Skip to content

行列式的 Laplace 定理

行列式中 Laplace 定理及其应用

定义(kk 阶子式):在 nn 阶行列式 DD 中,任取 kk 行与 kk 列(knk \le n),位于这些行与列交点处的 k2k^2 个元素按原次序排列所构成的 k×kk \times k 行列式 MM,称为 DD 的一个 kk 阶子式。

k<nk < n 时,在 DD 中划去这 kk 行与 kk 列后,剩余元素按原次序排列所构成的 (nk)(n-k) 阶行列式 MM',称为 kk 阶子式 MM 的余子式。

例:

D=a11a12a13a14a15a21a22a23a24a25a51a52a53a54a55,M=a12a13a15a22a23a25a42a43a45,M=a31a34a51a54D=\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} & a_{14} & a_{15}\\ a_{21} & a_{22} & a_{23} & a_{24} & a_{25}\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ a_{51} & a_{52} & a_{53} & a_{54} & a_{55} \end{vmatrix}, \\ M=\begin{vmatrix} a_{12} & a_{13} & a_{15} \\ a_{22} & a_{23} & a_{25} \\ a_{42} & a_{43} & a_{45} \end{vmatrix}, \\ M'=\begin{vmatrix} a_{31} & a_{34} \\ a_{51} & a_{54} \end{vmatrix}

注:在上例中,MM 的代数余子式为

(1)(1+2+4)+(2+3+5)M=M(-1)^{(1+2+4)+(2+3+5)}M'=-M'

定义(代数余子式):设 MMDD 的一个 kk 阶子式,其行指标与列指标分别为 i1,i2,,ik; j1,j2,,jki_{1},i_{2},\cdots,i_{k}; \ j_{1},j_{2},\cdots,j_{k}。将 MM 的余子式 MM' 乘以符号 (1)(i1+i2++ik)+(j1+j2++jk)(-1)^{(i_{1}+i_{2}+\cdots+i_{k})+(j_{1}+j_{2}+\cdots+j_{k})},即得 MM 的代数余子式。

引理:行列式 DD 的任一子式 MM 与其代数余子式 AA 的乘积中的每一项,都对应着行列式 DD 展开式中的某一项,且符号相同。

证明:首先考虑 MM 位于行列式 DD 左上角的情形:

a11a12a1ka1,k+1a1nMak1ak2akkak,k+1aknak+1,1ak+1,2ak+1,kak+1,k+1ak+1,nMan1an2ankan,k+1ann\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots & a_{1k} & |& a_{1,k+1} & \cdots & a_{1n}\\ \vdots & \vdots & M & \cdots & | & \vdots & &\vdots \\ a_{k1} & a_{k2} &\cdots & a_{kk}& | & a_{k,k+1} & \cdots & a_{kn}\\ -&- &- &- &-|-&- &- &- \\ a_{k+1,1}& a_{k+1,2} &\cdots & a_{k+1,k} & |& a_{k+1,k+1} & \cdots & a_{k+1,n}\\ \vdots & \vdots & & \vdots& |& \vdots & M' & \vdots\\ a_{n1} & a_{n2} & \cdots & a_{nk} & |& a_{n,k+1} & \cdots & a_{nn}\end{vmatrix}

此时,MM 的代数余子式为:

A=(1)(1+2++k)+(1+2++k)M=MA=(-1)^{(1+2+\cdots +k)+(1+2+\cdots+k)}M'=M'

MM 中的每一项可写为 a1α1a2α2akαka_{1\alpha_{1}}a_{2\alpha_{2}}\cdots a_{k\alpha_{k}},其中 α1α2αk\alpha_{1}\alpha_{2}\cdots\alpha_{k}1,2,,k1,2,\cdots,k 的一个排列。该项的符号为 (1)τ(α1α2αk)(-1)^{\tau(\alpha_1 \alpha_2\cdots\alpha_k)}

MM' 中的每一项可写为 ak+1,βk+1ak+2,βk+2anβna_{k+1,\beta_{k+1}}a_{k+2,\beta_{k+2}}\cdots a_{n\beta_{n}},其中 βk+1βk+2βn\beta_{k+1}\beta_{k+2}\cdots\beta_{n}k+1,k+2,,nk+1,k+2,\cdots,n 的一个排列,其符号为 (1)τ((βk+1k)(βk+2k)(βnk))(-1)^{\tau((\beta_{k+1}-k)(\beta_{k+2}-k)\cdots(\beta_{n}-k))}

这两项的乘积为 a1α1a2α2akαkak+1,βk+1anβna_{1\alpha_{1}}a_{2\alpha_{2}}\cdots a_{k\alpha_{k}}a_{k+1,\beta_{k+1}}\cdots a_{n\beta_{n}},其合并后的符号为:

(1)τ(α1α2αk)+τ((βk+1k)(βk+2k)(βnk))=(1)τ(α1α2αkβk+1βn)(-1)^{\tau(\alpha_{1}\alpha_{2}\cdots\alpha_{k})+\tau((\beta_{k+1}-k)(\beta_{k+2}-k)\cdots(\beta_{n}-k))}= (-1)^{\tau(\alpha_{1}\alpha_{2}\cdots \alpha_{k}\beta_{k+1}\cdots \beta_{n}) }

因此,该乘积是行列式 DD 展开式中的一项,且符号相同。

下面证明一般情形。

设子式 MM 位于 DD 的第 i1,i2,,iki_1, i_2, \cdots, i_k 行与第 j1,j2,,jkj_1, j_2, \cdots, j_k 列,其中 i1<i2<<iki_1 < i_2 < \cdots < i_kj1<j2<<jkj_1 < j_2 < \cdots < j_k

我们重新排列行列式 DD 的行与列,使 MM 移动到左上角。

首先,将第 i1i_1 行依次与第 i11,i12,,2,1i_1-1, i_1-2, \cdots, 2, 1 行交换,共需 i11i_1-1 次交换即可把第 i1i_1 行移到第一行。再将第 i2i_2 行交换 i22i_2-2 次移到第二行,依此类推。总计需要

(i11)+(i22)++(ikk)=(i1+i2++ik)(1+2++k)(i_1-1)+(i_2-2)+\cdots+(i_k-k)=(i_1+i_2+\cdots+i_k)-(1+2+\cdots+k)

次行交换,即可将第 i1,i2,,iki_1, i_2, \cdots, i_k 行移到第 1,2,,k1, 2, \cdots, k 行。

类似地,通过列交换将 MM 的各列移到第 1,2,,k1, 2, \cdots, k 列,需要

(j11)+(j22)++(jkk)=(j1+j2++jk)(1+2++k)(j_1-1)+(j_2-2)+\cdots+(j_k-k)=(j_1+j_2+\cdots+j_k)-(1+2+\cdots+k)

次列交换。

设经过上述变换后所得的新行列式为 D1D_1。则有:

D1=(1)(i1+i2++ik)(1+2++k)+(j1+j2++jk)(1+2++k)D=(1)i1+i2++ik+j1+j2++jkDD_1 = (-1)^{(i_1+i_2+\cdots+i_k)-(1+2+\cdots+k)+(j_1+j_2+\cdots+j_k)-(1+2+\cdots+k)}D \\ = (-1)^{i_1+i_2+\cdots+i_k+j_1+j_2+\cdots+j_k}D

因此,D1D_1 的展开式与 DD 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(-1)^{i_1+i_2+\cdots+i_k+j_1+j_2+\cdots+j_k}

现在,MM 位于 D1D_1 的左上角,MMD1D_1 中的余子式与代数余子式均为 MM'。因此,乘积 MMMM' 中的每一项都对应着 D1D_1 中符号相同的一项。

MMDD 中的代数余子式 AA 满足 MA=(1)i1+i2++ik+j1+j2++jkMMMA = (-1)^{i_1+i_2+\cdots+i_k+j_1+j_2+\cdots+j_k}MM',它是 D1D_1 中符号相差因子 (1)i1+i2++ik+j1+j2++jk(-1)^{i_1+i_2+\cdots+i_k+j_1+j_2+\cdots+j_k} 的一项。因此,MAMADD 中符号相同的一项。

定理(Laplace 定理):在行列式 DD 中任取 kk1kn11 \le k \le n-1)行,由这 kk 行所构成的全部 kk 阶子式与其各自代数余子式乘积之和等于行列式 DD

证明:设由 DD 中所选 kk 行构成的子式为 M1,M2,,MtM_1, M_2, \cdots, M_t,其代数余子式为 A1,A2,,AtA_1, A_2, \cdots, A_t。定理断言:

D=M1A1+M2A2++MtAtD = M_1A_1 + M_2A_2 + \cdots + M_tA_t

其中

t=Cnk=n!k!(nk)!t = \text{C}_{n}^{k} = \dfrac{n!}{k!(n-k)!}

由引理,MiAiM_iA_i 中的每一项都对应着 DD 中符号相同的一项,且 MiAiM_iA_iMjAjM_jA_jiji \ne j)之间没有公共项。

等式左端共含 n!n! 项,右端共含

i=1tk!(nk)!=k!(nk)!n!k!(nk)!=n!\sum\limits_{i=1}^{t}k!(n-k)! = k!(n-k)!\dfrac{n!}{k!(n-k)!} = n!

项。因此,定理得证。

例:在行列式 D=1214012110130131D=\begin{vmatrix} 1 & 2 & 1 &4 \\ 0 & -1 & 2 & 1\\ 1 & 0 & 1 & 3\\ 0 & 1& 3 & 1\end{vmatrix} 中,选取前两行,可得六个子式:

M1=1201=1,M2=1102=2,M3=1401=1,M_{1}= \begin{vmatrix} 1& 2\\ 0 &-1 \end{vmatrix}=-1, \quad M_{2}= \begin{vmatrix} 1 &1 \\ 0& 2\end{vmatrix}=2, \quad M_{3}= \begin{vmatrix} 1 & 4\\ 0 &1 \end{vmatrix}=1,M4=2112=5,M5=2411=6,M6=1421=7.M_{4}= \begin{vmatrix} 2& 1\\ -1&2 \end{vmatrix}=5, \quad M_{5}= \begin{vmatrix} 2& 4\\ -1 &1 \end{vmatrix}=6, \quad M_{6}= \begin{vmatrix} 1& 4\\ 2&1 \end{vmatrix}=-7.

它们的代数余子式为:

A1=8,A2=3,A3=1,A4=1,A5=3,A6=1D=7.A_1=-8, \quad A_2=3, \quad A_3=-1, \quad A_4=1, \quad A_5=-3, \quad A_6=1 \Rightarrow D=-7.

定理:两个 nn 阶行列式

D1=a11a12a1na21a22a2nan1an2ann,D2=b11b12b1nb21b22b2nbn1bn2bnnD_{1}=\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots &a_{1n} \\ a_{21} &a_{22} &\cdots & a_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ a_{n1} & a_{n2} &\cdots & a_{nn}\end{vmatrix}, \\ D_{2}=\begin{vmatrix} b_{11} & b_{12} & \cdots &b_{1n} \\ b_{21} &b_{22} &\cdots & b_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ b_{n1} & b_{n2} &\cdots & b_{nn}\end{vmatrix}

的乘积等于一个行列式

C=c11c12c1nc21c22c2ncn1cn2cnnC = \begin{vmatrix} c_{11} &c_{12} & \cdots &c_{1n} \\ c_{21} &c_{22} &\cdots & c_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ c_{n1} & c_{n2} &\cdots & c_{nn}\end{vmatrix}

其中每个元素 cijc_{ij}D1D_1 的第 ii 行元素与 D2D_2 的第 jj 行对应元素乘积之和,

cij=ai1b1j+ai2b2j++ainbnj.c_{ij} = a_{i1}b_{1j} + a_{i2}b_{2j} + \cdots + a_{in}b_{nj}.

证明:构造一个 2n2n 阶行列式

D=a11a12a1n0000a21a22a2n00000000an1an2ann0000100b11b12b1n010b21b22b2n001bn1bn2bnnD = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots &a_{1n} &0&0&0&0\\ a_{21} &a_{22} &\cdots & a_{2n}&0&0&0&0\\ \vdots & \vdots & &\vdots &0&0&0&0\\ a_{n1} & a_{n2} &\cdots & a_{nn} &0&0&0&0\\ -1&0&\cdots &0&b_{11}&b_{12}&\cdots&b_{1n}\\ 0&-1&\dotso&0&b_{21}&b_{22}&\cdots&b_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots&\vdots & \vdots &&\vdots \\ 0&0&\cdots&-1 &b_{n1}&b_{n2}&\cdots &b_{nn} \end{vmatrix}

根据 Laplace 定理,按 DD 的前 nn 行展开,由前 nn 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=a11a12a1na21a22a2nan1an2annb11b12b1nb21b22b2nbn1bn2bnn=D1D2.D = \begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & \cdots &a_{1n} \\ a_{21} &a_{22} &\cdots & a_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ a_{n1} & a_{n2} &\cdots & a_{nn}\end{vmatrix}\cdot \begin{vmatrix} b_{11} & b_{12} & \cdots &b_{1n} \\ b_{21} &b_{22} &\cdots & b_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ b_{n1} & b_{n2} &\cdots & b_{nn}\end{vmatrix}=D_1D_2.

接下来,我们证明 D=CD = C。对 DD 施行初等行变换:将第 (n+1)(n+1) 行的 a11a_{11} 倍、第 (n+2)(n+2) 行的 a12a_{12} 倍、\dots、第 (2n)(2n) 行的 a1na_{1n} 倍都加到第一行,得

D=000c11c12c1na21a22a2n00000000an1an2ann0000100b11b12b1n010b21b22b2n001bn1bn2bnn.D = \begin{vmatrix} 0&0&\cdots&0&c_{11}&c_{12}&\cdots&c_{1n}\\ a_{21} &a_{22} &\cdots & a_{2n}&0&0&0&0\\ \vdots & \vdots & &\vdots &0&0&0&0\\ a_{n1} & a_{n2} &\cdots & a_{nn} &0&0&0&0\\ -1&0&\cdots &0&b_{11}&b_{12}&\cdots&b_{1n}\\ 0&-1&\dotso&0&b_{21}&b_{22}&\cdots&b_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots&\vdots & \vdots &&\vdots \\ 0&0&\cdots&-1 &b_{n1}&b_{n2}&\cdots &b_{nn} \end{vmatrix}.

类似地,依次将第 (n+1)(n+1) 行的 ak1a_{k1} 倍、第 (n+2)(n+2) 行的 ak2a_{k2} 倍、\dots、第 (2n)(2n) 行的 akna_{kn} 倍都加到第 kk 行,可得

D=000a11a12a1n000a21a22a2n000an1an2ann100b11b12b1n010b21b22b2n001bn1bn2bnn.D = \begin{vmatrix} 0&0&\cdots&0& a_{11} & a_{12} & \cdots &a_{1n} \\ 0&0&\cdots&0&a_{21} &a_{22} &\cdots & a_{2n}\\ \vdots &\vdots & &\vdots &\vdots & \vdots & &\vdots \\ 0&0&\cdots&0&a_{n1} & a_{n2} &\cdots & a_{nn} \\ -1&0&\cdots &0&b_{11}&b_{12}&\cdots&b_{1n}\\ 0&-1&\dotso&0&b_{21}&b_{22}&\cdots&b_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots&\vdots & \vdots &&\vdots \\ 0&0&\cdots&-1 &b_{n1}&b_{n2}&\cdots &b_{nn} \end{vmatrix}.

在该行列式中,前 nn 行只含有一个非零的 nn 阶子式。因此,由 Laplace 定理,

D=c11c12c1nc21c22c2ncn1cn2cnn  (1)(1+2++n)+(n+1+n+2++2n)  100010001=C.D = \begin{vmatrix} c_{11} &c_{12} & \cdots &c_{1n} \\ c_{21} &c_{22} &\cdots & c_{2n}\\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ c_{n1} & c_{n2} &\cdots & c_{nn}\end{vmatrix} ~\\ ~\\ \ast (-1)^{(1+2+\cdots+n)+(n+1+n+2+\cdots +2n)} ~\\ ~\\ \ast \begin{vmatrix} -1 & 0 & \cdots & 0\\ 0 & -1 & \cdots & 0\\ \vdots & \vdots & &\vdots \\ 0& 0 & \cdots &-1 \end{vmatrix} = C.