西方行列式理论 | 范德蒙与柯西的研究及理论演进

注:本文为 "西方行列式理论" 相关合辑。

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西方行列式的发展:贝祖的研究 (The Development of Determinants in the West: Bézout's Work)

Posted on 2014/09/22

国立台南第一高级中学 林仓亿

莱布尼兹虽为西方首个开展行列式相关研究的学者,但其研究未对后世该领域的发展形成显著影响。为后世所熟知的是克拉玛关于联立方程组的研究,以其命名的克拉玛公式现收录于高中数学教材。关于克拉玛在行列式领域的研究成果,本文对此不作赘述。需说明的是,克拉玛之前,苏格兰爱丁堡大学的数学教授麦克劳林已提出适用于二元与三元联立方程组的等价克拉玛公式。本文将介绍法国数学家艾蒂安·贝祖 (Étienne Bézout, 1730-1783) 于 1764 年发表的行列式相关研究成果。

图一与图二为贝祖 1764 年论文中的两页内容,其中给出常数项为 0 0 0 的二元、三元与四元齐次线性联立方程组:

{ a x + b y = 0 a ′ x + b ′ y = 0 , { a x + b y + c z = 0 a ′ x + b ′ y + c ′ z = 0 a ′ ′ x + b ′ ′ y + c ′ ′ z = 0 , { a x + b y + c z + d t = 0 a ′ x + b ′ y + c ′ z + d ′ t = 0 a ′ ′ x + b ′ ′ y + c ′ ′ z + d ′ ′ t = 0 a ′ ′ ′ x + b ′ ′ ′ y + c ′ ′ ′ z + d ′ ′ ′ t = 0 \left\{ \begin{aligned} &ax + by &= 0 \\ &a'x + b'y &= 0 \end{aligned} \right. ,\quad \left\{ \begin{aligned} &ax + by + cz &= 0 \\ &a'x + b'y + c'z &=0 \\ &a''x + b''y + c''z &=0 \end{aligned} \right. ,\quad \left\{ \begin{aligned} &ax + by + cz + dt &= 0 \\ &a'x + b'y + c'z + d't &= 0 \\ &a''x + b''y + c''z + d''t &= 0 \\ &a'''x + b'''y + c'''z + d'''t &= 0 \end{aligned} \right. {ax+bya′x+b′y=0=0,⎩ ⎨ ⎧ax+by+cza′x+b′y+c′za′′x+b′′y+c′′z=0=0=0,⎩ ⎨ ⎧ax+by+cz+dta′x+b′y+c′z+d′ta′′x+b′′y+c′′z+d′′ta′′′x+b′′′y+c′′′z+d′′′t=0=0=0=0

易知上述齐次线性方程组存在无穷多组解的充要条件为,其系数构成的行列式值为 0 0 0(现行高中数学教材仅涉及三元一次齐次方程组与三阶行列式)。

贝祖的论文中未出现行列式的符号表示,但已准确给出其展开式:

a b ′ -- a ′ b = 0 , a b ′ c ′ ′ -- a b ′ ′ c ′ + a ′ b ′ ′ c -- a ′ b c ′ ′ + a ′ ′ b c ′ -- a ′ ′ b ′ c = 0 , ⋯ ab' -- a'b = 0,\quad ab'c'' -- ab''c' + a'b''c -- a'bc'' + a''bc' -- a''b'c = 0,\quad\cdots ab′--a′b=0,ab′c′′--ab′′c′+a′b′′c--a′bc′′+a′′bc′--a′′b′c=0,⋯

贝祖推导该类展开式的方法如下:

图一中贝祖给出了一套简洁的推导方法,依此方法可推导任意高阶行列式的展开式。

对于二元一次齐次联立方程组

{ a x + b y = 0 a ′ x + b ′ y = 0 \left\{ \begin{array}{c} ax + by = 0\\ a'x + b'y = 0 \end{array} \right. {ax+by=0a′x+b′y=0,

首先按字母顺序写出 a b ab ab,此处的 a a a 与 b b b 仅表示未知数 x x x 与 y y y 的系数,非第一个方程的系数。

将字母 b b b 向前移一位,得到 b a ba ba;字母每向前移一位,其前置符号按 + + +、 − - − 交替变化,由此可得 a b − b a ab-ba ab−ba。

最后,将每一项的第一个符号对应第一个方程的系数,第二个符号对应第二个方程的系数,即得 a b ′ − b a ′ ab'-ba' ab′−ba′;按未知数 x x x 的系数排序后,其形式与现代二阶行列式展开式一致:

∣ a b a ′ b ′ ∣ = a b ′ -- a ′ b \begin{vmatrix} a&b\\ a'&b' \end{vmatrix} = ab' -- a'b aa′bb′ =ab′--a′b

对于三元一次齐次联立方程组

{ a x + b y + c z = 0 a ′ x + b ′ y + c ′ z = 0 a ′ ′ x + b ′ ′ y + c ′ ′ z = 0 \left\{ \begin{array}{c} ax + by + cz = 0\\ a'x + b'y + c'z = 0\\ a''x + b''y + c''z = 0 \end{array} \right. ⎩ ⎨ ⎧ax+by+cz=0a′x+b′y+c′z=0a′′x+b′′y+c′′z=0,

先取二元方程组中得到的 a b ab ab 与 − b a -ba −ba,在两项后均添加符号 c c c,得到 a b c abc abc 与 − b a c -bac −bac;此处的 a a a、 b b b 与 c c c 仅表示未知数 x x x、 y y y 与 z z z 的系数,非第一个方程的系数。

将字母依次向前移一位,且每移动一位改变一次符号,可得 a b c , − a c b , c a b , − b a c , b c a , − c b a abc,-acb,cab,-bac,bca,-cba abc,−acb,cab,−bac,bca,−cba,合并为:

a b c -- a c b + c a b -- b a c + b c a -- c b a abc -- acb + cab -- bac + bca -- cba abc--acb+cab--bac+bca--cba

将每一项的第一个符号对应第一个方程的系数,第二个符号对应第二个方程的系数,即得:

a b ′ c ′ ′ -- a c ′ b ′ ′ + c a ′ b ′ ′ -- b a ′ c ′ ′ + b c ′ a ′ ′ -- c b ′ a ′ ′ ab'c'' -- ac'b'' + ca'b'' -- ba'c'' + bc'a'' -- cb'a'' ab′c′′--ac′b′′+ca′b′′--ba′c′′+bc′a′′--cb′a′′

按未知数 x , y , z x,y,z x,y,z 的系数顺序排列后,其形式与现代三阶行列式

∣ a b c a ′ b ′ c ′ a ′ ′ b ′ ′ c ′ ′ ∣ \begin{vmatrix} a&b&c\\ a'&b'&c'\\ a''&b''&c'' \end{vmatrix} aa′a′′bb′b′′cc′c′′

的展开式 a b ′ c ′ ′ -- a b ′ ′ c ′ + a ′ b ′ ′ c -- a ′ b c ′ ′ + a ′ ′ b c ′ -- a ′ ′ b ′ c ab'c'' -- ab''c' + a'b''c -- a'bc'' + a''bc' -- a''b'c ab′c′′--ab′′c′+a′b′′c--a′bc′′+a′′bc′--a′′b′c 一致。

四阶及更高阶行列式的展开式,可由读者依贝祖的方法自行推导。

数学发展的历史中可观察到一个规律:数学理论的发展并非呈线性的从无到有、从雏形到成熟的过程,西方行列式的发展历程印证了这一规律。莱布尼兹、克拉玛、麦克劳林与贝祖均在现代行列式符号出现前,开展了方程组系数的相关研究,但四人的研究切入点存在显著差异。莱布尼兹从三个二元一次方程有公共解的角度展开研究,克拉玛与麦克劳林的研究围绕联立方程组的求解展开,而贝祖则以常数项为 0 0 0 的齐次方程组为研究对象。换言之,四人在不同的研究主题下探讨了方程组系数间的关系,以现代数学的视角来看,这些研究均可纳入行列式的范畴,但在当时,此类研究分属不同的数学问题。

莱布尼兹、克拉玛、麦克劳林与贝祖均未被称作行列式的创立者,原因在于其研究均未脱离联立方程组的范畴,即未将行列式作为独立的数学研究对象。西方数学界首个将行列式作为独立研究对象的学者,为下一篇文章将介绍的范德蒙 (Vandermonde, 1735-1796)。

参考资料

  • Bézout, Étienne (1764). "Recherches sur le degré des Équations résultantes de l'évanouissement des inconnues, & sur les moyens qu'il convient d'employer pour trouver ces Équations'' : http://visualiseur.bnf.fr/ark:/12148/cb32786820s/date1764
  • 杨浩菊 (2004). 《行列式理论历史研究》,西北大学博士论文。

西方行列式的发展:范德蒙的生平 (1)(The Development of Determinants in West: Vandermonde's Biography (1))

Posted on 2014/09/22

国立台南第一高级中学 林仓亿 老师

范德蒙(Alexandre-Théophile Vandermonde)1735 年生于巴黎,1796 年亦在巴黎逝世。其生辰与忌日恰为台湾地区的法定假日,分别为 2 月 28 日与 1 月 1 日,因此在台湾地区的相关假日中,除原有纪念意义外,亦可回顾这位数学家的研究成果,使假日兼具数学文化的意涵。

范德蒙的父亲为执业医生,拥有相应的社会地位与经济基础。其父并未期望其继承自身职业,自范德蒙幼年时期,便引导并鼓励其向音乐领域发展。在父亲的影响下,数学并非范德蒙青年阶段的研究兴趣,小提琴为其彼时的主要钻研方向。

范德蒙在 35 岁时,受数学家贝尔丹(Alexis Fontaine des Bertins,1704-1771)的影响,开始产生对数学研究的兴趣。同年,他以非会员的身份在法国科学院宣读数学论文,这在当时是一项荣誉。受贝尔丹的引导与科学院学术氛围的影响,范德蒙的数学研究潜能被激发,在两年内完成四篇数学论文并提交至法国科学院,为其在数学史中奠定了相应的学术地位。1771 年,范德蒙被正式遴选为法国科学院会员。一位在 35 岁前未在数学领域留下研究成果的音乐研究者,在 36 岁成为国家科学院会员,这一经历在数学发展历程中较为特殊。范德蒙提交至法国科学院的四篇论文各有研究方向:第一篇(1771 年)提出方程式根的 m m m 次和公式,并证明当 n n n 为小于 10 10 10 的质数时,方程 x n − 1 = 0 x^n-1=0 xn−1=0 的解可通过根式表示;第二篇(1771 年)研究棋盘上的骑士漫游问题,该问题虽无直接的实际应用价值,属于趣味数学范畴,但其背后的数学结构与现代拓扑学存在关联;第三篇(1772 年)的研究内容与现代高中数学存在诸多关联,具备进一步研究的价值。

范德蒙定义了新的数学符号,表达式为:

p \] n = p ( p − 1 ) ( p − 2 ) ⋯ ( p − n + 1 ) \[p\]\^n = p(p - 1)(p - 2) \\cdots (p - n + 1) \[p\]n=p(p−1)(p−2)⋯(p−n+1) 第三篇论文的主要研究内容为该符号的运算规则与数学性质。 当 p p p 与 n n n 为正整数且满足 p ≥ n p\\ge n p≥n 时,范德蒙定义的符号 \[ p \] n \[p\]\^n \[p\]n 与现代数学中的排列数 p ! ( p − n ) ! \\frac{p!}{(p - n)!} (p−n)!p! 等价; 当 p = n p=n p=n 时, \[ n \] n \[n\]\^n \[n\]n 即为阶乘 n ! n! n!。 在范德蒙所处的时代,阶乘尚未有专属的数学符号,范德蒙为首个给出阶乘符号表示的数学家。此外,范德蒙定义的符号 \[ p \] n \[p\]\^n \[p\]n 具备良好的运算性与便捷性,由其定义可直接推导得到运算式 \[ p \] n = \[ p \] m \[ p − m \] n − m \[p\]\^n=\[p\]\^m\[p-m\]\^{n-m} \[p\]n=\[p\]m\[p−m\]n−m。仿照指数运算中零次幂与负次幂的定义方式,令 m = 0 m=0 m=0,可推得 \[ p \] 0 = 1 \[p\]\^0=1 \[p\]0=1;令 n = 0 n=0 n=0 且 m = − n m=-n m=−n,可推得负次幂的运算式: \[ p \] − n = 1 \[ p + n \] n \[p\]\^{-n} = \\frac{1}{\[p + n\]\^n} \[p\]−n=\[p+n\]n1 基于运算结论 \[ p \] 0 = 1 \[p\]\^0=1 \[p\]0=1 与 \[ p \] − n = 1 \[ p + n \] n \[p\]\^{-n} = \\dfrac{1}{\[p + n\]\^n} \[p\]−n=\[p+n\]n1,范德蒙进一步推导出一系列相关运算公式: **1. 升幂展开公式** \[ p + 1 \] n = \[ p \] n + n \[ p \] n − 1 \[ p + 2 \] n = \[ p \] n + 2 n \[ p \] n − 1 + n ( n − 1 ) \[ p \] n − 2 \[ p + 3 \] n = \[ p \] n + 3 n \[ p \] n − 1 + 3 n ( n − 1 ) \[ p \] n − 2 + n ( n − 1 ) ( n − 2 ) \[ p \] n − 3 ⋯ ⋯ \\begin{aligned} \[p + 1\]\^n \&= \[p\]\^n + n\[p\]\^{n - 1} \\\\\[6pt\] \[p + 2\]\^n \&= \[p\]\^n + 2n\[p\]\^{n - 1} + n(n - 1)\[p\]\^{n - 2} \\\\\[6pt\] \[p + 3\]\^n \&= \[p\]\^n + 3n\[p\]\^{n - 1} + 3n(n - 1)\[p\]\^{n - 2} + n(n - 1)(n - 2)\[p\]\^{n - 3} \\\\ \&\\ \\cdots\\cdots \\end{aligned} \[p+1\]n\[p+2\]n\[p+3\]n=\[p\]n+n\[p\]n−1=\[p\]n+2n\[p\]n−1+n(n−1)\[p\]n−2=\[p\]n+3n\[p\]n−1+3n(n−1)\[p\]n−2+n(n−1)(n−2)\[p\]n−3 ⋯⋯ **2. 负幂运算公式** \[ p + n \] n \[ p \] − n = 1 \[ p + m + n \] n \[ p \] − n = \[ p + m + n \] m \[ p \] − m \\begin{aligned} \[p + n\]\^n\[p\]\^{-n} \&= 1 \\\\\[6pt\] \[p + m + n\]\^n\[p\]\^{-n} \&= \[p + m + n\]\^m\[p\]\^{-m} \\end{aligned} \[p+n\]n\[p\]−n\[p+m+n\]n\[p\]−n=1=\[p+m+n\]m\[p\]−m **3. 一般比值公式** \[ q \] n \[ p \] − n = \[ p \] − ∞ \[ q \] − ∞ \[ p + n \] − ∞ \[ q − n \] − ∞ = ( p + n + 1 ) ( q − n + 1 ) ( p + n + 2 ) ( q − n + 2 ) ⋯ ( p + 1 ) ( q + 1 ) ( p + 2 ) ( q + 2 ) ⋯ ⋮ \\begin{aligned} \[q\]\^n\[p\]\^{-n} \&= \\frac{\[p\]\^{-\\infty}\[q\]\^{-\\infty}}{\[p + n\]\^{-\\infty}\[q - n\]\^{-\\infty}} \\\\ \&= \\frac{(p + n + 1)(q - n + 1)(p + n + 2)(q - n + 2)\\cdots}{(p + 1)(q + 1)(p + 2)(q + 2)\\cdots} \\\\ \&\\ \\vdots \\end{aligned} \[q\]n\[p\]−n=\[p+n\]−∞\[q−n\]−∞\[p\]−∞\[q\]−∞=(p+1)(q+1)(p+2)(q+2)⋯(p+n+1)(q−n+1)(p+n+2)(q−n+2)⋯ ⋮ 在上述定义与运算公式中, p p p 与 n n n 并非限定为正整数,亦可取其他数值。例如当 p = 1 2 p=\\frac{1}{2} p=21、 n = 2 n=2 n=2 时,依定义可计算得: \[ 1 2 \] 2 = 1 2 ( 1 2 − 1 ) = − 1 4 \\left\[\\frac{1}{2}\\right\]\^2 = \\frac{1}{2}\\left(\\frac{1}{2} -1\\right)=-\\frac{1}{4} \[21\]2=21(21−1)=−41 基于上述公式,尤其是无穷连乘积的运算表达式,范德蒙可将诸多无穷连乘积形式通过其定义的新符号进行简洁表示。例如令 q = n = 1 2 q = n = \\frac{1}{2} q=n=21、 p = − 1 2 p=-\\frac{1}{2} p=−21 代入公式,可得: \[ 1 2 \] 1 2 \[ − 1 2 \] − 1 2 = 1 ⋅ 1 ⋅ 2 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 3 ⋯ 1 2 ⋅ 3 2 ⋅ 3 2 ⋅ 5 2 ⋅ 5 2 ⋅ 7 2 ⋯ = 2 ⋅ 2 ⋅ 4 ⋅ 4 ⋅ 6 ⋅ 6 ⋯ 1 ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ 5 ⋅ 7 ⋯ \\left\[\\frac{1}{2}\\right\]\^{\\frac{1}{2}}\\left\[-\\frac{1}{2}\\right\]\^{-\\frac{1}{2}} = \\frac{1 \\cdot 1 \\cdot 2 \\cdot 2 \\cdot 3 \\cdot 3 \\cdots }{\\frac{1}{2} \\cdot \\frac{3}{2} \\cdot \\frac{3}{2} \\cdot \\frac{5}{2} \\cdot \\frac{5}{2} \\cdot \\frac{7}{2} \\cdots} = \\frac{2 \\cdot 2 \\cdot 4 \\cdot 4 \\cdot 6 \\cdot 6 \\cdots }{1 \\cdot 3 \\cdot 3 \\cdot 5 \\cdot 5 \\cdot 7 \\cdots} \[21\]21\[−21\]−21=21⋅23⋅23⋅25⋅25⋅27⋯1⋅1⋅2⋅2⋅3⋅3⋯=1⋅3⋅3⋅5⋅5⋅7⋯2⋅2⋅4⋅4⋅6⋅6⋯ 该式为华里斯(Wallis)公式的表达式,华里斯公式的标准形式为: π 2 = 2 ⋅ 2 ⋅ 4 ⋅ 4 ⋅ 6 ⋅ 6 ⋯ 1 ⋅ 3 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ 5 ⋅ 7 ⋯ \\frac{\\pi }{2} = \\frac{2 \\cdot 2 \\cdot 4 \\cdot 4 \\cdot 6 \\cdot 6 \\cdots }{1 \\cdot 3 \\cdot 3 \\cdot 5 \\cdot 5 \\cdot 7 \\cdots} 2π=1⋅3⋅3⋅5⋅5⋅7⋯2⋅2⋅4⋅4⋅6⋅6⋯ 因此华里斯公式可通过范德蒙定义的符号简洁表示为: π 2 = \[ 1 2 \] 1 2 ⋅ \[ − 1 2 \] − 1 2 \\frac{\\pi }{2} = \\left\[\\frac{1}{2}\\right\]\^{\\frac{1}{2}} \\cdot \\left\[-\\frac{1}{2}\\right\]\^{-\\frac{1}{2}} 2π=\[21\]21⋅\[−21\]−21 (见下图) 除此之外,范德蒙还将无理数的无穷连乘积表达式 2 = 3 ⋅ 5 ⋅ 7 ⋅ 9 ⋅ 11 ⋅ 13 ⋯ 2 ⋅ 6 ⋅ 6 ⋅ 10 ⋅ 10 ⋅ 14 ⋯ \\sqrt 2=\\frac{3 \\cdot 5 \\cdot 7 \\cdot 9 \\cdot 11 \\cdot 13 \\cdots }{2 \\cdot 6 \\cdot 6 \\cdot 10 \\cdot 10 \\cdot 14 \\cdots} 2 =2⋅6⋅6⋅10⋅10⋅14⋯3⋅5⋅7⋅9⋅11⋅13⋯ 通过其定义的符号表示为: 2 = \[ 1 2 \] 1 4 ⋅ \[ − 1 2 \] − 1 4 \\sqrt{2}=\\left\[\\frac{1}{2}\\right\]\^{\\frac{1}{4}} \\cdot \\left\[-\\frac{1}{2}\\right\]\^{-\\frac{1}{4}} 2 =\[21\]41⋅\[−21\]−41 ![57419_p1](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/8a51675c2a3977096520c849aeb82a35.png) ### 参考文献 * O'Connor, John and Robertson, Edmund (2001). "Alexandre-Théophile Vandermonde", * Vandermonde, Alexandre-Théophile (1772). "Mémoire sur des Irrationnelles de différens ordres avec une application au cercle", *** ** * ** *** ## 西方行列式的发展:范德蒙的生平 (2)(The Development of Determinants in West: Vandermonde's Biography (2)) Posted on 2014/09/22 **国立台南第一高级中学 林仓亿 老师** 1772 年范德蒙提交至法国科学院的第四篇论文,研究主题为现代数学中的行列式。在该篇论文中,范德蒙将行列式作为独立的数学研究对象,完成行列式的定义与性质推导后,将其应用于一次方程组的求解,即现代数学中的克拉玛公式。在莱布尼兹(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716)、克拉玛(Gabriel Cramer,1704-1752)、贝祖(Étienne Bézout,1730-1783)等数学家的早期研究中,已出现行列式的相关运算,但此类运算均依附于方程组的求解过程,并未成为独立的数学研究对象,彼时的研究重点为方程组的求解,而非行列式本身。范德蒙也因该篇论文被认定为行列式的创立者,其对行列式的具体研究方法将在后续内容中展开介绍。 范德蒙的研究领域并非局限于数学,在音乐与自然科学领域亦有相关研究成果。1776 年法国发生严重霜害,范德蒙与数学家贝祖、化学家拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier,1743-1794)合作开展低温实验,研究霜害的产生与影响,并于 1777 年发表相关研究成果。除自然现象的研究外,范德蒙还与数学家蒙日(Gaspard Monge,1746-1818)、化学家贝托莱(Claude Louis Berthollet,1748-1822)合作完成两篇关于钢的制备的研究论文,通过尝试铁与碳的不同组合比例,探究适用于刺刀制作的钢的制备方法。出身音乐领域的范德蒙开展刺刀相关的研究,看似与其研究背景相悖,实则与蒙日存在直接关联。蒙日与法国军方保持着密切的联系,曾担任军事学校的数学与物理教授、海军军职遴选主考官等职务,法国大革命后被任命为海军部部长。蒙日为范德蒙的挚友,二者的亲密关系曾被戏称为"蒙日的女人"(*femme de Monge*),这也是范德蒙参与刺刀相关研究的原因。 在音乐领域,范德蒙于 1778 年与 1780 年向法国科学院提交两篇相关研究报告。在第二篇报告中,范德蒙提出,音乐家对音乐的评判应基于专业的听觉感知,而非依赖各类音乐理论,包括数学相关的音乐理论。自古希腊时期起,音乐便被归为数学的分支,数学也成为音乐研究的重要工具,而兼具数学家与音乐家双重身份的范德蒙,提出将音乐从数学领域中分离,这一观点在当时引发了诸多音乐家的反对。尽管范德蒙的观点在当时未被采纳,但在 19 世纪初,法国科学院将音乐从数学领域移出,归为艺术领域,这一分类方式延续至今,音乐不再被认定为数学的分支。 范德蒙在数学、自然科学与音乐领域均有相应贡献,但在其后期的研究历程中,政治活动成为其主要的投入方向,甚至为此搁置了学术研究,其投入程度可见一斑。1789 年法国大革命爆发后,范德蒙成为革命派的坚定支持者,因身体健康问题,未能全程参与相关政治活动,数年后在巴黎逝世。 如今范德蒙被后世熟知,源于以其名字命名的"范德蒙行列式",该行列式的三阶形式在台湾地区的高中数学教材中有所收录,其表达式为: ∣ 1 a a 2 1 b b 2 1 c c 2 ∣ = ( b − a ) ( c − a ) ( c − b ) \\begin{vmatrix} 1\&a\&a\^2\\\\ 1\&b\&b\^2\\\\ 1\&c\&c\^2 \\end{vmatrix} = (b - a)(c - a)(c - b) 111abca2b2c2 =(b−a)(c−a)(c−b) 值得注意的是,"范德蒙行列式"并未出现在范德蒙的任何著作中,有研究认为是后人对范德蒙定义的数学符号产生误解,进而认定该行列式由范德蒙提出。尽管如此,包括台湾地区在内,世界各地的数学家均已习惯将该行列式称为"范德蒙行列式",这一命名也成为纪念范德蒙对行列式理论发展所做贡献的特殊方式。 ### 参考文献 1. O'Connor, John and Robertson, Edmund (2001). "Alexandre-Théophile Vandermonde", 2. Vandermonde, Alexandre-Théophile (1772). "Mémoire sur des Irrationnelles de différens ordres avec une application au cercle", 3. Ycart, Bernard and Kuntzmann, Laboratoire Jean (2013). "A case of mathematical eponymy: the Vandermonde determinant", *Revue d'Histoire des Mathématiques* , 9(1), pp.43-77.( ) *** ** * ** *** ## 西方行列式的发展:范德蒙的研究(The Development of Determinants in West: Vandermonde's Work) Posted on 2014/09/22 **国立台南第一高级中学 林仓亿 老师** 范德蒙于 1772 年提交至法国科学院的论文〈关于消去法的报告〉(*Mémoire sur l'Élimination*),是首篇将行列式运算作为独立研究主题的数学论文。在该论文中,范德蒙首先完成了行列式相关符号的定义(见图一): ![57421_p1](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/f594afe9a76d682d8e475e7d0c7fffe8.png) **图一** 现今通行的记法为将下标横向并列书写,而范德蒙采用上下排列的方式表示下标,因此符号 α a \\begin{array}{c} \\alpha \\\\ a \\end{array} αa 对应现代行列式中第 α \\alpha α 行第 a a a 列的元素。基于此,范德蒙定义的符号 α ∣ β a ∣ b \\frac{\\left. \\alpha \\right\|\\beta}{\\left. a \\right\|b} a∣bα∣β 可视为仅标注主对角线元素的二阶行列式 ∣ t α a t β b ∣ \\begin{vmatrix} t_{\\alpha a}\&\\\\ \&t_{\\beta b} \\end{vmatrix} tαatβb ,主对角线确定后,其余元素的下标可依此推导(第一、二行的第一个下标分别为 α \\alpha α 与 β \\beta β,第一、二列的第二个下标分别为 a a a 与 b b b),即: α ∣ β a ∣ b = α a    .    β b − α b    .    β a \\frac{\\left. \\alpha \\right\|\\beta}{\\left. a \\right\|b} = \\begin{array}{c} \\alpha \\\\ a \\end{array}\\;. \\;\\begin{array}{c} \\beta \\\\ b \\end{array} - \\begin{array}{c} \\alpha \\\\ b \\end{array}\\;. \\;\\begin{array}{c} \\beta \\\\ a \\end{array} a∣bα∣β=αa.βb−αb.βa 用现代行列式符号表示为: ∣ t α a t α b t β a t β b ∣ = t α a ⋅ t β b − t α b t β a \\begin{vmatrix} t_{\\alpha a}\&t_{\\alpha b}\\\\ t_{\\beta a}\&t_{\\beta b} \\end{vmatrix} = t_{\\alpha a} \\cdot t_{\\beta b} - t_{\\alpha b}t_{\\beta a} tαatβatαbtβb =tαa⋅tβb−tαbtβa 在三阶行列式的表达式中, α a ∣ β b ∣ γ c = α a    . β b ∣ γ c + α b    . β c ∣ γ a + α c    . β a ∣ γ b \\left. {\\left. {\\frac{\\alpha}{a}} \\right\|\\frac{\\beta}{b}} \\right\|\\frac{\\gamma}{c} = \\begin{array}{c} \\alpha \\\\ a \\end{array}\\;. \\left. {\\frac{\\beta}{b}} \\right\|\\frac{\\gamma}{c} + \\begin{array}{c} \\alpha \\\\ b \\end{array}\\;. \\left. {\\frac{\\beta}{c}} \\right\|\\frac{\\gamma}{a} + \\begin{array}{c} \\alpha \\\\ c \\end{array}\\;. \\left. {\\frac{\\beta}{a}} \\right\|\\frac{\\gamma}{b} aα bβ cγ=αa.bβ cγ+αb.cβ aγ+αc.aβ bγ 令 α = 1 、 a = 1 \\alpha=1、a=1 α=1、a=1, β = 2 、 b = 2 \\beta=2、b=2 β=2、b=2, γ = 3 、 c = 3 \\gamma=3、c=3 γ=3、c=3,可得: 1 1 ∣ 2 2 ∣ 3 3 = 1 1    . 2 2 ∣ 3 3 + 1 2    . 2 3 ∣ 3 1 + 1 3    . 2 1 ∣ 3 2 \\left. {\\left. {\\frac{1}{1}} \\right\|\\frac{2}{2}} \\right\|\\frac{3}{3} = \\begin{array}{c} 1 \\\\ 1 \\end{array}\\;. \\left. {\\frac{2}{2}} \\right\|\\frac{3}{3} + \\begin{array}{c} 1 \\\\ 2 \\end{array}\\;. \\left. {\\frac{2}{3}} \\right\|\\frac{3}{1} + \\begin{array}{c} 1 \\\\ 3 \\end{array}\\;. \\left. {\\frac{2}{1}} \\right\|\\frac{3}{2} 11 22 33=11.22 33+12.32 13+13.12 23 该式为现代三阶行列式按第一行展开的结果,用现代符号表示为: ∣ t 11 t 12 t 13 t 21 t 22 t 23 t 31 t 32 t 33 ∣ = t 11 ∣ t 22 t 23 t 32 t 33 ∣ + t 12 ∣ t 23 t 21 t 33 t 31 ∣ + t 13 ∣ t 21 t 22 t 31 t 32 ∣ \\begin{vmatrix} t_{11}\&t_{12}\&t_{13}\\\\ t_{21}\&t_{22}\&t_{23}\\\\ t_{31}\&t_{32}\&t_{33} \\end{vmatrix} = t_{11}\\begin{vmatrix} t_{22}\&t_{23}\\\\ t_{32}\&t_{33} \\end{vmatrix} + t_{12}\\begin{vmatrix} t_{23}\&t_{21}\\\\ t_{33}\&t_{31} \\end{vmatrix} + t_{13}\\begin{vmatrix} t_{21}\&t_{22}\\\\ t_{31}\&t_{32} \\end{vmatrix} t11t21t31t12t22t32t13t23t33 =t11 t22t32t23t33 +t12 t23t33t21t31 +t13 t21t31t22t32 客观而言,范德蒙定义的行列式符号较现代行列式符号更为简洁,在行列式的降阶展开运算中具备更高的便捷性。范德蒙提出的行列式展开方法仅包含两个基本步骤: (1) 以三阶行列式为例,首先写出 1    . 2 ∣ 3 \\begin{array}{c} 1\\\\ {} \\end{array}\\;. \\left. {\\frac{2}{{}}} \\right\|\\frac{3}{{}} 1.2 3,随后在下方依次填入数字组合 123 123 123、 231 231 231、 312 312 312,每次将数字向前移动一位,最左侧数字移至最右侧,直至出现重复组合; (2) 确定展开式中各项的运算符号,偶数阶行列式展开式的符号为 + -- + -- + − ⋯ + -- + -- + -\\cdots +--+--+−⋯,奇数阶行列式展开式的各项均取正号。 可分别通过范德蒙的符号与现代行列式符号完成四阶行列式的展开,对比两种记法在运算中的优劣。 完成行列式符号的定义后,范德蒙进一步推导了行列式的相关性质与运算公式,例如"行列式中任意两行互换,其值变号": ![57421_c1](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/961e3854e2ac2ce0943cd3919e7fe268.png) 又如"行列式中任意两行或任意两列元素相同,其值为 0": ![57421_c2](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/247ab240b7321fae2d4e20506df6c6c1.png) 范德蒙在完成行列式相关公式的推导后,将其定义的符号应用于方程组的求解,推导出现代数学中的克拉玛公式(见图二、图三): ![57421_c3](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/88aa75183452bb6e9da0f496172b66e3.png) 范德蒙推导的克拉玛公式与现代克拉玛公式仅存在符号表示的差异,在一般性与抽象化程度上与现代公式保持一致。尽管范德蒙仅推导了二阶与三阶形式的克拉玛公式,但其推导方法可推广至高阶行列式,且能简洁表示任意高阶的克拉玛公式,相较于前人的研究(参阅本网站克拉玛公式的相关文章),实现了显著的学术突破。 范德蒙的该篇论文共计 17 页,克拉玛公式的相关内容占比为一半,剩余内容中,范德蒙继续推导了行列式的相关运算公式、提出了行列式的多种展开方法,并将研究方向转向高次方程组的求解,这部分内容可由读者自行研究。 ![57421_p2](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/de9b87aae16bba722be8ff5cab172c10.png) **图二** ![57421_p3](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/d5cbb31b578716e44d9a4dead1be13ca.png) **图三** 结合图三的内容可知,在《西方行列式的发展:范德蒙的生平 (2)》中提及的"范德蒙行列式"为命名上的特殊情况,而图三或为该命名的起源。将图三中方程组的系数表示为行列式,可得: ∣ 1 1 2 1 3 1 1 2 2 2 3 2 1 3 2 3 3 3 ∣ \\begin{vmatrix} _1\^1\&_2\^1\&_3\^1\\\\ _1\^2\&_2\^2\&_3\^2\\\\ _1\^3\&_2\^3\&_3\^3 \\end{vmatrix} 111213212223313233 勒贝格(Henri Léon Lebesgue,1875-1941)推测,后人将该行列式中的上下标误解为指数形式,进而得到: ∣ t 1 1 t 2 1 t 3 1 t 1 2 t 2 2 t 3 2 t 1 3 t 2 3 t 3 3 ∣ = t 1 ⋅ t 2 ⋅ t 3 ⋅ ∣ 1 1 1 t 1 t 2 t 3 t 1 2 t 2 2 t 3 2 ∣ \\begin{vmatrix} t_1\^1\&t_2\^1\&t_3\^1\\\\ t_1\^2\&t_2\^2\&t_3\^2\\\\ t_1\^3\&t_2\^3\&t_3\^3 \\end{vmatrix} = t_1 \\cdot t_2 \\cdot t_3 \\cdot \\begin{vmatrix} 1\&1\&1\\\\ t_1\&t_2\&t_3\\\\ t_1\^2\&t_2\^2\&t_3\^2 \\end{vmatrix} t11t12t13t21t22t23t31t32t33 =t1⋅t2⋅t3⋅ 1t1t121t2t221t3t32 由此,现代数学中的"范德蒙行列式"便应运而生,其标准形式为: ∣ 1 1 1 t 1 t 2 t 3 t 1 2 t 2 2 t 3 2 ∣ \\begin{vmatrix} 1\&1\&1\\\\ t_1\&t_2\&t_3\\\\ t_1\^2\&t_2\^2\&t_3\^2 \\end{vmatrix} 1t1t121t2t221t3t32 ### 参考文献 * Vandermonde, Alexandre-Théophile (1772). "Mémoire sur l'Élimination", * Ycart, Bernard and Kuntzmann, Laboratoire Jean (2013). "A case of mathematical eponymy: the Vandermonde determinant", *Revue d'Histoire des Mathématiques* , 9(1), pp.43-77.( ) * 杨浩菊 (2004). 《行列式理论历史研究》,西北大学博士论文。 *** ** * ** *** ## 西方行列式的发展:柯西的研究 (The Development of Determinants in West: Cauchy's Work) Posted on 2014/09/22 **国立台南第一高级中学 林仓亿 老师** 现代数学中译作"行列式"的词汇"*determinantem* "(英文为"determinant"),首次出现在高斯(Carl Friedrich Gauss,1777-1855)于 1801 年出版的《算术研究》(*Disquisitiones Arithmeticae*) 中,彼时高斯将该词汇作为字面含义使用,即"决定的因素",用以表示多元高次多项式的"判别式",与现代数学中"行列式"的含义并不相同。 1812 年,柯西(Augustin-Louis Cauchy,1789-1857)在提交给法兰西学院(Institut de France)的第二篇论文中(1815 年出版),将"*déterminan*"(英文为"determinant")作为现代数学中"行列式"的专属名称,柯西也成为首个将该词汇用于表示行列式的数学家。 在介绍柯西的行列式研究前,需明确其 1812 年之前的数学研究背景。其一,函数为 19 世纪数学的研究主题之一,柯西亦深耕于各类函数的研究,其后续给出的函数定义与现代函数定义高度接近;其二,柯西对范德蒙(Alexandre-Theophile Vandermonde,1735-1796)的行列式研究成果十分熟悉(范德蒙并未为行列式命名),并在 1812 年的论文中多次引用范德蒙的研究结论。但范德蒙的论文仅完成了行列式新符号的定义与运算规则的推导(参阅本网站《西方行列式的发展:范德蒙的研究》一文),并未赋予行列式函数的内涵,而柯西的研究重点,即为从函数的视角对行列式进行定义。 从柯西 1812 年的论文中可看出,其对"交错对称函数"(alternating symmetric function) 展开了深入研究。对称函数的定义为:将函数中不同变量进行位置置换后,函数值保持不变,例如 f ( a 1 , a 2 , a 3 ) = ( a 2 + a 1 ) ( a 3 + a 1 ) ( a 3 + a 2 ) f(a_{1},a_{2},a_{3}) = (a_{2} + a_{1})(a_{3} + a_{1})(a_{3} + a_{2}) f(a1,a2,a3)=(a2+a1)(a3+a1)(a3+a2) 为对称函数,对 a 1 , a 2 , a 3 a_1,a_2,a_3 a1,a2,a3 进行任意置换,函数值均不发生变化。柯西定义的"交错对称函数"为:将函数中不同变量进行位置置换后,函数值保持不变或变为其相反数,例如 f ( a 1 , a 2 , a 3 ) = ( a 2 − a 1 ) ( a 3 − a 1 ) ( a 3 − a 2 ) f(a_{1},a_{2},a_{3}) = (a_{2} - a_{1})(a_{3} - a_{1})(a_{3} - a_{2}) f(a1,a2,a3)=(a2−a1)(a3−a1)(a3−a2)、 f ( a 1 , a 2 , a 3 ) = a 1 a 2 a 3 ( a 2 − a 1 ) ( a 3 − a 1 ) ( a 3 − a 2 ) f(a_{1},a_{2},a_{3}) = a_{1}a_{2}a_{3}(a_{2} - a_{1})(a_{3} - a_{1})(a_{3} - a_{2}) f(a1,a2,a3)=a1a2a3(a2−a1)(a3−a1)(a3−a2) 均为交错对称函数。 柯西从交错对称函数的视角出发,将行列式定义为由一组数对构成的函数,该定义方式与前人存在本质差异。以范德蒙的研究为对比,范德蒙首次将行列式从方程组的系数中分离,使其成为独立的数学研究对象,但最终研究目的仍为表示方程组的解(参阅本网站《西方行列式的发展:范德蒙的研究》一文);而柯西则进一步将行列式纳入函数的研究范畴,彻底脱离其与方程组的关联,为行列式理论的后续研究奠定了基础。柯西定义的行列式与现代行列式在本质上一致,但其定义方式具有一定的特殊性与复杂性,以下以三阶行列式为例,介绍柯西的行列式定义方式。 首先,令 a 1 , a 2 , a 3 a_1,a_2,a_3 a1,a2,a3 为三个互不相等的数,定义函数 S ( ± a 1 1 a 2 2 a 3 3 ) S( \\pm a_{1}\^1a_{2}\^2a_{3}\^3) S(±a11a22a33),其表达式为: S ( ± a 1 1 a 2 2 a 3 3 ) = a 1 a 2 a 3 ( a 2 − a 1 ) ( a 3 − a 1 ) ( a 3 − a 2 ) S( \\pm a_{1}\^1a_{2}\^2a_{3}\^3) = a_{1}a_{2}a_{3}(a_{2} - a_{1})(a_{3} - a_{1})(a_{3} - a_{2}) S(±a11a22a33)=a1a2a3(a2−a1)(a3−a1)(a3−a2) 将等号右侧展开并整理,可得: S ( ± a 1 1 a 2 2 a 3 3 ) = a 1 a 2 2 a 3 3 + a 2 a 3 2 a 1 3 + a 3 a 1 2 a 2 3 − a 1 a 3 2 a 2 3 − a 3 a 2 2 a 1 3 − a 2 a 1 2 a 3 3 \\begin{aligned} S( \\pm a_{1}\^1a_{2}\^2a_{3}\^3) \&= a_{1}a_{2}\^2a_{3}\^3 + a_{2}a_{3}\^2a_{1}\^3 + a_{3}a_{1}\^2a_{2}\^3 \\\\ \&- a_{1}a_{3}\^2a_{2}\^3 - a_{3}a_{2}\^2a_{1}\^3 - a_{2}a_{1}\^2a_{3}\^3 \\end{aligned} S(±a11a22a33)=a1a22a33+a2a32a13+a3a12a23−a1a32a23−a3a22a13−a2a12a33 随后进行变量的形式转换:将表达式中所有的指数改写为第二个下标,即把 a i j a_i\^j aij 改写为 a i , j a_{i,j} ai,j,由此得到新的函数表达式: S ( ± a 1 , 1   a 2 , 2   a 3 , 3 ) = a 1 , 1 a 2 , 2 a 3 , 3 + a 2 , 1 a 3 , 2 a 1 , 3 + a 3 , 1 a 1 , 2 a 2 , 3 − a 1 , 1 a 3 , 2 a 2 , 3 − a 3 , 1 a 2 , 2 a 1 , 3 − a 2 , 1 a 1 , 2 a 3 , 3 \\begin{aligned} S( \\pm a_{1,1}\\,a_{2,2}\\,a_{3,3}) \&= a_{1,1}a_{2,2}a_{3,3} + a_{2,1}a_{3,2}a_{1,3} + a_{3,1}a_{1,2}a_{2,3}\\\\ \&-a_{1,1}a_{3,2}a_{2,3} - a_{3,1}a_{2,2}a_{1,3} - a_{2,1}a_{1,2}a_{3,3} \\end{aligned} S(±a1,1a2,2a3,3)=a1,1a2,2a3,3+a2,1a3,2a1,3+a3,1a1,2a2,3−a1,1a3,2a2,3−a3,1a2,2a1,3−a2,1a1,2a3,3 柯武将该新函数 S ( ± a 1 , 1 a 2 , 2 a 3 , 3 ) S( \\pm a_{1,1}a_{2,2}a_{3,3}) S(±a1,1a2,2a3,3) 定义为"行列式"(*déterminan* ),并补充说明, a 1 , 1 , a 1 , 2 , ⋯   , a 3 , 3 a_{1,1},a_{1,2},\\cdots,a_{3,3} a1,1,a1,2,⋯,a3,3 这 9 9 9 个元素可排列为如下形式: a   1 , 1 a   1 , 2 a   1 , 3 a   2 , 1 a   2 , 2 a   2 , 3 a   3 , 1 a   3 , 2 a   3 , 3 \\begin{array}{c} a_{\\,1,1}\&a_{\\,1,2}\&a_{\\,1,3}\\\\ a_{\\,2,1}\&a_{\\,2,2}\&a_{\\,2,3}\\\\ a_{\\,3,1}\&a_{\\,3,2}\&a_{\\,3,3} \\end{array} a1,1a2,1a3,1a1,2a2,2a3,2a1,3a2,3a3,3 在该排列形式的两侧添加竖直线段,取代原有的函数符号 S ( ± a 1 , 1 a 2 , 2 a 3 , 3 ) S( \\pm a_{1,1}a_{2,2}a_{3,3}) S(±a1,1a2,2a3,3),即可得到: ∣ a 1 , 1 a 1 , 2 a 1 , 3 a 2 , 1 a 2 , 2 a 2 , 3 a 3 , 1 a 3 , 2 a 3 , 3 ∣ = a 1 , 1 a 2 , 2 a 3 , 3 + a 2 , 1 a 3 , 2 a 1 , 3 + a 3 , 1 a 1 , 2 a 2 , 3 − a 1 , 1 a 3 , 2 a 2 , 3 − a 3 , 1 a 2 , 2 a 1 , 3 − a 2 , 1 a 1 , 2 a 2 , 3 \\begin{aligned} \\begin{vmatrix} a_{1,1}\&a_{1,2}\&a_{1,3}\\\\ a_{2,1}\&a_{2,2}\&a_{2,3}\\\\ a_{3,1}\&a_{3,2}\&a_{3,3} \\end{vmatrix} \&= a_{1,1}a_{2,2}a_{3,3} + a_{2,1}a_{3,2}a_{1,3} + a_{3,1}a_{1,2}a_{2,3} \\\\ \&- a_{1,1}a_{3,2}a_{2,3} - a_{3,1}a_{2,2}a_{1,3} - a_{2,1}a_{1,2}a_{2,3} \\end{aligned} a1,1a2,1a3,1a1,2a2,2a3,2a1,3a2,3a3,3 =a1,1a2,2a3,3+a2,1a3,2a1,3+a3,1a1,2a2,3−a1,1a3,2a2,3−a3,1a2,2a1,3−a2,1a1,2a2,3 该式即为现代数学中三阶行列式的展开式,柯西论文中的原始定义形式见图一,可通过原始文献验证该定义的合理性。 ![57422_p1](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/bb0ee439472f989abd0dca907a43f5b7.png) **图一** 上述定义中,转换后的元素 a 1 , 1 、 a 1 , 2 、 ⋯ 、 a 3 , 3 a_{1,1}、a_{1,2}、\\cdots、a_{3,3} a1,1、a1,2、⋯、a3,3 与原始变量 a 1 、 a 2 、 a 3 a_1、a_2、a_3 a1、a2、a3 并无实际关联, a 1 , 1 、 a 1 , 2 、 ⋯ 、 a 3 , 3 a_{1,1}、a_{1,2}、\\cdots、a_{3,3} a1,1、a1,2、⋯、a3,3 仅为 9 个任意的数,用现代数学术语描述,柯西定义了一个从 R × R × ⋯ × R ⏟ 9 个 R \\underbrace {\\mathbb{R}\\times\\mathbb{R}\\times\\cdots\\times\\mathbb{R}}_{9个\\mathbb{R}} 9个R R×R×⋯×R 到 R \\mathbb{R} R 的函数。 关于柯西的行列式定义,可补充以下三点内容:其一,将行列式定义为函数后,可进一步研究其函数运算性质,柯西在论文中继续推导了该函数的相关运算性质,得到了现代数学中的"乘法定理"与"展开定理",这两个定理与现代高中数学无直接关联,在此不作赘述;其二,尽管柯西在定义行列式时未结合方程组的系数,但仍通过该函数完成了克拉玛公式的表示;其三,柯西的创新点在于将双下标横向并列书写于元素的右下方,并将行列式排列为 n × n n\\times n n×n 的方形形式,这两种记法均被后人沿用,1841 年凯莱(Arthur Cayley,1821-1895)在 n × n n\\times n n×n 的方形形式两侧添加竖直线段后,便形成了现代行列式的标准符号。 ### 参考文献 * Cauchy, Augustin-Louis (1815). "Mémoire sur les fonctions qui ne peuvent obtenir que deux valeurs égales et de signes contraires par suite des transpositions opérées entre les variables qu'elles renferment", * O'Connor, John and Robertson, Edmund (1996). "Matrices and determinants", * Ycart, Bernard and Kuntzmann, Laboratoire Jean (2013). "A case of mathematical eponymy: the Vandermonde determinant", *Revue d'Histoire des Mathématiques* , 9(1), pp.43-77.( ) * 杨浩菊 (2004). 《行列式理论历史研究》,西北大学博士论文。 *** ** * ** *** ## 西方行列式的发展:结语(The Development of Determinants in West: Concluding Remarks) Posted on 2014/09/22 **国立台南第一高级中学 林仓亿 老师** 行列式在西方萌芽后,经众多数学家的持续研究与发展,历经百余年的时间逐渐形成完善的理论体系。为行列式理论发展作出贡献的数学家众多,《西方行列式的发展》系列文章仅选取其中数位进行简要介绍,拉格朗日(Joseph Lagrange,1736-1813)、拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace,1749-1827)、比内(Jacques Philippe Marie Binet,1786-1856)、雅可比(Carl Gustav Jacob Jacobi,1804-1851)、凯莱(Arthur Cayley,1821-1895)、西尔维斯特(James Joseph Sylvester,1814-1897)等数学家,均为 20 世纪之前行列式理论的发展作出了不可磨灭的贡献。 从行列式的历史发展脉络可清晰看出,西方行列式的研究起源于一次方程组的求解,数学家在研究过程中发现,用方程组的系数表示解的过程中存在固定的规律,为表示该规律,不同数学家提出了各异的表示方法。 以三元一次方程组 { a 1 x + b 1 y + c 1 z = d 1 a 2 x + b 2 y + c 2 z = d 2 a 3 x + b 3 y + c 3 z = d 3 \\begin{cases} a_{1}x + b_{1}y + c_{1}z = d_{1}\\\\ a_{2}x + b_{2}y + c_{2}z = d_{2}\\\\ a_{3}x + b_{3}y + c_{3}z = d_{3} \\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧a1x+b1y+c1z=d1a2x+b2y+c2z=d2a3x+b3y+c3z=d3 为例,克拉玛通过 a i b j c k a_ib_jc_k aibjck 下标的排列与逆序数表示该规律(参阅本网站《克拉玛公式 (2):克拉玛的公式》一文);贝祖通过将 a b c abc abc 与 − b a c -bac −bac 中的 c c c 依次向前移动一个位置,且每移动一次改变一次符号的方式表示该规律(参阅本网站《西方行列式的发展:贝祖的研究》一文);范德蒙与柯西则通过各自独特的方式完成了行列式的定义(参阅本网站《西方行列式的发展:范德蒙的研究》与《西方行列式的发展:柯西的研究》)。 在对规律的表示方法的持续探索中,行列式的概念与符号不断完善,逐渐形成现代数学中的形式。 在现代高中数学的教学中,行列式以抽象符号与展开式的形式呈现给学生,略去了其历史发展脉络,难以激发学生的学习兴趣。例如在二阶行列式 ∣ a b c d ∣ \\begin{vmatrix} a\&b\\\\ c\&d \\end{vmatrix} acbd 的性质推导中,学生常产生抵触心理,认为直接展开得到 a d − b c ad-bc ad−bc 更具便捷性,无需进行复杂的性质推导;又如多数学生初次接触三阶行列式及其展开式 ∣ a 1 a 2 a 3 b 1 b 2 b 3 c 1 c 2 c 3 ∣ = ⋯ = a 1 b 2 c 3 + a 2 b 3 c 1 + a 3 b 1 c 2 − a 3 b 2 c 1 − a 2 b 1 c 3 − a 1 b 3 c 2 \\begin{aligned} \\begin{vmatrix} a_{1}\&a_{2}\&a_{3}\\\\ b_{1}\&b_{2}\&b_{3}\\\\ c_{1}\&c_{2}\&c_{3} \\end{vmatrix} \&=\\cdots \\\\ \&= a_{1}b_{2}c_{3} + a_{2}b_{3}c_{1} + a_{3}b_{1}c_{2} - a_{3}b_{2}c_{1} - a_{2}b_{1}c_{3} - a_{1}b_{3}c_{2} \\end{aligned} a1b1c1a2b2c2a3b3c3 =⋯=a1b2c3+a2b3c1+a3b1c2−a3b2c1−a2b1c3−a1b3c2 时,多表现出疑惑甚至抵触的态度,对该运算规则的合理性提出质疑。行列式的历史发展脉络为从上述展开式的右侧推导至左侧,先有行列式的展开式,历经百余年的研究后,才形成现代行列式的符号;而现代教材的呈现方式则与之相反,从行列式的符号出发推导其展开式。这种呈现方式的反转,不仅忽略了行列式理论百余年的发展历程,更扼杀了学生对行列式的研究兴趣,使得行列式在学生的认知中仅为一套固定的计算法则,只需记忆即可。但值得注意的是,学生往往难以掌握真正需要理解的行列式主要内涵。在教学中可做一相关尝试:让学生展开一个四阶行列式(非高中数学教学内容),多数学生会直接将三阶行列式的展开方法(即图一与图二的方法)套用于四阶行列式,最终得到仅含 8 项的展开式,且未意识到该结果的错误性(四阶行列式的展开式应包含 24 项)。 ![57423_p1](https://i-blog.csdnimg.cn/img_convert/de39d122ad770f43fe638537e126a9f1.png) 图一与图二中的方法为三阶行列式的记忆与速算方法,在时间有限的纸笔测验中,该方法具备较高的解题效率,这是其主要优势。但脱离计算速度的考量,该方法相较于克拉玛或贝祖的方法,既缺乏数学研究的趣味性,也无法推广至高阶行列式的展开。若在教学中引入克拉玛、贝祖的表示方法,或范德蒙、柯西的行列式定义方式,不仅能拓宽学生的数学视野,还能降低行列式符号的抽象性,帮助学生更好地理解行列式的概念与符号内涵。 行列式起源于方程组的求解,逐渐发展为独立的数学概念与符号,随后被应用于几何、向量、矩阵等多个数学领域,最终被纳入线性代数的理论体系。本系列文章仅简要介绍了行列式理论的前期发展历程,其在各领域的应用与后续发展,将留待后续进行介绍。 *** ** * ** *** ## via: * 西方行列式的發展:貝祖的研究 \| 2014[...](http://www.bibnum.education.fr/sites/default/files/Bezout-texte.pdf)p292-293 [https://case.ntu.edu.tw/highscope/西方行列式的發展:貝祖的研究(the-development-of-determinants-in-west-bezouts-work/index.html](https://case.ntu.edu.tw/highscope/%E8%A5%BF%E6%96%B9%E8%A1%8C%E5%88%97%E5%BC%8F%E7%9A%84%E7%99%BC%E5%B1%95%EF%BC%9A%E8%B2%9D%E7%A5%96%E7%9A%84%E7%A0%94%E7%A9%B6%EF%BC%88the-development-of-determinants-in-west-bezouts-work/index.html) * 西方行列式的发展:范德蒙的生平(1)(The Development of Determinants in West: Vandermonde's Biography (1)) \| 2014 [https://case.ntu.edu.tw/highscope/西方行列式的發展:范德蒙的生平1(the-development-of-determinants-in-west-vandermonde/index.html](https://case.ntu.edu.tw/highscope/%e8%a5%bf%e6%96%b9%e8%a1%8c%e5%88%97%e5%bc%8f%e7%9a%84%e7%99%bc%e5%b1%95%ef%bc%9a%e8%8c%83%e5%be%b7%e8%92%99%e7%9a%84%e7%94%9f%e5%b9%b31%ef%bc%88the-development-of-determinants-in-west-vandermonde/index.html) * 西方行列式的发展:范德蒙的生平(2)(The Development of Determinants in West: Vandermonde's Biography (2)) \| 2014 [https://case.ntu.edu.tw/highscope/西方行列式的發展:范德蒙的生平2(the-development-of-determinants-in-west-vandermonde/index.html](https://case.ntu.edu.tw/highscope/%e8%a5%bf%e6%96%b9%e8%a1%8c%e5%88%97%e5%bc%8f%e7%9a%84%e7%99%bc%e5%b1%95%ef%bc%9a%e8%8c%83%e5%be%b7%e8%92%99%e7%9a%84%e7%94%9f%e5%b9%b32%ef%bc%88the-development-of-determinants-in-west-vandermonde/index.html) * 西方行列式的发展:范德蒙的研究(The Development of Determinants in West: Vandermonde's Work) \| 2014 [https://case.ntu.edu.tw/highscope/西方行列式的發展:范德蒙的研究-(the-development-of-determinants-in-west-vandermonde/index.html](https://case.ntu.edu.tw/highscope/%e8%a5%bf%e6%96%b9%e8%a1%8c%e5%88%97%e5%bc%8f%e7%9a%84%e7%99%bc%e5%b1%95%ef%bc%9a%e8%8c%83%e5%be%b7%e8%92%99%e7%9a%84%e7%a0%94%e7%a9%b6-%ef%bc%88the-development-of-determinants-in-west-vandermonde/index.html) * Sur les formes quaternaires à deux séries de variables. Applications à la géométrie et au calcul intégral - Persée * 西方行列式的发展:柯西的研究 (The Development of Determinants in West: Cauchy's Work) \| 2014 [https://case.ntu.edu.tw/highscope/西方行列式的發展:柯西的研究-(the-development-of-determinants-in-west-cauchys-work/index.html](https://case.ntu.edu.tw/highscope/%e8%a5%bf%e6%96%b9%e8%a1%8c%e5%88%97%e5%bc%8f%e7%9a%84%e7%99%bc%e5%b1%95%ef%bc%9a%e6%9f%af%e8%a5%bf%e7%9a%84%e7%a0%94%e7%a9%b6-%ef%bc%88the-development-of-determinants-in-west-cauchys-work/index.html) * 西方行列式的发展:结语(The Development of Determinants in West: Concluding Remarks) \| 2014 [https://case.ntu.edu.tw/highscope/西方行列式的發展:結語(the-development-of-determinants-in-west-concluding-remarks)/index.html](https://case.ntu.edu.tw/highscope/%e8%a5%bf%e6%96%b9%e8%a1%8c%e5%88%97%e5%bc%8f%e7%9a%84%e7%99%bc%e5%b1%95%ef%bc%9a%e7%b5%90%e8%aa%9e%ef%bc%88the-development-of-determinants-in-west-concluding-remarks%ef%bc%89/index.html)