• 20-克拉默法则、逆矩阵、体积


    一、二阶矩阵的逆矩阵

     $A^{-1}$的公式:$left[egin{array}{ll}{a} & {b} \ {c} & {d}end{array} ight]^{-1}=frac{1}{a d-b c}left[egin{array}{rr}{d} & {-b} \ {-c} & {a}end{array} ight]$

     在上面的例子中,我们知道$frac{1}{a d-b c}$其实就是$frac{1}{det A}$,而$left[egin{array}{rr}{d} & {-b} \ {-c} & {a}end{array} ight]$正好是每个元素的代数余子式组成的矩阵,然后进行了转置,事实上对于$n*n$矩阵:

    $A^{-1}=frac{1}{operatorname{det} A} C^{T}$

    其中$C$是代数余子式矩阵(注意到转置符号),$A$第一行的代数余子式,对应$A^{-1}$中的第一列

     通过上面的公式计算逆矩阵,$A$的行列式需要将$n$项和对应的$n-1$矩阵对应的代数余子式相乘,相比这种方法,使用高斯-约尔当消元法求的逆矩阵更为简单。

    二、证明上面的逆矩阵计算公式

     我们只需要验证$AC^T=(det A)I$即可

     $A C^{T}=left[egin{array}{ccc}{a_{11}} & {cdots} & {a_{1 n}} \ {vdots} & {ddots} & {vdots} \ {a_{n 1}} & {cdots} & {a_{n n}}end{array} ight]left[egin{array}{ccc}{C_{11}} & {cdots} & {C_{n 1}} \ {vdots} & {ddots} & {vdots} \ {C_{1 n}} & {cdots} & {C_{n n}}end{array} ight]$

     通过乘法得到的矩阵的第一行第一列的元素是:

    $sum_{j=1}^{n} a_{1 j} C_{j 1}=operatorname{det} A$

     $AC^T$对角线上的每个元素都是上面计算得到的结果。现在我们需要验证$AC^T$对角线以外的元素都是0

     在二乘二的矩阵中,$A$的第一行乘$C^T$的第二列:$a(-b) + b(-a) = 0$,在高维矩阵中,$A$的第一行与$C^T$第二列的乘积可以看作是第一行第二行相同的矩阵(奇异矩阵)的行列式,故乘积为零。(比较绕口:根据行列式计算方法-某行元素分别与各自代数余子式相乘,然后加和。那么我们想象一下:$A$的第一行与$C^T$第二列的乘积可以看作是哪个矩阵的行列式呢?这个矩阵就是第一行和第二行相同的矩阵,其行列式为零)对于$AC^T$对角线以外的其他元素,道理相似,均为0,所以上面的计算逆矩阵公式得以验证

     通过上面的逆矩阵计算式子,可以了解当矩阵变化时,逆矩阵会如何变化

    三、克拉默法则(关于$x=A^{-1}b$)

     如果$A$是非奇异矩阵时,如果$Ax=b$,则$x=A^{-1}b$,结合$A^{-1}=frac{1}{operatorname{det} A} C^{T}$,则

    $x=frac{1}{operatorname{det} A} C^{T}b$

     克拉默(Crammer's rule)法则提供了一种分解上述等式的方式。为了得到克拉默法则,将$x$的每个部分进行单独分析,因为$C^Tb$的第$i$部分是一组代数余子式和数字乘积之和,也可以看作是矩阵$B_j$的行列式,则有:

    $x_{j}=frac{operatorname{det} B_{j}}{operatorname{det} A}$

     $B_j$是矩阵$A$中的第$j$列替换为$b$得到的:

    但是需要记住的是,使用克拉默法则计算并没有使用消元法效率高。

    四、行列式求体积

     1)$|det A|$=盒子的体积

      $|det A|$是由$A$的列向量组成的平行六面体盒子的体积。(也可以用行向量组成不同的盒子,但是体积是相同的。

      如果$A=I$,则盒子是单位立方体,其体积为$1$,与行列式性质一相同

      如果$A=Q$,且是正交矩阵,则盒子是一个不同方向的单位立方体,体积为 $1=|det Q|$,因为正交,所以$Q^TQ=I$,根据行列式性质9和10,$operatorname{det} Q=pm 1$

      交换$A$的两列,并不会改变盒子的体积(因为$det A = det A^T$,交换两列后行列式只是符号变化,绝对值不变)

     2)知道盒子边角坐标,求面积

      如由$left[egin{array}{l}{a} \ {b}end{array} ight]$和$left[egin{array}{l}{c} \ {d}end{array} ight]$组成的平行四边行面积为:$ad-bc$

      由$left[egin{array}{l}{a} \ {b}end{array} ight]$和$left[egin{array}{l}{c} \ {d}end{array} ight]$组成的三角形的面积为平行四边形的一半:$frac{1}{2}(ad-bc)$

      另外,由$(x_1, y_1), (x_2, y_2),(x_13 y_3)$构成的三角形的面积是:

    $frac{1}{2}left|egin{array}{lll}{x_{1}} & {y_{1}} & {1} \ {x_{2}} & {y_{2}} & {1} \ {x_{3}} & {y_{3}} & {1}end{array} ight|$

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