教案-第一章 行列式

教案--第一章行列式一、教学目标1.知识与技能目标-理解行列式的定义，掌握二阶、三阶行列式的计算方法。-熟悉行列式的性质，能够运用性质简化行列式的计算。-了解行列式按行（列）展开定理，并能运用该定理计算行列式。-掌握克莱姆法则，会用克莱姆法则求解线性方程组。2.过程与方法目标-通过行列式定义的引入，培养学生从特殊到一般的归纳能力。-在行列式性质的探究和应用过程中，提高学生的逻辑推理能力和运算能力。-通过克莱姆法则的学习，让学生体会行列式在解线性方程组中的应用，培养学生运用数学知识解决实际问题的能力。3.情感态度与价值观目标-激发学生对数学学科的兴趣，培养学生严谨的治学态度。-体会数学知识之间的内在联系，培养学生的数学素养和创新精神。

二、教学重难点1.教学重点-行列式的定义及计算。-行列式的性质及其应用。-行列式按行（列）展开定理。-克莱姆法则。2.教学难点-行列式定义的理解，尤其是n阶行列式的递归定义。-行列式性质的综合运用，简化行列式的计算。-行列式按行（列）展开定理的证明及应用。-克莱姆法则的证明及适用条件。

三、教学方法讲授法、讨论法、练习法相结合。通过讲授引导学生理解行列式的基本概念和性质，通过讨论促进学生对难点问题的思考和交流，通过练习巩固所学知识，提高学生的运算能力和解题技巧。

四、教学过程

（一）课程导入（5分钟）通过实际问题引出行列式的概念。例如，求解二元线性方程组：\[\begin{cases}a_{11}x_1+a_{12}x_2=b_1\\a_{21}x_1+a_{22}x_2=b_2\end{cases}\]利用消元法求解可得：\[x_1=\frac{b_1a_{22}-b_2a_{12}}{a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}},\quadx_2=\frac{b_2a_{11}-b_1a_{21}}{a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}}\]为了便于记忆和进一步研究线性方程组的解，我们引入行列式的概念。

（二）行列式的定义（20分钟）1.二阶行列式-定义：符号\(\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{vmatrix}\)称为二阶行列式，它的值规定为\(a_{11}a_{22}-a_{12}a_{21}\)。-利用二阶行列式，上述二元线性方程组的解可以表示为：\[x_1=\frac{\begin{vmatrix}b_1&a_{12}\\b_2&a_{22}\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{vmatrix}},\quadx_2=\frac{\begin{vmatrix}a_{11}&b_1\\a_{21}&b_2\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}\\a_{21}&a_{22}\end{vmatrix}}\]2.三阶行列式-定义：符号\(\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&a_{13}\\a_{21}&a_{22}&a_{23}\\a_{31}&a_{32}&a_{33}\end{vmatrix}\)称为三阶行列式，它的值规定为：\[\begin{align*}&a_{11}a_{22}a_{33}+a_{12}a_{23}a_{31}+a_{13}a_{21}a_{32}-a_{13}a_{22}a_{31}-a_{12}a_{21}a_{33}-a_{11}a_{23}a_{32}\\=&a_{11}(a_{22}a_{33}-a_{23}a_{32})-a_{12}(a_{21}a_{33}-a_{23}a_{31})+a_{13}(a_{21}a_{32}-a_{22}a_{31})\end{align*}\]-可以通过对角线法则来记忆三阶行列式的计算，即从左上角到右下角的三个元素乘积取正号，从右上角到左下角的三个元素乘积取负号，然后将这六项相加。3.n阶行列式-定义：采用递归的方式定义n阶行列式。设\(n-1\)阶行列式已经定义，\(n\)阶行列式\(D=\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&\cdots&a_{2n}\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\a_{n1}&a_{n2}&\cdots&a_{nn}\end{vmatrix}\)的值为：\[D=a_{11}A_{11}+a_{12}A_{12}+\cdots+a_{1n}A_{1n}\]其中\(A_{1j}=(-1)^{1+j}M_{1j}\)，\(M_{1j}\)是去掉\(D\)的第一行和第\(j\)列后得到的\(n-1\)阶行列式，称为元素\(a_{1j}\)的余子式，\(A_{1j}\)称为元素\(a_{1j}\)的代数余子式。

通过具体例子详细讲解n阶行列式的定义计算方法，如：\[D=\begin{vmatrix}1&2&3\\4&5&6\\7&8&9\end{vmatrix}\]首先求\(a_{11}=1\)的代数余子式\(A_{11}\)，去掉第一行第一列后得到二阶行列式\(M_{11}=\begin{vmatrix}5&6\\8&9\end{vmatrix}\)，则\(A_{11}=(-1)^{1+1}M_{11}=\begin{vmatrix}5&6\\8&9\end{vmatrix}=5\times9-6\times8=-3\)。同理可得其他元素的代数余子式，进而计算出行列式的值。

（三）行列式的性质（30分钟）1.性质1：行列式与它的转置行列式相等。-即\(D=D^T\)，其中\(D^T\)是\(D\)的转置行列式，也就是将\(D\)的行与列互换得到的行列式。-例如，\(\begin{vmatrix}1&2\\3&4\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}1&3\\2&4\end{vmatrix}\)，通过计算验证该性质。2.性质2：互换行列式的两行（列），行列式变号。-例如，\(\begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}=-\begin{vmatrix}c&d\\a&b\end{vmatrix}\)，通过计算说明互换两行后行列式的值变为原来的相反数。3.性质3：行列式的某一行（列）中所有的元素都乘以同一个数\(k\)，等于用数\(k\)乘以此行列式。-即\(\begin{vmatrix}ka&kb\\c&d\end{vmatrix}=k\begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}\)，通过计算验证该性质。4.性质4：行列式中如果有两行（列）元素成比例，则此行列式的值为零。-例如，\(\begin{vmatrix}a&b\\ka&kb\end{vmatrix}=0\)，因为两行元素成比例，利用性质3和性质2可说明行列式的值为零。5.性质5：若行列式的某一行（列）的元素都是两数之和，例如第\(i\)行的元素都是两数之和：\[\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\b_1+c_1&b_2+c_2&\cdots&b_n+c_n\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\a_{n1}&a_{n2}&\cdots&a_{nn}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\b_1&b_2&\cdots&b_n\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\a_{n1}&a_{n2}&\cdots&a_{nn}\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\c_1&c_2&\cdots&c_n\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\a_{n1}&a_{n2}&\cdots&a_{nn}\end{vmatrix}\]通过举例详细讲解该性质的应用。6.性质6：把行列式的某一行（列）的各元素乘以同一个数然后加到另一行（列）对应的元素上去，行列式的值不变。-例如，将行列式\(\begin{vmatrix}a&b\\c&d\end{vmatrix}\)的第一行乘以\(k\)加到第二行上，得到\(\begin{vmatrix}a&b\\c+ka&d+kb\end{vmatrix}\)，其值与原行列式相等。通过计算验证该性质，并通过具体例子说明如何利用此性质简化行列式的计算。

通过多个不同类型的例子，让学生熟练掌握行列式性质的应用，如：\[\begin{vmatrix}1&2&3\\4&5&6\\7&8&9\end{vmatrix}\]利用性质6，将第三行减去第一行的\(7\)倍，第二行减去第一行的\(4\)倍，得到：\[\begin{vmatrix}1&2&3\\0&-3&-6\\0&-6&-12\end{vmatrix}\]再利用性质3，将第二行乘以\(-2\)加到第三行上，得到：\[\begin{vmatrix}1&2&3\\0&-3&-6\\0&0&0\end{vmatrix}\]根据行列式性质4，该行列式的值为\(0\)。

（四）行列式按行（列）展开定理（25分钟）1.定理：行列式等于它的任一行（列）的各元素与其对应的代数余子式乘积之和，即\[D=a_{i1}A_{i1}+a_{i2}A_{i2}+\cdots+a_{in}A_{in}\quad(i=1,2,\cdots,n)\]或\[D=a_{1j}A_{1j}+a_{2j}A_{2j}+\cdots+a_{nj}A_{nj}\quad(j=1,2,\cdots,n)\]2.证明思路：利用行列式的定义和性质进行证明，通过将行列式按某一行（列）展开，逐步推导得到定理的结论。在证明过程中，详细讲解每一步的依据和推理过程，让学生理解定理的本质。3.举例应用：\[\begin{vmatrix}1&2&3\\4&5&6\\7&8&9\end{vmatrix}\]按第一行展开：\[\begin{align*}\begin{vmatrix}1&2&3\\4&5&6\\7&8&9\end{vmatrix}&=1\times(-1)^{1+1}\begin{vmatrix}5&6\\8&9\end{vmatrix}+2\times(-1)^{1+2}\begin{vmatrix}4&6\\7&9\end{vmatrix}+3\times(-1)^{1+3}\begin{vmatrix}4&5\\7&8\end{vmatrix}\\&=1\times(5\times9-6\times8)-2\times(4\times9-6\times7)+3\times(4\times8-5\times7)\\&=-3-2\times(-6)+3\times(-3)\\&=-3+12-9\\&=0\end{align*}\]

（五）克莱姆法则（20分钟）1.对于\(n\)个未知数\(n\)个方程的线性方程组：\[\begin{cases}a_{11}x_1+a_{12}x_2+\cdots+a_{1n}x_n=b_1\\a_{21}x_1+a_{22}x_2+\cdots+a_{2n}x_n=b_2\\\cdots\\a_{n1}x_1+a_{n2}x_2+\cdots+a_{nn}x_n=b_n\end{cases}\]如果其系数行列式\(D=\begin{vmatrix}a_{11}&a_{12}&\cdots&a_{1n}\\a_{21}&a_{22}&\cdots&a_{2n}\\\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\a_{n1}&a_{n2}&\cdots&a_{nn}\end{vmatrix}\neq0\)，则方程组有唯一解：\[x_j=\frac{D_j}{D}\quad(j=1,2,\cdots,n)\]其中\(D_j\)是将系数行列式\(D\)中第\(j\)列元素换成方程组右端的常数项\(b_1,b_2,\cdots,b_n\)所得到的\(n\)阶行列式。2.证明克莱姆法则：通过利用行列式的性质和按行（列）展开定理，证明方程组的解可以表示为\(x_j=\frac{D_j}{D}\)的形式。在证明过程中，详细展示每一步的推导过程，让学生理解克莱姆法则的原理。3.举例求解：求解线性方程组\[\begin{cases}2x_1+x_2-5x_3+x_4=8\\x_1-3x_2-6x_4=9\\2x_2-x_3+2x_4=-5\\x_1+4x_2-7x_3+6x_4=0\end{cases}\]首先计