JOVANA
Library Glossary Getting Started Three Levels Fields How it works Mission
Join the mission
All guides

證明乘法法則與展開法則

現在兌現唯一性的紅利:對[[determinant-multiplicativity|det 的乘法性]]、det(A^T) = det(A) 以及沿某列的[[laplace-expansion|拉普拉斯展開]]給出簡短的概念性證明,[[cofactor-matrix|餘子(伴隨)矩陣]]自然現身。

det(AB) = det(A) det(B),幾乎免費

det 的乘法性是最深刻的行列式恆等式,但唯一性使它幾乎成了一行話。固定 B,定義 f(A) = det(AB)。驗證 f 作為 A 各行的函數是多重線性且交替的(因為右乘 B 是線性的且保持行相等關係)。故由唯一性 f(A) = c * det(A),其中常數 c = f(I) = det(B)。所以 det(AB) = det(A) det(B)。

兩條推論立刻得出。若 A 可逆,det(A) det(A^-1) = det(I) = 1,故 det(A^-1) = 1/det(A)。且 det(A) = 0 當且僅當 A 奇異——體積坍縮當且僅當映射不可逆。第 3 篇的體積圖像讓兩者都顯得理所當然。

det(A^T) = det(A)

萊布尼茨公式,det(A) = sum_sigma sgn(sigma) prod_j a_{sigma(j), j}。在轉置中,(i,j) 元變為 a_{ji},故 det(A^T) = sum_sigma sgn(sigma) prod_j a_{j, sigma(j)}。用 tau = sigma^-1 對每個乘積重新編號:乘積作為因子集合不變,且 sgn(sigma) = sgn(sigma^-1)。對 sigma 求和等同於對 tau 求和,故兩個求和相等。因此 det(A^T) = det(A)。

這正是第 1 篇承諾的定理:我們關於行證明的一切,對列逐字成立。列運算對 det 的影響與相應行運算完全相同。

拉普拉斯展開與餘子矩陣

按第 i 列中是哪個元素來歸類萊布尼茨求和。含 a_ij 的項提出 a_ij,乘以固定該選擇的置換之和——它至多差一個符號 (-1)^{i+j},即刪去第 i 列第 j 行所得 (n-1)x(n-1) 餘子式 M_ij 的行列式。定義餘子式 C_ij = (-1)^{i+j} det(M_ij)。則 det(A) = sum_j a_ij C_ij:這就是沿第 i 列的拉普拉斯展開,現在是導出的,而非欽定的。

把餘子式裝配成餘子(伴隨)矩陣:adj(A) = (C_ij)^T,即餘子式陣列的轉置。關鍵恆等式是 A * adj(A) = det(A) * I。對角元是拉普拉斯展開;非對角元是含重複列矩陣的展開,由交替法則為 0。這一恆等式為第 5 篇的逆公式與克拉默法則鋪路。

3x3 cofactor expansion along row 1:
  det(A) = a11*C11 + a12*C12 + a13*C13
  C11 = +det[a22 a23; a32 a33]
  C12 = -det[a21 a23; a31 a33]
  C13 = +det[a21 a22; a31 a32]

Adjugate identity (the off-diagonal zeros are the magic):
  A * adj(A) = det(A) * I
  => if det(A) != 0:  A^-1 = adj(A) / det(A)
餘子式展開與伴隨恆等式 A * adj(A) = det(A) I。