• 线性代数三部曲(二)·Gauss消元


    Part1:几种特殊的行列式

    (1.)上三角行列式:

    [D=egin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&dots&a_{1n}\ 0&a_{22}&dots&a_{2n}\ vdots&vdots&ddots&vdots\ 0&0&dots&a_{nn} end{vmatrix} ]

    称为上三角行列式,即主对角线下均为(0)的行列式,其值等于

    [D=prod_{i=1}^n a_{ii} ]

    即主对角线上元素的乘积.

    (2.)下三角行列式:

    [D=egin{vmatrix} a_{11}&0&dots&0\ a_{21}&a_{22}&dots&0\ vdots&vdots&ddots&vdots\ a_{n1}&a_{n2}&dots&a_{nn} end{vmatrix} ]

    称为下三角行列式,即主对角线上均为(0)的行列式,其值等于

    [D=prod_{i=1}^n a_{ii} ]

    与上三角行列式相等.

    (3.)次对角线行列式:

    [D=egin{vmatrix} 0&dots&0&a_{1n}\ 0&dots&a_{2(n-1)}&a_{2n}\ vdots&ddots&vdots&vdots\ a_{n1}&dots&a_{n(n-1)}&a_{nn} end{vmatrix}=egin{vmatrix} a_{11}&dots&a_{1(n-1)}&a_{1n}\ 0&dots&a_{2(n-1)}&a_{2n}\ vdots&ddots&vdots&vdots\ 0&dots&0&a_{nn} end{vmatrix} ]

    称为次对角线行列式,其值都等于

    [D=(-1)^{frac{n(n-1)}2}prod_{i=1}^n a_{ii} ]

    (4.)范德蒙德行列式:

    [D=egin{vmatrix} 1&1&dots&1\ a_1&a_2&dots&a_n\ vdots&vdots&ddots&vdots\ a_1^n&a_2^n&dots&a_n^n end{vmatrix}= egin{vmatrix} 1&a_1&dots&a_1^n\ 1&a_2&dots&a_2^n\ vdots&vdots&ddots&vdots\ 1&a_n&dots&a_n^n end{vmatrix} ]

    称为范德蒙德(Vandermonde)行列式,其值等于:

    [D=prod_{1le j<ile n}(a_i-a_j) ]

    范氏行列式的一个重要运用就是多项式中的Lagrange插值公式.

    Part2:行列式的性质

    (1.)行列式等于它的转置.所谓转置是指,

    [D^T=det (a_{ji})=egin{vmatrix} a_{11}&a_{21}&dots&a_{n1}\ a_{12}&a_{22}&dots&a_{n2}\ vdots&vdots&ddots&vdots\ a_{1n}&a_{2n}&dots&a_{nn} end{vmatrix}=D. ]

    (2.)交换行列式的不相等的两行(列),行列式变号.我们把交换第(i,j(i e j))行(列)的操作记作(r_ileftrightarrow r_j)((c_ileftrightarrow c_j)).

    (3.)将行列式的一行(列)乘以(k),整个行列式乘以(k).我们把将第(i)行(列)乘以(k)的操作记作(r_i imes k)((c_i imes k)).

    推论1: 行列式的一行全为(0),行列式等于(0).

    推论2: 行列式某一行的公因子可以提到行列式外面.

    (4.)把行列式的某行(列)元素的(k)倍,加到行列式的另一行(列)上,行列式不变.我们把将第(i)行(列)的(k)倍加到第(j(i e j))行(列)的操作记作(r_j+r_i imes k)((c_j+c_i imes k)).

    推论3: 行列式的两行对应成比例,行列式等于(0).

    上面的(2,3,4)性质称为行列式的行变换性质.

    (5.)行列式的某行(列)的每个元素可以表示成两数的和,则行列式等于两个加数对应的替换该行(列)的行列式之和.如,设

    [D=egin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&dots&a_{1n}\ a_{21}&a_{22}&dots&a_{nn}\ vdots&vdots&ddots&vdots\ b_{i1}+c_{i1}&b_{i2}+c_{i2}&dots&b_{in}+c_{in}\ vdots&vdots&ddots&vdots\ a_{n1}&a_{n2}&dots&a_{nn} end{vmatrix} =egin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&dots&a_{1n}\ a_{21}&a_{22}&dots&a_{nn}\ vdots&vdots&ddots&vdots\ b_{i1}&b_{i2}&dots&b_{in}\ vdots&vdots&ddots&vdots\ a_{n1}&a_{n2}&dots&a_{nn} end{vmatrix} + egin{vmatrix} a_{11}&a_{12}&dots&a_{1n}\ a_{21}&a_{22}&dots&a_{nn}\ vdots&vdots&ddots&vdots\ c_{i1}&c_{i2}&dots&c_{in}\ vdots&vdots&ddots&vdots\ a_{n1}&a_{n2}&dots&a_{nn} end{vmatrix} ]

    有了这些性质(主要是性质(4)),我们就可以把行列式转化为已知的行列式类型(大多数为三角行列式),快速求值.这种方法的本质是Gauss消元(Gaussian elimination).

    Part3:Gauss消元求行列式

    栗子:求

    [D=egin{vmatrix} 2&-1&3\ 4&2&5\ 2&0&2 end{vmatrix} ]

    :

    [egin{align} D&{xlongequal{r_2+r_1 imes -2}} egin{vmatrix} 2&-1&3\ 0&4&-1\ 2&0&2 end{vmatrix}\ &{xlongequal{r_3+r_1 imes (-1)}} egin{vmatrix} 2&-1&3\ 0&4&-1\ 0&1&-1 end{vmatrix}\ &{xlongequal{r_2leftrightarrow r_3}}- egin{vmatrix} 2&-1&3\ 0&1&-1\ 0&4&-1 end{vmatrix}\ &{xlongequal{r_3+r_2 imes (-4)}}- egin{vmatrix} 2&-1&3\ 0&1&-1\ 0&0&3 end{vmatrix}\ &=-(2 imes1 imes3)=-6. end{align} ]

    Gauss消元算法是(O(n^3))的.运用熟练之后,是非常快的行列式求值方法.

    本文完

  • 相关阅读:
    【8-21】java学习笔记03
    【每天一点点】
    【8-20】java学习笔记02
    【8-19】java学习笔记01
    【8-18】JS学习01
    【8-17】HTML测试
    Selenium之WebDriverWait
    Selenium之XPATH定位方法
    Fiddler用法
    微服务架构系统的测试
  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/Anverking/p/math-gauss.html
Copyright © 2020-2023  润新知