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線性代數/排列展開/解答

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這些總結了本書中使用的符號 - 和 - 排列。

建議所有讀者完成此練習。
問題 1

使用排列展開計算行列式。

解答
  1. 此矩陣是奇異的。
  2. 此矩陣是非奇異的。
建議所有讀者完成此練習。
問題 2

使用高斯消元法和置換展開公式計算以下兩個行列式。

解答
  1. 高斯消元法得到以下結果
    置換展開公式得到以下結果。
  2. 高斯消元法得到以下結果
    置換展開公式得到以下結果。
建議所有讀者完成此練習。
問題 3

使用排列展開公式推導 行列式的公式。

解答

根據 例 3.6 給出以下內容。


問題 4

列出所有 -排列。

解答

這是所有 的排列。



那些 的。



那些 的。



以及那些 的。


問題 5

將排列視為從集合 到自身的函式,它是單射且滿射的。因此,每個排列都有一個逆。

  1. 找到每個 -排列的逆。
  2. 找到每個 -排列的逆。
解答

這些都很容易驗證。

  1. 排列            
               
  2. 排列                                    
                                       
問題 6

證明 是多線性的當且僅當對於所有 ,此式成立。



解答

對於“如果”部分,第一個條件來自取,第二個條件來自取

“當且僅當”部分也很常規。從,第一個條件給出,第二個條件應用兩次得出結果。

問題 7

求此矩陣的排列展開式中唯一的非零項。



透過求解相關排列的符號來計算該行列式。

解答

為了在排列展開中得到一個非零項,我們必須使用 項和 項。確定了這兩個項後,我們也必須使用 項和 項。 的符號是 ,因為從



兩次行交換 將產生單位矩陣。

問題 8

如果我們將定義中的性質 (4) 改為 ,行列式將如何改變?

解答

它們都會翻倍。

問題 9

驗證 [線性代數/排列展開#cor:ColSwapChgSign](/wiki/Linear_Algebra/The_Permutation_Expansion#cor:ColSwapChgSign) 中的第二和第三條語句。

解答

對於第二條語句,給定一個矩陣,將其轉置,交換行,再轉置回來。結果是交換了列,行列式變化了一個因子 。第三條語句類似:給定一個矩陣,將其轉置,對現在的行應用多線性,然後將得到的矩陣轉置回來。

建議所有讀者完成此練習。
問題 10

證明如果一個 矩陣有一個非零行列式,那麼任何列向量 可以表示為矩陣的列的線性組合。

解答

一個具有非零行列式的 矩陣的秩為 ,所以它的列構成 的一個基。

問題 11

判斷真假:一個矩陣,其元素只有 0 或 1,它的行列式等於 0、1 或 -1。([Strang 1980](#CITEREFStrang1980))

解答

假。

問題 12
  1. 證明一個 矩陣的排列展開公式中有 項。
  2. 如果 位置上的元素為零,那麼有多少項一定會為零?
解答
  1. 第一行元素的列索引有五種選擇。然後,第二行元素的列索引有四種選擇(第一行使用的列索引不能在此使用)。繼續下去,我們得到 。 (參見下一個問題。)
  2. 一旦我們選擇第一行的第二列,我們就可以用 種方法選擇其他元素。
問題 13

有多少個 排列?

解答

問題 14

如果矩陣 滿足 ,則稱矩陣 反對稱矩陣,如以下矩陣所示。

證明只有當 為偶數時,才存在具有非零行列式的 反對稱矩陣。

解答

中,指數 必須為偶數。

建議所有讀者完成此練習。
問題 15

為了確保一個 矩陣的行列式為零,最少需要多少個零,以及這些零的放置位置?

解答

證明三個零的任何放置都不足以使行列式為零是常規的。四個零足以使行列式為零;將它們全部放在同一行或同一列。

建議所有讀者完成此練習。
問題 16

如果我們有 個數據點 ,並且想要找到一個透過這些點的多項式 ,那麼我們可以將這些點代入得到一個 方程 / 未知線性系統。 該系統的係數矩陣稱為**範德蒙德矩陣**。 證明該係數矩陣的轉置的行列式

等於所有索引 的項的乘積,這些項的形式為 。(這表明,當且僅當資料中的 不互異時,該行列式為零,並且該線性系統沒有解。)

解答

的情況顯示了該怎麼做。 的主元運算得到以下結果。

然後, 的主元運算就得到了想要的結果。

問題 17

矩陣可以分成,例如

它顯示了四個塊,左上角和右下角是 的方塊,右上角和左下角是零塊。證明如果矩陣可以分成

其中 是方陣,而 都是零矩陣,那麼 .

解答

,設 ,而設 。應用置換展開公式

因為 的右上角全是零,如果一個 至少包含 中的一個作為其前 個列號 ,那麼由 產生的項是 (例如,如果 ,那麼 )。因此,上面的公式簡化為對所有具有兩個部分的排列的求和:首先對 進行重排,然後是 的排列。為了看到這給出了 ,進行分配。

建議所有讀者完成此練習。
問題 18

證明對於任何 矩陣 ,最多存在 個不同的實數 使得矩陣 的行列式為零(我們將在第五章中使用此結果)。

解答

的情況說明了會發生什麼。

排列展開式中的每一項都包含從矩陣中取出的三個因子(例如,),因此行列式可以用 的三階多項式來表示。這樣的多項式最多有 個根。

一般來說,排列展開式表明行列式可以寫成一項之和,每一項都有 個因子,得到一個 次多項式。一個 次多項式最多有 個根。

? 問題 19

九個正整數可以被排列成 陣列,共有 種方式。求這些陣列行列式的和。(Trigg 1963)

解答

這是引用的來源中給出的答案。

當行列式的兩行互換時,行列式的符號會改變。當三階行列式的行被置換時,會得到 個正行列式和 個負行列式,它們的值在絕對值上是相等的。因此, 個行列式被分為 組,每組的和為零。

問題 20

證明

(Silverman & Trigg 1963)

解答

這是引用的來源中給出的答案。

當任何一列的元素從其他兩列的每個元素中減去時,匯出的行列式的兩列中的元素成比例,因此行列式消失。也就是說,

? 問題 21

為一個三階幻方的整數元素之和,設 為該幻方作為行列式的值。證明 是一個整數。(Trigg & Walker 1949)

解答

這是引用的來源中給出的答案。

具有魔術和. 那麼

. 因此,新增行和列,

? 問題 22

證明帕斯卡三角形左上角個元素的行列式

的值為一。(Rupp & Aude 1931

解答

這是引文來源中給出的答案。表示所求行列式,用表示第行第列的元素。 然後根據元素的形成規律,我們有

的最後兩行開始,從每行中減去其下一行。在完成 次減法後,上面的等式表明元素 被元素 所取代,並且第一列中的所有元素(除了 )變為零。現在,從最後兩列開始,從每列中減去其下一列。在這個過程之後,元素 所取代,如上式所示。這兩個操作的結果是將 替換為 ,並將第一行和第一列中的每個元素都減為零。因此 因此

參考文獻

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  • Silverman, D. L. (proposer); Trigg, C. W. (solver) (1963), "Quickie 237", Mathematics Magazine, American Mathematical Society, 36 (1) {{citation}}: 未知引數 |month= 被忽略 (幫助).
  • 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}}: 未知引數 |month= 被忽略 (幫助).
  • Trigg, C. W. (proposer); Walker, R. J. (solver) (1949), "Elementary Problem 813", American Mathematical Monthly, American Mathematical Society, 56 (1) {{citation}}: 未知引數 |month= 被忽略 (幫助).
  • Rupp, C. A. (proposer); Aude, H. T. R. (solver) (1931), "Problem 3468", American Mathematical Monthly, American Mathematical Society, 37 (6): 355 {{citation}}: 未知引數 |month= 被忽略 (幫助).
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