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证明乘法法则与展开法则

现在兑现唯一性的红利:对[[determinant-multiplicativity|det 的乘法性]]、det(A^T) = det(A) 以及沿某行的[[laplace-expansion|拉普拉斯展开]]给出简短的概念性证明,[[cofactor-matrix|余子(伴随)矩阵]]自然现身。

det(AB) = det(A) det(B),几乎免费

det 的乘法性是最深刻的行列式恒等式,但唯一性使它几乎成了一行话。固定 B,定义 f(A) = det(AB)。验证 f 作为 A 各列的函数是多重线性且交替的(因为右乘 B 是线性的且保持列相等关系)。故由唯一性 f(A) = c * det(A),其中常数 c = f(I) = det(B)。所以 det(AB) = det(A) det(B)。

两条推论立刻得出。若 A 可逆,det(A) det(A^-1) = det(I) = 1,故 det(A^-1) = 1/det(A)。且 det(A) = 0 当且仅当 A 奇异——体积坍缩当且仅当映射不可逆。第 3 篇的体积图像让两者都显得理所当然。

det(A^T) = det(A)

莱布尼茨公式,det(A) = sum_sigma sgn(sigma) prod_j a_{sigma(j), j}。在转置中,(i,j) 元变为 a_{ji},故 det(A^T) = sum_sigma sgn(sigma) prod_j a_{j, sigma(j)}。用 tau = sigma^-1 对每个乘积重新编号:乘积作为因子集合不变,且 sgn(sigma) = sgn(sigma^-1)。对 sigma 求和等同于对 tau 求和,故两个求和相等。因此 det(A^T) = det(A)。

这正是第 1 篇承诺的定理:我们关于列证明的一切,对行逐字成立。行运算对 det 的影响与相应列运算完全相同。

拉普拉斯展开与余子矩阵

按第 i 行中是哪个元素来归类莱布尼茨求和。含 a_ij 的项提出 a_ij,乘以固定该选择的置换之和——它至多差一个符号 (-1)^{i+j},即删去第 i 行第 j 列所得 (n-1)x(n-1) 余子式 M_ij 的行列式。定义余子式 C_ij = (-1)^{i+j} det(M_ij)。则 det(A) = sum_j a_ij C_ij:这就是沿第 i 行的拉普拉斯展开,现在是导出的,而非钦定的。

把余子式装配成余子(伴随)矩阵:adj(A) = (C_ij)^T,即余子式阵列的转置。关键恒等式是 A * adj(A) = det(A) * I。对角元是拉普拉斯展开;非对角元是含重复行矩阵的展开,由交替法则为 0。这一恒等式为第 5 篇的逆公式与克拉默法则铺路。

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)
余子式展开与伴随恒等式 A * adj(A) = det(A) I。