线性代数_同济大学(第五版)课件

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1、线性代数 第五版 在以往的学习中 我们接触过二元 三元等简单的线性方程组 但是 从许多实践或理论问题里导出的线性方程组常常含有相当多的未知量 并且未知量的个数与方程的个数也不一定相等 我们先讨论未知量的个数与方程的个数相等的特殊情形 在讨论这一类线性方程组时 我们引入行列式这个计算工具 第一章行列式 内容提要 1二阶与三阶行列式 2全排列及其逆序数 3n阶行列式的定义 4对换 5行列式的性质 6行列式按行 列 展开 7克拉默法则 行列式的概念 行列式的性质及计算 线性方程组的求解 选学内容 行列式是线性代数的一种工具 学习行列式主要就是要能计算行列式的值 1二阶与三阶行列式 我们从最简单的二元

2、线性方程组出发 探求其求解公式 并设法化简此公式 一 二元线性方程组与二阶行列式 二元线性方程组 由消元法 得 当时 该方程组有唯一解 求解公式为 二元线性方程组 请观察 此公式有何特点 分母相同 由方程组的四个系数确定 分子 分母都是四个数分成两对相乘再相减而得 其求解公式为 二元线性方程组 我们引进新的符号来表示 四个数分成两对相乘再相减 记号 数表 表达式称为由该数表所确定的二阶行列式 即 其中 称为元素 i为行标 表明元素位于第i行 j为列标 表明元素位于第j列 原则 横行竖列 二阶行列式的计算 主对角线 副对角线 即 主对角线上两元素之积 副对角线上两元素之积 对角线法则 二元线性方

3、程组 若令 方程组的系数行列式 则上述二元线性方程组的解可表示为 例1 求解二元线性方程组 解 因为 所以 二 三阶行列式 定义设有9个数排成3行3列的数表 原则 横行竖列 引进记号 称为三阶行列式 主对角线 副对角线 二阶行列式的对角线法则并不适用 三阶行列式的计算 对角线法则 注意 对角线法则只适用于二阶与三阶行列式 实线上的三个元素的乘积冠正号 虚线上的三个元素的乘积冠负号 例2计算行列式 解 按对角线法则 有 方程左端 解 由得 例3求解方程 2全排列及其逆序数 引例 用1 2 3三个数字 可以组成多少个没有重复数字的三位数 解 123 1 2 3 百位 3种放法 十位 1 2 3 1

4、 个位 1 2 3 2种放法 1种放法 种放法 共有 问题把n个不同的元素排成一列 共有多少种不同的排法 定义把n个不同的元素排成一列 叫做这n个元素的全排列 n个不同元素的所有排列的种数 通常用Pn表示 显然 即n个不同的元素一共有n 种不同的排法 所有6种不同的排法中 只有一种排法 123 中的数字是按从小到大的自然顺序排列的 而其他排列中都有大的数排在小的数之前 因此大部分的排列都不是 顺序 而是 逆序 3个不同的元素一共有3 6种不同的排法 123 132 213 231 312 321 对于n个不同的元素 可规定各元素之间的标准次序 n个不同的自然数 规定从小到大为标准次序 定义当某

5、两个元素的先后次序与标准次序不同时 就称这两个元素组成一个逆序 例如在排列32514中 32514 思考题 还能找到其它逆序吗 答 2和1 3和1也构成逆序 定义排列中所有逆序的总数称为此排列的逆序数 排列的逆序数通常记为 奇排列 逆序数为奇数的排列 偶排列 逆序数为偶数的排列 思考题 符合标准次序的排列是奇排列还是偶排列 答 符合标准次序的排列 例如 123 的逆序数等于零 因而是偶排列 计算排列的逆序数的方法 则此排列的逆序数为 设是1 2 n这n个自然数的任一排列 并规定由小到大为标准次序 先看有多少个比大的数排在前面 记为 再看有多少个比大的数排在前面 记为 最后看有多少个比大的数排在

6、前面 记为 例1 求排列32514的逆序数 解 练习 求排列453162的逆序数 解 3n阶行列式的定义 一 概念的引入 规律 三阶行列式共有6项 即3 项 每一项都是位于不同行不同列的三个元素的乘积 每一项可以写成 正负号除外 其中是1 2 3的某个排列 当是偶排列时 对应的项取正号 当是奇排列时 对应的项取负号 所以 三阶行列式可以写成 其中表示对1 2 3的所有排列求和 二阶行列式有类似规律 下面将行列式推广到一般的情形 二 n阶行列式的定义 n阶行列式共有n 项 每一项都是位于不同行不同列的n个元素的乘积 每一项可以写成 正负号除外 其中是1 2 n的某个排列 当是偶排列时 对应的项取

7、正号 当是奇排列时 对应的项取负号 简记作 其中为行列式D的 i j 元 思考题 成立吗 答 符号可以有两种理解 若理解成绝对值 则 若理解成一阶行列式 则 注意 当n 1时 一阶行列式 a a 注意不要与绝对值的记号相混淆 例如 一阶行列式 例 写出四阶行列式中含有因子的项 例 计算行列式 解 和 解 其中 四个结论 1 对角行列式 2 3 上三角形行列式 主对角线下侧元素都为0 4 下三角形行列式 主对角线上侧元素都为0 思考题 用定义计算行列式 解 用树图分析 1 1 3 3 1 2 3 1 2 2 1 故 思考题 已知 求的系数 故的系数为 1 解 含的项有两项 即 对应于 4对换 一

8、 对换的定义 定义 在排列中 将任意两个元素对调 其余的元素不动 这种作出新排列的手续叫做对换 将相邻两个元素对换 叫做相邻对换 例如 备注相邻对换是对换的特殊情形 一般的对换可以通过一系列的相邻对换来实现 如果连续施行两次相同的对换 那么排列就还原了 二 对换与排列奇偶性的关系 定理1对换改变排列的奇偶性 证明 先考虑相邻对换的情形 注意到除外 其它元素的逆序数不改变 当时 当时 因此相邻对换改变排列的奇偶性 既然相邻对换改变排列的奇偶性 那么 因此 一个排列中的任意两个元素对换 排列的奇偶性改变 推论 奇排列变成标准排列的对换次数为奇数 偶排列变成标准排列的对换次数为偶数 由定理1知 对换

9、的次数就是排列奇偶性的变化次数 而标准排列是偶排列 逆序数为零 因此可知推论成立 证明 因为数的乘法是可以交换的 所以n个元素相乘的次序是可以任意的 即 每作一次交换 元素的行标与列标所成的排列与都同时作一次对换 即与同时改变奇偶性 但是这两个排列的逆序数之和的奇偶性不变 于是与同时为奇数或同时为偶数 即是偶数 因为对换改变排列的奇偶性 是奇数 也是奇数 设对换前行标排列的逆序数为 列标排列的逆序数为 所以是偶数 因此 交换中任意两个元素的位置后 其行标排列与列标排列的逆序数之和的奇偶性不变 设经过一次对换后行标排列的逆序数为列标排列的逆序数为 经过一次对换是如此 经过多次对换还是如此 所以

10、在一系列对换之后有 定理2n阶行列式也可定义为 定理3n阶行列式也可定义为 例1试判断和 是否都是六阶行列式中的项 所以是六阶行列式中的项 行标和列标的逆序数之和 所以不是六阶行列式中的项 例2用行列式的定义计算 解 1 对换改变排列奇偶性 2 行列式的三种表示方法 三 小结 5行列式的性质 一 行列式的性质 行列式称为行列式的转置行列式 若记 则 记 性质1行列式与它的转置行列式相等 即 性质1行列式与它的转置行列式相等 证明 根据行列式的定义 有 若记 则 行列式中行与列具有同等的地位 行列式的性质凡是对行成立的对列也同样成立 性质2互换行列式的两行 列 行列式变号 验证 于是 推论如果行

11、列式有两行 列 完全相同 则此行列式为零 证明 互换相同的两行 有 所以 备注 交换第行 列 和第行 列 记作 性质3行列式的某一行 列 中所有的元素都乘以同一个倍数 等于用数乘以此行列式 验证 我们以三阶行列式为例 记 根据三阶行列式的对角线法则 有 备注 第行 列 乘以 记作 推论行列式的某一行 列 中所有元素的公因子可以提到行列式符号的外面 备注 第行 列 提出公因子 记作 验证 我们以4阶行列式为例 性质4行列式中如果有两行 列 元素成比例 则此行列式为零 性质5若行列式的某一列 行 的元素都是两数之和 例如 则 验证 我们以三阶行列式为例 性质6把行列式的某一列 行 的各元素乘以同一

12、个倍数然后加到另一列 行 对应的元素上去 行列式不变 则 验证 我们以三阶行列式为例 记 备注 以数乘第行 列 加到第行 列 上 记作 例 二 应用举例 计算行列式常用方法 利用运算把行列式化为上三角形行列式 从而算得行列式的值 解 例2计算阶行列式 解 将第列都加到第一列得 例3设 证明 证明 对作运算 把化为下三角形行列式 设为 对作运算 把化为下三角形行列式 设为 对D的前k行作运算 再对后n列作运算 把D化为下三角形行列式 故 行列式中行与列具有同等的地位 凡是对行成立的性质对列也同样成立 计算行列式常用方法 1 利用定义 2 利用性质把行列式化为上三角形行列式 从而算得行列式的值 三

13、 小结 行列式的6个性质 计算4阶行列式 思考题 思考题解答 解 6行列式按行 列 展开 对角线法则只适用于二阶与三阶行列式 本节主要考虑如何用低阶行列式来表示高阶行列式 一 引言 结论三阶行列式可以用二阶行列式表示 思考题任意一个行列式是否都可以用较低阶的行列式表示 例如 把称为元素的代数余子式 在n阶行列式中 把元素所在的第行和第列划后 留下来的n 1阶行列式叫做元素的余子式 记作 结论因为行标和列标可唯一标识行列式的元素 所以行列式中每一个元素都分别对应着一个余子式和一个代数余子式 引理一个n阶行列式 如果其中第行所有元素除外都为零 那么这行列式等于与它的代数余子式的乘积 即 例如 即有

14、 又 从而 下面再讨论一般情形 分析 当位于第1行第1列时 根据P 14例10的结论 我们以4阶行列式为例 思考题 能否以代替上述两次行变换 思考题 能否以代替上述两次行变换 答 不能 被调换到第1行 第1列 二 行列式按行 列 展开法则 定理3行列式等于它的任一行 列 的各元素与其对应的代数余子式乘积之和 即 同理可得 例 P 12例7续 证明用数学归纳法 例证明范德蒙德 Vandermonde 行列式 所以n 2时 1 式成立 假设 1 对于n 1阶范德蒙行列式成立 从第n行开始 后行减去前行的倍 按照第1列展开 并提出每列的公因子 就有 n 1阶范德蒙德行列式 推论行列式任一行 列 的元

15、素与另一行 列 的对应元素的代数余子式乘积之和等于零 即 分析我们以3阶行列式为例 把第1行的元素换成第2行的对应元素 则 定理3行列式等于它的任一行 列 的各元素与其对应的代数余子式乘积之和 即 推论行列式任一行 列 的元素与另一行 列 的对应元素的代数余子式乘积之和等于零 即 综上所述 有 同理可得 例计算行列式 解 例设 的元的余子式和代数余子式依次记作和 求 分析利用 及 解 7克拉默法则 二元线性方程组 若令 方程组的系数行列式 则上述二元线性方程组的解可表示为 一 克拉默法则 如果线性方程组 的系数行列式不等于零 即 其中是把系数行列式中第列的元素用方程组右端的常数项代替后所得到的

16、阶行列式 即 那么线性方程组 1 有解并且解是唯一的 解可以表示成 定理中包含着三个结论 方程组有解 解的存在性 解是唯一的 解的唯一性 解可以由公式 2 给出 这三个结论是有联系的 应该注意 该定理所讨论的只是系数行列式不为零的方程组 至于系数行列式等于零的情形 将在第三章的一般情形中一并讨论 关于克拉默法则的等价命题 定理4如果线性方程组 1 的系数行列式不等于零 则该线性方程组一定有解 而且解是唯一的 定理4 如果线性方程组无解或有两个不同的解 则它的系数行列式必为零 设 例解线性方程组 解 线性方程组 常数项全为零的线性方程组称为齐次线性方程组 否则称为非齐次线性方程组 齐次线性方程组总是有解的 因为 0 0 0 就是一个解 称为零解 因此 齐次线性方程组一定有零解 但不一定有非零解 我们关心的问题是 齐次线性方程组除零解以外是否存在着非零解 齐次线性方程组的相关定理 定理5如果齐次线性方程组的系数行列式 则齐次线性方程组只有零解 没有非零解 定理5 如果齐次线性方程组有非零解 则它的系数行列式必为零 备注这两个结论说明系数行列式等于零是齐次线性方程组有非零解的必要条件 在第三