数学基础 -- 线性代数之行列式不变性推导

行列式不变性的推导

我们要证明:给矩阵的一行(或列)加上另一行(或列)的倍数,这种操作不会改变行列式的值。

问题描述

假设我们有一个矩阵 A A A,其大小为 3 × 3 3 \times 3 3×3,如果我们将其第 1 行加上第 2 行的倍数,得到新的矩阵 A ′ A' A′。我们需要证明矩阵 A A A 的行列式和矩阵 A ′ A' A′ 的行列式是相等的。

给定矩阵 A A A 如下:
A = ( a 11 a 12 a 13 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 ) A = \begin{pmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} A= a11a21a31a12a22a32a13a23a33

我们构造一个新的矩阵 A ′ A' A′,其中第 1 行变为原第 1 行加上第 2 行的 k k k 倍:
A ′ = ( a 11 + k ⋅ a 21 a 12 + k ⋅ a 22 a 13 + k ⋅ a 23 a 21 a 22 a 23 a 31 a 32 a 33 ) A' = \begin{pmatrix} a_{11} + k \cdot a_{21} & a_{12} + k \cdot a_{22} & a_{13} + k \cdot a_{23} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} A′= a11+k⋅a21a21a31a12+k⋅a22a22a32a13+k⋅a23a23a33

行列式计算

矩阵 A A A 的行列式计算如下:
det ( A ) = a 11 ⋅ det ( a 22 a 23 a 32 a 33 ) − a 12 ⋅ det ( a 21 a 23 a 31 a 33 ) + a 13 ⋅ det ( a 21 a 22 a 31 a 32 ) \text{det}(A) = a_{11} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{22} & a_{23} \\ a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} - a_{12} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{21} & a_{23} \\ a_{31} & a_{33} \end{pmatrix} + a_{13} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \end{pmatrix} det(A)=a11⋅det(a22a32a23a33)−a12⋅det(a21a31a23a33)+a13⋅det(a21a31a22a32)

矩阵 A ′ A' A′ 的行列式为:
det ( A ′ ) = ( a 11 + k ⋅ a 21 ) ⋅ det ( a 22 a 23 a 32 a 33 ) − ( a 12 + k ⋅ a 22 ) ⋅ det ( a 21 a 23 a 31 a 33 ) + ( a 13 + k ⋅ a 23 ) ⋅ det ( a 21 a 22 a 31 a 32 ) \text{det}(A') = (a_{11} + k \cdot a_{21}) \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{22} & a_{23} \\ a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} - (a_{12} + k \cdot a_{22}) \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{21} & a_{23} \\ a_{31} & a_{33} \end{pmatrix} + (a_{13} + k \cdot a_{23}) \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \end{pmatrix} det(A′)=(a11+k⋅a21)⋅det(a22a32a23a33)−(a12+k⋅a22)⋅det(a21a31a23a33)+(a13+k⋅a23)⋅det(a21a31a22a32)

我们可以将这个展开式分成两部分:

  1. 原矩阵 A A A 的行列式部分:
    a 11 ⋅ det ( a 22 a 23 a 32 a 33 ) − a 12 ⋅ det ( a 21 a 23 a 31 a 33 ) + a 13 ⋅ det ( a 21 a 22 a 31 a 32 ) a_{11} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{22} & a_{23} \\ a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} - a_{12} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{21} & a_{23} \\ a_{31} & a_{33} \end{pmatrix} + a_{13} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \end{pmatrix} a11⋅det(a22a32a23a33)−a12⋅det(a21a31a23a33)+a13⋅det(a21a31a22a32)

    这部分正是原矩阵 A A A 的行列式,即 det ( A ) \text{det}(A) det(A)。

  2. 由第 2 行的倍数带来的新项:
    k ⋅ ( a 21 ⋅ det ( a 22 a 23 a 32 a 33 ) − a 22 ⋅ det ( a 21 a 23 a 31 a 33 ) + a 23 ⋅ det ( a 21 a 22 a 31 a 32 ) ) k \cdot \left( a_{21} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{22} & a_{23} \\ a_{32} & a_{33} \end{pmatrix} - a_{22} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{21} & a_{23} \\ a_{31} & a_{33} \end{pmatrix} + a_{23} \cdot \text{det} \begin{pmatrix} a_{21} & a_{22} \\ a_{31} & a_{32} \end{pmatrix} \right) k⋅(a21⋅det(a22a32a23a33)−a22⋅det(a21a31a23a33)+a23⋅det(a21a31a22a32))

    这部分对应于矩阵中第 1 行和第 2 行相同的情况。根据行列式的性质,如果矩阵有两行相同,那么行列式为 0。因此,这一部分为 0。

结论

因此,矩阵 A ′ A' A′ 的行列式为:
det ( A ′ ) = det ( A ) + 0 = det ( A ) \text{det}(A') = \text{det}(A) + 0 = \text{det}(A) det(A′)=det(A)+0=det(A)

这证明了:给矩阵的一行加上另一行的倍数不会改变行列式的值

相关推荐
BlackPercy15 小时前
【线性代数】基础版本的高斯消元法
线性代数·julia
金融OG21 小时前
99.8 金融难点通俗解释:净资产收益率(ROE)
大数据·python·线性代数·机器学习·数学建模·金融·矩阵
洛水微寒1 天前
多张图片读入后组成一个矩阵。怎么读取图片,可以让其读入的形式是:ndarray(a,b,c)分别的含义:a为多少张图片,b*c为图片大小
线性代数·矩阵
金融OG2 天前
5. 马科维茨资产组合模型+AI金融智能体(qwen-max)识别政策意图方案(理论+Python实战)
大数据·人工智能·python·线性代数·机器学习·金融
golitter.3 天前
使用numpy求解线性代数相关问题
线性代数·numpy
理智的灰太狼4 天前
求两个矩阵的乘积
线性代数·算法·矩阵
匹马夕阳5 天前
(三)线性代数之二阶和三阶行列式详解
线性代数·前端框架·图形渲染
云云3215 天前
跨境电商使用云手机用来做什么呢?
服务器·科技·线性代数·智能手机·矩阵·github
Vae_Mars6 天前
在三维坐标系中通过四阶矩阵实现平移和旋转
线性代数·矩阵
余~~185381628006 天前
矩阵碰一碰发视频源码技术开发全解析,支持OEM
线性代数·矩阵·音视频