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◎学习目标
- 理解按 \(k\) 行展开时,由于 \(k\) 行含 \(k\) 个元素、不好逐个按“单个元素”分组,只能改用取定 \(k\) 个列、把“与某个 \(k\) 阶子式有关的项”归为一组,从而用三重求和表达整个 \(n\) 阶行列式的定义;
- 掌握行列式按 \(k\) 行 \(k\) 列展开定理(Laplace 展开定理):\(\det A = \sum M_{i_1\cdots i_k}^{j_1\cdots j_k}\, A_{i_1\cdots i_k}^{j_1\cdots j_k}\),即取定的 \(k\) 行所形成的所有 \(k\) 阶子式与其代数余子式乘积之和等于整个行列式;
- 推导该公式的符号因子:\((-1)^{\sum i_p + \sum j_p}\)(行标和加列标和),理解它来自“把 \(k\) 行子式元素排到前面、\(n-k\) 行子式元素排到后面”的排列逆序数计算;
- 掌握推论:右上角为 0 矩阵的分块(上三角分块)矩阵的行列式“一挖个洞就好算”,即 \(\det\begin{pmatrix} A & 0 \\ C & B \end{pmatrix} = \det A\cdot\det B\)。
- 认识 \(k\) 阶代数余子式中子式行标和列标的奇偶性对符号的作用,以及“取定行”后子式“行标和”与“列标和”可被提出求号的关键化简。
1回顾:\(k\) 阶子式与 \(k\) 阶代数余子式 ⏱ 00:01
本集是第 P17 集“\(k\) 阶子式、行列式 \(k\) 行 \(k\) 阶展开”的延续与补充。上一集已给出两个基本对象,本集先回顾它们的定义,再给出展开定理的完整证明思路。
2按 \(k\) 行 \(k\) 列展开定理(Laplace 展开) ⏱ 03:13
证明思路(分组+符号化简,三重求和还原 \(n\) 阶定义)
第一步 · 按 \(k\) 阶子式分组。因为一次取定的是 \(k\) 行、含 \(k\) 个元素,不好像“按 1 行展开”那样按单个元素分组,只能取定 \(k\) 列 \(j_1,j_2,\dots,j_k\)(\(j_1<\cdots
第二步 · 用三重求和表达 \(n\) 阶定义。取定 \(k\) 行 \(i_1,\dots,i_k\) 与 \(k\) 列 \(j_1,\dots,j_k\) 后,剩下的 \(n-k\) 个行、\(n-k\) 个列由排列来取,再对 \(j_1,\dots,j_k\)(从 \(1,\dots,n\) 中取 \(k\) 个)求和,得到三重求和;它恰好把 \(n\) 阶行列式定义中的全部项重新分组表达出来。⏱ 04:53
第三步 · 符号因子的化简。每个 \(n\) 阶项的符号是 \((-1)^{\text{逆序数}}\)。先做 \(S\) 次对换把“前 \(k\) 行子式的元素”排到前面、“后 \(n-k\) 行子式的元素”排到后面;因后面 \(n-k\) 个是自然排列(逆序数为 0),\(S\) 次的奇偶性等于 \((i_1,\dots,i_k; j_1,\dots,j_k)\) 这一 \(k\) 元排列的奇偶性。再分别数“\(k\) 行子式内部”“\(n-k\) 行子式内部”“前者相对后者的相对错位”三部分逆序数,化简后得到统一符号
第四步 · 提出公因子、凑成代数余子式。符号化简后,把 \(k\) 阶子式 \(M_{i_1\cdots i_k}^{j_1\cdots j_k}\) 作为公因子提出;剩下的部分正是“划去 \(i_1,\dots,i_k\) 行与 \(j_1,\dots,j_k\) 列后的 \((n-k)\) 阶子式”乘上符号因子 \((-1)^{\sum i_p+\sum j_p}\),即 \(k\) 阶代数余子式 \(A_{i_1\cdots i_k}^{j_1\cdots j_k}\)。于是
3符号的化简:\((-1)^{\text{行标和}+\text{列标和}}\) ⏱ 10:13
证明里最关键、也最容易卡壳的一步是:为什么 \(k\) 阶代数余子式的符号因子恰好是 \((-1)^{\sum i_p + \sum j_p}\)(即行标和加列标和的奇偶性)?
“连续整数求和”的等差技巧
符号化简中反复用到“\(1+2+\cdots+k\) 这类等差和的奇偶性”——高中等差求和公式:
4推论:“挖洞”行列式 = 两子式之积 ⏱ 18:58
老师紧接着给出一个“非常有用”的应用——一个右上角全 0 的分块矩阵的行列式计算。
用 Laplace 展开(按前 \(k\) 行)证明
把该 \(n\) 阶矩阵看成 \(k\) 行(前 \(k\) 行)加 \(t\) 行(后 \(t\) 行)。按前 \(k\) 行做 \(k\) 阶展开:前 \(k\) 行形成的 \(k\) 阶子式,只有取前 \(k\) 列(即左上角 \(A\))那个子式才可能非零——只要 \(k\) 阶子式里取到了“后 \(t\) 列”中的任意一列,由于右上角全 0,该子式就必含一整行(列)的 0,从而为 0。⏱ 19:44
于是 \(k\) 阶展开中只有一项非零:子式 = \(\det A\),其代数余子式 = 划去前 \(k\) 行前 \(k\) 列后右下角的 \((n-k)=t\) 阶子式 \(=\det B\)(代数余子式的符号 \((-1)^{\sum_{i=1}^{k}i+\sum_{j=1}^{k}j}=(-1)^{2\cdot k(k+1)/2}=+1\),行标和与列标和都是 \(1+\cdots+k\),相加为偶数,故符号为正)。⏱ 21:26 – 23:05
★重点回顾
⚠易错点提醒
- 把 \(k\) 阶子式与 \(k\) 阶代数余子式混淆:\(M_{i_1\cdots i_k}^{j_1\cdots j_k}\) 是取定 \(k\) 行 \(k\) 列交叉处的 \(k\) 阶行列式(无符号);代数余子式 \(A_{i_1\cdots i_k}^{j_1\cdots j_k}=(-1)^{\sum i_p+\sum j_p}M_{i'_1\cdots}^{j'_1\cdots}\) 是“剩下的 \((n-k)\) 阶子式”乘符号因子。展开公式里子式与代数余子式配对,不要拿同一个 \(k\) 阶子式自乘。
- 符号因子的下标是“取定的 \(k\) 行行标 + 取定的 \(k\) 列列标”,即 \(\sum_{p=1}^{k}i_p+\sum_{p=1}^{k}j_p\),不是剩下那 \(n-k\) 个指标的和(虽然由对称性两者同奇偶,但标准定义按“取定子式的指标”写)。
- “挖洞”只适用于“右上角(或左下角)整块全 0”的情形;若 0 分布不规则(不是矩形块),不能直接套 \(\det A\det B\)。先判断“洞”是不是整齐的矩形零块。
- 挖洞时 \(A\)、\(B\) 必须是方阵:\(k\times k\) 与 \(t\times t\)(\(k+t=n\));中间“洞”的尺寸要与两子式匹配,否则不成立。
- 不要误用 \(k=1\) 与 \(k>1\) 的记号:\(k=1\) 时 \(M\) 退化为单个元素 \(a_{ij}\)、代数余子式退化为 P15 的 \(A_{ij}\);推广到 \(k\ge 2\) 后 \(M\)、\(A\) 都带“多行多列”下标,写公式要带上 \(i_1,\dots,i_k\) 与 \(j_1,\dots,j_k\) 完整指标。
✎自测与作业
- (Laplace \(k\) 行展开)设 \(A\) 为 \(4\) 阶矩阵,取定第 \(1,2\) 行,写出按这两行 \(2\) 阶展开的公式 \(\det A=\sum_{1\le j_1<j_2\le 4}M_{12}^{j_1j_2}A_{12}^{j_1j_2}\),并写出其中 \(M_{12}^{12}\) 与 \(A_{12}^{12}\) 的具体表达式(用 \(A\) 的元素)。
- (挖洞)设 \(A=\begin{pmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{pmatrix}\)、\(B=\begin{pmatrix}b_{11}&b_{12}\\b_{21}&b_{22}\end{pmatrix}\)、\(C=\begin{pmatrix}c_{11}\\c_{21}\end{pmatrix}\) 为任意 \(2\) 阶方阵。证明(并按 \(k=2\) 行展开验证)
\[ \det\begin{pmatrix} A & 0 \\ C & B \end{pmatrix}=\det A\cdot\det B. \]并计算当 \(A=B=I_2\)、\(C\) 任意时该 \(4\) 阶行列式的值。
- (符号奇偶性)证明:\(1+2+\cdots+k=\tfrac{k(k+1)}{2}\) 的奇偶性,恰等于“把 \(k\) 个连续行标之和”的奇偶性;并说明为何“行标和 + 列标和”中成对的连续整数等差和项可被抵消,最终符号只剩 \((-1)^{\sum i_p+\sum j_p}\)。
- (对称推论)用按“后 \(t\) 行”展开,推导左下角为 0 的块矩阵公式 \(\det\begin{pmatrix}A&C\\0&B\end{pmatrix}=\det A\cdot\det B\),并指出它与“挖洞(右上角 0)”的对称关系。
- (思想题,思考)为什么按 \(k\) 行展开时要“取定 \(k\) 列、按 \(k\) 阶子式归组”,而不能像 \(k=1\) 那样按单个元素归组?用“分组必须保证每项被且仅被归入一组”说明分组原则的必要性。
- (选做)设 \(n\) 阶上三角分块矩阵 \(\begin{pmatrix}A&0\\0&B\end{pmatrix}\)(同时右上、左下全 0),写出其行列式,并说明它如何由本集两个“挖洞”推论直接得到。