线性代数课件第一章.ppt

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1、线性代数数学科学学院 陆斌,第一章 行列式,第一节 二阶与三阶行列式,二阶行列式,三阶行列式,用消元法解二元线性方程组,一、二阶行列式的引入,方程组的解为,由方程组的四个系数确定.,由四个数排成二行二列（横排称行、竖排称列）的数表,定义,即,主对角线,副对角线,对角线法则,二阶行列式的计算,若记,对于二元线性方程组,系数行列式,则二元线性方程组的解为,注意 分母都为原方程组的系数行列式.,例1,解,二、三阶行列式,定义,记,（6）式称为数表（5）所确定的三阶行列式.,对角线法则,注意 红线上三元素的乘积冠以正号，蓝线上三元素的乘积冠以负号,说明1 对角线法则只适用于二阶与三阶行列式,三阶行列式

2、的计算,例,解,按对角线法则，有,例3,解,方程左端,第二节 全排列及其逆序数,一、概念的引入,引例,用1、2、3三个数字，可以组成多少个没有重复数字的三位数？,二、全排列及其逆序数,问题,定义,把 个不同的元素排成一列，叫做这 个元素的全排列（或排列）.,个不同的元素的所有排列的种数，通常用 表示.,由引例,同理,在一个排列 中，若数 则称这两个数组成一个逆序.,例如 排列32514 中，,定义,我们规定各元素之间有一个标准次序,n 个不同的自然数，规定由小到大为标准次序.,排列的逆序数,3 2 5 1 4,定义 一个排列中所有逆序的总数称为此排列的逆序数.,3 2 5 1 4,于是排列32

3、514的逆序数为,例1 求排列32514的逆序数.,解,在排列32514中,分别计算出排列中每个元素前面比它大的数码个数之和，即算出排列中每个元素的逆序数，这每个元素的逆序数之总和即为所求排列的逆序数.,计算排列逆序数的方法,计算排列逆序数的方法,逆序数为奇数的排列称为奇排列;,逆序数为偶数的排列称为偶排列.,排列的奇偶性,例2 计算下列排列的逆序数.,解,此排列为偶排列.,解,3 n阶行列式的定义,一、概念的引入,二、n阶行列式的定义,三、小结,一、概念的引入,三阶行列式,说明,（1）三阶行列式共有 项，即 项,（2）每项都是位于不同行不同列的三个元素的乘积,（3）每项的正负号都取决于位于不

4、同行不同列 的三个元素的下标排列,例如,列标排列的逆序数为,列标排列的逆序数为,偶排列,奇排列,二、n阶行列式的定义,定义,说明,1、行列式是一种特定的算式，它是根据求解方程个数和未知量个数相同的一次方程组的需要而定义的;,2、阶行列式是 项的代数和;,3、阶行列式的每项都是位于不同行、不同列 个元素的乘积;,4、一阶行列式 不要与绝对值记号相混淆;,5、的符号为,例1计算对角行列式,分析,展开式中项的一般形式是,从而这个项为零，,所以 只能等于,同理可得,解,即行列式中不为零的项为,例2 计算上三角行列式,分析,展开式中项的一般形式是,所以不为零的项只有,解,例3,同理可得下三角行列式,例4

5、 证明对角行列式,1、行列式是一种特定的算式，它是根据求解方程个数和未知量个数相同的一次方程组的需要而定义的.,2、阶行列式共有 项，每项都是位于不同行、不同列 的 个元素的乘积,正负号由下标排列的逆序数决定.,三、小结,思考题,已知,思考题解答,解,含 的项有两项,即,对应于,4 对 换,一、对换的定义,二、对换的性质,三、小结,一、对换的定义,定义,在排列中，将任意两个元素对调，其余元素不动，这种作出新排列的手续叫做对换,将相邻两个元素对调，叫做相邻对换,例如,二、对换与排列的奇偶性的关系,定理1一个排列中的任意两个元素对换，排列改变奇偶性,证明,设排列为,除 外，其它元素的逆序数不改变.

6、,当 时，,经对换后 的逆序数不变，的逆序数减少1.,因此对换相邻两个元素，排列改变奇偶性.,设排列为,当 时，,现来对换 与,所以一个排列中的任意两个元素对换，排列改变奇偶性.,推论,奇排列调成标准排列的对换次数为奇数，偶排列调成标准排列的对换次数为偶数.,定理2 阶行列式也可定义为,其中 为行标排列 的逆序数.,证明,由定理1知对换的次数就是排列奇偶性的变化次数,而标准排列是偶排列(逆序数为0),因此,知推论成立.,证明,按行列式定义有,记,对于D中任意一项,总有且仅有 中的某一项,与之对应并相等;,反之,对于 中任意一项,也总有且仅有D中的某一项,与之对应并相等,于是D与,中的项可以一一

7、对应并相等,从而,定理3 阶行列式也可定义为,其中 是两个 级排列，为行标排列逆序数与列标排列逆序数的和.,解,下标的逆序数为,所以 是六阶行列式中的项.,下标的逆序数为,所以 不是六阶行列式中的项.,例2 在六阶行列式中，下列两项各应带什么符号.,解,431265的逆序数为,所以 前边应带正号.,行标排列341562的逆序数为,列标排列234165的逆序数为,所以 前边应带正号.,1.一个排列中的任意两个元素对换，排列改变奇偶性,2.行列式的三种表示方法,三、小结,其中 是两个 级排列，为行标排列逆序数与列标排列逆序数的和.,5行列式的性质,一、行列式的性质,二、应用举例,三、小结,一、行列

8、式的性质,性质1 行列式与它的转置行列式相等.,行列式 称为行列式 的转置行列式.,记,证明,按定义,又因为行列式D可表示为,故,证毕,性质2 互换行列式的两行（列）,行列式变号.,证明,设行列式,说明 行列式中行与列具有同等的地位,因此行列式的性质凡是对行成立的对列也同样成立.,是由行列式 变换 两行得到的,于是,则有,即当 时,当 时,例如,推论 如果行列式有两行（列）完全相同，则此行列式为零.,证明,互换相同的两行，有,故,证毕,性质3 行列式的某一行（列）中所有的元素都乘以同一数，等于用数 乘此行列式.,推论行列式的某一行（列）中所有元素的公因子可以提到行列式符号的外面,性质行列式中如

9、果有两行（列）元素成比例，则此行列式为零,证明,性质5若行列式的某一列（行）的元素都是两数之和.,则D等于下列两个行列式之和：,例如,性质把行列式的某一列（行）的各元素乘以同一数然后加到另一列(行)对应的元素上去，行列式不变,例如,例,二、应用举例,计算行列式常用方法：利用运算把行列式化为上三角形行列式，从而算得行列式的值,解,例2 计算 阶行列式,解,将第 都加到第一列得,例3,证明,证明,(行列式中行与列具有同等的地位,行列式的性质凡是对行成立的对列也同样成立).,计算行列式常用方法：(1)利用定义;(2)利用性质把行列式化为上三角形行列式，从而算得行列式的值,三、小结,行列式的6个性质,

10、6 行列式按行(列)展开,二、行列式按行（列）展开法则,三、小结,一、余子式与代数余子式,叫做元素 的代数余子式,例如,一、余子式与代数余子式,引理 一个 阶行列式，如果其中第 行所有元素除 外都为零，那末这行列式等于 与它的代数余子式的乘积，即,例如,即有,又,从而,在证一般情形,此时,得,得,中的余子式,故得,于是有,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,证,二、行列式按行（列）展开法则,例1,例2 计算行列式,解,按第一行展开，得,例3 计算行列式,解,证,用数学归纳法,n-1阶范德蒙德行列式,推论 行列式任一行（列）的元素与另一行（列）的对应元素的代

11、数余子式乘积之和等于零，即,证,同理,关于代数余子式的重要性质,1.行列式按行（列）展开法则是把高阶行列式的计算化为低阶行列式计算的重要工具.,三、小结,一、克拉默法则,7 克拉默法则,二、重要定理,三、小结,设线性方程组,则称此方程组为非,齐次线性方程组;,此时称方程组为齐次线性方程组.,非齐次与齐次线性方程组的概念,一、克拉默法则,如果线性方程组,的系数行列式不等于零，即,其中 是把系数行列式 中第 列的元素用方程组右端的常数项代替后所得到的 阶行列式，即,那么线性方程组 有解，并且解是唯一的，解可以表为,证明,在把 个方程依次相加，得,由代数余子式的性质可知,于是,当 时,方程组 有唯一

12、的一个解,也是方程组的 解.,二、重要定理,定理1 如果线性方程组 的系数行列式 则 一定有解,且解是唯一的.,定理2 如果线性方程组 无解或有两个不同的解，则它的系数行列式必为零.,齐次线性方程组的相关定理,定理 如果齐次线性方程组 的系数行列式 则齐次线性方程组 没有非零解.,有非零解.,系数行列式,例1 用克拉默则解方程组,解,例2 用克拉默法则解方程组,解,解,齐次方程组有非零解，则,所以 或 时齐次方程组有非零解.,1.用克拉默法则解方程组的两个条件,(1)方程个数等于未知量个数;,(2)系数行列式不等于零.,2.克拉默法则建立了线性方程组的解和已知的系数与常数项之间的关系.它主要适

13、用于理论推导.,三、小结,典型例题,测试题,主要内容,第一章 习题课,把 个不同的元素排成一列，叫做这 个元素的全排列（或排列）,个不同的元素的所有排列的种数用 表示，且,全排列,逆序数为奇数的排列称为奇排列，逆序数为偶数的排列称为偶排列,在一个排列 中，若数，则称这两个数组成一个逆序,一个排列中所有逆序的总数称为此排列的逆序数,逆序数,分别计算出排列中每个元素前面比它大的数码个数之和，即算出排列中每个元素的逆序数，每个元素的逆序数之总和即为所求排列的逆序数,方法2,方法1,分别计算出排在 前面比它大的数码之和，即分别算出 这 个元素的逆序数，这 个元素的逆序数之总和即为所求排列的逆序数,计算

14、排列逆序数的方法,定义,在排列中，将任意两个元素对调，其余元素不动，称为一次对换将相邻两个元素对调，叫做相邻对换,定理,一个排列中的任意两个元素对换，排列改变奇偶性,推论,奇排列调成标准排列的对换次数为奇数，偶排列调成标准排列的对换次数为偶数,对换,n阶行列式的定义,n阶行列式的性质,）余子式与代数余子式,行列式按行（列）展开,）关于代数余子式的重要性质,克拉默法则,克拉默法则的理论价值,定理,定理,定理,定理,一、计算排列的逆序数,二、计算（证明）行列式,三、克拉默法则,典型例题,分别算出排列中每个元素前面比它大的数码之和，即算出排列中每个元素的逆序数,解,例,一、计算排列的逆序数,当 为偶

15、数时，排列为偶排列，,当 为奇数时，排列为奇排列,于是排列的逆序数为,用定义计算（证明）,例用行列式定义计算,二、计算（证明）行列式,解,评注本例是从一般项入手，将行标按标准顺序排列，讨论列标的所有可能取到的值，并注意每一项的符号，这是用定义计算行列式的一般方法,注意,例设,证明,由行列式的定义有,评注本题证明两个行列式相等，即证明两点，一是两个行列式有完全相同的项，二是每一项所带的符号相同这也是用定义证明两个行列式相等的常用方法,利用范德蒙行列式计算,例计算,利用范德蒙行列式计算行列式，应根据范德蒙行列式的特点，将所给行列式化为范德蒙行列式，然后根据范德蒙行列式计算出结果。,解,上面等式右端

16、行列式为n阶范德蒙行列式，由范德蒙行列式知,评注本题所给行列式各行（列）都是某元素的不同方幂，而其方幂次数或其排列与范德蒙行列式不完全相同，需要利用行列式的性质（如提取公因子、调换各行（列）的次序等）将此行列式化成范德蒙行列式,用化三角形行列式计算,例计算,解,提取第一列的公因子，得,评注本题利用行列式的性质，采用“化零”的方法，逐步将所给行列式化为三角形行列式化零时一般尽量选含有的行（列）及含零较多的行（列）；若没有，则可适当选取便于化零的数，或利用行列式性质将某行（列）中的某数化为1；若所给行列式中元素间具有某些特点，则应充分利用这些特点，应用行列式性质，以达到化为三角形行列式之目的,用降

17、阶法计算,例计算,解,评注本题是利用行列式的性质将所给行列式的某行（列）化成只含有一个非零元素，然后按此行（列）展开，每展开一次，行列式的阶数可降低 1阶，如此继续进行，直到行列式能直接计算出来为止（一般展开成二阶行列式）这种方法对阶数不高的数字行列式比较适用,用拆成行列式之和（积）计算,例证明,证,用递推法计算,例计算,解,由此递推，得,如此继续下去，可得,评注,用数学归纳法,例证明,证,对阶数n用数学归纳法,评注,计算行列式的方法比较灵活，同一行列式可以有多种计算方法；有的行列式计算需要几种方法综合应用在计算时，首先要仔细考察行列式在构造上的特点，利用行列式的性质对它进行变换后，再考察它是

18、否能用常用的几种方法,小结,当线性方程组方程个数与未知数个数相等、且系数行列式不等于零时，可用克莱姆法则为了避免在计算中出现分数，可对有的方程乘以适当整数，把原方程组变成系数及常数项都是整数的线性方程组后再求解,三、克拉默法则,解,设所求的二次多项式为,由题意得,由克莱姆法则，得,于是，所求的多项式为,证,例12有甲、乙、丙三种化肥，甲种化肥每千克含氮70克，磷8克，钾2克；乙种化肥每千克含氮64克，磷10克，钾0.6克；丙种化肥每千克含氮70克，磷5克，钾1.4克若把此三种化肥混合，要求总重量23千克且含磷149克，钾30克，问三种化肥各需多少千克？,解,例13,解,第一章 测试题,一、填空题(每小题4分，共40分),二、计算下列行列式(每小题9分，共18分),有非零解？,三、解答题(9分),四、证明(每小题8分，共24分),五、(9分)设 行列式,求第一行各元素的代数余子式之和,测试题答案,