行列式之逆序數和一般運算法則

2021-01-08 別跡無涯

本文將對行列式的由來和一般運算法則進行詳細講解,這裡面包括很多同學都不甚理解的逆序數。小編在此多說一句,存在即合理,任何一個概念的提出都是基於現實或理論上的需要,只有把握了這種內在需求,才能在整個線代的前後知識模塊之間建立清晰地邏輯框架。

1.線性方程和非線性方程

線性方程就是方程的每一項均為常數與原變量(即形如ax)的乘積,線性方程有時亦稱為一次方程。比如下面的方程均為線性方程:

(1)是一元一次方程,(2)是三元一次方程。

非線性方程就是變量的冪不為1的方程。比如下面的方程均為非線性方程:

圖1顯示了線性方程和非線性方程的區別。

圖1.線性方程和非線性方程的區別

線性方程組就是全由線性方程構成的方程組。

非線性方程組就是不全由線性方程構成的方程組。

圖2顯示了線性方程組和非線性方程組的區別:

圖2. 線性方程組和非線性方程組的區別

2.多次方程

小編在這裡還要介紹一個概念,就是多次方程,多次方程屬於非線性方程。

第1節中提到的方程xy=1不是線性方程,這是因為雖然變量x和y的冪均為1,但是變量x和y是以乘積的形式組合在一起,因此得將xy視為一個整體的變量,這個整體變量的冪是變量x的冪與變量y的冪的和。因此方程xy=1是二次方程。

但是一定要切記,討論一次或多次方程時,各個變量的冪必須是整數。比如下面的方程就不能認為是二次方程,而就是非線性方程。

那麼下面的方程是幾次方程呢?

在判斷方程是幾次方程時,一定要看能否化簡。方程(1)可以通過移項操作,最後得出的是有約束條件的一次方程。方程(2)通過化簡,可以得出是一次方程x=4。

3.行列式的由來

在大家對方程的類型有了一定的了解後,那麼接下來可以聊聊行列式的由來了。

行列式概念是從解決線性方程組的過程中提出來的。而這個線性方程組有個特點,那就是方程的個數與變量的個數相等。

首先看二元一次線性方程組:

在不考慮參數的具體取值情況下,可以得出變量的解的形式如下:

如果採取下面這種標記法,即行列式:

則方程的解可表示為。

通過設定這樣的規則,方程組的解的形式有了一定的規律。

那麼很自然地可以推廣到n元方程組。即對於如下n元方程組:

n元方程組的解的形式如下:

採用行列式對線性方程組的解進行標記很方便,但是如何對行列式設定運算法則呢?

比如函數f(x)=x+4,對於x的每個值,函數f(x)的運算法則,就是在x原值基礎上加4。 那麼對於行列式而言,當給定一組排列有序的數據後,如何在這組數據上施加運算法則?

二階、三階行列式,可以簡單地通過沙路法得到結果,如下所示:

在上方的三階行列式中,小編只標記了正項的元素。

沙路法適用於二階和三階行列式的計算,但是不適用於四階及以上的行列式。那麼對於行列式,有沒有通用的運算法則呢?

4.行列式的運算法則

對於n階行列式,科學家歸納出來一個運算法則,如下所示:

對於上述運算法則,小編接下來進行詳細地解釋。

何為1,2,…,n的一個全排列?

為了方便解釋,不妨考慮n=4的情況。此時1234就是一個全排列,2134也是一個全排列。也就是說,全排列就是所有元素都參與且只參與一次的排列!

那麼對於1到n的n個數,有多少個不同的全排列呢?這就涉及到高中所學過的排列組合知識了。總共有n!個不同的全排列,由下式得出。

因此,對於n階行列式,在計算公式中,總共有n!項。

現在要考慮對於這n!個項的每一項來說,前面的係數是1還是-1呢?這就是計算公式中涉及到的逆序數。

同樣以n=4為例進行說明。

{1,2,3,4}的一個全排列為2143。從左往右,一個一個數字看。2依次與位於其後的數字相比,若2大於該數字,則為2的一個逆序。顯然,在全排列中,2的逆序為1。同理可得,1的逆序為0;4的逆序為1;3的逆序為0。因此全排列2143的逆序數=1+0+1+0=2。

大家判斷下4321的逆序數是多少呢?

相信大家已經理解了全排列和逆序數。那回到n階行列式的計算公式中,該公式的意思就是,從第1行至第n行分別取出一個數,並且這些數的列索引是1,2,…,n的一個全排列,根據這個規則,總共有n!個項。每一項的正負號由對應的列索引的全排列決定。

小編以三階行列式來說明。

第一行取1,第二行取5,第三行取9,則列索引分別為1,2,3是{1,2,3}的一個全排列。

但如果第一行取1,第二行取4,第三行取9,則列索引分別為1,1,3,不是1,2,3的一個全排列,因此這種取法不對。

大家根據這種思路,採用行列式的通用計算公式來計算上面這個行列上吧,並與三階行列式的沙路法進行比較,看看結果是不是一樣的。

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