02.3 n 阶行列式的计算
这里所指的 n 阶行列式,通常是按一定规律排列,n 任意大的行列式,这类行列式的计算往往需要许多技巧,也是推导某些公式的重要过程。
典型文字行列式
几个典型的任意阶文字行列式如下。
爪形行列式
爪形行列式的形式和公式如下:
\begin{vmatrix}
a_1 & b_2 & b_3 & \cdots & b_n \\
c_2 & a_2 & & \\
c_3 & & a_3 & & \\
\vdots & & & \ddots & \\
c_n & & & & a_n \\
\end{vmatrix}
= a_2 a_3 \cdots a_n \left(a_1 - \sum_{i = 2}^n \frac{1}{a_i}\right).
上式中留空处代表元素为 0。
这个行列式的计算方法为第一列加上后面每一列的倍数,从而将第一列的 c_2, \dots, c_n 全部消去。这里令第 1 列加上第 2 列的 -\frac{c_2}{a_2} 倍,第 3 列的 - \frac{c_3}{a_3} 倍,依此类推,得到:
\begin{vmatrix}
a_1 & b_2 & b_3 & \cdots & b_n \\
c_2 & a_2 & & \\
c_3 & & a_3 & & \\
\vdots & & & \ddots & \\
c_n & & & & a_n \\
\end{vmatrix}
=
\begin{vmatrix}
a_1 - \sum\limits_{i = 2}^{n} \frac{b_ic_i}{a_i} & b_2 & b_3 & \cdots & b_n \\
0 & a_2 & & \\
0 & & a_3 & & \\
\vdots & & & \ddots & \\
0 & & & & a_n \\
\end{vmatrix}
= \left(a_1 - \sum_{i = 2}^{n} \frac{b_ic_i}{a_i} \right) a_2 a_3 \cdots a_n
特殊地,有:
\begin{vmatrix}
a_1 & 1 & 1 & \cdots & 1 \\
1 & a_2 & & & \\
1 & & a_3 & & \\
\vdots & & & \ddots & \\
1 & & & & a_n \\
\end{vmatrix}
= a_2 a_3 \cdots a_n \left(a_1 - \sum_{i = 2}^n \frac{1}{a_i}\right).
变形:若除了对角线所在元素,以及第一行以外,其他数都是同一个数 x,同样可以转化为爪形行列式。
形如
\begin{vmatrix}
a_1 & b_2 & b_3 & \cdots & b_n \\
x & a_2 & x & \cdots & x \\
x & x & a_3 & \cdots & x \\
\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
x & x & x & \cdots & a_n \\
\end{vmatrix}
的行列式,可通过给行列式的每一行都减去第 1 行,转换为爪形行列式。
特殊地,除了对角线以外,元素都是同个数 x 的行列式,有:
\begin{vmatrix}
a_1 & x & x & \cdots & x \\
x & a_2 & x & \cdots & x \\
x & x & a_3 & \cdots & x \\
\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
x & x & x & \cdots & a_n \\
\end{vmatrix}
=
\begin{vmatrix}
a_1 & x - a_1 & x - a_1 & \cdots & x - a_1 \\
x & a_2 - x & & & \\
x & & a_3 - x & & \\
\vdots & & & \ddots & \\
x & & & & a_n - x \\
\end{vmatrix}
最终可计算得
\begin{vmatrix}
a_1 & x & x & \cdots & x \\
x & a_2 & x & \cdots & x \\
x & x & a_3 & \cdots & x \\
\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
x & x & x & \cdots & a_n \\
\end{vmatrix}
=
\left[ a_1 + x(x - a_1) \sum_{i = 2}^n \frac{1}{x - a_i} \right]\prod_{i = 2}^n (a_i - x).
三对角线行列式
三对角线行列式:主对角线全是 a,上次对角线全为 b,下次对角线全为 c 的行列式,形如:
D_n = \begin{vmatrix}
a & b & 0 & \cdots & 0 & 0 \\
c & a & b & \cdots & 0 & 0 \\
0 & c & a & \cdots & 0 & 0 \\
\vdots & \vdots & \vdots & & \vdots & \vdots \\
0 & 0 & 0 & \cdots & a & b \\
0 & 0 & 0 & \cdots & c & a \\
\end{vmatrix}
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