高等代数课件(北大三版)--第三章 行列式.ppt

第三章行列式,3.1线性方程组和行列式,3.2排列,3.3n阶行列式,3.4子式和代数余子式行列式依行(列)展开,3.5克拉默法则,课外学习6：行列式计算方法课外学习7：q_行列式及其性质,能够作出数学发现的人，是具有感受数学中的秩序、和谐、对称、整齐和神秘美等能力的人，而且只限于这种人。庞加莱(Poincare，18541921)一个数学家，如果他不在某种程度上成为一个诗人，那么他就永远不可能成为一个完美的数学家。外尔斯特拉斯（Weierstrass，18151897）,3.1线性方程组和行列式,一、内容分布3.1.1二阶、三阶行列式的计算(对角线法则)3.1.2行列式在线性方程组中的应用二、教学目的：1.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。三、重点难点：利用对角线法则计算二阶、三阶行列式,3.1.1二阶、三阶行列式的计算(对角线法则),二阶行列式,我们用记号,表示代数和,称为二阶行列式,即,三阶行列式,我们用记号,表示代数和,称为三阶行列式,即,主对角线法,三元素乘积取“+”号；三元素乘积取“-”号.,3.1.2行列式在线性方程组中的应用,(1)如果含有两个未知量两个方程的线性方程组(1),它的系数作成的二阶行列式,那么方程组(1)有解,(2)如果含有三个未知量三个方程的线性方程组(2),他的系数作成的三阶行列式,那么方程组(2)有解,这里,我们的目的是要把二阶和三阶行列式推广到n阶行列式,然后利用这一工具来解答含有n个未知量n个方程的线性方程组.,例题选讲,解:由阶行列式的定义有:,3.2排列,一、内容分布3.2.1排列、反序与对换3.2.2奇、偶排列的定义及性质二、教学目的了解排列、反序、对换的定义三、重点难点求反序数,3.2.1排列、反序与对换,例如:1234，2314都是四个数码的排列。,n个数码的不同排列共有n！个,例如：1，2，3这三个数码的全体不同的排列一共有3！=6个，它们是：123，132，231，213，312，321。,定义2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。,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排列。,3.2.2奇、偶排列的定义及性质,定义3看n个数码的一个排列，如果把这个排列里的任意两个数码i与j交换一下，而其余数码保持不动，那么就得到一个新的排列，对于排列所施行的这样一个变换叫做一个对换，并且用符号（i，j）来表示。,定理3.2.2任意一个排列经过一个对换后的奇偶性改变.,证明: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,AB,AB,（1）,（2）,但（2）正是对（1）施行对换而得到的排列。因此，对（1）施行对换相当于连续施行2s+1次相邻数码的对换。由1。，每经过一次相邻两数码的对换，排列都改变奇偶性。由于2s+1是一个奇数，所以（1）与（2）的奇偶性相反。,证明：设n个数码的奇排列共有p个，而偶排列共有q个，对这p个奇排列施行同一个对换,那么由定理3.2.2,我们得到p个偶排列.由于对这p个偶排列各不相等.又可以得到原来的p个奇排列,所以这p个偶排列各不相等.但我们一共只有q个偶排列,所以,例题选讲,3.3n阶行列式,一、内容分布3.3.1n阶行列式的定义3.3.2行列式的性质二、教学目的：1.掌握和理解n阶行列式的定义。2.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。4.熟练掌握利用性质计算及证明行列式的技巧。三、重点难点：利用定义计算行列式利用性质熟练计算及证明行列式,3.3.1n阶行列式的定义,称为n阶行列式,其中：横排列称为行，纵排列称为列.,(1),考察位于(1)的不同的行与不同的列上的n个元素的乘积.这种乘积可以写成下面的形式:,(2),定义2用符号,表示的n阶行列式指的是n!项的代数和,这些项是一切可能的取自(1)的不同的行与不同的列上的n个元素的乘积,例1我们看一个四阶行列式,根据定义,D是一个4!=24项的代数和。然而在这个行列式里，除了acfh,adeh,bdeg,bcfg这四项外，其余的项都至少含有一个因子0，因而等于0，与上面四项对应的排列依次是1234,1324,4321,4231.其中第一个和第三个是偶排列,第二个和第四个是奇排列.因此,转置,一个n阶行列式,如果把D的行变为列,就得到一个新的行列式,叫D的转置行列式。,（3）,这n个数码的排列。那么这一项在行列式中的符号是,3.3.2行列式的性质,命题3.3.2行列式与它的转置行列式相等，即,命题3.3.3交换一个行列式的两行（或两列），行列式改变符号。,证设给定行列式,交换D的第i行与第j行得,（旁边的i和j表示行的序数）,D的每一项可以写成,（5）,因为这一项的元素位于的不同的行与不同的列，所以它也是的一项，反过来，的每一项也是D的一项，并且D的不同项对应着的不同项，因此D与含有相同的项。,交换行列式两列的情形，可以利用命题3.3.2归结到交换两行的情形。,由命题3.3.2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。,推论3.3.4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。,证设行列式D的第i行与第j行(ij)相同，由命题3.3.3，交换这两行后，行列式改变符号，所以新的行列式等于D，但另一方面，交换相同的两行，行列式并没有改变由此得D=D或2D=0，所以D=0。,命题3.3.5用数k乘行列式的某一行（列），等于以数k乘此行列式。即如果设，则,D的每一项可以写作,（6）,中对应的项可以写作,（7）,（6）在D中的符号与（7）在中的符号都是,因此，,推论3.3.6如果行列式的某一行（列）的所有元素的公因子可以提到行列式符号的外边。,推论3.3.7如果行列式的某一行（列）的元素全部是零，那么这个行列式等于零。,推论3.3.8如果行列式有两行（列）的对应元素成比例，则行列式的值等于零。,证设行列式D的第i行与第j行的对应元素成比例，那么这两行的对应元素只差一个因子k，即,因此,由推论3.3.6，可以把公因子k提到行列式符号的外边，于是得到一个有两行完全相同的行列式；由推论3.3.4，这个行列式等于零。,命题3.3.9如果将行列式中的某一行（列）的每一个元素都写成两个数的和，则此行列式可以写成两个行列式的和，这两个行列式分别以这两个数为所在行（列）对应位置的元素，其它位置的元素与原行列式相同。即如果,则,。,行列式,因此,推论如果将行列式的某一行（列）的每个元素都写成m个数（m为大于2的整数）的和，则此行列式可以写成m个行列式的和。,命题3.3.10将行列式的某一行（列）的所有元素同乘以数k后加于另一行（列）对应位置的元素上，行列式的值不变。,证设给定行列式,把D的第j行的元素乘以同一个数k后,加到第i行的对应元素上,我们得到行列式:,由命题3.3.9，,此处,例2计算行列式,解：根据例题3.3.10,从D的第二列和第三列的元素减去第一列的对应元素(即把D的第一列的元素同乘以后,加到第二列和第三列的对应元素上),得,这个行列式有两列成比例,所以根据推论3.3.8,D=0.,例3计算n阶行列式,解:我们看到,D的每一列的元素的和都是n把第二，第三，第n行都加到第一行上，得,根据推论.,提出第一行的公因子n,得,由第二,第三,第n行减去第一行,得,由行列式定义,易见后一行列式等于对角线上元素的乘积,所以,练习选讲：,3.4子式和代数余子式行列式依行(列)展开,一、内容分布3.4.1子式和代数余子式3.4.2行列式的依行依列展开定理3.4.3拉普拉斯定理二、教学目的：1.掌握和理解子式和代数余子式的定义2.熟练掌握利用行列式的依行依列展开定理计算及证明行列式的技巧。三、重点难点：利用行列式的依行依列展开定理熟练计算及证明行列式,3.4.1余子式与代数余子式,定义1在一个n阶行列式D中任意取定k行和k列.位于这些行列相交处的元素所构成的k阶行列式叫做行列式D的一个k阶子式.,例1在四阶行列式,中,取定第二行和第三行,第一列和第四列.那么位于这些行列的相交处的元素就构成D的一个二阶子式,定义2n(n1)阶行列式,例2例1的四阶行列式的元素的余子式是,例3例1中的四阶行列式D的元素的代数余子式,定理3.4.1若在一个n阶行列式,中,第i行(或第j列)的元素除外都是零,那么这个行列式等于与它的代数余子式的乘积:,证我们只对行来证明这个定理,1)先假定D和第一行的元素除外都是0，这时,我们要证明：,也就是说：,子式的每一项都可以写作,（1）,这一乘积的元素位在D的不同的行与不同的列上，因此它是D的一项，反过来，由于行列式D的每一项都含有第一行的一个元素，而第一行的元素除外都是零，因此D的每一项都可以写成（2）的形式。这就是说，D的每一项都是与它的子式的某一项的乘积，又的不同项是D的不同项，因此D与有相同的项。,乘积（2）在D中的符号是,是由D经过（i1）+(j1)次换行换列的步骤而得到的。由命题3.3.3，交换行列式的两行或两列，行列式改变符号，因此,这样，定理得到证明。,3.4.2行列式的依行依列展开,定理3.4.2n阶行列式等于它的任意一行(列)的各元素与其对应代数余子式乘积的和,即,证我们只对行来证明，即证明（3），先把行列式D写成以下形式：,也就是说，把D的第i行的每一元素写成n项的和。根据命题3.3.9，D等于n个行列式的和：,在这n个行列式的每一个中，除了第i行外，其余的行都与D的相应行相同。因此，每一行列式的第i行的元素的代数余子式与D的第i行的对应元素的代数余子式相同。这样，由定理3.4.1，,定理3.4.3n阶行列式的某一行(列)的元素与另一行(列)对应元素的代数余子式乘积的和等于零,即,（5）,（6）,证我们只证明等式（5）。看行列式,的第i行与第j行完全相同，所以=0。另一方面，与D仅有第j行不同，因此的第j行的元素的代数余子式与D的第j行的对应元素的代数余子式相同，把依第j行展开，得,因而,例4计算四阶行列式,在这个行列式里，第三行已有一个元素是零，由第一列减去第三列的二倍，再把第三列加到第四列上，得：,根据定理3.4.1,把所得的三阶行列式的第一行加到第二行，得：,所以D=40,例5计算n阶行列式,按第一行展开，得：,但,所以,例6计算四阶行列式,这个行列式叫做一个n阶范德蒙德(Vandermonde)行列式.,由最后一行开始，每一行减去它的相邻的前一行乘以，得,由定理3.4.1,提取每列的公因子后，得,最后的因子是一个n-1阶的范德蒙德行列式。我们用代表它：,同样得,此处是一个n-2阶的范德蒙德行列式。如此继续下去，最后得,练习题：,3.5克拉默法则,一、内容分布3.5.1齐次与非齐次线性方程组的概念3.5.2克莱姆法则3.5.3齐次线性方程组解的定理二、教学目的：1.掌握和理解齐次与非齐次线性方程组的概念。2.熟练掌握克莱姆法则。3熟练掌握齐次线性方程组解的定理三、重点难点：利用克莱姆法则求线性方程组的解及证明一些相关问题。,3.5.1.齐次与非齐次线性方程组的概念,含有n个方程的n元线性方程组的一般形式为,（1.9）,它的系数构成的行列式,（1.10）,称为方程组（1.9）的系数行列式。,如果线性方程组（1.9）的常数项为零，即,称为齐次线性方程组。,3.5.2克莱姆法则,定理3.5.1(克莱姆法则)线性方程组(1.9)当其系数行列式时,有且仅有唯一解,此处是将系数行列式中第j列的元素对应地换为方程组的常数项后得到的n阶行列式.,证时是显然的.设.令是整数1，2，中的任意一个.分别以乘方程组（1）的第一，第二，第个方程，然后相加，得,由定理3.4.2和3.4.3，的系数等于D而的系数都是零；因此等式左端等于，而等式右端刚好是阶行列式,这样，我们得到,令我们得到方程组,（3）,方程组（1）的每一解都是方程组（3）的解.事实上，设是方程组（1）的一个解。那么在（1）中把代以，就得到一组等式。对于这一组等式施以由方程组（1）到方程组（3）的变换，显然得到下面的一组等式：,这就是说，也是方程组（3）的一解。,当时，方程组（3）有唯一解，就是