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线性代数/排列展开/解答

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这些总结了本书中使用的符号 - 和 - 排列。

建议所有读者完成此练习。
问题 1

使用排列展开计算行列式。

解答
  1. 此矩阵是奇异的。
  2. 此矩阵是非奇异的。
建议所有读者完成此练习。
问题 2

使用高斯消元法和置换展开公式计算以下两个行列式。

解答
  1. 高斯消元法得到以下结果
    置换展开公式得到以下结果。
  2. 高斯消元法得到以下结果
    置换展开公式得到以下结果。
建议所有读者完成此练习。
问题 3

使用排列展开公式推导 行列式的公式。

解答

根据 例 3.6 给出以下内容。


问题 4

列出所有 -排列。

解答

这是所有 的排列。



那些 的。



那些 的。



以及那些 的。


问题 5

将排列视为从集合 到自身的函数,它是单射且满射的。因此,每个排列都有一个逆。

  1. 找到每个 -排列的逆。
  2. 找到每个 -排列的逆。
解答

这些都很容易验证。

  1. 排列            
               
  2. 排列                                    
                                       
问题 6

证明 是多线性的当且仅当对于所有 ,此式成立。



解答

对于“如果”部分,第一个条件来自取,第二个条件来自取

“当且仅当”部分也很常规。从,第一个条件给出,第二个条件应用两次得出结果。

问题 7

求此矩阵的排列展开式中唯一的非零项。



通过求解相关排列的符号来计算该行列式。

解答

为了在排列展开中得到一个非零项,我们必须使用 项和 项。确定了这两个项后,我们也必须使用 项和 项。 的符号是 ,因为从



两次行交换 将产生单位矩阵。

问题 8

如果我们将定义中的性质 (4) 改为 ,行列式将如何改变?

解答

它们都会翻倍。

问题 9

验证 [线性代数/排列展开#cor:ColSwapChgSign](/wiki/Linear_Algebra/The_Permutation_Expansion#cor:ColSwapChgSign) 中的第二和第三条语句。

解答

对于第二条语句,给定一个矩阵,将其转置,交换行,再转置回来。结果是交换了列,行列式变化了一个因子 。第三条语句类似:给定一个矩阵,将其转置,对现在的行应用多线性,然后将得到的矩阵转置回来。

建议所有读者完成此练习。
问题 10

证明如果一个 矩阵有一个非零行列式,那么任何列向量 可以表示为矩阵的列的线性组合。

解答

一个具有非零行列式的 矩阵的秩为 ,所以它的列构成 的一个基。

问题 11

判断真假:一个矩阵,其元素只有 0 或 1,它的行列式等于 0、1 或 -1。([Strang 1980](#CITEREFStrang1980))

解答

假。

问题 12
  1. 证明一个 矩阵的排列展开公式中有 项。
  2. 如果 位置上的元素为零,那么有多少项一定会为零?
解答
  1. 第一行元素的列索引有五种选择。然后,第二行元素的列索引有四种选择(第一行使用的列索引不能在此使用)。继续下去,我们得到 。 (参见下一个问题。)
  2. 一旦我们选择第一行的第二列,我们就可以用 种方法选择其他元素。
问题 13

有多少个 排列?

解答

问题 14

如果矩阵 满足 ,则称矩阵 反对称矩阵,如以下矩阵所示。

证明只有当 为偶数时,才存在具有非零行列式的 反对称矩阵。

解答

中,指数 必须为偶数。

建议所有读者完成此练习。
问题 15

为了确保一个 矩阵的行列式为零,最少需要多少个零,以及这些零的放置位置?

解答

证明三个零的任何放置都不足以使行列式为零是常规的。四个零足以使行列式为零;将它们全部放在同一行或同一列。

建议所有读者完成此练习。
问题 16

如果我们有 个数据点 ,并且想要找到一个通过这些点的多项式 ,那么我们可以将这些点代入得到一个 方程 / 未知线性系统。 该系统的系数矩阵称为**范德蒙德矩阵**。 证明该系数矩阵的转置的行列式

等于所有索引 的项的乘积,这些项的形式为 。(这表明,当且仅当数据中的 不互异时,该行列式为零,并且该线性系统没有解。)

解答

的情况显示了该怎么做。 的主元运算得到以下结果。

然后, 的主元运算就得到了想要的结果。

问题 17

矩阵可以分成,例如

它显示了四个块,左上角和右下角是 的方块,右上角和左下角是零块。证明如果矩阵可以分成

其中 是方阵,而 都是零矩阵,那么 .

解答

,设 ,而设 。应用置换展开公式

因为 的右上角全是零,如果一个 至少包含 中的一个作为其前 个列号 ,那么由 产生的项是 (例如,如果 ,那么 )。因此,上面的公式简化为对所有具有两个部分的排列的求和:首先对 进行重排,然后是 的排列。为了看到这给出了 ,进行分配。

建议所有读者完成此练习。
问题 18

证明对于任何 矩阵 ,最多存在 个不同的实数 使得矩阵 的行列式为零(我们将在第五章中使用此结果)。

解答

的情况说明了会发生什么。

排列展开式中的每一项都包含从矩阵中取出的三个因子(例如,),因此行列式可以用 的三阶多项式来表示。这样的多项式最多有 个根。

一般来说,排列展开式表明行列式可以写成一项之和,每一项都有 个因子,得到一个 次多项式。一个 次多项式最多有 个根。

? 问题 19

九个正整数可以被排列成 数组,共有 种方式。求这些数组行列式的和。(Trigg 1963)

解答

这是引用的来源中给出的答案。

当行列式的两行互换时,行列式的符号会改变。当三阶行列式的行被置换时,会得到 个正行列式和 个负行列式,它们的值在绝对值上是相等的。因此, 个行列式被分为 组,每组的和为零。

问题 20

证明

(Silverman & Trigg 1963)

解答

这是引用的来源中给出的答案。

当任何一列的元素从其他两列的每个元素中减去时,导出的行列式的两列中的元素成比例,因此行列式消失。也就是说,

? 问题 21

为一个三阶幻方的整数元素之和,设 为该幻方作为行列式的值。证明 是一个整数。(Trigg & Walker 1949)

解答

这是引用的来源中给出的答案。

具有魔术和. 那么

. 因此,添加行和列,

? 问题 22

证明帕斯卡三角形左上角个元素的行列式

的值为一。(Rupp & Aude 1931

解答

这是引文来源中给出的答案。表示所求行列式,用表示第行第列的元素。 然后根据元素的形成规律,我们有

的最后两行开始,从每行中减去其下一行。在完成 次减法后,上面的等式表明元素 被元素 所取代,并且第一列中的所有元素(除了 )变为零。现在,从最后两列开始,从每列中减去其下一列。在这个过程之后,元素 所取代,如上式所示。这两个操作的结果是将 替换为 ,并将第一行和第一列中的每个元素都减为零。因此 因此

参考文献

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  • Silverman, D. L. (proposer); Trigg, C. W. (solver) (1963), "Quickie 237", Mathematics Magazine, American Mathematical Society, 36 (1) {{citation}}: 未知参数 |month= 被忽略 (帮助).
  • Strang, Gilbert (1980), Linear Algebra and its Applications (2nd ed.), Hartcourt Brace Javanovich
  • Trigg, C. W. (proposer) (1963), "Quickie 307", Mathematics Magazine, American Mathematical Society, 36 (1): 77 {{citation}}: 未知参数 |month= 被忽略 (帮助).
  • Trigg, C. W. (proposer); Walker, R. J. (solver) (1949), "Elementary Problem 813", American Mathematical Monthly, American Mathematical Society, 56 (1) {{citation}}: 未知参数 |month= 被忽略 (帮助).
  • Rupp, C. A. (proposer); Aude, H. T. R. (solver) (1931), "Problem 3468", American Mathematical Monthly, American Mathematical Society, 37 (6): 355 {{citation}}: 未知参数 |month= 被忽略 (帮助).
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