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◎学习目标
- 理解把“二阶行列式(主对角线之积减副对角线之积)”推广到 \(N\) 阶行列式时,为什么要改为“每一项是取不同行、不同列的 \(N\) 个元素之积”;
- 掌握\(n\) 元排列(全排列)的概念:把 \(n\) 个不同数(如 \(1,2,\dots,n\))排成一列的所有方式,个数为 \(n!\);
- 掌握把二阶行列式两项按“行指标从小到大、自然顺序”排列后,列指标构成的排列(如 \((1,2)\) 与 \((2,1)\))决定该项取正号还是取负号;
- 学会数一个排列的顺序(数对)与错排(逆序对),理解“排列的奇偶性由逆序数决定”(下一集系统展开);
- 为正式定义 \(N\) 阶行列式(列指标全排列的符号)打下基础。
0承接:从二阶到 \(N\) 阶行列式 ⏱ 00:00
第 7 集由“解二元一次方程组”得到二阶行列式 \(\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{vmatrix}=a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}\),并说明“系数行列式 \(\neq0\) ⇔ 二元方程组有唯一解”。本集(第 8 集,第二章“行列式”的开头)要把这个结论推广到 \(N\) 个方程、\(N\) 个未知量 的线性方程组,引出 \(N\) 阶行列式;而定义 \(N\) 阶行列式的关键工具,是\(n\) 元排列(全排列)与它的奇偶性。本集先研究 \(n\) 元排列。
1二阶行列式的结构:行指标、列指标与全排列 ⏱ 01:30
观察二阶行列式的两项,发现它的规律(为推广到 \(N\) 阶做准备):
二阶行列式的“取法”
\[ \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12}\\ a_{21} & a_{22} \end{vmatrix} = a_{11}a_{22} - a_{12}a_{21}. \]
- 每一项都是两个元素之积;
- 就行指标而言,第一项取“第 1 行 \(a_{11}\) × 第 2 行 \(a_{22}\)”、第二项取“第 1 行 \(a_{12}\) × 第 2 行 \(a_{21}\)”——即取不同行(每行恰好取一个);
- 就列指标而言,第一项取“第 1 列 \(a_{11}\) × 第 2 列 \(a_{22}\)”、第二项取“第 2 列 \(a_{12}\) × 第 1 列 \(a_{21}\)”——即取不同列(每列恰好取一个)。
列指标构成的全排列(项的个数)
把每一项按行指标从小到大(自然顺序)排好后,剩下的列指标就构成一个排列:二阶时第一项列指标为 \((1,2)\)、第二项为 \((2,1)\),正好是 \(\{1,2\}\) 的两个全排列。全排列个数为 \(2! = 2\),故二阶行列式共 2 项(一正一负,取代数和)。
推广到 \(N\) 阶:列指标构成 \(n\) 个数的全排列,共有 \(n!\) 个,故 \(N\) 阶行列式共 \(n!\) 项。
推广到 \(N\) 阶:列指标构成 \(n\) 个数的全排列,共有 \(n!\) 个,故 \(N\) 阶行列式共 \(n!\) 项。
2\(n\) 元排列(全排列)的概念 ⏱ 04:00
定义 · \(n\) 元排列(全排列)
把 \(n\) 个自然数 \(1,2,\dots,n\)(或 \(n\) 个互不相同的正整数)全部取出、排成一列,就构成一个\(n\) 元排列(\(n\) 个数的全排列)。全排列的个数为 \(n!\)(高中排列组合)。
例 · 三元排列(共 \(3!=6\) 个)
\[ (1,2,3),\ (1,3,2),\ (2,1,3),\ (2,3,1),\ (3,1,2),\ (3,2,1). \]
共 6 个,即三元全排列(“很容易写错,需数全”)。
例 · 四元排列(共 \(4!=24\) 个)
例如 \((2,4,3,1)\) 是 \(1,2,3,4\) 构成的一个四元全排列;四元全排列共 \(4! = 24\) 个。
为什么要引入 \(n\) 元排列
\(N\) 阶行列式的每一项取“不同行、不同列”的 \(N\) 个元素;把每项按行指标排成自然顺序后,剩下的列指标就构成一个 \(n\) 元排列。而“该项取正号还是取负号”恰恰由这个列指标排列的奇偶性(逆序数)决定——所以要先研究 \(n\) 元排列(及其顺序 / 错排 / 逆序数),下一集再定义 \(N\) 阶行列式的通项符号。
3顺序 与 错排(逆序)⏱ 06:30
对一个排列,考察其中数对(两个数构成的有序对,按左到右):
顺序 与 错排(逆序对)
- 顺序(顺序数对):排列中“左小右大”的数对(按自然从小到大);
- 错排(逆序、逆序数对):排列中“左大右小”的数对(顺序颠倒了,叫逆序;其个数叫逆序数,记作 \(\tau\) 或 \(N(\sigma)\))。
例 · 数 \((2,4,3,1)\) 的逆序数
逐个看“每个数左边/右边比它大的数”来数逆序(左大右小的数对):
- \(2\):其后比 2 小的只有 \(1\) → 1 个逆序(\((2,1)\));
- \(4\):其后比 4 小的有 \(3,1\) → 2 个逆序(\((4,3),(4,1)\));
- \(3\):其后比 3 小的有 \(1\) → 1 个逆序(\((3,1)\));
4逆序数与排列的奇偶性(行列式符号的关键)⏱ 09:00
从二阶到 \(N\) 阶:符号由排列奇偶性决定
二阶行列式中:
- “正号”那项,列指标排列 \((1,2)\) 是自然顺序(从小到大,逆序数 \(\tau=0\),偶排列);
- “负号”那项,列指标排列 \((2,1)\) 是逆序(从大到小)(逆序数 \(\tau=1\),奇排列)。
本集定位
本集是“行列式”一章的起点:先把定义 \(N\) 阶行列式所需的“\(n\) 元排列及其奇偶性(逆序)”讲清楚(数顺序与错排、算逆序数、判奇偶);随后第 9 集严格定义“排列的奇偶性(逆序数)”,第 10 集给出 \(N\) 阶行列式的通项定义与性质(如“交换两行,行列式变号”)。
★重点回顾
1
二阶行列式结构:每一项是“取不同行、不同列”的两元素之积;按行指标排自然顺序后,列指标构成全排列(二阶为 \((1,2)\) 与 \((2,1)\),共 \(2!\) 个)。这是推广到 \(N\) 阶的蓝图。
2
\(n\) 元排列(全排列):\(n\) 个不同数全排成一列,共 \(n!\) 个;三元 6 个、四元 24 个。
3
顺序 / 错排(逆序对):左小右大者为顺序,左大右小者为错排(逆序);逆序数 \(\tau\) 为奇/偶分别决定排列为奇/偶排列。
4
奇偶性与行列式符号:列指标排列是偶排列(\(\tau\) 偶)取正号、奇排列(\(\tau\) 奇)取负号;\(N\) 阶行列式的通项符号即由此确定(\(N\) 阶共 \(n!\) 项,一正一负按排列奇偶分配)。
⚠易错点提醒
常见错误
- 数 \(n\) 元排列个数用 \(n\)(而非 \(n!\)):全排列个数是阶乘 \(n!\)(\(3! = 6\)、\(4! = 24\)),不是 \(n\) 本身。
- 数逆序数时漏“顺序”与“错排”的对应:两两数对总数 \(\binom{n}{2}\),其中顺序数对 + 错排数对 = \(\binom{n}{2}\);逆序数 \(\tau\) 是错排(逆序)数对数。
- 把“顺序”误读为“错排”:左小右大(自然从小到大)是顺序;左大右小才是错排(逆序)。
- 以为二阶“主对角线减副对角线”可直接套到 \(N\) 阶:\(N\) 阶有 \(n!\) 项,不能只用两条对角线;必须按“列指标全排列的奇偶性”确定每项符号,这是引入排列与逆序数的原因。
- 混淆“排列的奇偶性”与“某一项的符号”:奇偶性(逆序数奇偶)决定符号(偶取正、奇取负);\(N\) 阶行列式共 \(n!\) 项,每项符号由对应列指标排列的奇偶性分配。
✎自测题
- 写出 \(\{1,2,3,4\}\) 的一个四元全排列(如 \((2,4,3,1)\)),并数出它的逆序数,判断它是奇排列还是偶排列。
- 说明:二阶行列式为什么恰有 2 项?(列指标全排列 \((1,2)\)、\((2,1)\) 共 \(2!\) 个)其中哪一项取正号、哪一项取负号,依据是什么(列指标排列的奇偶性)?
- 对一个三元排列 \((1,3,2)\),数出它的顺序数对与错排(逆序)数对各几个,并求逆序数。
- 解释“\(N\) 阶行列式的通项符号由列指标全排列的奇偶性决定”这一想法:偶排列取正、奇排列取负,\(N\) 阶共 \(n!\) 项。
- 写出三元全排列的全部 6 个,并逐个判断奇偶性(求逆序数)。
- 若一个四元排列的逆序数为 5,说明它是奇排列还是偶排列,并估计它对应 \(N\) 阶行列式某一项的符号。
下一集预告
第 9 集:二:排列的奇偶性——严格定义“排列的逆序数与奇偶性”,证明“对换改变排列奇偶性”,并引入行列式按某行(列)展开的初步性质;第 10 集正式给出 \(N\) 阶行列式的通项定义(\(\sum_{\sigma} (\text{sgn}\,\sigma)\,a_{1\sigma_1}\cdots a_{n\sigma_n}\))与基本性质。