任意n 阶方阵][kj a A =,有
∑=+⎩⎨⎧≠==-n j ij kj j i k i k i A A a 1
det det )
1( 0, , (3.3.6) ∑=+⎩⎨⎧≠==-n j ji jk j i k i k i A A a 1det det )1( 0,
, (3.3.7) 定理3.3.4对任意n 阶方阵][kj a A =,有
T det det A A =.
4 伴随阵及方阵的逆
定义3.4.1给定n 阶方阵][ij a A =,称n 阶方阵T
][cof ij a 为A 的伴随阵,记为 *A .
据此定义知: A 的伴随阵*A 位于第j 行第i 列的元素,就是A 的元素ij a 的代数余子式 ij j i ij A a det )1(cof +-=.
定理3.4.1对任意n 阶方阵][ij a A =(n ≥2),有
E A AA )(det *=.
又:若0det ≠A ,则1-A 存在,且有
*det 11A A
A =-. 定理3.4.2对任意n 阶方阵A 而言,1-A 存在得充分必要条件是0det ≠A .当0det ≠A ,
就有
*det 11A A A =-,A
A det 1det 1=-
5 矩 阵 的 秩
定义3.5.1在一个n m ⨯矩阵A 中,任取k 行k 列(k ≤min(m ,n )),位于这些行列交叉处的元素按原来位置构成的k 阶行列式,被称为矩阵A 的k 阶子式. A 中不为零的子式. A 中不为零的子式的最高阶数,被称为矩阵A 的秩,记为)(A R .若A 没有不为零的子式(等价的说法是: A 是零矩阵),则认为其秩为零.
推论 若A 有一个r 阶子式不为零,而所有1+r 阶子式全为零,则r A R =)(.
定理3.5.1初等变换不改变矩阵的秩.等价的说法是:若A ～B (即A 与B 等价),则)()(B R A R =.
若A 是n 阶方阵且n A R =)(,则称A 为满秩方阵.显然,下列命题等价:
(1) A 是满秩方阵.
(2)0det ≠A .
(3) A 是可逆的(非奇异的).
6
克莱姆法则
定理3.6.1对于含有n 个未知量n x x ,, 1的n 个线性代数方程构成的方程组
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+++=+++=+++,
,,
n n nn n n n n n n b x a x a x a b x a x a x a b x a x a x a
22112222212111212111 (3.6.1) (或写为∑==n j i j ij b x a
1,n i ,,
1=.) 如果其系数方阵][ij a A =是非奇异的(即0det ≠A ),则它是唯一解.
这里kj a cof 是方阵A 的元素kj a 的代数余子式.
式(3.6.2)表示的线性代数方程组(3.6.1)的解亦可表示为
A C x j
j det det =,n j ,, 1=. (3.6.3)
这里方阵j C 是A 中第j 列换为列阵b 所成的n 阶方阵.读者容易验证(3.6.3)式右端与(3.6.2)式右端相等.
二本章重点及难点
1、 理解用公理定义行列式概念中的数学原理
2、 利用公理4进行行列式计算
3、 方阵的行列式及方阵可逆之间的关系
4、矩阵的秩
5、利用伴随阵求解方阵的逆
6、克莱母法则
三：本章教学内容的深化和拓宽
１．若第四个公理改变,行列式的值如何改变
２．当克莱母法则法则的相关条件改变又如何?
四：思考题和习题
1(3)(4) 2 3(1) 4 5(2) 7(3) 9 10(2) 11 12 13 14
15 16(2)
五、教学方式（手段）
本章主要采用讲授新课的方式。