計算行列式並無固定的方法.其實,同乙個行列式可以有多種不同的方法進行計算.因此,除了掌握好行列式的基本性質外,針對行列式的結構特點,選取恰當的方法,才能較快地酸楚行列式.這一講,我們將介紹一些常用的方法.
1. 化為已經熟悉的行列式來計算
我們已經知道上(下)三角行列式、範德蒙行列式以及形如
, 的行列式的結果.如果利用行列式的性質可把給定的行列式化為以上這些形式,則不難求出所給行列式的值.
為了敘述簡便,仍用記號表示互換行列式的第i行(列)與第j行(列);用表示將行列式第j行(列)的k倍加到第i行(列);用表示將第i行(列)乘以非零的數c.
例1 計算行列式
.解這是乙個階數不高的數值行列式,通常將它化為上(下)三角行列式來計算.
例2 計算n階行列式
.解這個行列式每一列的元素,除了主對角線上的外,都是相同的,且各列的結構相似,因此n列之和全同.將第2,3,…,n列都加到第一列上,就可以提出公因子且使第一列的元素全是1.
例3 計算階行列式
.其中.
解這個行列式的每一行元素的形狀都是, 0,1,2,…,n.即按降冪排列,按公升冪排列,且次數之和都是n,又因,若在第i行(1,2,…,n)提出公因子,則d可化為乙個轉置的範德蒙行列式,即
2. 降階法
當乙個行列式的某一行(列)的元素有比較多0時,利用行列式的依行(列)展開定理將它化為較低階的行列式來計算.
例4 計算n(n≥2)階行列式
.解按第一行展開,得
.再將上式等號右邊的第二個行列式按第一列展開,則可得到
.3. 拆項法
拆項法是將給定的行列式的某一行(列)的元素都寫成同樣多的和,然後利用性質6將它表成一些比較容易計算的行列式的和.
例5 計算n(n≥2)階行列式
.解將按第一列拆成兩個行列式的和,即
.再將上式等號右端的第乙個行列式第i列(,3,…,n)減去第一列的i倍;第二個行列式提出第一列的公因子,則可得到
當n≥3時,.
當時,.
例6 計算n階行列式
,().
解將第一行的元素都表成兩項的和,使變成兩個行列式的和,即
將等號右端的第乙個行列式按第一行展開,得:
.這裡是乙個與有相同結構的階行列式;將第二個行列式的第一行加到其餘各行,得:
於是有1)
另一方面,如果將的第一行元素用另一方式表成兩項之和:
仿上可得:
2)將(1)式兩邊乘以,(2)式兩邊乘以,然後相減以消去,得:
.4. 加邊法
在給定的行列式中添上一行和一列,得加邊行列式,建立新的行列式與原行列式的聯絡,以求得結果.
例7 計算n(n≥2)階行列式
,其中.
解先將添上一行一列,變成下面的階行列式:
.顯然,.將的第一行乘以後加到其餘各行,得
.因,將上面這個行列式第一列加第i(,…,)列的倍,得:故.
5. 遞推法
遞推法是根據行列式的構造特點,利用行列式的性質,將給定的行列式表成若干個具有相同形狀以及一些容易計算的,但階數較低的行列式之和,然後利用這種關係式計算原行列式的值,最後再用數學歸納法證明所得到的結果正確.這是一種頗常使用的方法,在計算範德蒙行列式時已建立過遞推關係式,本講的例6也利用了遞推關係式.
使用遞推法計算行列式,一般分三個步驟,首先找出遞推關係式,然後算出結果,最後用數學歸納法證明結果正確.
例8 計算n階行列式
.解首先建立遞推關係式.按第一列展開,得:
這裡與有相同的結構,但階數是的行列式.
現在,利用遞推關係式計算結果.對此,只需反覆進行代換,得:
因,故.
最後,用數學歸納法證明這樣得到的結果是正確的.
當時,顯然成立.設對階的情形結果正確,往證對n階的情形也正確.由
可知,對n階的行列式結果也成立.
根據歸納法原理,對任意的正整數n,結論成立.
例9 證明n階行列式
.證明按第一列展開,得
.其中,等號右邊的第乙個行列式是與有相同結構但階數為的行列式,記作;第二個行列式,若將它按第一列展開就得到乙個也與有相同結構但階數為的行列式,記作.這樣,就有遞推關係式:
.因為已將原行列式的結果給出,我們可根據得到的遞推關係式來證明這個結果是正確的.
當時,,結論正確.
當時,,結論正確.
設對的情形結論正確,往證時結論也正確.
由可知,對n階行列式結果也成立.
根據歸納法原理,對任意的正整數n,結論成立.
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