行列式计算的若干种方法

1、中南民族大学毕业论文(设计)学院: 数学与统计学学院 专业: 统计学 年级:2008 题目: 行列式计算的若干方法 学生姓名: 曹金金 学号:08067005 指导教师姓名: 汪宝彬 职称:讲师 2012年4月30日中南民族大学本科毕业论文（设计）原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果.除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品.本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担. 作者签名： 年 月 日 目 录摘要1关键词1Abstract 1Key words11 引言22.1排列22.2行列式的定义22.2

2、.1 二阶、三阶行列式22.2.2 n阶行列式的定义32.2.3 几种特殊的行列式的定义32.3 行列式的基本性质53几种常见的行列式的计算方法63.1利用行列式定义直接计算63.2 利用行列式的性质计算63.3 三角化法73.4 降阶法83.5利用范德蒙德行列式求解103.6 数学归纳法113.7 拆项法123.8析因子法133.9 加边法(升阶法)133.10递推公式法143.11超范德蒙行列式法153.12利用分块计算行列式164 结论16致 谢17参考文献17 行列式计算的若干方法摘要：在线性代数中,行列式的求解是非常重要的. 本文首先介绍行列式的定义与性质；然后通过实例给出了计算行列

3、式的几种方法.从文中可以看出，选择合适的计算方法可有效的计算行列式.关键词：行列式；性质；计算方法 Some Methods of Determinant CalculationAbstract: Determinant plays an important role in the linear algebra. In this paper we first introduce the definition and properties of determinant. Then several methods of the calculation are given by some examp

4、les. It can be seen from the paper that choose the appropriate calculation method can efficiently compute the determinant.Key words: determinant; property; the calculation methods1 引言 行列式最早出现在十六世纪关于线性方程组的求解问题，时至今日行列式的应用却远不如此，它在消元法，矩阵论，坐标变换，多重积分中的变量替换，解行星运动的微分方程组，二次型有广泛应用，其中行列式的计算是个重要问题.利用行列式的性质与计算方法

5、的技巧较易地解决初等数学中的一些较繁与较难解决的问题, 如运用行列式分解因式, 证明等式与不等式, 以及在几何方面的应用, 从而体现用高等数学理论与方法解决初等数学问题的优越性.线性代数在各门学科中占据着重要地位，在大多数的理工科专业都开设这个课程，是所有理工科的基础学科，而行列式在线性代数里是最为基础且最重要的一章.行列式是研究线性代数的有力手段和重要工具，主要应用在线性方程组、二次型、矩阵的计算求解中，例如求解线性方程组、求矩阵的秩、判断向量线性相关、求矩阵的特征值等.许多实际和理论问题归结为行列式计算.因此，行列式尤为重要，跟其他理工学科相辅相成，然而行列式的计算往往是极为复杂的，求解行

6、列式的算法要比解线性方程组的算法要少得多，所以在实际运用中，我们要掌握各种计算行列式的方法，寻求最优算法来计算行列式，从而解决各种实际问题. 行列式计算的基本思想：对于某些特殊的行列式可以直接利用行列式的定义计算.对于一般的行列式，我们主要有下面两种计算思想：利用行列式的性质进行行列式的初等变换,将其划为上(或下)三角形行列式,进而得到结果.利用行列式按行(列)展开定理进行降阶和递推.在典型的计算过程中一般两种方法同时应用,先利用性质化出尽可能多的零元素,然后再利用行(列)展开定理降阶,化为低阶行列式进行计算. 本文将介绍行列式的定义以及性质，通过介绍行列式计算的基本方法利用行列式定义直接计算

7、、利用行列式的性质计算、三角形化法、降阶法、利用特殊行列式、数学归纳法、拆项法、析因子法、加边法、递推法、超范德蒙行列式法等.再应用实例计算行列式，理论和应用相结合，较全面的介绍行列式的几种计算方法.2 行列式的定义及性质2.1排列定义1 由个不同自然数组成的一个有序数组称作为级排列，级排列的总数为定义2 在一个排列中，如果一对数的前后位置与大小顺序相反，即前面的大于后面的数，那么它们就为一个逆序.一个排列中逆序的总数就称为这个排列的逆序数.定义3 逆序数为偶数的排列称为偶排列，逆序数为奇数的排列称为奇排列.2.2行列式的定义2.2.1 二阶、三阶行列式行列式是代数式的简要记号，如下： （2-

8、1） （2-2）分别是二阶、三阶行列式，两式的左端表示行列式的记号，右端是行列式的全面展开式.行列式的元素有两个下标，分别称为行标和列标.如表示该元素位于第3行、第2列.从上面的二级行列式和三级行列式的定义中可以看出，行列式的结果都是由一些乘积的代数和，而且每一项乘积都是由行列式中位于不同的行和不同的列中的元素组成，并且所有的展开式恰好是由所有这种可能的乘积组成.每一项乘积所带的符号是由排列的逆序数奇偶性原则决定的（当排列的逆序数为偶排列时，在三级行列式的展开式定义中，该项带有正号，当排列的逆序数为奇排列时，在三级行列式的展开式定义中，该项带有正号）.2.2.2 n阶行列式的定义 （2-3）其

9、中 表示对所有 阶排列 的种数进行相加，共有项2.2.3 几种特殊的行列式的定义 在行列式计算中，往往会将行列式转换成具有特殊形式的行列式，再进行计算，因此熟悉和掌握这些特殊行列式及其计算公式对提高计算行列式的技巧和效率是非常重要的.（1） 上(下)三角行列式等于它主对角线元素的乘积. ； . （2-4） （2）对角行列式等于它的主对角线元素的乘积，. （2-5）（3）副对角线下(上)边的元素全为0的行列式 ； （2-6） （2-7） （4）阶范德蒙德行列式 （2-8）称为范德蒙德（Vandermonde）行列式，其中表示连乘.范德蒙德行列式的特点： 第一行全为1； 第二行的各个数各不相同；

10、后一行与前一行对应列的比值等于第二行对应列的元素; 范德蒙德行列式为零的充要条件是这个数中至少有两个相同.（5） 箭形行列式设，则. （2-9）若存在某个或某些对角元可对行进行降阶处理，箭形行列式有以下几个形式： 这几个形式的都可类似方法化为三角行列式进行计算.（6）分块上(下)三角行列式等于它的主对角线上各方阵的行列式的乘积分块上三角行列式，又称为上块(准)三角行列式：. （2-10）其中对角块为阶行列式，且，为行列式的阶，特别地，当，时成立：分块下三角行列式，又称为下块(准)三角行列式：. （2-11） （7）分块对角方阵的行列式等于主对角线上各方阵的行列式的乘积 . （2-12）2.3

11、行列式的基本性质性质1 行列式的行与列对应互换得到的新行列式，记作 （2-13）性质2 任意对换行列式的两行（或两列）元素，其值变号.性质3 行列式的某一行(列)中所有的元素都乘以同一数k，等于用数k乘此行列式.推论 两行（或两列）元素对应相同或者有一行（或列）全为零的行列式，其值为零.性质4 行列式中若有两行（或两列）对应元素成比例，其值为零性质5 行变换与列变换行列式的值不变.性质6下列行列式成立 （2-14）3几种常见的行列式的计算方法3.1利用行列式定义直接计算例1计算行列式解: 中不为零的项用一般形式表示为. （3-1）该项列标排列的逆序数t（n1 n21n）等于，故 （3-2） 3

12、.2 利用行列式的性质计算例2一个n阶行列式的元素满足 （3-3） 则称为反对称行列式，证明奇数阶反对称行列式为零.证明：由知，即故行列式可表示为由行列式的性质 （3-4）当n为奇数时，得，因而得 3.3 三角化法 运用行列式的性质把行列式变换成位于主对角线一侧的所有元素全等于零，这样得到的行列式等于主对角线上元素的乘积，对于次对角线上的情形，行列式的值等于与次对角线上所有元素的乘积.例3计算行列式 解：把每行均加至第一行, 提出公因式,再把第一行的-a倍分别加到第二行至第n行,得例4计算阶行列式解：利用性质7对行列式做变换，依次将第行乘加到第行，再将第列全加到第1列.得按展开，得再将阶行列式

13、的第1行乘加到其余各行后，将第列全加到第列，得，根据副对角线下三角为零的行列式，得3.4 降阶法 就是把一个阶行列式化简为个阶行列式，然后以此类推，直到把阶行列式化为若干个2阶行列式来计算.特别需要注意的是，按行或列展开时一定要使某一行或某一列含有充分多的零元素，这样才能有效减少运算量.（1）一般降阶法阶行列式等于它的任一行（列）各元素与其对应代数余子式乘积的和，即或. （3-5）行列式按一行（列）展开能将高阶行列式转化为若干低阶行列式计算，称为降级法.这是一种计算数字行列式的常用方法.值得注意的是，在使用时应先利用行列式的性质，将某行（列）元素尽可能多的变成零，然后再展开，计算才能更方便，对

14、一些特殊构造的行列式可利用拉普拉斯定理降阶计算.此法中由于级行列式的第行构成的级子式个，所以对一般行列式能降阶却不能减少计算量.例5 计算阶行列式分析：该行列式的元素分布规律来看，可以用直接递推降阶法，找出，再依次递推出其他项，最终可求出.解：根据行列式展开定理，将按第一行展开，则将后面的行列式按第一列展开，则（2）递推降阶法设阶行列式，欲求其值，由于交换行列式的两行（列），行列式只改变符号，故，现在令，递推降阶法可分为直接递推和间接递推.直接递推关键是找出一个关于的代数式来表示，依次从逐级递推便可以求出的值.间接递推即借助于行列式中元素的对称性，交换行列式构造出关于和的方程组，从而消去就可以

15、解得.例6 计算阶行列式解：将按第列展开可得，整理得，将这个式子两边分别同乘以后，再相加得而则这道例题也可以直接用一般的降阶法直接展开，一般降阶法和递推降阶法之间是没有很明确的界定，往往在计算行列式中，是两种方法融汇结合的.如果一个行列式的元素分布上比较有规律，则可以设法找出阶行列式与低级行列式的关系依次类推，将行列式按行(列)展开，达到降阶的目的，最后将低阶行列式计算即可.3.5利用范德蒙德行列式求解例7计算行列式解：把第1行的1倍加到第2行，把新的第2行的1倍加到第3行，以此类推直到把新的第n1行的1倍加到第n行，便得范德蒙行列式例8 计算n+1 阶行列式 解：从第i 行提取公因子(i=1

16、,2,n+1)就可以得到转置n+1 阶范德蒙行列式求解得3.6 数学归纳法 一般是采用不完全归纳法，先分析猜想出行列式值的规律，得到一般性结论，然后再利用数学归纳法证明结论的正确性.行列式的特点是主对角线上元素含有三角函数,并且几近相同，沿主对角线两侧的元素全是1.例9计算分析：，所以猜想所以考虑用数学归纳法证明原行列式的值等于猜想值.证明：当时命题成立.假设时命题成立.当时，将按第一列展开当时命题成立，对有：，证明猜想值成立.3.7 拆项法 就是利用行列式的性质，将行列式拆成若干个较容易计算的行列式，再分别计算.例10行列式的特点是主对角线的元素全部是，上三角与下三角的元素分别是和,二者互为

17、相反数.此类行列式常用拆分法来计算. （3-6）根据行列式的性质，行列式的行列互换时行列式的值不变，得 （3-7）由式子（3-6），（3-7）消去，得3.8析因子法所谓析因子法, 就是当行列式时, 求得方程的根, 从而将行列式转化为其因子和积, 这样会大大减少计算量.该方法适用于主对角线上含x 多项式的题型.例11计算行列式解：由行列式的定义知为x的4次多项式.当时，1、2行相同，有，是的根.当时，1、2行相同，有，是的根.故有四个一次因式，设令则，即3.9 加边法(升阶法)加边升阶法是将所要计算的阶行列式适当地添加一行一列（或行列）得到一个新的（或）阶行列式，保持行列式的值不变，但要所得的（

18、）阶行列式较易计算，加边法的一般做法是：或 （3-8）特殊情况取或例12计算行列式解：3.10递推公式法递推公式法就是先将行列式表示两个(或几个)低阶同型的行列式的线性关系式, 再用递推关系及某些低阶( 2 阶, 1阶)行列式的值求出的值.该方法适用于行(列) 中0 较多的或主对角线上、下方元素相同的题型.例13计算行列式解：该二阶齐次线性递归式的特征方程为，其根为4、5，既有，于是有同理有所以，联立两式的3.11超范德蒙行列式法 超范德蒙行列式法就是考察n+ 1阶范德蒙行列式, 利用行列式与某元素余子式的关系计算行列式的方法.该方法适用于具有范德蒙行列式形式的题型.例14 计算行列式(超范德

19、蒙德行列式)解：考察阶范德蒙德行列式显然就是行列式中元素的余子式.即（为代数余子式）.又由的表达式（及根与系数的表达式）知，中的系数为即3.12利用分块计算行列式分块矩阵是行列式计算中的一个重要方法，这个计算方法就是通过分块矩阵的行（列）的初等变换将它化成准三角行列式，从而可以将它化成较低阶行列式的乘积，再根据分块矩阵的公式进行计算求出行列式的值.例15计算5阶行列式解：先对行列式中的行列转换得 由公式（2-10）式，得.4 结论行列式的计算方法灵活多变，但万变不离其宗，在计算时一定要仔细观察其类型特点，恰当运用行列式计算的常用方法及技巧，一切便可迎刃而解.选择行列式计算方法最主要的还是看行列

20、式元素分布的规律，例如用范德蒙德行列式计算时，要注意行列式中元素的分布要与范德蒙德行列式有所相似，才能对行列式进行转换变成范德蒙德行列式计算，否则盲目的进行转换不仅不能使行列式计算更快捷反而会使计算更繁杂.所以要按不同的情况进行选择：（1）对于阶数较低的行列式可以直接用定义、性质或是化三角法进行计算；（2）而阶数较高的行列式可以进行降阶递推计算，或者进行拆分计算.当然在选择这些计算方法时不一定是一种方法独立进行计算，也可以是多种方法的综合计算，例如可以对行列式进行降阶，再根据性质展开递推出行列式的结果；也可能先对行列式进行加边升阶再递推降阶计算.有时对于一个行列式也可以有很多种计算方法计算.因此，要对行列式的性质和定理等相关的基础非常的熟悉，了解各种行列式计算方法的不同，才能针对不同的行列式选择最适合的计算方法.利用高等数学理论与方法解决初等数学问题具有很强的优越性.可以利用行列式的性质与计算方法的技巧较易地解决了初等数学中的一些较繁与较难解决的问题. 本文较全面的介绍行列式的几种计算方法，然而行