主要内容

高等代数教学辅导

3.2 行列式与初等变换

建设中!

练习 练习

基础题.

1.
\(n\)阶行列式\(\det A\)的值为\(d\)
  1. \(\det A\)的每个元素\(a_{ij}\)换成\((-1)^{i+j}a_{ij}\),得到的行列式的值是多少?
  2. \(\det A\)的每个元素\(a_{ij}\)换成\(2^{i-j}a_{ij}\),得到的行列式的值是多少?
  3. \(\det A\)的第一行移到最后一行,其余各行依次保持原来次序向上移动,得到的行列式的值是多少?
  4. \(\det A\)的第\(2\)列开始每列加上它前面的一列,同时将第\(1\)列加上\(\det A\)的第\(n\)列,得到的行列式的值是多少?
解答.
  1. 先将第\(1,2,\ldots,n\)行分别提取公因数\(-1,(-1)^2,\ldots,(-1)^n\),得
    \begin{equation*} \begin{array}{ll} & \begin{vmatrix} (-1)^{1+1}a_{11}&(-1)^{1+2}a_{12}&\cdots&(-1)^{1+n}a_{1n}\\ (-1)^{2+1}a_{21}&(-1)^{2+2}a_{22}&\cdots&(-1)^{2+n}a_{2n}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ (-1)^{n+1}a_{n1}&(-1)^{n+2}a_{n2}&\cdots&(-1)^{n+n}a_{nn} \end{vmatrix}\\ = & (-1)^{1+2+\cdots +n}\begin{vmatrix} (-1)^{1}a_{11}&(-1)^{2}a_{12}&\cdots&(-1)^{n}a_{1n}\\ (-1)^{1}a_{21}&(-1)^{2}a_{22}&\cdots&(-1)^{n}a_{2n}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ (-1)^{1}a_{n1}&(-1)^{2}a_{n2}&\cdots&(-1)^{n}a_{nn} \end{vmatrix}, \end{array} \end{equation*}
    再第\(1,2,\ldots ,n\)列分别提取公因式\(-1,(-1)^2,\ldots,(-1)^n\),则
    \begin{equation*} \text{原式}=(-1)^{1+2+\cdots +n}(-1)^{1+2+\cdots +n}\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. \end{equation*}
  2. 先将第\(1,2,\dots ,n\)行分别提取公因数\(2,2^2,\dots,2^n\),得
    \begin{equation*} \begin{array}{ll} & \begin{vmatrix} 2^{1-1}a_{11}&2^{1-2}a_{12}&\cdots&2^{1-n}a_{1n}\\ 2^{2-1}a_{21}&2^{2-2}a_{22}&\cdots&2^{2-n}a_{2n}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ 2^{n-1}a_{n1}&2^{n-2}a_{n2}&\cdots&2^{n-n}a_{nn} \end{vmatrix}\\ =& 2^{1+2+\cdots +n}\begin{vmatrix} 2^{-1}a_{11}&2^{-2}a_{12}&\cdots&2^{-n}a_{1n}\\ 2^{-1}a_{21}&2^{-2}a_{22}&\cdots&2^{-n}a_{2n}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ 2^{-1}a_{n1}&2^{-2}a_{n2}&\cdots&2^{-n}a_{nn} \end{vmatrix}, \end{array} \end{equation*}
    再第\(1,2,\dots,n\)列分别提出提取公因式\(2^{-1},2^{-2},\dots,2^{-n}\),则
    \begin{equation*} \text{原式}=2^{1+2+\cdots +n}2^{-1-2-\cdots -n}\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. \end{equation*}
  3. 将该行列式的第\(n\)行和第\(n-1\)行互换,再互换新的第\(n-1\)行和第\(n-2\)行,依此类推,直至互换新的第\(2\)行和第\(1\)行可得原行列式,互换共经历了\(n-1\)次,因此\(\det B=(-1)^{n-1}d\)
  4. \(A\)按列分块,设\(A=\begin{pmatrix}A_1 & A_2 & \cdots & A_n\end{pmatrix}\),则
    \begin{equation*} \begin{array}{cl} & \det \begin{pmatrix} A_1+A_n & A_2+A_1 & A_3+A_2 & \cdots & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix}\\ =& \det \begin{pmatrix} A_1 & A_2+A_1 & A_3+A_2 & \cdots & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix} + \\ & \det \begin{pmatrix} A_n & A_2+A_1 & A_3+A_2 & \cdots & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix}. \end{array} \end{equation*}
    对于前一个行列式
    \begin{equation*} \det\begin{pmatrix} A_1 & A_2+A_1 & A_3+A_2 & \cdots & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix}, \end{equation*}
    从第一列开始,自左而右,依次将新的每一列乘以\(-1\)加到后一列,直到第\(n-1\)列,行列式不变,即
    \begin{equation*} \begin{array}{ll} & \det \begin{pmatrix} A_1 & A_2+A_1 & A_3+A_2 & \cdots & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix}\\ = & \det \begin{pmatrix} A_1 & A_2 & A_3+A_2 & \cdots & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix}\\ = & \det \begin{pmatrix} A_1 & A_2 & A_3 & A_4+A_3 &\cdots & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix}\\ = & \cdots\\ = & \det \begin{pmatrix} A_1 & A_2 & A_3 & \cdots & A_n\end{pmatrix}\\ = & \det A. \end{array} \end{equation*}
    对于后一个行列式
    \begin{equation*} \det \begin{pmatrix} A_n & A_2+A_1 & A_3+A_2 & \cdots & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix}, \end{equation*}
    先将第\(1\)列乘以\(-1\)加到最后一列,再将新的行列式从最后一列开始,自右而左,依次将新的每一列乘以\(-1\)加到前一列,直到第\(3\)列,行列式不变,即
    \begin{equation*} \begin{array}{ll} & \det \begin{pmatrix} A_n & A_2+A_1 & \cdots & A_{n-1}+A_{n-2} & A_n+A_{n-1}\end{pmatrix}\\ = & \det \begin{pmatrix} A_n & A_2+A_1 & \cdots & A_{n-1}+A_{n-2} & A_{n-1}\end{pmatrix}\\ = & \det \begin{pmatrix} A_n & A_2+A_1 & \cdots & A_{n-2}+A_{n-1} & A_{n-2} & A_{n-1}\end{pmatrix}\\ = & \cdots\\ = & \det \begin{pmatrix} A_n & A_2+A_1 & A_2 & \cdots & A_{n-2} & A_{n-1}\end{pmatrix}\\ = & \det \begin{pmatrix} A_n & A_1 & A_2 & \cdots & A_{n-1}\end{pmatrix}\\ = & (-1)^{n-1}\det \begin{pmatrix} A_1 & A_2 & \cdots & A_{n-1} & A_n\end{pmatrix}\\ = & (-1)^{n-1}\det A. \end{array} \end{equation*}
    因此所求行列式等于\(d+(-1)^{n-1}d\)
2.
\(A\)\(m\)阶方阵,\(B\)\(n\)阶方阵,\(C\)\(m\times n\)矩阵。若\(\det \begin{pmatrix} A&C\\0&B \end{pmatrix}=d\),求\(\det \begin{pmatrix} 0&B\\A&C \end{pmatrix}\)
解答.
为了将\(\det \begin{pmatrix} A&C\\0&B \end{pmatrix}\)的第\(m+1\)行移到第\(1\)行,前\(m\)行依次保持原来次序向下移动一行,我们先将该行列式的第\(m+1\)行和第\(m\)行互换,再将新的第\(m\)行和第\(m-1\)行互换,依此类推,直至互换新的第\(2\)行和第\(1\)行,这个互换共经历了\(m\)次。
类似地,对于最后\(n\)行,每一行经历\(m\)次互换,一共经历了\(mn\)次互换可得\(\det \begin{pmatrix} 0&B\\A&C \end{pmatrix}\),因此
\begin{equation*} \det \begin{pmatrix} 0&B\\A&C \end{pmatrix}=(-1)^{mn}\det \begin{pmatrix} A&C\\0&B \end{pmatrix}=(-1)^{mn}d. \end{equation*}
3.
\(X,Y,Z_2,Z_3,Z_4\)是4维列向量,
\begin{equation*} A=(X,Z_2,Z_3,Z_4),\ B=(Y,Z_2,Z_3,Z_4). \end{equation*}
已知\(\det A=5,\ \det B=2\),计算\(\det (A+B)\)
解答.
因为\(A+B=(X+Y,2Z_2,2Z_3,2Z_4)\),所以
\begin{equation*} \begin{array}{ccl}\det (A+B)&=&\left| X+Y,2Z_2,2Z_3,2Z_4\right|\\&=&2^3\left|X+Y,Z_2,Z_3,Z_4\right|\\&=&2^3\left(\left|X,Z_2,Z_3,Z_4\right|+\left|Y,Z_2,Z_3,Z_4\right|\right)\\&=&2^3(\det A+\det B)\\&=&56.\end{array} \end{equation*}
4.
证明:
  1. \(\begin{vmatrix} a_1-b_1&b_1-c_1&c_1-a_1\\ a_2-b_2&b_2-c_2&c_2-a_2\\ a_3-b_3&b_3-c_3&c_3-a_3 \end{vmatrix}=0\)
  2. \(\begin{vmatrix} a_1+b_1&b_1+c_1&c_1+a_1\\ a_2+b_2&b_2+c_2&c_2+a_2\\ a_3+b_3&b_3+c_3&c_3+a_3 \end{vmatrix}=2\begin{vmatrix} a_1&b_1&c_1\\ a_2&b_2&c_2\\ a_3&b_3&c_3 \end{vmatrix}\)
解答.
  1. 因为第1列加到第\(3\)列不改变行列式,所以
    \begin{equation*} \begin{vmatrix} a_1-b_1&b_1-c_1&c_1-a_1\\ a_2-b_2&b_2-c_2&c_2-a_2\\ a_3-b_3&b_3-c_3&c_3-a_3 \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} a_1-b_1&b_1-c_1&c_1-b_1\\ a_2-b_2&b_2-c_2&c_2-b_2\\ a_3-b_3&b_3-c_3&c_3-b_3 \end{vmatrix} \end{equation*}
    注意到右式第\(2,3\)列成比例,而两列成比例的行列式等于零,故
    \begin{equation*} \begin{vmatrix} a_1-b_1&b_1-c_1&c_1-a_1\\ a_2-b_2&b_2-c_2&c_2-a_2\\ a_3-b_3&b_3-c_3&c_3-a_3 \end{vmatrix}=0. \end{equation*}
  2. 将第\(1\)列分拆,
    \begin{equation*} \text{左式}=\begin{vmatrix} a_1&b_1+c_1&c_1+a_1\\ a_2&b_2+c_2&c_2+a_2\\ a_3&b_3+c_3&c_3+a_3 \end{vmatrix}+\begin{vmatrix} b_1&b_1+c_1&c_1+a_1\\ b_2&b_2+c_2&c_2+a_2\\ b_3&b_3+c_3&c_3+a_3 \end{vmatrix}. \end{equation*}
    对于前一个行列式,先将第\(1\)列乘以\(-1\)加到第\(3\)列,再将新的第\(3\)列乘以\(-1\)加到第\(2\)列,得
    \begin{equation*} \begin{vmatrix} a_1&b_1+c_1&c_1+a_1\\ a_2&b_2+c_2&c_2+a_2\\ a_3&b_3+c_3&c_3+a_3 \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} a_1&b_1+c_1&c_1\\ a_2&b_2+c_2&c_2\\ a_3&b_3+c_3&c_3 \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} a_1&b_1&c_1\\ a_2&b_2&c_2\\ a_3&b_3&c_3 \end{vmatrix}. \end{equation*}
    对于后一个行列式,先将第\(1\)列乘以\(-1\)加到第\(2\)列,再将新的第\(2\)列乘以\(-1\)加到第\(3\)列,得
    \begin{equation*} \begin{vmatrix} b_1&b_1+c_1&c_1+a_1\\ b_2&b_2+c_2&c_2+a_2\\ b_3&b_3+c_3&c_3+a_3 \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} b_1&c_1&c_1+a_1\\ b_2&c_2&c_2+a_2\\ b_3&c_3&c_3+a_3 \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} b_1&c_1&a_1\\ b_2&c_2&a_2\\ b_3&c_3&a_3 \end{vmatrix}. \end{equation*}
    因此
    \begin{equation*} \begin{array}{rl}\text{左式}= & \begin{vmatrix} a_1&b_1&c_1\\ a_2&b_2&c_2\\ a_3&b_3&c_3 \end{vmatrix}+\begin{vmatrix} b_1&c_1&a_1\\ b_2&c_2&a_2\\ b_3&c_3&a_3 \end{vmatrix}\\ = & \begin{vmatrix} a_1&b_1&c_1\\ a_2&b_2&c_2\\ a_3&b_3&c_3 \end{vmatrix}+(-1)^2\begin{vmatrix} a_1&b_1&c_1\\ a_2&b_2&c_2\\ a_3&b_3&c_3 \end{vmatrix}\\ = & 2\begin{vmatrix} a_1&b_1&c_1\\ a_2&b_2&c_2\\ a_3&b_3&c_3 \end{vmatrix}. \end{array} \end{equation*}
5.
计算下列行列式:
  1. \(\displaystyle \begin{vmatrix} 1& 0& -1& 2\\ 1& 2& 2& 1\\ 3& 4& 2& 5\\ 4& 2& 2& 11 \end{vmatrix};\)
  2. \(\displaystyle \begin{vmatrix} 1& 2& 3& 4\\ 2& 3& 4& 1\\ 3& 4& 1& 2\\ 4& 1& 2& 3 \end{vmatrix};\)
  3. \(\displaystyle \begin{vmatrix} a_1-b_1& a_1-b_2& \cdots& a_1-b_n\\ a_2-b_1& a_2-b_2& \cdots& a_2-b_n\\ \vdots& \vdots& & \vdots\\ a_n-b_1& a_n-b_2& \cdots& a_n-b_n \end{vmatrix};\)
  4. \(\begin{vmatrix} a_1& a_2& a_3& \cdots& a_{n-1}& a_n\\ 1& -1& 0& \cdots& 0& 0\\ 0& 2& -2& \cdots& 0& 0\\ \vdots& \vdots& \vdots& & \vdots& \vdots\\ 0& 0& 0& \cdots& n-1& 1-n \end{vmatrix}\)
解答.
  1. \begin{align*} \mbox{原式}&\xlongequal{\begin{array}{c} r_2-r_1\\ r_3-3r_1\\ r_4-4r_1 \end{array}}\begin{vmatrix} 1&0&-1&2\\ 0&2&3&-1\\ 0&4&5&-1\\ 0&2&6&3 \end{vmatrix}\xlongequal{\begin{array}{c} r_3-2r_2\\ r_4-r_2 \end{array}}\begin{vmatrix} 1&0&-1&2\\ 0&2&3&-1\\ 0&0&-1&1\\ 0&0&3&4 \end{vmatrix}\\ & \xlongequal{r_4+3r_3}\begin{vmatrix} 1&0&-1&2\\ 0&2&3&-1\\ 0&0&-1&1\\ 0&0&0&7 \end{vmatrix}=1\times 2\times (-1)\times 7=-14. \end{align*}
  2. 将第二、第三、第四行都加到第一行,再将新的第一行提出公因数 \(10\),得
    \begin{align*} \mbox{原式}&=10\begin{vmatrix} 1&1&1&1\\ 2&3&4&1\\ 3&4&1&2\\ 4&1&2&3 \end{vmatrix}\xlongequal{\begin{array}{c} r_2-2r_1\\ r_3-3r_1\\ r_4-4r_1 \end{array}}10\begin{vmatrix} 1&1&1&1\\ 0&1&2&-1\\ 0&1&-2&-1\\ 0&-3&-2&-1 \end{vmatrix}\\ &\xlongequal{\begin{array}{c} r_3-r_2\\ r_4+3r_2 \end{array}} 10\begin{vmatrix} 1&1&1&1\\ 0&1&2&-1\\ 0&0&-4&0\\ 0&0&4&-4 \end{vmatrix}\xlongequal{r_4+r_3}10\begin{vmatrix} 1&1&1&1\\ 0&1&2&-1\\ 0&0&-4&0\\ 0&0&0&-4 \end{vmatrix}\\ &=10\times 1\times 1\times(-4)\times(-4)=160. \end{align*}
    • \(n=1\)时,原式 \(=a_1-b_1\)
    • \(n=2\)时,
      \begin{equation*} \mbox{原式}=\begin{vmatrix} a_1-b_1&a_1-b_2\\ a_2-b_1&a_2-b_2 \end{vmatrix}=(a_1-a_2)(b_1-b_2); \end{equation*}
    • \(n\geq 3\)时,将第一列乘以 \(-1\)加到后面每一列,得
      \begin{equation*} \mbox{原式}=\begin{vmatrix} a_1-b_1& b_1-b_2& \cdots& b_1-b_n\\ a_2-b_1& b_1-b_2& \cdots& b_1-b_n\\ \vdots& \vdots& & \vdots\\ a_n-b_1& b_1-b_2& \cdots& b_1-b_n \end{vmatrix}, \end{equation*}
      注意到新的行列式第二列与第三列成比例,故原式 \(=0\)
  3. 将第一列加到第二列,再将新的第二列加到第三列,依此类推,直到将新的第 \(n-1\)列加到第 \(n\)列,行列式的值不变;然后通过顺序相邻两列交换,将最后一列交换至第一列,共交换了\(n-1\)次,得
    \begin{align*} \mbox{原式}=\amp \begin{vmatrix} a_1& a_1+a_2 & a_1+a_2+a_3& \cdots & \sum_{i=1}^n a_i\\ 1& 0& 0& \cdots & 0\\ 0& 2& 0& \cdots & 0\\ \vdots& \ddots& \ddots &\ddots & \vdots\\ 0&\cdots & 0& n-1& 0 \end{vmatrix} \\ = \amp (-1)^{n-1} \begin{vmatrix} \sum_{i=1}^{n} a_i&a_1& a_1+a_2 & \cdots & \sum_{i=1}^{n-1} a_i\\ 0&1& 0& \cdots & 0\\ 0& 0& 2& \ddots & 0\\ \vdots& \ddots & \ddots &\ddots & \vdots\\ 0& \cdots &0& 0 & n-1 \end{vmatrix}\\ = \amp (-1)^{n-1}(n-1)! \sum_{i=1}^n a_i. \end{align*}
    (也可用从最后一列开始依次向前加的方法获得答案。)

提高题.

6.
\(n\)是大等于\(2\)的整数,证明:在 \(1,2,\ldots,n\)所构成的全部排列中,奇、偶排列的个数相等,各有 \(\frac{n!}{2}\)个。
解答 1.
设在\(1,2,\ldots,n\)所构成的全部排列中,共有 \(s\) 个奇排列, \(t\)个偶排列。
\(s\)个奇排列的前两个数字对换,得到 \(s\)个不同的偶排列,因此 \(s\leq t\)。同理可证 \(t\leq s\),于是 \(s=t\),即奇、偶排列的个数相等,各有 \(\frac{n!}{2}\)个。
解答 2.
\(A\)是所有元素全为\(1\)\(n\)阶方阵,由\(n\geq 2\)\(A\)中存在相同的两行,故\(\det A=0\)。根据行列式定义,
\begin{equation} \det A=\sum\limits_{j_1,\dots ,j_n}(-1)^{\tau (j_1,\dots ,j_n)},\tag{3.2.1} \end{equation}
这里\(j_1,\ldots ,j_n\)取遍\(1,\ldots ,n\)的所有排列,由\(\det A=0\)(3.2.1)\(1\)\(-1\)的个数相同。因此在\(1,\ldots,n\)所构成的全部排列中,奇、偶排列的个数相等,各有 \(\frac{n!}{2}\)个。
7.
\(n\)是大等于\(2\)的整数, \(\Gamma\)为形如下列形式的 \(n\) 阶方阵构成的集合:矩阵的每行每列只有一个非零元素,且该非零元素为 \(1\)。试求 \(\sum\limits_{A\in\Gamma}\det A\)
解答 1.
\(P(j_1,\ldots ,j_n)\)是第\(i\)行第\(j_i\)列元素为\(1\)\(\forall 1\leq i\leq n\)),其余元素全为 \(0\)\(n\)阶方阵,则
\begin{equation*} \Gamma=\{P(j_1,\ldots ,j_n)|j_1,\ldots ,j_n\mbox{是}1,\ldots ,n\mbox{的排列}\}. \end{equation*}
于是
\begin{equation*} \sum\limits_{A\in\Gamma}\det A=\sum\limits_{j_1,\ldots ,j_n}(-1)^{\tau(j_1,\ldots ,n)}, \end{equation*}
这里 \(j_1,\ldots ,j_n\)取遍 \(1,\ldots ,n\)的所有排列。由 练习 3.2.6知,\(1,\ldots ,n\)的所有排列中,奇、偶排列各半,因此
\begin{equation*} \sum\limits_{A\in\Gamma}\det A=0. \end{equation*}
解答 2.
因为\(n\)是大等于\(2\)的整数,所以根据行列式的分拆性质得
\begin{equation*} \sum\limits_{A\in\Gamma}\det A=\begin{vmatrix} 1&1&\cdots&1\\ 1&1&\cdots&1\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ 1&1&\cdots&1\\ \end{vmatrix}=0. \end{equation*}
8.
\(A=\left(a_{ij}\right)_{n\times n}\),其中 \(a_{ij}=\max\left\{i,j\right\}\),求 \(\det A\)
解答 1.
\begin{equation*} \det A=\begin{vmatrix} 1&2&3&\cdots &n-1&n\\ 2&2&3&\cdots &n-1&n\\ 3&3&3&\cdots &n-1&n\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ n-1&n-1&n-1&\cdots&n-1&n\\ n&n&n&\cdots&n&n \end{vmatrix}. \end{equation*}
从第二行起,自上而下,依次将每一行乘以 \(-1\)加到上面一行,直至第 \(n\)行,得
\begin{equation*} \det A=\begin{vmatrix} -1&0&0&\cdots &0&0\\ -1&-1&0&\cdots &0&0\\ -1&-1&-1&\cdots &0&0\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ -1&-1&-1&\cdots&-1&0\\ n&n&n&\cdots&n&n \end{vmatrix} =(-1)^{n-1}n. \end{equation*}
解答 2.
先将最后一行提出公因数\(n\),得
\begin{equation*} \det A = n\begin{vmatrix} 1&2&3&\cdots &n-1&n\\ 2&2&3&\cdots &n-1&n\\ 3&3&3&\cdots &n-1&n\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ n-1&n-1&n-1&\cdots&n-1&n\\ 1&1&1&\cdots&1&1 \end{vmatrix}, \end{equation*}
再将最后一行乘以\(-k\)加到第\(k\)行(\(1\leq k\leq n-1\)),得
\begin{equation*} \det A = n\begin{vmatrix} 0&1&2&\cdots &n-2&n-1\\ 0&0&1&\cdots &n-3&n-2\\ 0&0&0&\cdots &n-4&n-3\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ 0&0&0&\cdots&0&1\\ 1&1&1&\cdots&1&1 \end{vmatrix}, \end{equation*}
最后一行经过\(n-1\)次行互换,得
\begin{equation*} \det A = (-1)^{n-1}n\begin{vmatrix} 1&1&1&\cdots&1&1\\ 0&1&2&\cdots &n-2&n-1\\ 0&0&1&\cdots &n-3&n-2\\ 0&0&0&\cdots &n-4&n-3\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ 0&0&0&\cdots&0&1 \end{vmatrix} = (-1)^{n-1}n. \end{equation*}
9.
\(A=\left(a_{ij}\right)_{n\times n}\),其中 \(a_{ij}=|i-j|\),求 \(\det A\)
解答.
\begin{equation*} \det A=\begin{vmatrix} 0&1&2&\cdots&n-2&n-1\\ 1&0&1&\cdots&n-3&n-2\\ 2&1&0&\cdots&n-4&n-3\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ n-2&n-3&n-4&\cdots&0&1\\ n-1&n-2&n-3&\cdots&1&0\\ \end{vmatrix}. \end{equation*}
从倒数第二行开始,自下而上,依次将每一行乘以 \(-1\)加到下面一行,直至第一行,得
\begin{align*} \det A&=\begin{vmatrix} 0&1&2&\cdots&n-2&n-1\\ 1&-1&-1&\cdots&-1&-1\\ 1&1&-1&\cdots&-1&-1\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ 1&1&1&\cdots&-1&-1\\ 1&1&1&\cdots&1&-1\\ \end{vmatrix} \\ &\xlongequal{c_i+c_n}\begin{vmatrix} n-1&n&n+1&\cdots&2n-3&n-1\\ 0&-2&-2&\cdots&-2&-1\\ 0&0&-2&\cdots&-2&-1\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots&\vdots\\ 0&0&0&\cdots&-2&-1\\ 0&0&0&\cdots&0&-1\\ \end{vmatrix} \\ &=(-1)^{n-1}\cdot (n-1)\cdot 2^{n-2}. \end{align*}
10.
\(c_1,c_2,c_3\)是多项式 \(f(x)=x^3+px+q\)的根,计算三阶行列式
\begin{equation*} \begin{vmatrix} c_1&c_2&c_3\\ c_3&c_1&c_2\\ c_2&c_3&c_1 \end{vmatrix}. \end{equation*}
解答.
因为\(c_1,c_2,c_3\)是多项式 \(f(x)=x^3+px+q\)的根,所以根据Viète定理,
\begin{equation*} c_1+c_2+c_3=0. \end{equation*}
将上述行列式的第二行、第三行都加到第一行,行列式的值不变,则
\begin{equation*} \begin{array}{ll} \mbox{原式} & =\begin{vmatrix} c_1+c_2+c_3& c_1+c_2+c_3& c_1+c_2+c_3\\ c_3&c_1&c_2\\ c_2&c_3&c_1 \end{vmatrix}\\ & =\begin{vmatrix} 0&0&0\\ c_3&c_1&c_2\\ c_2&c_3&c_1 \end{vmatrix}\\ & =0. \end{array} \end{equation*}
11.
\(n\geq 3\),计算 \(n\)阶行列式:
\begin{equation*} \begin{vmatrix} a_1+b_1c_1&a_2+b_1c_2&\cdots&a_n+b_1c_n\\ a_1+b_2c_1&a_2+b_2c_2&\cdots&a_n+b_2c_n\\ \vdots&\vdots&&\vdots\\ a_1+b_nc_1&a_2+b_nc_2&\cdots&a_n+b_nc_n\\ \end{vmatrix}. \end{equation*}
解答.
因为\(n\geq 3\),所以
\begin{align*} \mbox{原式}&=\left|\begin{pmatrix} 1&b_1&0&\cdots&0\\ 1&b_2&0&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots\\ 1&b_n&0&\cdots&0\\ \end{pmatrix}\begin{pmatrix} a_1&a_2&\cdots&a_n\\ c_1&c_2&\cdots&c_n\\ 0&0&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&&\vdots\\ 0&0&\cdots&0\\ \end{pmatrix}\right| \\ &=\begin{vmatrix} 1&b_1&0&\cdots&0\\ 1&b_2&0&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&\vdots&&\vdots\\ 1&b_n&0&\cdots&0\\ \end{vmatrix}\cdot\begin{vmatrix} a_1&a_2&\cdots&a_n\\ c_1&c_2&\cdots&c_n\\ 0&0&\cdots&0\\ \vdots&\vdots&&\vdots\\ 0&0&\cdots&0\\ \end{vmatrix} \\ &=0. \end{align*}

挑战题.

12.
由行列式公理化定义中的4个性质推出行列式展开式定义中表达式。
解答.
\(f:\mathcal{M}(\F) \to \F\)是满足行列式公理化定义中4个性质的映射。任取 \(n\)阶方阵 \(A\),设
\begin{equation*} A=\begin{pmatrix} A_1\\ A_2\\ \vdots \\ A_n \end{pmatrix}, \end{equation*}
其中 \(A_i\)\(A\)的第 \(i\)行,则
\begin{equation*} A_i=\sum\limits_{j=1}^n a_{ij}\varepsilon_j^T, \end{equation*}
这里\(\varepsilon_j^T\)表示第 \(j\)个元素是 \(1\)\(n\)维单位行向量。根据行列式公理化定义的最后两条性质,得
\begin{equation} \begin{array}{rl} f(A)= & \sum\limits_{j_1=1}^n a_{1j_1} f\left(\begin{array}{c} \varepsilon_{j_1}^T\\ \sum\limits_{j=1}^n a_{2j}\varepsilon_j^T\\ \vdots \\ \sum\limits_{j=1}^n a_{nj}\varepsilon_j^T \end{array}\right)\\ = & \sum\limits_{j_1=1}^n\sum\limits_{j_2=1}^n a_{1j_1}a_{2j_2}f\left(\begin{array}{c} \varepsilon_{j_1}^T\\ \varepsilon_{j_2}^T\\ \vdots \\ \sum\limits_{j=1}^n a_{nj}\varepsilon_j^T \end{array}\right)\\ = & \cdots \\ = & \sum\limits_{j_1,j_2,\ldots ,j_n=1}^n a_{1j_1}a_{2j_2}\cdots a_{nj_n}f\left(\begin{array}{c} \varepsilon_{j_1}^T\\ \varepsilon_{j_2}^T\\ \vdots \\ \varepsilon_{j_n}^T \end{array}\right). \end{array}\tag{3.2.2} \end{equation}
由公理化定义的第\(2\)条性质不难验证,当\(j_i=j_k\)时,
\begin{equation*} f\left(\begin{array}{c} \varepsilon_{j_1}^T\\ \varepsilon_{j_2}^T\\ \vdots \\ \varepsilon_{j_n}^T \end{array}\right)=0. \end{equation*}
因此在 (3.2.2)中,只剩下 \(j_1,j_2,\ldots ,j_n\)互不相同的项,则
\begin{equation*} f(A)=\sum\limits_{j_1,j_2,\ldots ,j_n} a_{1j_1}a_{2j_2}\cdots a_{nj_n}f\left(\begin{array}{c} \varepsilon_{j_1}^T\\ \varepsilon_{j_2}^T\\ \vdots \\ \varepsilon_{j_n}^T \end{array}\right). \end{equation*}
这里\(j_1,j_2,\ldots ,j_n\)取遍 \(1,2,\ldots ,n\)的所有排列。因为\(j_1,j_2,\ldots ,j_n\)可经过 \(\tau(j_1,j_2,\ldots ,j_n)\)次对换变成 \(1,2,\ldots ,n\),所以根据公理化定义的前两条性质
\begin{align*} f(A)&=\sum\limits_{j_1,j_2,\ldots ,j_n} (-1)^{\tau(j_1,j_2,\ldots ,j_n)}a_{1j_1}a_{2j_2}\cdots a_{nj_n}f\left(\begin{array}{c} \varepsilon_{1}^T\\ \varepsilon_{2}^T\\ \vdots \\ \varepsilon_{n}^T \end{array}\right) \\ & =\sum\limits_{j_1,j_2,\ldots ,j_n} (-1)^{\tau(j_1,j_2,\ldots ,j_n)}a_{1j_1}a_{2j_2}\cdots a_{nj_n}. \end{align*}
13.
\(f_0(x),f_1(x),\ldots ,f_{n-1}(x)\in\Z[x]\),其中
\begin{equation*} f_i(x)=a_{i0}+a_{i1}x+\cdots +a_{i,n-1}x^{n-1}, i=0,\ldots ,n-1. \end{equation*}
\(A\)\(n\)阶方阵
\begin{equation*} \begin{pmatrix} a_{00}&a_{01}&\cdots&a_{0,n-1}\\ a_{10}&a_{11}&\cdots&a_{1,n-1}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ a_{n-1,0}&a_{n-1,1}&\cdots&a_{n-1,n-1} \end{pmatrix}, \end{equation*}
证明: 对任意正整数 \(m\),都有
\begin{equation*} \left(f_0(m),f_1(m),\ldots ,f_{n-1}(m)\right)|\det A. \end{equation*}
解答.
\(d=\left(f_0(m),f_1(m),\ldots ,f_{n-1}(m)\right)\),则对任意 \(0\leq i\leq n-1\),存在 \(q_i\in\Z\),使得
\begin{equation*} f_i(m)=dq_i. \end{equation*}
\(\det A\)的第 \(k+1\)列乘以 \(m^k\)加到第一列( \(k=1,\ldots ,n-1\)),得
\begin{align*} \det A&= \begin{vmatrix} f_{0}(m)&a_{01}&\cdots&a_{0,n-1}\\ f_{1}(m)&a_{11}&\cdots&a_{1,n-1}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ f_{n-1}(m)&a_{n-1,1}&\cdots&a_{n-1,n-1} \end{vmatrix} \\ & = \begin{vmatrix} dq_0&a_{01}&\cdots&a_{0,n-1}\\ dq_1&a_{11}&\cdots&a_{1,n-1}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ dq_{n-1}&a_{n-1,1}&\cdots&a_{n-1,n-1} \end{vmatrix} \\ &= d\cdot\begin{vmatrix} q_0&a_{01}&\cdots&a_{0,n-1}\\ q_1&a_{11}&\cdots&a_{1,n-1}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ q_{n-1}&a_{n-1,1}&\cdots&a_{n-1,n-1}\\ \end{vmatrix}. \end{align*}
注意到\(a_{ij},q_i\in\Z(\forall 0\leq i,j\leq n-1)\),则
\begin{equation*} \begin{vmatrix} q_0&a_{01}&\cdots&a_{0,n-1}\\ q_1&a_{11}&\cdots&a_{1,n-1}\\ \vdots&\vdots& &\vdots\\ q_{n-1}&a_{n-1,1}&\cdots&a_{n-1,n-1} \end{vmatrix}\in\Z, \end{equation*}
因此\(d|\det A\)
14.
在直角坐标平面中,\(\triangle ABC\)的三个顶点坐标分别为\(A(x_1,y_1)\)\(B(x_2,y_2)\)\(C(x_3,y_3)\)。证明\(\triangle ABC\)的面积为
\begin{equation*} \frac{1}{2}\left|\det\begin{pmatrix} x_1& y_1& 1\\ x_2& y_2& 1\\ x_3& y_3& 1 \end{pmatrix}\right|. \end{equation*}
解答.
因为\(\overrightarrow{AB}=(x_2-x_1,y_2-y_1)\)\(\overrightarrow{AC}=(x_3-x_1,y_3-y_1)\),所以\(\triangle ABC\)的面积为
\begin{equation*} \frac{1}{2}\left|\det\begin{pmatrix} x_2-x_1& y_2-y_1\\ x_3-x_1& y_3-y_1 \end{pmatrix}\right|. \end{equation*}
注意到
\begin{equation*} \det\begin{pmatrix} x_1& y_1& 1\\ x_2& y_2& 1\\ x_3& y_3& 1 \end{pmatrix}=\det\begin{pmatrix} x_1& y_1& 1\\ x_2-x_1& y_2-y_1& 0\\ x_3-x_1& y_3-y_1& 0 \end{pmatrix}, \end{equation*}
按最后一列展开得
\begin{equation*} \det\begin{pmatrix} x_1& y_1& 1\\ x_2& y_2& 1\\ x_3& y_3& 1 \end{pmatrix}=\det\begin{pmatrix} x_2-x_1& y_2-y_1\\ x_3-x_1& y_3-y_1 \end{pmatrix}, \end{equation*}
因此\(\triangle ABC\)的面积为 \(\frac{1}{2}\left|\det\begin{pmatrix} x_1& y_1& 1\\ x_2& y_2& 1\\ x_3& y_3& 1 \end{pmatrix}\right| \)
15.
\(A(x_1,y_1)\)\(B(x_2,y_2)\)是直角坐标平面上的两个不同点。证明由\(AB\)所确定直线的方程为
\begin{equation*} \begin{vmatrix} x & y& 1\\ x_1 & y_1 & 1\\ x_2 & y_2 & 1 \end{vmatrix}=0. \end{equation*}
解答.
将第\(2\)行乘以\(-1\)加到第\(3\)行,将第\(1\)行乘以\(-1\)加到第\(2\)行,有
\begin{equation*} \begin{vmatrix} x & y& 1\\ x_1 & y_1 & 1\\ x_2 & y_2 & 1 \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} x & y& 1\\ x_1-x & y_1-y & 0\\ x_2-x_1 & y_2-y_1 & 0 \end{vmatrix}, \end{equation*}
按最后一列展开得
\begin{equation*} \begin{vmatrix} x & y& 1\\ x_1 & y_1 & 1\\ x_2 & y_2 & 1 \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} x_1-x & y_1-y \\ x_2-x_1 & y_2-y_1 \end{vmatrix}. \end{equation*}
方程\(\begin{vmatrix} x & y& 1\\ x_1 & y_1 & 1\\ x_2 & y_2 & 1 \end{vmatrix}=0\),即
\begin{equation*} (x_2-x_1)(y-y_1)=(y_2-y_1)(x-x_1) \end{equation*}
恰为由\(AB\)所确定直线的方程。