高等代数-行列式ppt课件.ppt
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1、第三章第三章 行列式行列式 课外学习课外学习6 6:行列式计算方法:行列式计算方法课外学习课外学习7 7:q_q_行列式及其性质行列式及其性质 3.1.1 二阶、三阶行列式的计算二阶、三阶行列式的计算(对角线法则对角线法则)3.1.2 行列式在线性方程组中的应用行列式在线性方程组中的应用1.了解二阶、三阶行列式的定义。了解二阶、三阶行列式的定义。2.会利用对角线法则计算二阶、三阶行列式。会利用对角线法则计算二阶、三阶行列式。利用对角线法则计算二阶、三阶行列式利用对角线法则计算二阶、三阶行列式我们用记号我们用记号22211211aaaa表示代数和表示代数和 21122211aaaa称为二阶行列式
2、称为二阶行列式, 即即 2112221122211211aaaaaaaa我们用记号我们用记号333231232221131211aaaaaaaaa表示代数和表示代数和312213332112322311322113312312332211aaaaaaaaaaaaaaaaaa称为三阶行列式称为三阶行列式, 即即312213332112322311322113312312332211333231232221131211aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaD主对角线法主对角线法 三元素乘积取“+”号; 三元素乘积取“-”号.(1) 如果含有两个未知量两个方程的线性方程组如果含有两个
3、未知量两个方程的线性方程组(1) 22221211212111bxaxabxaxa它的系数作成的二阶行列式它的系数作成的二阶行列式 022211211aaaa,那么方程组那么方程组(1)有解有解 .,222112112211112222112112221211aaaababaxaaaaababx(2) 如果含有三个未知量三个方程的线性方程组如果含有三个未知量三个方程的线性方程组(2) 333323213123232221211313212111bxaxaxabxaxaxabxaxaxa他的系数作成的三阶行列式他的系数作成的三阶行列式 0333231232221131211aaaaaaaaaD,
4、那么方程组那么方程组(2)有解有解 ,332211DDxDDxDDx这里这里 332312222111211333331232211311123332323222131211,baabaabaaDabaabaabaDaabaabaabD我们的目的是要把二阶和三阶行列式推广到我们的目的是要把二阶和三阶行列式推广到n阶行列式阶行列式,然后利用这一工然后利用这一工具来解答含有具来解答含有n个未知量个未知量n个方程的线性方程组个方程的线性方程组.例题选讲例题选讲 .2534例例(2)(1)2计算,013D又如设试问当为何值时当为何值时,D;0D.解解:由阶行列式的定义有由阶行列式的定义有:. 30,0
5、3)2(. 30,03) 1 (313235) 3(2425342222或得时当或得时当而DDD 3.2.1 排列、反序与对换排列、反序与对换 3.2.2 奇、偶排列的定义及性质奇、偶排列的定义及性质 了解排列、反序、对换的定义了解排列、反序、对换的定义 求反序数求反序数例如例如: 1234,2314都是四个数码的排列。都是四个数码的排列。 n个数码个数码 n, 2 , 1的一个排列指的是由这的一个排列指的是由这n个数码组个数码组成的一个有序组成的一个有序组. 例如:例如:1,2,3这三个数码的全体不同的排列一共有这三个数码的全体不同的排列一共有3!= 6个,它们是:个,它们是:123,132
6、,231,213,312,321。 在一个排列里,如果某一个较大的数码排在某一个在一个排列里,如果某一个较大的数码排在某一个较小的数码前面,就说这两个数码构成一个反序。较小的数码前面,就说这两个数码构成一个反序。 看有多少个数码排在看有多少个数码排在1的前面,设为的前面,设为 1m个,那么就有个,那么就有 1m个数码与个数码与1构成反序;然后把构成反序;然后把1划去,再看划去,再看有多少个数码排在有多少个数码排在2的前面,设为的前面,设为 2m个,那么就有个,那么就有 2m个数个数 码与码与2构成反序;然后把构成反序;然后把2划去,计算有多少个数码在划去,计算有多少个数码在3前面,前面, 设为
7、设为 3m个,个,如此继续下去,最后设在,如此继续下去,最后设在 n前面有前面有 nm个个 数码(显然数码(显然 0nm),那么这个排列的反序数等于),那么这个排列的反序数等于 nmmm21。 例如:在排列例如:在排列451362里,里, . 0, 2, 4, 2654321mmmmmm所以这个排列有所以这个排列有8个序。个序。 一个排列的反序数可能是偶数也可能是奇数。有偶数个一个排列的反序数可能是偶数也可能是奇数。有偶数个反序的排列叫做一个偶排列;有奇数个反序的排列叫做奇反序的排列叫做一个偶排列;有奇数个反序的排列叫做奇排列。排列。 看看n个数码的一个排列,如果把这个排列里个数码的一个排列,
8、如果把这个排列里的任意两个数码的任意两个数码i与与j交换一下,而其余数码保持不交换一下,而其余数码保持不动,那么就得到一个新的排列,对于排列所施行的动,那么就得到一个新的排列,对于排列所施行的这样一个变换叫做一个对换,并且用符号(这样一个变换叫做一个对换,并且用符号(i,j)来表示。来表示。 nnjjjiii2121和设是是n个数码的任意两个个数码的任意两个排列,那么总可以通过一系列对换由排列,那么总可以通过一系列对换由 nnjjjii i2121得出证明证明: 我们已经知道,通过一系列对换可以由我们已经知道,通过一系列对换可以由 noii in1221得出我们只需证明,我们只需证明, 通过一
9、系列对换可由通过一系列对换可由 njjjn2112得出,而通过一系列对换可以由而通过一系列对换可以由 njjjn1221得出,按照相反的次序施行这些对换,就可由,按照相反的次序施行这些对换,就可由 njjjn2112得出。 任意一个排列经过一个对换后的奇偶性任意一个排列经过一个对换后的奇偶性改变改变.其中其中A与与B都代表若干个数码都代表若干个数码.施行对换施行对换 , ji得得 证明证明: 我们首先看一个特殊的情形,就是被对我们首先看一个特殊的情形,就是被对 换的两个数码是相邻的。设给定的排列为换的两个数码是相邻的。设给定的排列为 1 A B , , ,i j我们比较这两个排列的反序数我们比
10、较这两个排列的反序数.显然经过这个对换显然经过这个对换后后,属于属于A或或B的数码的位置没有改变的数码的位置没有改变,因此这些数因此这些数码所构成的反序数没有改变码所构成的反序数没有改变.同时同时i,j与与A或或B中的中的数码所构成的反序数也没有改变。若在给定的排数码所构成的反序数也没有改变。若在给定的排 列中,列中,, ji 那么经过对换那么经过对换 ji,后,后,i与与j就构成一就构成一个个反序。因面后一排列的反序比前一排列的反序数反序。因面后一排列的反序比前一排列的反序数增多一个。若在给定的排列中,增多一个。若在给定的排列中,, ji 那么经过对换那么经过对换后,排列的反序数减少一个。不
11、论是哪一种情形,后,排列的反序数减少一个。不论是哪一种情形,排列的奇偶性都有改变。排列的奇偶性都有改变。 A B ,ij 现在来看一般的情形。假定现在来看一般的情形。假定i与与j之间有之间有s个数码,我个数码,我们用们用 skkk,21来代表。这时给定的来代表。这时给定的排列为排列为2.,21jkkkis(1) 先让先让i向右移动,依次与向右移动,依次与 skkk,21交换。这样,经过交换。这样,经过s次相邻的两个数码的对换后(次相邻的两个数码的对换后(1)变为)变为.,21jikkks再让再让j向左移动,依次与向左移动,依次与 12, ,kkkis交换。经过交换。经过s+1次次相邻的两个数码
12、的对换后,排列变为相邻的两个数码的对换后,排列变为 .,21ikkkjs(2) j i ,1但(但(2 2)正是对()正是对(1 1)施行)施行 对换而得到的排列。因此,对换而得到的排列。因此,对(对(1 1)施行对换)施行对换 相当于连续施行相当于连续施行2s+12s+1次相邻数码的次相邻数码的对换。由对换。由1 1。,每经过一次相邻两数码的对换,排列都改。,每经过一次相邻两数码的对换,排列都改变奇偶性。由于变奇偶性。由于2s+12s+1是一个奇数,所以(是一个奇数,所以(1 1)与()与(2 2)的奇)的奇偶性相反。偶性相反。 ji,ji,定理定理3.2.3 在在n个数码个数码(n1)的所
13、有的所有n!个排列,其!个排列,其中奇偶排列各占一半中奇偶排列各占一半.即各为即各为 2! n个。个。 证明:设证明:设n个数码的奇排列共有个数码的奇排列共有p个,而偶排列个,而偶排列共有共有q个,对这个,对这p个奇排列施行同一个对换个奇排列施行同一个对换 , ji那么由定理那么由定理3.2.2,我们得到我们得到p 个偶排列个偶排列.由于对这由于对这p个个偶排列各不相等偶排列各不相等.又可以得到原来的又可以得到原来的p个奇排列个奇排列,所所以这以这p个偶排列各不相等个偶排列各不相等.但我们一共只有但我们一共只有q个偶排个偶排列列,所以所以 . qp 同样可得同样可得 . pq 因此因此 . q
14、p 例题选讲例题选讲.325141的逆序数计算排列例例.,2179863542并讨论其奇偶性的逆序数计算排列例例.,321)1(3并讨论其奇偶性的逆序数求排列例例nn)2( n3.3.1 n阶行列式的定义阶行列式的定义3.3.2 行列式的性质行列式的性质1.掌握和理解掌握和理解n阶行列式的定义。阶行列式的定义。2.会利用定义计算一些特殊的行列式。会利用定义计算一些特殊的行列式。3.掌握和理解行列式的性质。掌握和理解行列式的性质。4.熟练掌握利用性质计算及证明行列式的技巧。熟练掌握利用性质计算及证明行列式的技巧。利用定义计算行列式利用定义计算行列式 利用性质熟练计算及证明行列式利用性质熟练计算及
15、证明行列式定义定义1 ), 2 , 1,(2njianij个元素用组成的记号组成的记号 nnnnnnaaaaaaaaa212222111211称为称为n阶行列式阶行列式,其中:横排列称为行,纵排列称为列其中:横排列称为行,纵排列称为列.任意取任意取 2n个数个数 ),2, 1;,2, 1(njniaij排成以下形式排成以下形式: .212222111211nnnnnnaaaaaaaaa(1)考察位于考察位于(1)的不同的行与不同的列上的的不同的行与不同的列上的n个元素的个元素的乘积乘积.这种乘积可以写成下面的形式这种乘积可以写成下面的形式:,11121njjjaaa(2) 是是1,2,n这这n
16、个数码的一个个数码的一个这里下标这里下标 njjj,21排列排列.反过来反过来,给了给了n个数码的任意一个排列个数码的任意一个排列,我们也我们也能得出这样的一个乘积能得出这样的一个乘积.因此因此,一切位于一切位于(1)的不同的的不同的行与不同的列上的行与不同的列上的n个元素的乘积一共有个元素的乘积一共有n!个!个. 我们用符号我们用符号 ),(21njjj表示排列表示排列 njjj,21的反序数的反序数. 定义定义2 用符号用符号nnnnnnaaaaaaaaa212222111211表示的表示的n阶行列式指的是阶行列式指的是n!项的代数和项的代数和,这些项是一这些项是一切可能的取自切可能的取自
17、(1)的不同的行与不同的列上的的不同的行与不同的列上的n个元个元素的乘积素的乘积 .11121njjjaaa项项 njjjaaa11121的符号为的符号为 ,) 1()(21njjj也就是说也就是说,当当 njjj,21是偶排列时是偶排列时,这这一项的符号为正一项的符号为正,当当 njjj,21是奇排列时是奇排列时,这一项的这一项的符号为负符号为负.例例1 我们看一个四阶行列式我们看一个四阶行列式 .00000000hgfedcbaD 根据定义根据定义,D是一个是一个4! = 24项的代数和。然而在这个项的代数和。然而在这个行列式里,除了行列式里,除了acfh,adeh,bdeg,bcfg这四
18、项外,其这四项外,其余的项都至少含有一个因子余的项都至少含有一个因子0,因而等于,因而等于0,与上面,与上面四项对应的排列依次是四项对应的排列依次是1234,1324,4321,4231.其中第其中第一个和第三个是偶排列一个和第三个是偶排列,第二个和第四个是奇排列第二个和第四个是奇排列.因此因此 .deg bcfgbadehacfhD一个一个n阶行列式阶行列式 nnnnnnaaaaaaaaaD212222111211如果把如果把D的行变为列的行变为列,就得到一个新的行列式就得到一个新的行列式nnnnnnaaaaaaaaaD212221212111D叫叫D的转置行列式。的转置行列式。引理引理3.
19、3.1 从从n阶行列式的阶行列式的 列行和第第nnjjjiii,2121取出元素作乘积取出元素作乘积 (3) ,2211nnjijijiaaa这里这里 nnjjjiii,2121和都是都是1,2,n这这n个数码的排列。那么这一项在行列式中的符号是个数码的排列。那么这一项在行列式中的符号是)(),(,) 1(2121nntsjjjtiiis证证: 如果交换乘积如果交换乘积(3)中某两个因子的位置中某两个因子的位置,那么那么(3)的元素的元素的第一个下标和第二个下标所成的排列同时经过一次对换的第一个下标和第二个下标所成的排列同时经过一次对换,假定经过这样一次对换后所得的两个排列的反序数分别为假定经
20、过这样一次对换后所得的两个排列的反序数分别为 ts和,那么由定理那么由定理3.2.2, ttss和都是奇数。因为两都是奇数。因为两个奇数的和是一个偶数,所以个奇数的和是一个偶数,所以 是一个偶数。因此是一个偶数。因此 tsts与同时是偶数或同时是奇数,同时是偶数或同时是奇数,从而从而 tsts) 1() 1()()()()(ttsststs另一方面,由定理另一方面,由定理3.2.1,排列,排列 nii i21总可以经过总可以经过若干次对换变为若干次对换变为 ,因此,经过若干次交换,因此,经过若干次交换因子的次序,乘积(因子的次序,乘积(3)可以变为)可以变为nnkkkaaa2211(4) 这里
21、这里 nkkk21是是n个数码的一个排列。根据行列式个数码的一个排列。根据行列式的定义,乘积(的定义,乘积(4),因而乘积(),因而乘积(3)的符号是)的符号是)(21) 1(nkkk。然而。然而 0)12(n。由上面的讨论。由上面的讨论可知可知)()()12(2121) 1() 1() 1(nnkkkkkknts引理被证明。引理被证明。n12项。这一项的元素位于项。这一项的元素位于D的不同的行和不同的列,的不同的行和不同的列,所以位于所以位于D的转置行列式的转置行列式 行,因而也是行,因而也是 D里和在里和在的两项显然也是的两项显然也是项的代数和,即项的代数和,即 现在设现在设 nnkkka
22、aa2211是是n阶行列式阶行列式D的任意一的任意一D的不同的列和不同的的不同的列和不同的D的一项,由引理的一项,由引理3.3.1,这一项在,这一项在D里的符号都是里的符号都是 )(21) 1(nkkk,并且,并且D中不同中不同D中不同的两项,因为中不同的两项,因为D与与 D的的项数都是项数都是n!,所以!,所以D与与 D是带有相同符号的相同是带有相同符号的相同DD 。于是有。于是有 命题命题3.3.2 行列式与它的转置行列式相等,即行列式与它的转置行列式相等,即 DD 命题命题3.3.3 交换一个行列式的两行(或两列),行交换一个行列式的两行(或两列),行列式改变符号。列式改变符号。证证 设
23、给定行列式设给定行列式 nnnnjnjjiniinaaaaaaaaaaaaD21212111211交换交换D的第的第i行与第行与第j行行得得 )()(.212121112111jiaaaaaaaaaaaaDnnnniniijnjjn(旁边的(旁边的i和和j表示行表示行的序数)的序数) D的每一项可以写成的每一项可以写成 njinkjkikkaaaa11(5) 因为这一项的元素位于因为这一项的元素位于 的不同的行与不同的列,所以它也的不同的行与不同的列,所以它也是是 的一项,反过来,的一项,反过来, 的每一项也是的每一项也是D的一项,并且的一项,并且D的不的不同项对应着同项对应着 的不同项,因此
24、的不同项,因此D与与 含有相同的项。含有相同的项。 1D1D1D1D1D交换行列式两列的情形,可以利用命题交换行列式两列的情形,可以利用命题3.3.2归结到交归结到交换两行的情形。换两行的情形。式的第式的第i行变成第行变成第j行,第行,第j行变成第行变成第i行,而列的次序并没有改行,而列的次序并没有改变。所以由引理变。所以由引理3.3.1,并注意到,并注意到 是一奇数,是一奇数,因此(因此(5)在)在D的在的在 中的符号相反,所以中的符号相反,所以D与与 的符号相的符号相反。反。,然而在,然而在D1中,原行列中,原行列(5)在)在D中的符号是中的符号是 )(1) 1(njikkkk)1 (ni
25、j(5)在)在 中的符号是中的符号是1)()()1(211) 1() 1(nnjikkkkkkknij1D1D1D由命题由命题3.3.2推知,凡是行列式的对于行成立的性推知,凡是行列式的对于行成立的性质对于列也成立,反过来也是如此。质对于列也成立,反过来也是如此。推论推论3.3.4 如果一个行列式有两行(列)完全相如果一个行列式有两行(列)完全相同,那么这个行列式等于零。同,那么这个行列式等于零。证证 设行列式设行列式D的第的第i行与第行与第j行行(ij)相同,由命题相同,由命题3.3.3,交换这两行后,行列式改变符号,所以新,交换这两行后,行列式改变符号,所以新的行列式等于的行列式等于D,但
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