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  • 1 # 使用者2893793678133

    設 K 是數域,可以是實數域 R 或 複數域 C,V 是 K 上的線性空間,對於 V 上的 n 元函式 f: V × ... × V → K(n 個 V),若 f 滿足多線性,即(α_j, β_j ∈ V, j = 1, 2, ..., n, k ∈ K ),

    則稱 f 為 線性函式,若,函式 f 還滿足反對稱性,即,任意互換兩個引數函式值取負(i ≠ j; i,j = 1, 2, ..., n),

    則稱 f 為 反對稱線性函式

    K 上的 n 階矩陣 的全體 記為 M_n(K)。考慮,M_n(K) 上的函式 det : M_n(K) → K,對於 任意 A ∈ M_n(K) ,

    由於 A 可看作 n 維度向量空間 K^n 中的 n 個列向量 α_1, α_2, ..., α_n ∈ K^n 組成的列向量組:

    所以 函式 det 也可以看作 K^n 上的 n 元函式 det: K^n × ... × K^n → K(n 個 K^n)。規定 det 是 反對稱線性函式,因為 det 是以 矩陣的列向量為引數的,所以暫時稱 det 是 矩陣的列線性函式。

    反對稱函式有性質:若,反對線性函式 f 的任意兩個引數相同,則,f 的值必然為 0,因為:

    注:從這條性質也可以反推出反對稱性,另外,只需要保證 滿足“條件:相鄰兩個引數相同函式值為零”就可推出上面任意的情況,因此 該條件 也可以作為反對稱性的定義。

    如果 方陣 A 不滿秩,即,r (A) < n,則說明: 必有 列向量 α_j 被他向量向量線性表示,即,

    於是 根據 det 的多線性和上面的反對稱函式性質有:

    方陣 A 右乘 初等矩陣 E(i,j) 相當於交換 A 的 i, j 兩列,即(不妨設 i < j),

    於是,根據 det 的反對稱性有:

    方陣 A 右乘 初等矩陣 E(i(k)) 相當於在 A 的 第 i 列乘以常數 k,即,

    於是,根據 det 的多線性有:

    方陣 A 右乘 初等矩陣 E(i, j(k)) 相當於把 A 的 第 i 列乘以常數 k 加到 第 j 列,即(不妨設 i < j),

    於是,根據 det 的多線性和上面的反對稱函式性質有:

    綜上的可以得出對於初等矩陣 P 有:

    考慮 det(Aᵀ) 和 det(A) 的關係:

    當 r(A) < n 時,由於轉置不改變 A 的秩,於是有 r(Aᵀ) = r(A) < 0,進而 det(Aᵀ) = 0 = det(A);下面重點分析當 A 滿秩,即, r(A) = n 時的情況。

    因為方陣左右(左)乘初等矩陣相當於對方陣做對應的初等列(行)變換,再根據高斯消元法的經驗,以及初等變換的可逆性,可得出任何矩陣 A 均可化為 初等矩陣的相乘的形式,即:

    其中 D 是矩陣標準形。由於初等變換不改變矩陣的秩,於是 r(A) = r(D),當 A 滿秩時,D 也滿秩,而 E 是唯一滿秩的 方陣的標準形,於是這時有:

    即,

    於是:

    因為 E(i,j)ᵀ = E(i,j),E(i(k))ᵀ = E(i(k)),E(i,j(k))ᵀ = E(j, i(k)) 所以有:

    於是:

    進而:

    綜上,可得:

    這說明 矩陣的列線性函式 det 也是 該矩陣的行線性函式,於是在新增規定:

    後 改稱 det 為 行列式函式

    行列式函式 det 是唯一的,因為:

    令 det" 是另外一個 行列式函式,在方陣 A 不滿秩時,有 det"(A) = 0 = det(A);在方陣 A 不滿秩時滿秩時,有 A = EP_1...P_m,於是和上面的推導同理有:

    而 在新新增規定下 det(E) = det"(E) = 1,於是 det"(A) = det(A)。

    綜上就證明了:對於任意 方陣 A 在任何情況下,det"(A) = det(A),即,det 唯一。

    利用新新增規定,顯然有:

    於是:

    考慮 det(AB)。當 A 和 B 不都滿秩時,r(AB) = min{r(A), r(B)} < n ,於是:

    當 A B 全滿秩時,則有:

    於是:

    進而:

    綜上就證明了:行列式函式保持方陣乘法運算,即,

    注:其實從 det(AB) = det(A)det(B) 也可以反推 det(E) = 1,不過要新增條件 det 非恆零。(可考慮作為 行列式函式 定義中最後新增的規定,感覺更高大上一些)

    設 n 階單位矩陣 E 的行向量組表示為:

    則有:

    其中 (j_1, ..., j_n) 是 1, ..., n 個數字的任意排列,於是 (e_{j_1}, ..., e_{j_n}) 就是 對 E 列向量的任意排列,於是必有:

    其中 N(j_1, ...,j_n) 稱為 排列 (j_1, ..., j_n) 的 反序數,於是:

    最終得到:

    上面等式右邊就是行列式函式 det 的解析表示式,稱為 行列式,記為 |A|。

    行列式的本質

    從行列式的推導過程,知道 行列式 是 向量空間 K^n 上的一個特殊的 n 元線性函式 det: K^n × ... × K^n → K(n 個 K^n) 而我們知道,K^n 上的 n 元線性函式 就是 K^n 上的 n 階協變張量。

    單位矩陣 E 的 列向量組 e_1, e_2, ..., e_n 為 K^n 的 標準正交基,其在對偶空間 (K^n)* 下的對偶基 設為:e^1, e^2, ..., e^n,有:

    令 α = (a_1, a_2, ..., a_2)ᵀ ,則:

    於是 有:

    其中:

    即,行列式的本質是:

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