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线性代数 零基础:行列式

傻瓜都能学会,先学线代,微积分后续再学。

行列式的样子

[1.1] 行列式的样子

第一个特征:双竖线。(一堆数字用双竖线包裹起来)

$$ \left| \begin{array}{cccc} 1 & 2 \\ 3 & 4 \\ \end{array} \right| $$

注意,不能写成“()”或者“[]”,错误写法: $$ \left( \begin{array}{cccc} 1 & 2 \\ 3 & 4 \\ \end{array} \right) $$ $$ \left[ \begin{array}{cccc} 1 & 2 \\ 3 & 4 \\ \end{array} \right] $$

第二个特征:行数=列数
(必须相等,不相等就不是行列式)正确写法:

$$ \left| \begin{array}{cccc} 1 & 2 & \\ 3 & 4 & \\ \end{array} \right| $$

错误写法: $$ \left| \begin{array}{cccc} 1 & 2 & 3 \\ 4 & 5 & 6 \\ \end{array} \right| $$ $$ \left| \begin{array}{cccc} 1 & 2 \\ 3 & 4 \\ 5 & 6 \end{array} \right| $$

总结:以上两个特征 必须同时满足,才能成为行列式,缺一不可。

[1.2] 行列式的本质

行列式本质是一个数。
这意思是说,行列式就好比(1+2)这样的表达式一样,经过计算,最后的结果是一个数。

[1.3] 行列式的计算方法

不同的行列式,形状不同,计算方法也不同。 分为:

[1.3.1] 特殊行列式的计算

先要搞清楚,行列式里面对角线的概念:行列式中从左上角到右下角的这条斜线,叫做正对角线。从右上角到左下角的这条斜线,叫做反对角线。 也就是说每一个行列式都有两条对角线。下面行列式中红色数字1 和4 两点形成的直线 就是正对角线。 绿色数字2和3 两点形成的直线 叫做反对角线。

$$ \left| \begin{array}{cccc} \color{red}{1} &\color{green}{2} \\ \color{green}{3} &\color{red}{4} \\ \end{array} \right| $$

[1.3.1.1] 上三角行列式的定义和计算

上三角行列式的定义:对角线左下侧的所有数都为0 的行列式。 下面的行列式,红色数字1、5、9 形成对角线,蓝色数字0所在的区域就是对角线的左下侧。 上三角指的是:1、2、3、5、6、9形成的三角形,顾名思义,叫做上三角。

$$ \left| \begin{array}{cccc} \color{red}{1} &2 &3 \\ \color{blue}{0} &\color{red}{5} &6 \\ \color{blue}{0} &\color{blue}{0} &\color{red}{9} \end{array} \right| $$

再来研究,上三角行列式的计算(未完,待更新2024-04-24 早上9:14) ...我回来了。继续。上三角行列式的计算方法是:直接将对角线上的数相乘即可。 例如:

$$ \left| \begin{array}{cccc} \color{red}{1} &2 &3 \\ \color{blue}{0} &\color{red}{5} &6 \\ \color{blue}{0} &\color{blue}{0} &\color{red}{9} \end{array} \right| =1*5*9=45 $$

[1.3.1.2] 下三角行列式的定义和计算

下三角行列式的定义:对角线右上侧的所有数都为 0 的行列式。 下面的行列式,红色数字1、5、9 形成对角线,蓝色数字0所在的区域就是对角线的右上侧。 下三角指的是:1、4、5、7、8、9形成的三角形,顾名思义,叫做下三角。

$$ \left| \begin{array}{cccc} \color{red}{1} &\color{blue}{0} &\color{blue}{0} \\ 4 &\color{red}{5} &\color{blue}{0} \\ 7 &8 &\color{red}{9} \end{array} \right| $$

下三角行列式的计算方法是:直接将对角线上的数相乘即可(和上三角行列式的计算方法完全一样)。

$$ \left| \begin{array}{cccc} \color{red}{1} &\color{blue}{0} &\color{blue}{0} \\ 4 &\color{red}{5} &\color{blue}{0} \\ 7 &8 &\color{red}{9} \end{array} \right|=1*5*9=45 $$

[1.3.1.3] 对角行列式的定义和计算

对角行列式的定义:除了对角线上的数以外的所有数都为 0 的行列式。换言之,对角行列式是上角行列式和下三角行列式的结合。注意:对角线本身的数中有没有 0 无所谓,只要除对角线以外的所有数都为 0 的行列式就是对角行列式。 对角行列式的计算方法:直接将对角线上的数相乘即可(和上三角行列式的计算方法、下三角行列式的计算方法完全一样)。

下面的行列式,红色数字形成对角线,蓝色数字0所在的区域都是0,至于对角线上有没有0则无所谓,所以以下两个都是对角行列式

$$ \left| \begin{array}{cccc} \color{red}{1} &\color{blue}{0} &\color{blue}{0} \\ \color{blue}0 &\color{red}{5} &\color{blue}{0} \\ \color{blue}0 &\color{blue}{0} &\color{red}{9} \end{array} \right| $$ $$ \left| \begin{array}{cccc} \color{red}{1} &\color{blue}{0} &\color{blue}{0} \\ \color{blue}0 &\color{red}{5} &\color{blue}{0} \\ \color{blue}0 &\color{blue}{0} &\color{red}{0} \end{array} \right| $$

对角行列式的计算方法:直接将对角线上的数相乘即可(和上三角行列式的计算方法、下三角行列式的计算方法完全一样)。

$$ \left| \begin{array}{cccc} \color{red}{1} &\color{blue}{0} &\color{blue}{0} \\ \color{blue}0 &\color{red}{5} &\color{blue}{0} \\ \color{blue}0 &\color{blue}{0} &\color{red}{0} \end{array} \right|=1*5*0=0 $$

[1.3.1.4] 反对角行列式的定义和计算

反对角行列式的定义:除了反对角线上的数以外的所有数都为 0的行列式(反对角线上的数中有没有 0都无所谓)。 如下的行列式,红色数字3、5、7形成反对角线,蓝色数字0所在区域都是0,符合定义,所以是反对角行列式。

$$\left| \begin{array}{cccc} \color{blue}{0} &\color{blue}{0} &\color{red}{3} \\ \color{blue}{0} &\color{red}{5} &\color{blue}{0} \\ \color{red}{7} &\color{blue}{0} &\color{blue}{0} \end{array} \right| $$

但是反对角行列式的计算,就跟前面的计算不一样了。 让我先去上班,等下班后再接着边学边写。 。。。 我回来了。反对角行列式的计算如下:

$$\left| \begin{array}{cccc} \color{blue}{0} &\color{blue}{0} &\color{red}{3} \\ \color{blue}{0} &\color{red}{5} &\color{blue}{0} \\ \color{red}{7} &\color{blue}{0} &\color{blue}{0} \end{array} \right| $$ $$ = (-1)^{n*(n-1)/2}*3*5*7 $$ $$ = (-1)^{3*(3-1)/2}*3*5*7 $$ $$ = -105 $$

聪明的你,能发现计算规律了吗?仔细看看,多看看。再往下看。。。 其中,n 是行列式的行数或者列数,后面的3、5、7 是反对角线上的数字。 至于为什么这样计算?我们先存疑,然后继续往下学,终有一天会弄懂缘由。

这里有一段需要解释,先空着,继续往下

[1.3.2] 一般行列式的计算

[1.3.2.1] 两行两列行列式的计算

两行两列的行列式又被称为二阶行列式,可以直接利用公式来计算。公式为:

$$ \left| \begin{array}{cccc} a & b \\ c & d \\ \end{array} \right|=ad-bc $$

举例:

$$ \left| \begin{array}{cccc} 1 & 2 \\ 3 & 4 \\ \end{array} \right|=1*4-2*3=-2 $$

[1.3.2.2] 三行三列行列式的计算

三行三列的行列式又被称为三阶行列式,与二阶行列式类似,可以直接利用公式来计算,公式为:

$$ \left| \begin{array}{cccc} a & b & c\\ d & e & f \\ g & h & i \\ \end{array} \right| $$ =aei+bfg+cdh-ceg-afh-bdi

怎么样,公式有点难记住吧?我来告诉你规律:等式右侧共有六项,前三项为正,后三项为负。先说前三项,第一项aei是正对角线上的数字相乘。 第二项bfg 是去掉aei只剩六个数,然后从这六个数中找出三个不同行也不同列的数相乘就形成了bfg。第三项cdh是在前面基础上,去掉aei,去掉bfg,剩下的3个数相乘就形成cdh。 再说后三项,第一项ceg是反对角线上的数字相乘。第二项afh 是去掉ceg只剩六个数,然后从这六个数中找出三个不同行也不同列的数相乘就形成了afh。第三项bdi是在前面基础上,去掉ceg,去掉afh,剩下的3个数相乘就形成bdi。注意后三项前面都有负号。 请务必勤加练习。(要弄懂这个公式,请在纸上多加练习,以后我会添加动画来辅助说明)。

举例: $$ \left| \begin{array}{cccc} 1 & 2 & 3\\ 4 & 5 & 6 \\ 7 & 8 & 9 \\ \end{array} \right| $$ =aei+bfg+cdh-ceg-afh-bdi
=1*5*9+2*6*7+3*4*8-3*5*7-1*6*8-2*4*9
=0

[1.3.2.3] 大于三行三列的行列式计算

前面学习的二阶行列式和三阶行列式可以通过公式来计算,但大于三阶的行列式就没有计算公式了。那么如何计算呢,思路是把复杂变成简单的,把未知变成已知的,把高价变成低阶,把四阶变成三阶或者二阶。计算方法就是:降阶法(也叫按行列展开法)。注意:四阶或者四阶以上只能使用降阶法,而三阶既可以使用公式法,也可以使用降阶法,把三阶降为二阶。

举例:使用降阶法把三阶降为二阶。我有点偷懒四阶就不演示了。 第一步:从行列式中任意选择一行或一列。此时有六种选法:可以选择第一行1,0,-2; 可以选择第二行1,1,3;可以选择第三行-2,3,1;可以选择第一列1,1,-2;可以选择第二列0,1,3;可以选择第三列-2,3,1。从这六种选法中任意选择一种都可以,因为无论选的是那种,最后的答案都是一样的。比如我们就选择第一行,即1,0,2。
第二步:按照降阶套路来,套路是 系数*(-1)^指数 *行列式。因为是3行3列,所以有3个系数,3个行列式,所以结果是 第一个系数*(-1)^第一个指数 *第一个行列式+第二个系数*(-1)^第二个指数 *第二个行列式+ 第三个系数*(-1)^第三个指数 *第三个行列式 (-1)是套路中固定的部分,这个记住就行了,(-1)前面 然后由于1处于第一行第一列,所以第一个系数是1,第一个指数是1+1。由于0处于第一行第二列,所以第二个系数是0,第二个指数是1+2。由于-2处于第一行第三列,所以第三个系数是-2,指数是1+3。然后:1,3,3,1; 1,3,-2,1; 1,1,-2,3;分别为行列式去掉1,0,-2的所在行和所在列后剩下的行列式。(这里请多看几遍,如果没有让你看明白,等我以后用动画来演示。)

$$ \left| \begin{array}{cccc} 1 & 0 & -2\\ 1 & 1 & 3 \\ -2 & 3 & 1 \\ \end{array} \right| $$ $$ = 1\times \left ( -1 \right ) ^{1+1} \times \begin{bmatrix} 1 & 3 \\ 3 & 1\end{bmatrix}$$ $$+ 0\times \left ( -1 \right )^{1+2} \times \begin{bmatrix} 1 & 3\\ -2 & 1 \end{bmatrix} $$ $$+ \left ( -2 \right )\times \left ( -1 \right ) ^{1+3} \times \begin{bmatrix} 1 & 1\\ -2 & 3 \end{bmatrix} $$ $$ =-8+0-10 $$ $$ =-18 $$

[1.4] 行列式的五条性质

为了计算的方便与快捷,以下这五条行列式的性质也请大家务必掌握。(再次说明:这不属于行列式的基本计算方法,只是性质,通过这些性质可以更快捷的计算一个行列式,请务必掌握)

[1.4.1] 性质1

一个行列式的转置等于它本身。(再说明白些,就是原行列式的值 等于 装置后的行列式的值。待会我会来验算)
先来说一下什么叫转置。把一个n行n列的行列式,第一行变成第一列,第二行变成第二列,......,第n行变为第n列后所得到的新行列式称为原行列式的转置。假设原行列式记为D,则它的转置记作$$\mathrm {D}^{T}$$

$$D= \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3\\ 4 & 5 & 6\\ 7 & 8 & 9 \end{bmatrix} $$ $$ \mathrm {D}^{T}=\begin{bmatrix} 1 & 4 & 7\\ 2 & 5 & 8\\ 3 & 6 & 9 \end{bmatrix} $$

我来验算。我采用三行三列行列式的计算公式来算。 $$D= \begin{bmatrix} 1 & 2 & 3\\ 4 & 5 & 6\\ 7 & 8 & 9 \end{bmatrix} $$ $$ =aei+bfg+cdh-ceg-afh-bdi $$ $$ =45+84+96-105-48-72 $$ $$ =0 $$ $$ \mathrm {D}^{T}=\begin{bmatrix} 1 & 4 & 7\\ 2 & 5 & 8\\ 3 & 6 & 9 \end{bmatrix} $$ $$ =aei+bfg+cdh-ceg-afh-bdi $$ $$ =45+96+84-105-48-72 $$ $$ =0 $$ 结果都为0,所以有一个行列式的转置等于它本身(这里指的是行列式的值)

未完,关注我,一旦有空,我就会来更新。