视频1:行列式的入门
原视频:线性代数!启动!从零开始到精通|第一集_哔哩哔哩_bilibili
一、二阶与三阶行列式
小学我们就接触过鸡兔同笼,这个问题让我们第一次接触到了方程组的思想。我们可以将它抽象成一个二元一次方程组,然后利用加减消元或带入消元就能很快的将方程组求出来。那如果是一个三元一次方程组呢?无非就是计算量大了些,但也能求。但如果是五元一次方程组呢?或者更高元的呢?那之前的方法就不太合适了。
所以为了解决这类方程组,数学家们发明了行列式。从而可以快速得出方程组的解。这里我们把方程组的系数抽出来,仍按照原来的位置,然后在两边加上两条竖线,得到的就是行列式。如下图👇
至此以后,这一类方程组的求解工作就变得非常简单了。这就是行列式出现的原因。
如果你想学号行列式,只需要搞懂4个问题:行列式的本质是什么、行列式是从哪来的、行列式是怎么定义的、行列式都有哪些性质
1、行列式的本质是什么
由上图👆,如果abcd都是常数的话,那么得到的最后结果也就是一个数字而已。这里你就已经知道了行列式的本质:行列式就是一个数而已。(很多考研的同学马上要上考场了,都还不知道行列式其实就是个数字)
所以这里我们可以粗略地下一个定义:行列式就是行数等于列数,边界有两条竖线的算式,最终的结果就是一个数字。
问:是否存在三行四列的行列式?
答:不存在。因为一开始我们就下了定义,行列式是行数等于列数的一个算式,而三行四列显然行数不等于列数,所以不行。
问:如果已知一个行列式内部不含参数,那么对这个行列式求导的结果是什么?
答:对行列式求导,结果为0。因为前面说过,行列式的结果就是一个具体的数,那也就是对这个数进行求导,结果当然是0
2、行列式是从哪来的
我们前面已经知道了行列式的本质,那么接下来我们看另一个问题:行列式是从哪来的。
我们现在来求解下图👇的二元一次方程组,我们将方程组转化成一种普适的形状,如果我们能将这个抽象化的方程组的解写成通项公式,那么面对所有的二元一次方程组我们都能将它的解给写出来。
现在,解虽然写出来了,但是有点太复杂了,这玩意儿要是当成通项公式背的话显然有难度。于是数学家们想,这个解有没有更简单的表达形式呢?
下面,我们来验证一下上面的推论是否正确👇
问:
问:三元一次方程组何时有唯一解?
答:当这个方程的未知数前面的系数组成的三阶行列式不等于0的时候,那么这个方程组就有唯一解。如下图👇
那么,三阶行列式如何求解呢?如下图👇
明白了低阶行列式怎么算之后,我们来简单回顾一下刚才所学的内容。
行列式的本质就看它的中文名,其实就是一个算式,算式的结果就是数字。
行列式的起源就看它的英文名,determinant,决定了这类方程组是否有唯一解。方程组的特点就是“方”,未知数个数等于方程个数。如果行列式不为0的话,就说明这个方程组它是有唯一解的。
那么到这里,第一节的内容我们就完全搞定了,接下来我们来介绍下一节的内容——全排列和对换的概念。👇
二、全排列和对换
1、全排列是啥?
其实,“全排列”这个名字起得不是很好,所以我们不妨用它的别名——n元排列
即:
这样,我们就理解了全排列(即n元排列)是怎么一回事了。
2、逆序数是啥?
(1)逆序与逆序数
通过上图这样依次去看,然后连线的方式,逆序数可以很快地求出来。这么做的好处是不用走回头路,发现逆序数就连一条线,最后逆序数就等于线的个数。但是如果线太多了就容易乱啊。这一点不用担心,因为题目不会给我们一个很长的数让我们求它的逆序数的,一般最长也就5-6个数。
(2)奇偶排列
接下来我们介绍奇偶排列。这个概念其实也很简单,即:逆序数如果为奇数,那就是奇排列;如果逆序数为偶数,那就是偶排列。
那么为什么要介绍这个东西呢?其实在线性代数中,我们并不在意逆序数本身的大小,而是更在意它的奇偶性。比如两个n元排列,一个逆序数为1,另一个的逆序数为999,那么在我们眼里它们其实都叫奇排列就可以了,并不用在意它本身的大小。这个我们下节课再讲。
接下来,我们先把对换的概念讲明白。👇
(3)对换两数,奇偶改变
对换,顾名思义,就是在一组排列之中,把两个数进行交换的操作。那么只要发生了对换操作,逆序数的奇偶性就一定发生改变(即奇排列一定会变成偶排列,偶排列一定会变成奇排列)
(3-1)相邻对换
由上图👆,我们就可以观察出来,就是如果发生了相邻对换,其实大部分数的相对顺序并没有发生改变,改变的其实就看你交换的那两个数,如果它本来是顺序的话,你交换变成了逆序,那逆序数就加1,反之同理。所以这种加1减1的操作都会造成它的奇偶性发生改变。
下图是关于相邻对换的普适性表示。👇
对于,以及,交换a和b对这些数都没有影响。但是对于ab来说,它俩的顺序发生了改变,所以逆序数要么加1,要么减1,而后果都是造成逆序数的奇偶性发生改变。
(3-2)任意对换
其实一个定理的证明往往是建立在一个更简单的定理之上的。那么根据我们上面学的“相邻对换”的性质,我们现在来研究“任意对换”对奇偶性的影响。
如上图👆,现在我们从一排数中任意选出A和B,它们之间隔了k个数。那如果我们想要直接交换A和B,想要判断逆序数是怎么变的其实比较困难。因为这和相邻对换不一样,因为它们中间夹了很多数。
那么我们可以这样,让A和右侧的数挨个交换,一共交换k次。如下图👇
此时,A距离B仅剩一步之遥了。然后我们再让B去到A原先的位置。如下图👇
继续走,如下图👇
如上图👆,这时候,B只要再往前走一次,就到了A原先的位置。即:👇
这时候,A和B就完成了一次任意对换。但实际上我们是通过次相邻对换达到的,并且其他数的位置并没有发生改变。显然是个奇数,所以它的奇偶性一定发生了改变。
最后我们证明了:在一组排列中,只要两个数发生了对换(无论是相邻对换还是任意对换),那么这个排列的逆序数的奇偶性就一定发生改变(奇排列一定变成偶排列,偶排列一定变成奇排列)。