定义(k 阶子式):在 n 阶行列式 D 中,任取 k 行与 k 列(k≤n),位于这些行与列交点处的 k2 个元素按原次序排列所构成的 k×k 行列式 M,称为 D 的一个 k 阶子式。
当 k<n 时,在 D 中划去这 k 行与 k 列后,剩余元素按原次序排列所构成的 (n−k) 阶行列式 M′,称为 k 阶子式 M 的余子式。
例:
D=a11a21⋮a51a12a22⋮a52a13a23⋮a53a14a24⋮a54a15a25⋮a55,M=a12a22a42a13a23a43a15a25a45,M′=a31a51a34a54注:在上例中,M 的代数余子式为
(−1)(1+2+4)+(2+3+5)M′=−M′定义(代数余子式):设 M 是 D 的一个 k 阶子式,其行指标与列指标分别为 i1,i2,⋯,ik; j1,j2,⋯,jk。将 M 的余子式 M′ 乘以符号 (−1)(i1+i2+⋯+ik)+(j1+j2+⋯+jk),即得 M 的代数余子式。
引理:行列式 D 的任一子式 M 与其代数余子式 A 的乘积中的每一项,都对应着行列式 D 展开式中的某一项,且符号相同。
证明:首先考虑 M 位于行列式 D 左上角的情形:
a11⋮ak1−ak+1,1⋮an1a12⋮ak2−ak+1,2⋮an2⋯M⋯−⋯⋯a1k⋯akk−ak+1,k⋮ank∣∣∣−∣−∣∣∣a1,k+1⋮ak,k+1−ak+1,k+1⋮an,k+1⋯⋯−⋯M′⋯a1n⋮akn−ak+1,n⋮ann此时,M 的代数余子式为:
A=(−1)(1+2+⋯+k)+(1+2+⋯+k)M′=M′M 中的每一项可写为 a1α1a2α2⋯akαk,其中 α1α2⋯αk 是 1,2,⋯,k 的一个排列。该项的符号为 (−1)τ(α1α2⋯αk)。
M′ 中的每一项可写为 ak+1,βk+1ak+2,βk+2⋯anβn,其中 βk+1βk+2⋯βn 是 k+1,k+2,⋯,n 的一个排列,其符号为 (−1)τ((βk+1−k)(βk+2−k)⋯(βn−k))。
这两项的乘积为 a1α1a2α2⋯akαkak+1,βk+1⋯anβn,其合并后的符号为:
(−1)τ(α1α2⋯αk)+τ((βk+1−k)(βk+2−k)⋯(βn−k))=(−1)τ(α1α2⋯αkβk+1⋯βn)因此,该乘积是行列式 D 展开式中的一项,且符号相同。
下面证明一般情形。
设子式 M 位于 D 的第 i1,i2,⋯,ik 行与第 j1,j2,⋯,jk 列,其中 i1<i2<⋯<ik,j1<j2<⋯<jk。
我们重新排列行列式 D 的行与列,使 M 移动到左上角。
首先,将第 i1 行依次与第 i1−1,i1−2,⋯,2,1 行交换,共需 i1−1 次交换即可把第 i1 行移到第一行。再将第 i2 行交换 i2−2 次移到第二行,依此类推。总计需要
(i1−1)+(i2−2)+⋯+(ik−k)=(i1+i2+⋯+ik)−(1+2+⋯+k)次行交换,即可将第 i1,i2,⋯,ik 行移到第 1,2,⋯,k 行。
类似地,通过列交换将 M 的各列移到第 1,2,⋯,k 列,需要
(j1−1)+(j2−2)+⋯+(jk−k)=(j1+j2+⋯+jk)−(1+2+⋯+k)次列交换。
设经过上述变换后所得的新行列式为 D1。则有:
D1=(−1)(i1+i2+⋯+ik)−(1+2+⋯+k)+(j1+j2+⋯+jk)−(1+2+⋯+k)D=(−1)i1+i2+⋯+ik+j1+j2+⋯+jkD因此,D1 的展开式与 D 的展开式含有相同的项,但每一项的符号相差因子 (−1)i1+i2+⋯+ik+j1+j2+⋯+jk。
现在,M 位于 D1 的左上角,M 在 D1 中的余子式与代数余子式均为 M′。因此,乘积 MM′ 中的每一项都对应着 D1 中符号相同的一项。
M 在 D 中的代数余子式 A 满足 MA=(−1)i1+i2+⋯+ik+j1+j2+⋯+jkMM′,它是 D1 中符号相差因子 (−1)i1+i2+⋯+ik+j1+j2+⋯+jk 的一项。因此,MA 是 D 中符号相同的一项。
定理(Laplace 定理):在行列式 D 中任取 k(1≤k≤n−1)行,由这 k 行所构成的全部 k 阶子式与其各自代数余子式乘积之和等于行列式 D。
证明:设由 D 中所选 k 行构成的子式为 M1,M2,⋯,Mt,其代数余子式为 A1,A2,⋯,At。定理断言:
D=M1A1+M2A2+⋯+MtAt其中
t=Cnk=k!(n−k)!n!由引理,MiAi 中的每一项都对应着 D 中符号相同的一项,且 MiAi 与 MjAj(i=j)之间没有公共项。
等式左端共含 n! 项,右端共含
i=1∑tk!(n−k)!=k!(n−k)!k!(n−k)!n!=n!
项。因此,定理得证。
例:在行列式 D=10102−10112134131 中,选取前两行,可得六个子式:
M1=102−1=−1,M2=1012=2,M3=1041=1,M4=2−112=5,M5=2−141=6,M6=1241=−7.它们的代数余子式为:
A1=−8,A2=3,A3=−1,A4=1,A5=−3,A6=1⇒D=−7.定理:两个 n 阶行列式
D1=a11a21⋮an1a12a22⋮an2⋯⋯⋯a1na2n⋮ann,D2=b11b21⋮bn1b12b22⋮bn2⋯⋯⋯b1nb2n⋮bnn的乘积等于一个行列式
C=c11c21⋮cn1c12c22⋮cn2⋯⋯⋯c1nc2n⋮cnn其中每个元素 cij 为 D1 的第 i 行元素与 D2 的第 j 行对应元素乘积之和,
即
cij=ai1b1j+ai2b2j+⋯+ainbnj.证明:构造一个 2n 阶行列式
D=a11a21⋮an1−10⋮0a12a22⋮an20−1⋮0⋯⋯⋯⋯…⋯a1na2n⋮ann00⋮−10000b11b21⋮bn10000b12b22⋮bn20000⋯⋯⋯0000b1nb2n⋮bnn根据 Laplace 定理,按 D 的前 n 行展开,由前 n 行与其余元素所构成的所有子式中,除左上角的子式外,其余均为零,故
D=a11a21⋮an1a12a22⋮an2⋯⋯⋯a1na2n⋮ann⋅b11b21⋮bn1b12b22⋮bn2⋯⋯⋯b1nb2n⋮bnn=D1D2.接下来,我们证明 D=C。对 D 施行初等行变换:将第 (n+1) 行的 a11 倍、第 (n+2) 行的 a12 倍、…、第 (2n) 行的 a1n 倍都加到第一行,得
D=0a21⋮an1−10⋮00a22⋮an20−1⋮0⋯⋯⋯⋯…⋯0a2n⋮ann00⋮−1c11000b11b21⋮bn1c12000b12b22⋮bn2⋯000⋯⋯⋯c1n000b1nb2n⋮bnn.类似地,依次将第 (n+1) 行的 ak1 倍、第 (n+2) 行的 ak2 倍、…、第 (2n) 行的 akn 倍都加到第 k 行,可得
D=00⋮0−10⋮000⋮00−1⋮0⋯⋯⋯⋯…⋯00⋮000⋮−1a11a21⋮an1b11b21⋮bn1a12a22⋮an2b12b22⋮bn2⋯⋯⋯⋯⋯⋯a1na2n⋮annb1nb2n⋮bnn.在该行列式中,前 n 行只含有一个非零的 n 阶子式。因此,由 Laplace 定理,
D=c11c21⋮cn1c12c22⋮cn2⋯⋯⋯c1nc2n⋮cnn ∗(−1)(1+2+⋯+n)+(n+1+n+2+⋯+2n) ∗−10⋮00−1⋮0⋯⋯⋯00⋮−1=C.